排水性沥青混合料抗车辙能力及其敏感性分析.pdf

第 1 6卷第 4期 2 0 1 3年 8月 建筑材料学报 j oURNAL OF BUI I DI NG MATERI AL S Vo 【 1 6， No 4 Au g ， 2 01 3 文 章 编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 6 0 3 0 5 排水性沥青混合料抗 车辙 能力及 其敏 感性分析 李立寒 ， 王 浩仰 ， 耿 韩 ( 1 同济 大学 道 路与 交通 工程 教 育部重 点 实验 室 ，上海 2 0 1 8 0 4 ； 2 东南 大学 交 通学 院 ， 江苏 南 京 2 1 0 0 9 6 ) 摘要 ：采用沥青路 面分析仪( AP A) 对排水性沥青混合料( D A 混合料) 和 S MA混合料进行标准条 件和 重载 交通 条件 下 的车辙 试验 ， 采 用 车辙深 度 指标 分 析 D A 混合 料 的抗 车辙 能 力及 其 对 加 载 水 平 、 加 载 次数及 温度 的敏 感 性 结果 表 明 ： 采 用 高黏 度 沥青 、 适 当级 配组 成 并 予 以充 分 压 实， D A 混 合料 的抗 车辙 能 力可有 效提 高； DA 混合 料抗 车辙 能 力对加 栽 水平 、 加 载 次数 以及 温度 的敏 感 性均 低 于 S MA 混合料 关键词 ：道路工程 ； 排 水性沥青混合料 ； 抗车辙 能力；车辙试验 中图分 类 号 ： U4 1 4 文 献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 3 0 4 0 0 9 Ana l y s i s o n Ru t t i ng Re s i s t a nc e o f Dr a i n a g e As ph a l t M i x t u r e a nd I t s S e ns i t i v i t y LI Li ha n ， W AN G H ao yan g ， GENG H a n ( 1 Ke y La b o r a t o r y o f Ro a d a n d Tr a f f i c En g i n e e r i n g o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n，To n g l i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4，Ch i n a； 2 Tr a n s p o r t a t i o n Co l l e g e ，S o u t h e a s t Un i v e r s i t y，Na n j i n g 2 1 0 0 9 6，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：W h e t h e r d r a i n a g e a s p h a l t mi x t u r e ( DA mi x t u r e )i s a p p l i c a b l e t o h e a v y t r a f f i c l o a d h a s b e e n a ma i n t o p i c o f m u c h di s c u s s i o nTh e r ut t i ng t e s t s of DA m i x t ur e a nd SM A mi xt u r e u nd e r s t a nd a r d c o nd i t i o n a nd he a v y t r a f f i c l o a d c o n d i t i o n we r e c a r r i e d o u t b y u s i n g a s p h a l t p a v e me n t a n a l y z e r ( APA) I n d i c a t o r o f r u t t i n g d e pt h i s u s e d t o e v a l ua t e r ut t i ng r e s i s t a nc e o f DA mi x t ur e a nd i t s s e n s i t i vi t y t o l oa d l e v e l ，l o a d nu m b e r s a n d t e mp e r a t u r e Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e r ut t i n g r e s i s t a n c e o f DA mi x t u r e c o u l d b e i mp r o v e d e f f e c t i v e l y b y u s i n g hi g h v i s c o s i t y a s pha l t ，a pp r o pr i a t e g r a d at i o n a n d c e r t a i n c ompa c t i on The s e ns i t i vi t y of r u t t i n g r e s i s t a nc e o f DA mi xt u r e t o l oa d l e v e l ，l o a d nu m b e r s a nd t e mpe r a t u r e i s l o we r t h a n t h a t of SM A mi xt ur e Ke y wo r d s ：r o a d e n g i n e e r i n g；d r a i n a g e a s p h a l t mi x t u r e ( DA mi x t u r e ) ；r u t t i n g r e s i s t a n c e ；r u t t i n g t e s t 排水性 沥青 路 面空 隙率 较 大 ， 因此其 具 有 排水 、 防雾、 抗滑等功能口 白 2 O世纪 6 0年代开始， 排水 性 沥青路 面在西欧 、 美 国与 日本 等 国家得 到 了广泛使 用 到 2 0 世 纪 9 O年代 ， 日本道路 工 团规定 ， 其新 建改 建 的高速公路表面层都必须采用排水性沥青路面l 4 我 国在 2 O 世 纪 9 O年 代初 期 开 始进 行排 水 性 沥青 混 合 料 ( D A混合料 ) 研 究 ， 就 排水 性 沥青 混 合料 材料 组 成 、 设计方法 和性 能 评价 进 行 了大 量 工作 ， 并 在 我 国 诸 多省市 的高等级公 路 、 快速 公路 上铺筑应 用 然而 ， 由于排水性 沥青混合料 空隙率较 大 ， 其在 重载交 通下 的抗车辙能力仍然是人们关注的热点 本 文采 用 沥 青 路 面分 析 仪 ( AP A) 对 D A 混 合 料 和 S MA 混合 料 进行标 准条 件 和重 载 交 通条 件 下 的车辙 试验 ， 采 用 车 辙 深度 指 标 评 价 DA 混 合 料 的 抗 车辙 能力 及 其对 加 载 水 平 、 加 载 次 数 以及 温 度 的 敏感性 ， 分析沥青品质 、 混合料级配类型对 D A混合 料 抗 车辙 能 力 的影 响 ， 分 析 DA 混 合 料 与 S MA 混 合料抗车辙性能的差异 ， 进而判别 DA 昆合料用于 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 3 一 l 6 ；修订 日期 ： 2 0 1 2 - 0 7 0 2 基金项 目： 住房和城乡建设部科学技术项 目( 2 0 0 8 一 R2 2 4 ) 第一作者 ： 李立寒 ( 1 9 5 7 一) ， 女 ， 湖南涟源人 ， 同济大学教授 ， 博士生导师 ， 硕士 E ma i l ： l h l i t o n g j i e d u c “ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 0 4 建筑材料学报 第 1 6 卷 重载 交通道 路 排水 性 沥青 路 面 的适应 性 ， 为排 水 性 沥青混合料在重载交通路段的应用提供理论基础 1 试验 1 I试 验材料 本研 究采 用 9种 沥青 材 料 。 9种 沥 青 材 料 的 零 剪切黏 度 ( 6 0) E s 、 针 入度和 软化点测 试值 见表 1 所用集料分别为 1 O 1 5 iT l m辉绿岩、 5 1 0 mi D _ 辉 绿岩 、 0 5 mi D _ 石 灰 岩 ， 填 料 为磨 细石 灰岩 矿 粉 各 档集 料与矿 粉主要 技术 指标均 符合 J T G F 4 O - 2 0 O 4 公路 沥青路 面施 工技术 规范 要 求 DA混合料分别采用 3种级配 S MA混合料采 表 1 沥青性能测试结果 Ta b l e 1 Ex p e r i me nt a l r e s u l t s o f a s p h a l t p e r f o r ma n c e 用 S B S改性沥青 配制 D A混 合料和 S MA混合料D A混合料( 沥青为高黏度沥青一 4 ) 和 S MA混合料 级 配组 成见表 2 DA混 合料 中沥青 膜厚 度为1 3 F m 性 能见表 3 表 2沥青混台料的级配组成 Ta b l e 2 Gr a d a t i o n s o f a s p h a l t mi x t u r e s 表 3沥青混合料性能 Ta b l e 3 Pe r f o r ma n c e s o f a s ph a l t mi x t u r e s 1 2 试 验 方案 采 用沥青 路 面分析 仪 AP A 试 验分 析 沥 青混 合 料 的 抗 车 辙 能 力 ， 试 件 尺 寸 为 ： 直 径 1 5 0 mr n 、 高 7 5 mm 沥 青混 合料采 用旋 转压 实仪 成 型 ， 标 准 试件 的压实次数参照 NC AT设计方法 取为 5 0 为了分 析成型次数对 D A混合料抗 车辙能力的影 响， 另外 还选 取 7 5次 和 1 0 0次压 实次数 作 为对 比 AP A车辙试验的标准条件为： 温度 6 o； 加载 水 平 4 4 5 N； 加 载次 数 8 0 0 0次 另 外 ， 本 文还选 用加 载 水平 8 9 0 N， 加载 次 数 2 4 0 0 0次 来模 拟 重 载 交通 条 件 沥青 混合 料 抗 车辙 能 力评 价 指 标采 用 车 辙 深 度 R D。 _ 7 当 R D 。 。 。 4 I n m 时 ， 沥 青混 合 料 抗 车 辙 能力满 足 AAS HTO T P 6 3 -0 3 标 准 的要 求 本文 的试 验方案 汇总 于表 4 采 用 3个 平 行 试 件 同时 进 行 A P A 车 辙 试 验 ， 得到 3个平行试件车辙深度测试值 ， 取 平均值 若 某 个 试 件 车 辙 深 度 测 试 值 与 平 均 值 偏 差 超 过 3 O ， 则剔除该测试值后再求 平均 值 若有 2个试 件车辙深度测 试值与平均值偏 差均超过 3 0 ， 则 该 组 数据 无 效 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 李 立寒 ， 等 ： 排水性沥青混合料抗 车辙能力及其敏感性分析 6 0 5 2试验 结果 与分析 2 1材 料组 成 的影 响分析 当 温度 为 6 0 、 加 载 水 平 为 4 4 5 N、 加 载 次 数 为 8 0 0 0次时 ， 不 同材 料组成 D A混合料 车辙深度 测 试 结果 见表 5 表 5 不 同材料组成 D A混合料车辙深度测试 结果 T a b l e 5 T e s t r e s u l t s o f r u t t i n g d e p t h o f DA mi x t u r e wi t h d i f f e r e n t ma t e r i a l c o m p o s i t i o n s S c he m e Ty pe o f a s p h a l t Ru t t i n g No y p。o f P h 儿 mi x t u r e d e p t h mm 2 1 1沥 青 品质 的影响 分析表 5中方案 1数据可见 ， 即使采用 S B S改 性沥青 、 高模量沥青、 高黏度沥青一 1 高黏度沥青一 4 ， D A 混合 料 的车辙 深度 也超 过 了 4 mm， 不 能 满 足 AAS HTO TP 6 3 一O 3 标 准 l_ 7 的要 求 图 1 为基于表 5方案 1数据 ( 8组) 和表 1数据 拟合 得 到 的 DA混 合料 车辙 深度 与 沥青零 剪 切 黏度 ( 6 0) 的关系曲线 由图 1可知 ， D A混合料车辙深 度 与沥青 零 剪切 黏 度 相 关 性 显 著 ， 随 着 沥 青零 剪 切 黏度的提高 ， D A混合料车辙深度降低 Z e r o s h e a r v i s c o s i t y o f a s p h a l t ( P a s ) 图 1 车辙深度 与零剪切黏度( 6 0) 关系拟合 曲线 Fi g 1 Fi t t i n g r e l a t i on be t we e n r ut t i n g d e pt h a n d z e r o s h e a r v i s c o s i t y ( 6 0 ) 沥青的胶结作用是保证 D A混合料骨架空隙结 构稳 定 的重要 因素 ， 因此在 DA混 合料 中 ， 采用 高 黏 度 沥青 显得 特别 重要 根 据 图 1 ， 要 保证 D A 昆合 料 车 辙深 度小 于 4 i l l m， 沥青 的零 剪 切 黏 度 ( 6 0) 不 能 小于 7 0 0 0 0 P a S 2 1 2级 配组成 的影 响 绘 制表 5方 案 2中 3种级 配组成 D A 混合 料 车 辙深度与混合料 2 3 6 mm通过百分率( 见表 2 ) 的关 系 图 ， 结 果见 图 2 ； 绘 制 3种 级 配 组成 D A 混 合 料 空 隙率 ( 见 表 3 ) 与 混合 料 2 3 6 mm 通 过百 分率 的关 系 图 ， 结 果 见 图 3 由 图 2 可 知 ，D A 混 合 料 车 辙 深 度 随 其 2 3 6 mm通过 百 分率 的提 高 而呈 直 线 减 小 趋 势 ， 这 似乎 有悖 于增 加粗 集料 比例 可 以提高 沥青 混合 料抗 车辙 能 力 的 观 点 进 一 步 分 析 图 3可 见 ， 随 着 2 3 6 mm通过 百分 率 的提 高 、 粗 集料 的减 少 ， D A 混 合料 的空 隙率 显著 减小 当粗集料 比例过高时 ， 集料之问缺乏足够 的黏 结点 ， 沥青 的黏 结作 用 被 弱化 ， DA 混合 料 结 构整 体 性不 佳 ， 从 而导 致 了其抗 车辙 能力 严重 降低 从此角 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 O 6 建筑材料学报 第 1 6卷 图 2 D A混合料车辙深度与 2 3 6 m m 通过百分率的关 系 Fi g2 Re l a t i o ns h i p be t we e n r ut t i ng de p t h o f DA mi xt ur e a nd ma s s pe r c e nt p a s s i ng s i e v e of 2 3 6 mm 度分 析 ， D A 混合 料 的设 计 空 隙率 宜在 2 0 9 6 左 右 ， 而 为了保证 D A混合料试件的空隙率， 矿质混合料级配 组 成 中 2 3 6 I n m通过率不宜 小于 1 6 2 2 试验 条件的影 响分 析 在不同的试验条件下 ， D A混合料车辙深度测试 结 果见表 6 由表 6 可知 ： ( 1 ) 在温度 为 6 0 ， 加载次数为 8 0 0 0次条件下 ， 当加载水平由 4 4 5 N增加至 6 7 5 N时， D A混合料( 5 0 次压实) 车辙 深度 增 大 1倍左 右 ； 在 温度 为 6 O， 加 载水平为 4 4 5 N条 件下 ， 当加载 次数 由 8 0 0 0次提 高 图 3 D A混合料空隙率与 2 3 6 mm通过百分率的关系 Fi g 3 Re l a t i o n s h i p b e t we e n a i r v o i d ( b y v o l u me )o f DA mi x t u r e a nd ma s s p e r c e n t p a s s i n g s i e v e o f 2 3 6 mm 约 1倍 ( 2 ) 在其他条件相 同条件 下 ， 当温度 由 6 O o C 提高 至 7 O时 ， D A混合料 车辙深度增加 l 倍左右 ( 3 ) 在温度 为 6 0 ， 加 载水 平为 4 4 5 N， 加 载次数 为 8 0 0 0次条件下 ， 当试件压实次数 由 5 O 次 提高到 7 5 次再提高至 1 0 0 次时， D A混合料空隙率由 2 0 3 减低 至 1 9 6 再减低至 1 9 2 ， 车辙深度由 3 7 3 m m减低 至 2 3 0 m i t t 再减 低至 2 1 9 n -i ra, 说 明当 D A混 合料达 到一定 的密实状态后 ， 继续增加压实次数对 降低 D A混 合料空隙率和车辙深度的作用有限 对于 D A 昆合料， 至 2 4 0 0 0次时 ， D A混合料 ( 7 5次压实 ) 车辙深度增 大 成型时采用的压实次数为 7 5 次较为合理 表 6 不同试验条件下 D A混合料 的车辙深度 Ta b l e 6 Ru t t i n g d e p t h s o f DA mi x t u r e u n de r d i f f e r e n t t e s t c o n d i t i o n s Hi g h v i s c o s i t y a s p ha l t 一 6 1 0 0 1 9 2 6 0 4 45 8 0 0 0 2 3重 载交 通适应 性分 析 设计合理的 S MA混合料是 目前公认 的重载交 通道路沥青上面层的首选 材料 本文选择 S MA混 合料作为对照材料 ， 判断 D A混合料的重载交通适 应性 不同试验条件下 S MA混合料 车辙深度见表 7 比较表 6 与 表 7数 据 可 知 ： ( 1 ) 在 相 同加载 水 平 、 加载次数和温度条件下 ， S MA混合料的车辙深度均 小于 D A 混合料 ( 2 ) 在温度为 6 O， 加载次数为 8 0 0 0 次 的 条 件 下 ， 当 加 载 水 平 由 4 4 5 N 增 加 至 8 9 0 N时 ， S MA 混合 料 的车 辙 深度 增 加 1 0 1 ， DA 混合料( 压实 7 5次) 的车辙深度仅增加 5 4 ； 在温 度为 6 0， 加载水平为 4 4 5 N 的条件下 ， 当加载次 数 由 8 0 0 0次 延长至 2 4 0 0 0次 时 ， S MA 混合 料 的车 辙深 度增加 2 1 8 ， 而 DA混 合 料 ( 压 实 7 5次) 的 车 辙深 度增 加 1 2 3 ； 在 加载 水平 为 4 4 5 N， 加 载 次数 为 8 0 0 0次条件下 ， 当温度由 6 0提高至 7 0时 ， S MA混合料的车辙深度增加 1 4 6 ， D A混合料 ( 压 实 7 5次 ) 的 车辙 深 度 增 加 1 0 7 上述 分 析 结 果 表 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 李立寒 ， 等 ： 排水性沥青混合料抗车辙能力及其敏感性分析 6 O 7 明 ， 在 本试 验条 件 下 ， DA 混合 料 抗 车 辙 能力 对 加 载 水 平 、 加 载 次 数 及 温 度 变 化 的敏 感 性 均 小 于 S MA 混 合料 与 S MA混合料相比， DA混合料中集料颗粒之 间的接 触点 较少 、 嵌 锁作 用相对 较 弱 ， 又 由于 试 件压 定 ， 容易 产生 变形 ， 如 D A 混 合料 在 加 载 8 0 0 0次 时 的变 形 占到加 载 2 4 0 0 0次 时变 形 的 4 4 8 ， 而 S MA混合料 仅为 3 1 4 在 轮载 的持续 作用 下， D A混合料集料颗粒 的排列进入稳 定状态 ， 嵌锁作 用 增强 ， 抗 变形 能力 随之增 大 ， 因而其 对荷 载水 平 和 实次数较少 ， 在轮载作用 的初期混合料结构较不稳 加载次数的敏感性相对较小 表 7 不同试 验条 件下 S MA混合料 的车辙深度 T a b l e 7 Ru t t i n g d e p t h s o f S M A mi x t u r e u n d e r d i f f e r e n t t e s t c o n d i t i o ns 3 结 论 ( 1 ) 由于 D A混合料 自身具有骨架空 隙结构特 征 ， 因此 必须 采用 高黏 度沥 青 、 适 当级 配 组成 及充 足 压实次数来保证 D A混合料 的抗车辙能力 为 了满 足 重载 交通 道 路 的使 用 需 求 ， D A 混 合 料 所 用 沥 青 的零剪 切黏 度 ( 6 O) 应 大 于 7 0 0 0 0 P a S ， 设 计空 隙 率 宜在 0 左 右 ( 2 ) 在 相 同加 载 水 平 、 加 载 次 数 和 温 度 条件 下 ， DA混合料车辙深度略大于 S MA混合料 ； DA混合 料抗 车辙 能力 对 加 载 水 平 、 加 载次 数 以及 温 度 的 敏 感 性 均低 于 S MA 昆合料 参 考 文献 ： 1 2 E 3 3 4 E s 6 日本道路协会 排 水性铺 装技术 指针( 案 ) M 东 京 ： 丸 善株 式会社 ， 1 9 9 6 ： 1 0 2 5 J a p a n Ro a d As s o c i a t i o nTe c h n i c a l ma n u a l o f p o r o u s a s p h a l t F T - p a v e me n t M T o k y o ： Wa n s h a n Ka b u s h i k i Ka i s h a ， 1 9 9 6 ： 1 0 2 5 ( i n J a p a n e s e ) BOI ZAN P E， NI CHO LI S J C， HU B ER G AS e a r c hi n g f o r s u p e r i o r p e r f o r mi n g p o r o u s a s p h a l t we a r in g c o u r s e s R Wa s h i n g t o n， D C： Tr a n s p O r t a t i o n Re s e a r c h Bo a r d， 2 0 01 M c DANI EL R ， THORNT0N S W D Fi e l d e v a l u a t i o n o f a p o r _ O U S f r i c t i o n c o u r s e o r n o i s e c o n t r o l R Wa s h i n g t o n ， D C： Tr a n s p O r t a t i 0 n Re s e a r c h Bo a r d， 2 0 0 5 吕伟 民， 孙大权 沥青混合料设 计手册 M 北 京 ： 人 民交通 出 版 社 ， 2 0 0 7 ： 1 5 0 - 1 5 5 I U W e i ra i n， S UN Da q ua n As p h l a t mi x t u r e s d e s i g n ma n u a l M B e ij i n g ：C h i n a C o mmu n i c a t i o n P r e s s ， 2 0 0 7 ： 1 5 o 一 1 5 5 ( i n Ch i ne s e ) 李立寒 ， 耿韩 ， 孙艳娜 高黏度沥青黏度的评价方法与评价 指标 l- J 建筑材料学报 ， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 3 ) ： 3 5 2 3 5 6 ， 3 6 2 LI Li h a n， GENG Ha n， S UN Ya n n a Ev a l u a t i o n me t h o d a nd i n d i c a t o r f o r v i s c o s i t y o f h i g h v i s c o s it y a s p h a l t E J J o u r n a l o f Bu il d i n g M a t e r i a l s ， 2 0 1 0， 1 3 ( 3 )： 3 5 2 3 5 6， 3 6 2 ( i n Ch i n e s e ) RAJ I B B M ， PRI THVI S K， COOLEY I A， e t a 1 De s i g n， c o n s t r u c t i o n a nd p e r f or m a nc e o f n e w ge n e r a t i o n o p e n -g r a d e d f r i c - t io n R Al a b a ma ： Na t i o n a l C e n t e r f o r As p h a l t T e c h n o l o g y， Au b u r n Uni v e r s i t y， 2 0 0 0 AAS H To TP6 3 一 O 3 St a n d a r d m e t h o d o f t e s t f o r d e t e r mi n i n g r u t t i n g s u s c e p t i b i l i t y o f a s p h a l t p a v i n g mi x t u r e s u s i n g t h e a s p h a l t p a v e me n t a n a l y z e r ( AP A) E s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m