浅谈沥青表面处治.docx
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浅谈沥青表面处治
毕业设计
设计题目：
浅谈沥青表面处治
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目录
摘要7
1前言.8
2试验方案设计9
3沥青表面处治设计参数分析10
4沥青表面处治主要设计方法10
4.1Hanson设计方法10
4.22004新西兰设计方法10
4.3Lovering撒铺模量设计方法10
4.4Nevitt设计法11
4.5Mackintosh设计法12
4.6Mcleod设计法12
4.7ModifiedKearby设计法12
4.8南非设计法13
4.9本章小结13
5沥青表面处治技术性能影响因素14
6主要结论结..............................................................................................................................................14
参考文献15
致谢17
浅谈沥青表面处治
摘要：
沥青表面处治作为一种中低交通量道路路面的主要型式和沥青路面养护方法已经被世界各国广泛采用，然而由于我国目前还没有成套的沥青表面处治设计方法和性能评价方法，使得沥青表面处治常会由于集料和沥青用量不合理而产生掉粒、麻面、泛油等病害。
本文通过对沥青表面处治设计参数的分析以及对Mclead设计法、Kearby设计法、南非设计法的试验研究，发现南非设计法表现出了较好的使用性能，且具有一定的理论基础。
论文在此基础上结合我国气候、交通特点对南非设计法进行了修正，提出了适合我国国情的沥青表面处治设计方法及评价方法。
同时还对影响沥青表面处治性能的因素包括原材料、温度、水、粉尘、集料的预处理、埋入深度和碾压延迟时间进行了研究，结果表明:
原材料、水、粉尘等因素都会不同程度的影响沥青表面处治的技术性能，因此在沥青表面处治设计施工时应根据工程所在地的气候特点、交通特性和材料特性等因素综合考虑，以提高沥青表面处治的路用性能。
关键词：
沥青表处；平均最小粒径；粒径中值；预拌集料；钢球贯入度；构造深度；埋入深度
AsphaltSurfaceTreatment
Abstract：
Asphaltsurfacetreatmenthasbeenbroadlyadoptedasamainpavementtypeof
roadswithlowormediumtrafficandamaintenancemethodforasphaltpavement.However,asystematicasphaltsurfacetreatmentdesignandperformanceevaluationmethodisstillnotavailableinchina,whichmadeasphaltsurfacetreatmentsufferfromaggregateloss,pittingsurfaceandbleedingbecauseofimproperaggregateandbitumendosage.Thispaperanalyzestheasphaltsurfacetreatmentdesignparameters,conductsexperimentalresearchonMcleaddesignmethod.KearbydesignmethodandSouthAfricadesignmethod,andgetstheconclusionthattheSouthAfricamethod,whichhasacertaintheoreticalbasis,showsbetterroadperformance.Onthebasisoftheabovework,thispaperadjuststheSouthAfricadesignmethodinaccordancewithChinese
climateandtrafficcharacters,andthenpresentsaproperasphaltsurfacetreatmentdesignandevaluationmethodforChinesestatus.Meanwhile，thepapertakesexperimentalresearchontheinfluencingfactorsforasphaltsurfacetreatmentperformanceincluingtherawmaterial，temperature，moisture，dust，aggregatepretreation.embedmentdepthandrollingdelay.Theresultsshowthatthatalltheabovefactorscaninfluencetheasphaltsurfacetreatmentperformanceondifferentdegrees.Forthisreason,inthedesignandconstructionofasphaltsurfacetreatment,theclimate,trafficandmaterialcharactersshouldbecomprehensivelyconsideredinordertoenhancetheroadperformanceofasphaltsurfacetreatment.Keywords:
Asphaltsurfacetreatment;Averageleastdimension;Medianparticlesize;
Precoatedaggregate;Ballpenetration;Texturedepth;Embedmentdepth
1前言
近年来，我国的公路建设发展迅速，自1988年建成第一条高速公路以来，在不到15年的时间里，跨越了西方发达国家经过30-40年的高速公路发展历程，截至2008年底我国高速公路通车里程己超过6万公里，总里程居世界第二。
至2020年，我国高速公路规划里程达10万公里。
同时，一级公路、二级公路也取得了长足的发展，据资料统计，截至2008年年底，我国公路通车总里程己经达到373.02万公里。
沥青路面具有行车平稳、舒适、噪声低、养护维修方便可以再生利用等特点，在各类公路和城市道路，尤其是高等级道路中得以广泛使用。
目前，我国已建成通车的373.02万公里的公路中，以沥青路面为主的高级、次高级路面占公路总里程的30%以上，由此可以看出，沥青路面是我国公路路面的主要结构形式。
随着交通量与汽车荷载不断增长，高速公路处于超负荷工作状态，路面破坏日趋严重，承载能力不足，服务水平大大降低，高速公路的大中修工作已刻不容缓。
随着黑色路面里程的不断增加，养护工作将越来越重要，快速、高效、低成本的养护方法将是今后研究的方向。
沥青表面处治作为一种经济、快速、高效的路面养护方法，在沥青路面养护中早己被广泛采用。
同时，农村公路是公路网的基础，在“十一五”期间，国家把农村公路的发展作为交通工作的重中之重，“十一五”农村公路建设的目标是，全面完成“通达”工程建设任务，具备条件的乡镇、行政村通公路;加快推进“通畅”工程建设，东部地区和部分中部地区力争基本实现乡镇、行政村通沥青（水泥）路，部分中部地区和西部地区乡镇、行政村通沥青（水泥）路比率明显提高。
全国将新、改建沥青（水泥）路50万公里（含村道），新增农村公路（含村道）里程33万公里，到2010年全国县乡公路里程达到185万公里。
在农村公路建设中沥青路面占有很大比例。
沥青表面处治作为农村公路重要的路面型式，广泛的应用于农村公路建设中。
沥青表面处治是用沥青和细粒矿料分层铺筑，分层碾压而成的一种薄层面层。
其厚度一般为1.0-3.Ocm，由于处治层很薄，一般不起结构承重作用，其主要作用是抵抗行车的磨耗，增强防水性，提高平整度，改善路面行车条件。
通常碎石封层、开普封层、雾封层都属于沥青表面处治范畴。
新建、改建或经过整修的中级路面，损坏较少的沥青路面、水泥硅路面以及块料路面上均可以铺筑沥青表面处治，干燥路段的土基也可直接铺筑沥青表面处治。
沥青表面处治根据行车密度、交通组成和路面类型可做成单层式、双层式、三层式。
单层沥青表面处治厚度一般为1.0-1.5cm;双层沥青表面处治厚度为1.5-2.5cm;三层沥青表面处治厚度为2.5-3.0cm。
沥青表面处治可有效防止路面基层直接遭受行车作用和自然因素的损害。
因此，单层式沥青表面处治可作为沥青路面的保护层。
双层式沥青表面处治可作为碎砾石路面或稳定土路面的磨耗层，以保持铺砌层的平整度、密实度、整体性、抗水性与减少扬尘。
当沥青表面处治层厚度超过1.5cm时，实际上还起着加强层的作用，克服部分基层强度的不足。
在泥结碎石或级配碎砾石路面上修筑表面处治时，须根据地下水位、排水和气候等条件来决定。
一般在地下水位较高，排水不良和气候潮湿的地方不宜采用。
尽管沥青表面处治因具有耐磨、抗裂、防滑、噪音低、造价低、施工方便等优点而作为沥青路面养护的主要方法以及新建中、低等级沥青路面的主要型式被广泛采用，然而常常由于沥青和集料用量的不合理使得沥青表面处治在开放交通后很快就出现集料脱落、麻面、脱皮、泛油等病害，在沥青表处设计中如果集料撤布量过多，会产生集料损失、脱落等病害，;如果沥青洒布量过多，常会产生泛油。
引起沥青和集料用量不合理的原因与我国目前还没有一套成熟的沥青表面处治设计方法有关。
目前我国沥青表面处治设计都是根据经验来确定的，如《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2404）里仅提供了沥青结合料及集料撒布量范围，而没有考虑材料、气候、交通量、原有道路表面状况等因素对沥青和集料撤布量的影响、从而使沥青表处常常因为沥青和集料用量问题产生了一系列病害。
因此如何针对我国的实际情况提出一种准确、简单、方便的设计方法来指导我国沥青表处设计具有十分重要的现实意义。
2原材料特性及试验方案
本文针对影响沥青表处路用性能的各种因素进行了试验分析，主要包括原材料的影响、粉尘的影响、温度的影响、水的影响、集料埋入百分率及碾压延迟时间等。
具体实验方案如下:
1、原材料的影响
分别采用石灰岩和花岗岩，粒径为4.75-9.5mm,9.5-13.2mm的集料与乳化沥青、基质沥青和SBS改性沥青进行Vialet试验。
分别测定集料10分钟、30分钟、2小时、5小时、24小时的翻转残留率及锤击残留率。
2、粉尘的影响
采用粉尘含量1%,2%,3%,4%.5%的石灰岩集料分别与基质沥青进行Vialet试验，研究粉尘含量对沥青表面处治性能的影响。
以及粉尘含量超过何值应对集料进行除尘或预处理以提高其粘结性。
3、预拌试验
预拌是在沥青表面处治施工前，在粉尘含量较大的集料表面预涂一薄层沥青以提高其与沥青的粘结性。
本课题分别采用乳化沥青、基质沥青两种沥青对集料进行了预拌。
进行基质沥青预拌试验时首先将少量基质沥青加热至140℃，集料加热至160℃,然后进行拌和。
即得到预拌基质沥青集料。
在进行乳化沥青预拌时不需加热，可以直接进行拌和。
4,温度的影响
沥青路面的沥青结构层经常受到气温变化的影响，其实温度的变化是影响沥青表面处治路用性能的主要因素之一，研究采用Vialet试验研究0℃,15℃,60℃三种温度条件下沥青表面处治性能的变化情况。
并分析温度对沥青表面处治性能的影响。
5、水的影响
水是影响沥青表面处治性能的另一因素。
由于汽车车轮动态荷载的作用，进入路面空隙中的水不断产生动水压力成真空负压抽吸的反复循环作用，水分逐渐渗入沥青和集料的界面上，使沥青的粘结性降低，从而使沥青表面处治中沥青与集料间的粘结力丧失，
从而产生集料脱落、坑槽等病害。
本课题采用浸水Vialet试验研究水对沥青表面处治性能的影响。
试验方法是将成型养生好的沥青表面处治试件在常温下浸水24小时、48小时、72小时、96小时、120小时后，分别测试它们的集料锤击残留率用来评价水对沥青表面处治性能的影响。
6、埋入深度和碾压延迟时间对沥青表面处治性能的影响
集料的埋入深度直接影响沥青与集料间的粘结性能。
埋入深度越大，集料与沥青相接触的面积越大，沥青与集料间的粘结力越大，沥青表面处治的性能就越好。
反之，埋入深度越小，沥青表面处治性能越差。
通常集料在撒布后应立即进行碾压，否则就很难使集料压入沥青层中影响集料的埋入深度。
从而影响沥青表面处治的性能。
研究采用Vialet试验来模拟道路施工的实际情况来评价埋入深度和碾压延迟时间对沥青表面处治性能的影响。
原材料采用基质沥青和石灰岩集料。
3沥青表面处治设计参数分析
1、集料的粒径中值和片状指数是影响集料ALD的主要因素，一般集料粒径中值越大，ALD越大;片状指数越大，ALD越小;集料的ALD越大，沥青用量越大。
2、集料的埋入深度是影响沥青洒布量的重要因素。
影响集料埋入深度因素主要有道路表面的状况、集料的粒径、碾压效果等。
一般情况下，集料埋入深度越大，沥青洒布量越大。
3、钢球贯入度是南非设计法的设计参数。
它是用来评价原有路面或基层状况的。
在相同条件下，钢球贯入度值越大，沥青用量越小。
4沥青表面处治主要设计方法
4.1Hanson设计方法
Hanson在对沥青表面处治和封层工程做了许多试验和现场观察之后，提出了确定沥青结合料和石料用量的基本原则。
这些原则后来成为推导封层和沥青表面处治设计方法的理论基础。
Hanson设计方法主要是用于液态沥青特别是稀释沥青的表面处治，其主要是基于撒布集料平均最小尺寸（ALD）的基础上提出来的。
Hanson提出计算集料ALD是通过测量集料颗粒的最小尺寸，然后求其平均值而得到的。
他认为当集料颗粒撒布到沥青层上时，集料颗粒之间的空隙率接近50%，当集料层经压路机碾压后其空隙率接近30%,经过交通荷载进一步碾压后空隙率将接近20%。
Hanson认为集料的空隙率取决于集料特性、压实效果、交通水平等，同时他认为空隙率的50%^'70%由残余沥青填充才能使集料颗粒牢固定位。
4.22004新西兰设计方法
2004新西兰的设计方法是由Hanson设计方法演变而来的，Potter和Patrick通过研究指出在压实后封层中总的空隙休积大于20，随着交通荷载的进一步压实空隙体积继续减少。
这项理论被应用于2004新西兰设计方法中。
2004新西兰设计法作为一种基于沥青表面处治性能的设计方法考虑了在第一个冬季的集料损失及空隙率的衰减。
同时也考虑了沥青表面处治设计中集料用量确定的困难:
基层不均匀性。
它是通过铺砂法测量基层的构造深度和钢球贯入度仪测试软弱基层后，通过基层修正因子来对集料及沥青用量加以修正。
4.3Lovering撒铺模量设计方法
虽然Lowering受Hanson沥青表面处治设计理论的影响很大，但是他认为在计算平均石层厚度时直接量取单个集料颗粒的做法是不够方便的，此外，Hanson提出单一尺寸的石料成本又很高。
因此，定出了一个允许组成误差量，准许集料中有少量尺寸过大和过小的颗粒。
对于这种组成的集料，需要另一种与单一尺寸法不同的方法来确定。
这主要是因为不能直接量取小颗粒集料尺寸。
为了使一种集料能用于封层，Lowering曾确定在铺成一层集料的松方体积和“平均颗粒尺寸”（即20%的最大尺寸，60%的中间尺寸和20%的最小尺寸的平均重量）之间具有很好的相关性，他把这个平均颗粒尺寸称为“撒铺模量”。
他认为，由于施工机械在施工过程中一般都不太稳定，因此实际上需要石料比刚好铺一层稍多一些。
根据实地观察和其他资料得出结论。
用系数0.85^0.95去乘撒铺模量即得出包括压缩和碾飞预留量的集料用量（按m3/m2）。
因此，建议集料用量可用下式计算:
S=0.03M
式中:
S—集料的撒铺率，m³/m²;
M—撒铺模量。
关于用沥青结合料灌填空隙方面，Lowering也同样受到Hanson的影响，他认为，不包括碾飞预留量时，每立方厘米的松散集料平均需要0.075立方厘米的沥青结合料，因此。
沥青结合料的用量（以cm³/cm²）等于0.56乘每平方米面积上的集料体积。
当用撒铺模量代替集料实际用量时，沥青结合料用量可用下式计算:
A=0.2175M+0.54V
式中:
A一沥青用量，cm³/cm²;
M—撒铺模量;
V—被地下面层吸收的沥青粘结料的量，cm³/cm²。
对于泛油面层V=0，一般面层V=0.1cm³/cm²，这些值还应根据下面层的干燥程度和密实情况做相应的增减。
在比较Lowering公式和用其它方法计算的沥青用量时，在根据下面层状况修正的沥青粘结料用量时，必须注意:
根据Lowering提出的V值算出的基本用量应该小些。
因为他的方法是用泛油面层作为计算基本用量的基础，而其他方法则是用一般面层作为计算基础的。
4.4Nevitt设计法
1951年H.G.Nevitt提出了沥青表面处治和封层设计的基本构想，Nevitt提出的计算集料使用量的公式为:
A=1/CKD（（100-U）/（100+O））
A1=KgCKDG（100+O）/100
式中:
A—撒铺率，按单位面积/集料松方体积计;
A1—撒铺率，按重量/单位面积计;
C覆盖或撒铺系数;
K—集料颗粒形状常数，数值范围为1.0000.333;
D-一集料粒径中值;
U—集料空隙率，Nevitt提出的近似值为碎石U=47.7%，其它集料U=41.7%;
O一一一‘‘超量系数”，为弥补集料的损失，Nevitt建议多撒布的集料百分率采用20%
G-集料比重，2.65;
Kg一一常数，2.65。
在计算集料用量的所有公式中，CKC的乘积等于集料的体积。
100-U是己知集料的体积百分率。
4.5Mackintosh设计法
Mackintosh于1961年介绍了一种在南非使用的设计方法，这种设计方法在材料用量上有几个新的概念。
他虽然也用Hanson的集料平均最小尺寸的理论，却不是逐个量取集料颗粒的尺寸，而是用一个厚度仪量出两个平行的板之间的距离，从而直接算出集料的平均最小尺寸，这个仪器比Hanson使用游标卡尺更快、更准、也更方便。
他强调指出，集料撒铺率可用以下两个方法之一直接测出:
1.“盒—盘”法
用0.85升标准体积的集料摊铺在60cm宽，lm长的硬木板制成的浅盘上，该盘有三个固定的壁和一个活动的壁。
将集料放在浅盘上，铺成无空白点的一层。
如果第一次有重叠的集料，则把活动壁稍加移动。
这样反复试铺直至所有的集料都能铺到盘内为止。
然后直接得出集料撒铺率。
2.“盘—筒”法
该方法是用一个己知底面积的钢盘，一个内径为12.7cm的钢筒，一根有刻度的测液杆和一个玻璃筒。
先将集料放在钢盘内，铺成无空白点的一层。
然后将这些集料倒进钢筒内，并将钢筒从7.6cm高的地方落下10次。
通过振动作用使集料达到稳定位置。
把测液杆放在钢筒内的集料上面，就可直接读出集料撒铺率，即每方集料可铺的面积。
测出集料撒铺率后，将玻璃量筒内的水倒入钢筒内，可测出密实集料的空隙率。
填满这些空隙所需水的体积就代表将面积相当于钢盘底面积的松散集料完全粘住时所需的结合料数量。
其值就为沥青结合料用量。
4.6Mcleod设计法
在二十世纪六十年代Mcleod提出了一种建立在Hanson设计理论及实践经验基础上的设计方法，这种设计方法集料的撒布量由集料的级配、形状、比重确定。
沥青粘结料的洒布量由集料的级配、吸收性、形状、交通量、原有道路路面状况以及残留沥青含量等确定，这些用量都是根据Mcleod提出的设计公式直接计算出来的。
Mcleod设计法是所有现行设计法中最全面的，它不但可以设计单层沥青表面处治而且可以设计双层沥青表面处治，同时也提出了根据集料尺寸和路面温度来确定沥青结合料种类和标号的方法。
4.7ModifiedKearby设计法
在美国率先对沥青表面处治进行设计的是JeromeP.KearbyoKearby在1953年提出了一种单层沥青表处的设计方法。
Kearby通过研究发现了集料的埋入百分率、平均厚度、及空隙率与沥青洒布率之间的关系。
即根据集料埋入百分比、平均厚度、及空隙率就可计算出沥青的洒布率。
Kearby建议使用单一粒径的集料，对于任何集料其片状含量不能超过10%。
同时Kearby设计法考虑了原有路面状况、交通量、集料最佳埋入深度对沥青和集料用量的影响。
该法是目前德克萨斯州正在使用的一种沥青表面处治设计方法，1974年Epps对Kearhy当时提出的沥青表面处治设计曲线进行了修正，并提出了使用合成集料进行沥青表处设计曲线。
基于合成集料的大孔隙，Epps提出的设计曲线比Benson-Galloway提出的曲线的埋入深度大约高3Ql。
提高的理由是轻质集料在荷载作用下可能产生翻转和磨损。
后来Epps通过搜集和分析8}个不同工程的施工前后的信息，发现Kear勿设计法设计出来的沥青用量比过去在德州的实际用量要低.因此Epps对Kearby设计法做出了两个修正，第一个修正是沥青洒布量应根据道路交通水平和原有道路路面状况确定，第二个修正是对由Kearhy及Benson-Galloway提出的设计曲线进行调整。
自此人们把这个设计法称为MortifiedKearby设计法。
ModifiedKearby设计方法中集料的用量是采用实验板法来确定，它是在一平方米的平板上铺满一层集料，用板上集料的质量除以实验板的面积即得集料的撤布量。
实验板是由胶合板或纤维板加工而成，四边各有123nm高的外边框防止集料漏出，Epps考虑了交通量、原有路面状况、乳化沥青或稀释沥青的残留沥青含量施工条件等因素对沥青用量会有较大的影响，在沥青用量计算公式中对其都进行了修正。
4.8南非设计法
南非设计法是一种理论与经验相结合的设计方法。
它是由Hanson的沥青填充集料部分空隙的设计理论演变而来的，南非设计法的主要理论如下:
a）当集料在没有埋入结合料的情况下，为防止集料颗粒损失，对于单层沥青表面处治而一言至少集料空隙的42%需用沥青结合料来填充，对于双层沥青表面处治至少55%的空隙需要用沥青结合料来填充;
b）由于交通磨损而引起空隙的损失取决于集料的硬度及交通量。
通常为了简化的目的，假设集料硬度不低于210KN;
c）为了满足抗滑性要求通常构造深度取0.7mm，对于低ALD的集料通常取为0.3mm和0.5mm:
d）在施工期间埋入深度可能会有所变化，为了简化设计通常把集料颗粒的50%埋入;
e）单层沥青表面处治层的有效厚度（ELT）是集料平均最小尺寸（ALD）的函数:
ELT=0.85679xALD+0.46715mm
f）双层沥青表处层的有效厚度（ELT）是两层集料ALD之和的函数:
（ELTd）-0.86028x（ELTI+ELT2）+0.19168mm
g）集料层空隙百分率是ELT的函数:
单层表处的空隙百分率为=45.3333-0.333xELT
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