沥青和沥青混合料课程设计.docx
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沥青和沥青混合料课程设计
《沥青与沥青混合料》
课
程
设
计
学校：
重庆交通大学
学院：
土木建筑学院
专业：
2012级材料科学与工程
班级：
1班
学号：
631201030102
姓名：
黄峰
指导老师：
黄维蓉赵可
ATB-25不同设计方法下的高温稳定性的比较
1.引言
在国内，由于经济基础及技术基础的特点所限，长期以来，各级公路大多是用半刚性材料修筑路面基层和底基层。
据统计，我国沥青路面结构在高速公路路面结构中占据了主导地位，建成的高速公路路面约75％采用了沥青混凝土路面，而90％以上的高等级公路沥青路面的基层均采用了半刚性材料，半刚性基层沥青路面是我国目前高等级公路沥青路面的主要结构类型。
随着国民经济的发展，在高等级公路交通量、超载、重载的增加，半刚性基层沥青路面的早期破坏日益突出。
其病害主要表现为以下几方面【1】：
（1）半刚性基层收缩开裂，引起沥青路面裂缝；
（2）水分沿裂缝下渗、给水，在车辆荷载作用下，导致唧浆、面层松散等水损害。
（3）半刚性基层与沥青面层之间结合薄弱，在行车荷载作用下，结合面上产生较大的剪应力，致使面层沿界面滑移，形成流动性车辙。
（4）一旦面层发生病害，为了补强需要重新铺筑基层，不仅延长维修养护时间，还会增加养护维修费用，且效果也不太理想。
我国个地区气候，地质条件千差万别，但现行的路面结构过于单一，为此，根据国外经验，考虑对沥青稳定碎石为材料作为路面基层材料的研究与应用，既可以丰富我过沥青路面结构形式，同时也能因地制宜，满足各地经济水平和交通量的现状。
2.国内外研究现状
2.1柔性基层路面
关于沥青路面的基层，笼统来说分为两类,一类为半刚性基层，另一类则是柔性基层。
柔性基层中，级配碎石和沥青稳定碎石是典型代表。
级配碎石是一种材料形式，在20世纪70年代，开始研究应用。
在四川成渝高速公路已有应用，基本没有出现类似半刚性基层的沥青路面病害，使用情况良好。
沥青稳定碎石混合料，是由大小不同粒径组成集料（不包括矿粉），与适量沥青按一定比例配合，经均匀拌和形成。
其级配可以是连续密集配ATB-××，也可以是半开级AM。
其主要特点有：
高温稳定性好，低温抗裂性好，空隙较大，沥青用量少，不用矿粉、造价低、使用时间长。
虽然柔性基层路面使用性能良好，根据调查研究表明【2】，柔性基层沥青路面但容易产生车辙。
尤其是在我国重交通高速公路上，当车辙病害严重时，同样也会导致沥青路面破坏。
2.2国外研究状况
国外沥青路面发展经过了近百年的历史，其路面结构形式也经历了不断发展的过程。
早期，欧美国家大都采用半刚性基层，但随着二战后，各国经济开始回暖，国民经济增长，交通量不断增大，导致前文所述病害。
为了满足路面长期使用的性能要求，开始大力发展沥青稳定碎石作为基层材料。
20世纪70年代，加拿大和美国对沥青稳定碎石基层进行了大量试验和应用研究，指出沥青稳定碎石基层的结构系数接近沥青混凝土面层。
美国地沥青协会于1960年提出全厚式沥青路面的概念，意思是直接在土基或在改良后的土基上，铺设单层或多层沥青混凝土的路面结构。
20世纪后期，欧美各国将研究重点转为长寿命沥青路面的开发。
所谓长寿命路面是以柔性、抗疲劳沥青混凝土为作为基层。
1）LSAM---大颗粒沥青混合料
为了降低柔性基层上的沥青路面车辙，提高热拌沥青混合料路面的高温稳定性，美国各州开始采用大粒径（25mm～53mm之间的热拌沥青混合料）沥青混凝土基层，最常用的是26.5mm，37.5mm两种粒径。
80年代初，在科罗拉多进行了足尺路面研究，全厚式沥青混凝土基层及美国的标准路面结构有非处治的基层和底基层结构。
该项目是验证AASHO道路试验结果在科罗拉多环境下的应用效果【3】。
对LSAM的研究始于20世纪90年代，在试验方法上，由于基层混合料最大粒径相对面层要大得多，马歇尔方法不适用，为此，宾夕法尼亚州运输部1969年提出了直径为6in（15.24mm）的大型马歇尔试验方法，并在1996年被正式评定为ASTMD5581标准。
在LTTP数据库DataPave3中的数据显示，道路面层为密级配沥青混凝土的共有769条，而用沥青稳定碎石作为基层的比例约占83.8%【4】。
日本到1998年已建成通车的高速公路总里程达6450km，使用年限超过10年的大约占66%，这些道路的基层材料也都是沥青稳定碎石。
在英国，原先设计20年的设计寿命已无法满足快速增长的交通量的需要，开始采用2-3cm的磨耗层、中层位20-40cm的高模量沥青稳定基层、下层一定厚度的底基层，保证路面不会出现基层的疲劳开裂，保证路面的耐久性【18】。
2）LSAM---大颗粒沥青混合料的优点
近几年来，美国、英国、加拿大、澳大利亚、日本、南非等对LSAM做了更深一步的研究表明大粒径沥青混凝土具有的优点：
（1）级配良好的LSAM，能够抵抗较大的沥青路面塑性和剪切面型，可以承受重交通，具有较好的车辙能力，提高了沥青路面的高温稳定性。
（2）大粒径集料增多和矿粉用量减少，使得在不减少沥青膜厚度的前提下，减少了沥青总用量，降低工程造价。
（3）可一次性摊铺较大的厚度，缩短工期。
（4）沥青层内部储存温度能力高，热量不易散失，有利于在低冷条件施工，延长施工有效时间。
3）沥青混合料的设计方法
经过大量试验对比验证，从最初的马歇尔方法逐渐发展，在20世纪60年代美国工程兵团开始推理研究发明，解决重型轰炸机跑到破损问题，后来又由美国空军专门组织人员进行研究开发形成GTM方法。
使沥青混合料产生的平面剪切应变，比直接剪切试验机更接近于现场的情况。
Superpave是1987年美国国会批准设立公路战略研究计划（SHRP）研究项目，在1990年提出的一套全新的沥青混合料设计方法，把热拌沥青混合料材料性能与路面性能联系在一起。
2.3国内研究现状
我国应用沥青稳定碎石作为基层材料起步较晚，在早期主要采用级配碎石作为柔性基层。
到后期对于路面结构层的要求越来越高，便开始了大量研究。
东南大学杨群提出了沥青稳定基层沥青路面的设计指标和标准，并对设计指标影响因素进行了分析，提出了沥青稳定基层混合料的设计方法【5】。
长安大学袁宏伟进行了沥青稳定碎石基层材料的研究，提出了混合料的设计方法和施工技术，并铺筑了试验路段，证明了沥青稳定碎石基层沥青路面的低温抗裂性优于半刚性基层沥青路面【16】。
哈尔滨工业大学采用体积法设计了公称最大粒径为26.5mm、31.5mm和37.5mm的沥青稳定碎石混合料的级配，并进行了各级配的混合料强度实验性能、水稳定性、低温抗裂行能的试验研究【17】。
中交公路规划设计院、江苏省交通科学研究院等单位结合工程实际，系统研究了密级配沥青碎石基层LSM的设计方法、性能计时工，与半刚性基层相比，LSM混合料有较好的高温性能、抗水损害性能及力学性能【6】。
河北省20世纪80年代中期，在G106北京界至河间路段、G107线北京界至定州路段，在厚30cm石灰土底基层上，铺筑了250km灌入式沥青稳定碎石基层，其粒径为20～50mm，与美国的LSAM大颗粒沥青混合料非常接近，上铺2.5cm沥青混合料，相比于近年来研究的薄层路面，使用效果良好。
鉴于半刚性基层上的沥青路面，其病害难以根除。
2004年河北省邯郸至长治高速公路的k11+829～k14+925、k15+075～k18+383．985段修筑了沥青稳定碎石柔性基层试验路【7】。
河北省公路建设者以邯长公路重载交通路段为依托，与重庆交通大学一起进行了高速公路重载交通柔性基层抗车辙性能研究，参考国内外研究成果和经验，采用理论研究与室内试验、实体工程相结合的方法，采用复合式基层GTM沥青机构，在2009年路面检测、评价结果中达到满意的效果。
不过，对于沥青碎石基层的研究，在我国应当说刚刚开始，在工程实践中应用的不多，其设计理论和技术措施还很不完善，对它的材料组成设计、路用性能、施工工艺等系统研究，有待于进一步深入进行。
2.4目的及意义
随着国民经济的发展，高速公路上的交通量逐渐增大，超载、重载的现象出现几率变大。
为了满足新时期沥青混凝土路面长寿命的要求，抛弃半刚性基层带来的路面病害影响的观念。
应用沥青稳定碎石作为柔性基层也是当前一种形式趋势。
减少路面病害，降低养护维修难度和养护维修费用，同时也是对资源的一种节约。
本课题旨在大马歇尔【8】设计方法和GTM【8】方法下ATB-25高温性能的比较。
找出一种更接近于道路路面工程实际的一种沥青混合料设计方法使沥青稳定碎石充分发挥出自身的优势。
3.设计内容
3.1搜集和查阅与本课题相关的文献资料。
3.2根据相应规范要求和文献资料进行原材料的选择，并进行相应的技术指标检测。
3.3根据《公路沥青路面施工技术》JTGF40——2004【9】的要求对ATB-25进行配合比设计。
本题主要采用大马歇尔方法和GTM成型试件方法确定最佳油石比。
3.4根据设计好的配合比每个试件的最佳沥青用量。
3.5本课题主要研究ATB-25的高温稳定性，主要进行车辙试验，依据规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》【8】JTGE20-2011中T0179-2011进行试验。
4.实施方案及结果
4.1原材料的选择及检测结果
4.1.1胶结材料：
采用重交通70#基质沥青，其技术指标见表4-1。
表4-1重交通70#沥青技术指标[9]
试验项目
技术要求
实测结果
（25℃，100g,5s）针入度（0.1mm）
60～80
72
（15℃，5cm/min）延度（cm）
≧100
﹥100
（10℃，5cm/min）延度（cm）
≧15
24.7
（环球法）软化点
≧46
52.2
针入度指数PI
-1.5～+1.0
-0.82
溶解度（%）
≧99.5
99.60
闪点（℃）
≧260
284
（15℃）密度（g/cm3）
实测
1.014
（蒸馏法）含蜡量（%）
≦3.0
2.2
TFOT（或RTFOT）后
163℃，5h
质量损失（%）
±0.8
-0.16
25℃残留针入度比（%）
≧58
64.5
10℃残留延度（cm）
6
8.7
15℃残留延度（cm）
15
89
4.1.2集料：
试验采用石灰岩作为集料，优质石灰岩制成矿粉。
其技术性质于表4-2【10】。
注：
（1）提高集料的棱角性，禁止砾石和天然砂，以获得混合料最大内摩阻力，保证集料形成较强的骨架，并保留一定的空隙，以增强混合料抵抗永久变形的能力和获得较好的耐久性。
（2）限制集料吸水率和粘土含量，以保证集料与沥青的粘结力。
（3）限制扁平细长颗粒的含量，含量过大，难以形成稳定的嵌挤骨架结构。
表4-2粗集料技术指标
试验项目
技术要求
实测结果
视密度（t/m3）
≧2.60
2.718
石料压碎值（%）
≦26
16.4
洛杉矶磨耗损失（%）
≦28
21.5
吸水率（%）
≦2.0
0.32
对沥青的黏附性
≧4
5
坚固性（%）
≦12
4.3
针片状颗粒含量（%）
≦15
9.4
粒径＞9.5mm针片状颗粒含量（%）
≦12
9.3
粒径＜9.5mm针片状颗粒含量（%）
≦18
9.7
水洗法（0.075mm）颗粒含量（%）
≦1
0.7
软石含量（%）
≦3
2.1
表4-3细集料技术指标
试验项目
技术要求
实测结果
视密度（t/m3）
≧2.50
2.716
坚固性（>0.3mm部分）（%）
≧12
12.5
砂当量（%）
≧60
67.5
含泥量（<0.075mm的含量）（%）
≦3
2.2
表4-4矿粉技术指标
试验项目
技术要求
实测结果
视密度（t/m3）
≧2.50
2.708
含水率（%）
≦1
12.5
亲水系数
﹤1
0.75
粒度范围
﹤0.6mm（%）
100
100
﹤0.15mm（%）
90～100
90～100
﹤0.075mm（%）
70～100
70～100
4.2确定矿料级配
4.2．1根据《公路工程集料试验规程》JTGE42相关试验方法测定表观密度和毛体积密度采用沥青浸渍法实测有效相对密度数据见表4-5。
表4-5集料相对密度测定结果
各档集料（mm）
19-31.5
9.5-19
4.75-9.5
0-4.75
矿粉
表观相对密度
2.716
2.713
2.714
2.72
2.708
毛体积相对密度
2.706
2.704
2.705
-
-
有效相对密度
2.711
2.708
2.710
2.698
2.700
4.2.2级配确定
表4-6ATB-25集料级配
31.5
26.5
19
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
19-31.5
100
84.0
0.6
0.4
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.1
9.5-19
100
100
82.1
63.1
36.5
2.4
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.1
4.75-9.5
100
100
100
100
100
87.4
0.7
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.2
0-4.75
100
100
100
100
100
100
92.5
62.5
39.3
25.2
18.5
12.4
8.2
矿粉
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
99.1
97.8
90.8
合成级配
100
96.2
70.4
62.8
53.1
39.9
30.7
21.0
13.9
9.7
7.7
5.8
4.3
规范中值
100
95
70
58
52
42
30
23.5
17.5
13
9.5
6.5
4.0
规范上限
100
100
80
68
62
52
40
32
25
18
14
10
6
规范下限
100
90
60
48
42
32
20
15
10
8
5
3
2
根据Excel表格规划求解功能，要是觉得我不会算，可以在您跟前演示一下。
求出不同粒径矿料通过不同筛孔的质量百分率（%）。
表4-7不同粒径矿料通过不同筛孔的质量百分率（%）
19-31.5
9.5-19
4.75-9.5
0-4.75
矿粉
29
22
23
22
4
四种料的比例为A:
B:
C:
D:
矿粉=29:
22:
23:
22:
4
级配曲线：
4.3大马歇尔方法
4.3.1大马歇尔方法
4.3.1.1热拌普通沥青混合料试件制作温度
70#沥青加热温度155～165℃，集料加热温度比沥青加热温度高10～30℃，拌和温度145～165℃，击实成型的温度145～150℃。
4.3.1.2矿料参数
（1）矿料合成毛体积相对密度sb。
sb=
=
=2.708
式中：
P1，P2…Pn—各种矿料成分的配合比，其和为100；
1，2,…n—各种矿料相应的毛体积相对密度。
（2）矿料合成表观密度sa.
sa=
=
=2.714
式中：
P1，P2…Pn—各种矿料成分的配合比，其和为100；
'1，'2,…'n—各种矿料相应的毛体积相对密度。
（3）矿料有效合成密度
se=2.706
（4）以油石比为2.8%来计算法求混合料最大相对密度：
沥青用量为Pb=2.7%
t=
=2.538
（5）按试验规程用蜡封法测出混合料毛体积密度为：
f=2.368g/cm3
（6）空隙率VV=（1-
）×100=6.7%
矿料间隙率VNA=（1-
）×100=15.1%
沥青饱和度VFA=
=55.5%
4.3.1.3马歇尔油石比确定方法
1）根据资料文献【12】，选取2.8%，3.2%，3.6%，4.0%，4.4%为油石比，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》用大马歇尔成型方法【9】。
同时试件成型好后测量其毛体积密度f，并在Excel工作表里计算出其他油石比的理论最大密度（ti）、空隙率（VV）、沥青饱和度（VFA），矿料间隙率（VMA）.
2）测出试件的马歇尔稳定度值、流值等力学指标。
见表4-8
表4-8各指标参数
油石比（%）
毛体积密度（g/cm3）
最大理论密度（g/cm3）
空隙率VV（%）
VFA饱和度（%）
矿料间隙率VMA（%）
稳定度（kN）
流值（0.1mm）
2.8
2.368
2.538
6.7
55.5
15.1
23.62
36.6
3.2
2.382
2.516
5.3
63.4
14.6
26.20
38.7
3.6
2.404
2.495
3.7
73.5
13.8
24.71
41.9
4.0
2.421
2.474
2.1
83.7
13.2
22.54
44.6
4.4
2.398
2.454
2.3
83.6
14.0
21.04
47.2
技术指标
-
-
3～6
55～70
4～6
≧7.5
1.5～4
3）分析各项指标指标，求出满足工程要求的油石比。
4）由最佳油石比制作大马歇尔和车辙试件，进行浸水马歇尔试验和车辙试验，测定残留稳定度和高温性能是否满足规定。
（1）确定油石比范围OACmin～OACmax.
（2）①初步确定最佳油石比OAC1，毛体积最大密度值a1、稳定度最大值a2、空隙率中值a3、沥青饱和度中值a4、都可以由指标试验曲线走势图上得知。
OAC1=（a1+a2+a3+a4）/4=（3.62%+3.1%+3.32%+3.56）=3.4%
②若在所选择的油石比范围内，未能涵盖沥青饱和度要求范围，则按下式计算。
OAC1=（a1+a2+a3）/3
③在选择试验油石比范围内，如果密度或稳定度没有出现峰值，可以直接以目标空隙率对应的油石比作为OAC1但它必须介入OACmin+OACmax之间。
否则将重新进行配合比计算。
（3）根据技术规范确定技术指标（见表4-8）要求的共同范围来确定二次最佳油石比OAC2
OAC2=（OACmin+OACmax）/2=（2.86%+3.14%）=3.0%
（4）确定最佳油石比OAC=（OAC2+OAC1）/2=3.2%,其参数如下表
油石比（%）
毛体积密度（g/cm3）
最大理论密度（g/cm3）
空隙率VV
VFA饱和度
矿料间隙率VMA
稳定度（kN）
流值（0.1mm）
3.2
2.382
2.516
5.3%
63.4%
14.6%
26.20
38.7
4.3.1.4.大马歇尔方法下的高温稳定性
4.3.1.4.1根据配合比设计的油石比用轮碾法成型试件3个,按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0719进行车辙试验，得出实验数据见表4-7.
表4-9大马歇尔方法下的车辙试验动稳定度（次/mm）
试件编号
动稳定度（次/mm）
平均动稳定度（次/mm）
①
2468
2499
②
2356
③
2672
标准差=160.22次/mm变异系数CV=1%符合试验规程要求
4.4GTM设计方法
4.4.1GTM压实原理【13】
GTM试验机能最大限度地模拟汽车在公路上行驶时轮胎与路面的相互作用，通过旋转压实，使沥青混合料密度能达到汽车轮胎实际作用于路面时所产生的密实度。
它依据力学分析原理进行材料配比设计，比体积法更合理。
但是GTM设计方法也有局限性，它并未关注路面结构的耐久性、抗老化能力、施工和易性以及抗疲劳开裂能力等，其对集料级配的设计筛选也没有提出专门程序，而只是沿用了传统的级配规范和方法。
4.4.2GTM试验机的参数
（1）GSI：
旋转压实机的稳定值GSI=最终旋转角／中间最小旋转角。
。
是确定最佳油石比（或最佳沥青用量）的重要指标。
（2）GSF:
试件成型后，由设备检测到的试件抗剪强度与实际路面在设定的垂直荷载下的最大剪应力之比值，用以表征所涉及混合料的抗剪强度安全程度。
在设计中要求GSF≧1.0。
（3）GCI:
进行GTM试验时，试件在30转和60转时密度的比值。
表征材料容易压实的密度，可以作为压实工艺的参考。
4.4.3GTM沥青混合料配合比设计技术要求
1）参数设置
（1）垂直压强0.7MPa；
（2）机械角初始机器角选用0.8°；（3）粉胶比的选用；（4）利用成功工程经验，采用GTM平衡状态下的最佳油石比和标准密度。
2）河北省GTM法技术指标【14】。
3）集料级配连续级配
4.4.4GTM法确定最佳油石比
1）选取2.8%，3.2%，3.6%，4.0%，4.4%为油石比，采用GTM压实机成型试件。
文献资料所查文献资料无GTM法下的各参数指标数据。
2）根据试件毛体积密度、旋转压实稳定度GSI及抗剪安全系数GSF，确定其最佳油石比，GTM试验参数随油石比的变化见表4-9。
表4-9ATB-25不同油石比下GTM试验参数的变化
油石比（%）
毛体积密度
GSI
GSF
2.8
2.454
1.05
1.18
3.2
2.473
1.04
1.17
3.6
2.493
1.12
1.24
4.0
2.517
1.65
1.16
4.4
2.482
1.78
1.19
3）GTM成型后各体积参数和力学指标见表4-10。
同理在马歇尔方法下用EXCEL表格计算出的。
表4-10GTM成型后各体积参数和力学指标
级配类型
油石比（%）
毛体积密度（g/cm3）
VV（%）
VFA（%）
VMA（%）
稳定度（kN）
流值（0.1mm）
ATB-25
2.8
2.454
5.2
56.7
12.0
25.2
36
3.2
2.473
4.3
62.1
11.3
28.4
44
3.6
2.493
3.6
66.3
10.6
31.5
51
4.0
2.517
2.4
75.4
9.8
26.6
56
4.4
2.482
1.0
90.9
11.0
23.8
60
4）由各指标试验曲线走势图算出GTM法下的最佳油石比为OAC=3.0%。
表4-11GTM方法下最佳油石比的参数
级配类型
油石比（%）
毛体积密度（g/cm3）
VV（%）
VF
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