铜汤路面上面层科研试验段.docx
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铜汤路面上面层科研试验段
铜黄高速公路铜汤三标科研段
上面层沥青混合料
目标配合比设计及路用性能研究
东南大学交通学院
二OO七年七月
目录
1研究背景1
2原材料性能测试1
2.1沥青1
2.2集料3
2.3矿粉3
2.4抗剥落剂、木质素3
3级配的选择4
4沥青混合料试验研究7
4.1马歇尔试验7
4.1.1AC-13+环宇8
4.1.2AC-13+高强10
4.1.3SMA-13+环宇12
4.1.4PAC-13+高粘14
4.2SGC旋转压实验证试验错误！
未定义书签。
4.3水稳定性试验15
4.3.1浸水马歇尔试验15
4.3.2真空饱水冻融循环劈裂强度试验15
4.4劈裂强度试验16
4.5车辙试验17
4.6渗水试验19
4.7抗滑性能试验19
4.8试验小结20
参考文献21
1研究背景
20世纪90年代以来，我国的高速公路从无到有，飞速发展，目前通车总里程已超过3万公里。
其中，沥青路面以其良好的行车舒适性、优异的使用性能、建设速度快和维修方便等特点在我国也得到了广泛的应用。
资料表明，国内近期在建、重建的高速公路有90%以上采用沥青路面。
鉴于高等级公路在国民经济中的重要地位，沥青路面的路用性能具有举足轻重的意义，随着新型面层材料、级配的问世和工程实践的进一步深化，道路工程界开展了有关材料组成设计、材料性能等方面的研究。
经过近二十年的努力，我国在沥青路面的结构设计、材料、施工和检测方面积累了大量的经验，取得了许多理论上的重大进展，并形成了一套完整的技术体系。
虽然如此，国民经济的高速发展带来的交通量迅速增长、车辆大型化、严重超载等现象使沥青路面面临着严峻的考验，许多沥青路面高速公路建成后不久就不能适应交通的需要，早期破坏的情况时有发生。
沥青路面早期破坏现象主要有两种，其一为雨季出现的水损害，其二为高温季节出现的车辙，前者更为常见。
沥青路面发生早期破坏，除了施工工艺与质量控制方面的原因之外，沥青混合料设计不当，或者缺乏一个比较规范的混合料设计方法也是主要原因之一。
影响沥青混合料路用性能的因素主要有沥青的性质、集料性能、集料级配、集料与沥青间的粘附性以及沥青用量等，在沥青和集料等原材料确定的情况下，要设计路用性能优越的沥青混合料就必须根据所设沥青混合料面层的受力特性和功能要求通过设计合理的级配和选择合适的沥青用量以满足设计要求。
本研究就是在这一指导思想下，在选择优质的材料使其技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）的基础上，对铜黄高速公路上面层沥青混凝土进行配合比优化设计，从而使设计的沥青路面具有良好的路用性能。
2原材料性能测试
优质的原材料是保证沥青混合料具有优良路用性能的先决条件，为了满足气候环境与交通对路用性能的要求，必须做好原材料的选择。
本研究通过测试沥青、粗集料、细集料和矿粉等材料的性能和技术指标来检测材料是否满足规范要求，从而完成原材料的选择。
2.1沥青
拌制沥青混合料所用的沥青材料其技术要求随气候条件、交通情况、沥青混合料的类型和施工条件等因素而异，铜黄高速公路铜汤三标试验路上面层沥青混凝土采用环宇SBS改性沥青、高强沥青及高粘沥青，其技术指标基本满足JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》，也满足铜黄高速铜汤三标试验路的招标文件，实测技术指标见下表所示：
表1环宇SBS改性沥青的试验指标与技术要求
检验项目
试验指标
技术要求
检测方法
针入度（25℃，100g，5S）（0.1mm）
56
50~70
T0604
针入度指数PI
-0.03
≥-0.2
延度（5cm/min,5℃）（cm）
52
≥30
T0605
软化点（环球法）（℃）
83
≥70
T0606
运动粘度135℃（Pa.s）
2.2
≤3
T0625
闪点（COC）（℃）
318
≥230
T0611
溶解度（三氯乙烯）（％）
99.84
≥99
T0607
弹性恢复（25℃）
89
≥75
T0662
贮存稳定性离析,48h软化点差
1.0
≤2.0
T0661
旋转薄膜加热试验163℃，5h
质量损失（％）
0.02
≤0.8
T0609
针入度比25℃（％）
76.3
≥65
T0604
延度（5℃）（cm）
23
≥15
T0605
密度（15℃）（g/cm3）
1.030
≥1.0
T0603
动力粘度60℃（Pa.s）
23703
≥5000
T0620
Superpave性能等级
PG76-22
PG76-22
AASHTOM320-03
表2高强沥青的试验指标与技术要求
检验项目
试验指标
技术要求
检测方法
针入度（25℃，100g，5S）（0.1mm）
26.3
20~40
T0604
针入度指数PI
+0.77
≥-0.4
延度（5cm/min,5℃）（cm）
0.2
-
T0605
软化点（环球法）（℃）
72.0
≥60
T0606
运动粘度135℃（Pa.s）
3.1
≤3
T0625
闪点（COC）（℃）
312
≥230
T0611
溶解度（三氯乙烯）（％）
99.83
≥99
T0607
弹性恢复（25℃）
81
≥65
T0662
贮存稳定性离析,48h软化点差
1.2
≤2.5
T0661
旋转薄膜加热试验163℃，5h
质量变化（％）
-0.05
-1.0~+1.0
T0609
针入度比25℃（％）
76.0
≥65
T0604
延度（5℃）（cm）
0
-
T0605
密度（15℃）（g/cm3）
1.032
实测
T0603
动力粘度60℃（Pa.s）
5718
≥4000
T0620
Superpave性能等级
PG82-22
PG82-22
AASHTOM320-03
表3高粘沥青的试验指标与技术要求
检验项目
试验指标
技术要求
检测方法
针入度（25℃，100g，5S）（0.1mm）
57
≥40
T0604
针入度指数PI
+1.95
≥-0.2
延度（5cm/min,5℃）（cm）
41.0
≥20
T0605
软化点（环球法）（℃）
92.0
≥80
T0606
运动粘度135℃（Pa.s）
3.0
≤3
T0625
闪点（COC）（℃）
320
≥260
T0611
溶解度（三氯乙烯）（％）
99.84
≥99
T0607
弹性恢复（25℃）
100
≥70
T0662
贮存稳定性离析,48h软化点差
－
≤2.5
T0661
旋转薄膜加热试验163℃，5h
质量变化（％）
-0.170
-1.0~+1.0
T0609
针入度比25℃（％）
75.4
≥65
T0604
延度（5℃）（cm）
31.0
≥15
T0605
密度（25℃）（g/cm3）
1.020
实测
T0603
动力粘度60℃（Pa.s）
117195
≥50000
T0620
Superpave性能等级
PG76-22
PG76-22
AASHTOM320-03
2.2集料
集料是沥青混合料的关键材料之一，其力学性能是决定混合料强度特性的最重要因素，它的颗粒形状不仅影响混合料的构架，也直接关系到混合料的抗车辙能力与抗疲劳性能等材料特性，此外，集料与沥青的粘附等级对混合料强度的形成也起关键作用，因此选择优质的集料是沥青混合料具有优良路用性能的重要保证。
粗、细集料的试验指标分别见表4、表5：
表4玄武岩（枞阳恒泰）粗集料的试验指标与技术要求
试验项目
试验指标
技术要求
试验方法
压碎值（%）
13.9
≤20
T0316-2000
洛杉矶磨耗损失（％）
12.3
≤28
T0317-2000
视密度（g/cm3）
1＃料
2.800
≥2.60
T0308-2000
2＃料
2.806
3＃料
2.767
吸水率（％）
1.12
≤2.0
与沥青的粘附性（级）
5
5
T0616-1993
针片状含量（％）
1.7
≤13
T0312-2000
表5石灰岩细集料的试验指标与技术要求
试验项目
试验指标
技术要求
试验方法
视密度（g/cm3）
2.674
≥2.60
T0330-2000
砂当量（％）
75
≥75
T0340-1994
2.3矿粉
沥青混合料的填料宜采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等石料经磨细得到的矿粉，铜黄高速公路铜汤三标试验路所采用的石灰石矿粉技术指标均满足规范的技术要求，实测试验指标见表6：
表6矿粉的试验指标与技术要求
试验项目
试验指标
技术要求
试验方法
视密度（g/cm3）
2.653
≥2.50
T0352-2000
含水量（%）
0.16
≤1.0
T0332-1994
粒度范围
<0.6mm（%）
100.0
100
T0351-2000
<0.15mm（%）
100.0
90～100
<0.075mm（%）
98.0
75～100
外观
无团粒结块
无团粒结块
—
亲水系数
0.75
＜1
T0358-2000
2.4抗剥落剂、木质素
本项目抗剥落剂经优选采用江苏文昌电子化工有限公司生产的文盛牌TW-1型，掺量为沥青用量的0.4%。
SMA-13中所选用的木质素厂家为北京泛华圣大道路技术有限公司，JSR木质素用量为混合料的的0.35%。
3级配的选择
在组成沥青混合料的原材料选定后，沥青混合料的技术性质在很大程度上取决于集料间的级配组成，沥青混合料由于集料的级配不同，可以形成不同的组成结构。
总结多年的工程经验，铜黄高速公路铜汤三标试验路上面层采用以下四种沥青混合料：
AC-13级配+环宇SBS改性沥青、AC-13级配+高强沥青、SMA-13级配+环宇SBS改性沥青以及PAC-13级配+高粘沥青。
三种级配范围及曲线图如下：
表7AC-13级配组成计算
筛孔尺寸（mm）
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
原材料筛分结果
1*
100.0
80.0
26.0
0.0
0.0
2*
100.0
100.0
100.0
10.0
0.0
0.0
0.0
3*
100.0
100.0
100.0
100.0
14.6
3.8
1.9
1.0
0.6
0.0
4*
100.0
100.0
100.0
100.0
83.5
50.2
35.0
24.7
18.7
8.4
矿粉
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
98.0
矿料组成比例
1*（44）
44.0
35.2
11.4
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
2*（13）
13.0
13.0
13.0
1.3
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
3*（8）
8.0
8.0
8.0
8.0
1.2
0.3
0.2
0.1
0.0
0.0
4*（31）
31.0
31.0
31.0
31.0
25.9
15.5
10.9
7.7
5.8
2.6
矿粉（4）
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
3.9
合成级配
100.0
91.2
67.4
44.3
31.1
19.9
15.0
11.7
9.8
6.5
级配中值
100.0
90.0
67.5
42.5
31.0
22.5
15.0
13.0
10.5
6.0
级配上限
100.0
100.0
73.0
48.0
34.0
26.0
18.0
16.0
14.0
8.0
级配下限
100.0
80.0
62.0
37.0
28.0
19.0
12.0
10.0
7.0
4.0
注：
由于料厂生产的1#、2#料均偏细，无法满足级配需要，本试验中对1#、2#料进行了目标筛分。
0.0750.150.30.61.182.364.759.513.2161926.5
图1AC-13级配曲线图
表8SMA-13级配组成计算
筛孔尺寸（mm）
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
原材料筛分结果
1*
100.0
91.0
26.3
0.2
0.0
2*
100.0
100.0
100.0
10.0
0.0
0.0
0.0
3*
100.0
100.0
100.0
100.0
16.0
5.3
3.4
2.5
2.1
1.5
4*
100.0
100.0
100.0
100.0
83.5
50.2
35.0
24.7
18.7
8.4
矿粉
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
98.0
矿料组成比例
1*（54）
54.0
49.1
14.2
0.1
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
2*（22）
22.0
22.0
22.0
2.2
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
3*（0）
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
4*（15）
15.0
15.0
15.0
15.0
12.5
7.5
5.3
3.7
2.8
1.3
矿粉（9）
9.0
9.0
9.0
9.0
9.0
9.0
9.0
9.0
9.0
8.8
合成级配
100.0
95.1
60.2
26.3
21.5
16.5
14.3
12.7
11.8
10.1
级配中值
100.0
95.0
62.5
27.0
20.5
19.0
16.0
13.0
12.0
10.0
级配上限
100.0
100.0
68.0
32.0
24.0
22.0
19.0
16.0
15.0
15.0
级配下限
100.0
90.0
57.0
22.0
17.0
16.0
13.0
10.0
9.0
5.0
注：
由于料厂生产的2#料偏细，无法满足级配需要，本试验中对2#料进行了目标筛分。
0.0750.150.30.61.182.364.759.513.2161926.5
图2SMA-13级配曲线图
表9PAC-13级配组成计算
筛孔尺寸（mm）
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
原材料筛分结果
1*
100.0
80.0
26.0
0.0
0.0
2*
100.0
100.0
100.0
8.0
0.0
0.0
0.0
3*
100.0
100.0
100.0
100.0
14.6
3.8
1.9
1.0
0.6
0.0
4*
100.0
100.0
100.0
100.0
83.5
50.2
35.0
24.7
18.7
8.4
矿粉
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
98.0
矿料组成比例
1*（29）
29.0
23.2
7.5
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
2*（53）
53.0
53.0
53.0
4.2
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
3*（0）
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
4*（13）
13.0
13.0
13.0
13.0
10.9
6.5
4.6
3.2
2.4
1.1
矿粉（5）
5.0
5.0
5.0
5.0
5.0
5.0
5.0
5.0
5.0
4.9
合成级配
100.0
94.2
78.5
22.2
15.9
11.5
9.6
8.2
7.4
6.0
级配中值
100.0
94.0
78.0
21.0
14.0
12.0
10.0
9.0
7.5
6.0
级配上限
100.0
100.0
83.0
26.0
17.0
15.0
13.0
12.0
10.0
8.0
级配下限
100.0
88.0
73.0
16.0
11.0
9.0
7.0
6.0
5.0
4.0
注：
由于料厂生产的1#、2#料均偏细，无法满足级配需要，本试验中对1#、2#料进行了目标筛分。
0.0750.150.30.61.182.364.759.513.2161926.5
图3PAC-13级配曲线图
4沥青混合料试验研究
根据现场各类集料的级配组成及上述确定的沥青混合料级配，确定各矿料的组成比例，以0.5%间隔变化沥青用量，确定最佳配合比，进一步对铜黄高速公路铜汤三标试验路沥青混凝土生产配合比试验结果进行指导，从而为路面上面层施工的顺利进行提供依据。
4.1马歇尔试验
为确定沥青混合料的油石比（Optimumasphaltcontent，简称OAC），常用的试验方法是马歇尔法。
我国现行国标（GBJ92-93）规定的确定沥青最佳用量的方法，是在马歇尔法和美国地沥青学会方法的基础上，结合我国多年研究成果和生产实践总结发展起来的，主要步骤为：
在推荐的油石比范围内，以0.5%间隔变化，成型5种不同油石比的试件；
进行马歇尔试验，测定试件稳定度和流值，同时测定并计算试件的空隙率、饱和度及矿料间隙率；
按照施工规范规定的方法确定最佳油石比。
一、试件成型
按照规范要求，根据试验室以往经验，确定AC-13与PAC-13的油石比范围为4.0～6.0%，SMA-13的油石比范围为5.0～7.0%，采用0.5%的间隔变化，根据集料级配组成计算各种矿料用量，制备马歇尔试件（AC-13与SMA-13两面击打75次，PAC-13两面击打50次）。
二、马歇尔试验
首先测定物理指标：
按规范规定的方法成型马歇尔试件，经24h后测定其视密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等物理指标。
然后测定力学指标：
测定物理指标后的试件，在60℃温度下测定其马歇尔稳定度和流值。
试验结果如以下图表所示：
4.1.1AC-13+环宇
表10马歇尔试验结果
油石比
Pa（%）
毛体积密度
ρs（g/cm3）
空隙率
VV（%）
矿料间隙率
VMA（%）
沥青饱和度
VFA（%）
稳定度
MS（kN）
流值FL
（0.1mm）
4.0
2.309
9.2
17.8
48.4
13.3
28
4.5
2.375
5.9
15.9
62.6
15.0
40
5.0
2.414
3.8
14.9
74.8
15.6
45
5.5
2.409
3.3
15.5
78.7
16.1
37
6.0
2.426
2.0
15.3
87.1
16.0
56
技术标准
（JTGF40-2004）
—
3.0～4.5
≥14
65～75
>8.0
20～50
1.油石比与各项指标的关系曲线图
图4油石比与毛体积密度关系曲线
图5油石比与空隙率关系曲线
图6油石比与饱和度VFA关系曲线
图7油石比与稳定度关系曲线
图8油石比与流值关系曲线
2．最佳油石比的确定
①由上图中曲线及沥青混合料技术标准可知，密度没有出现最大值，则最佳沥青用量的初始值OAC1取目标空隙率4.0对应的油石比，即OAC1==4.93%。
②由图中曲线可知，各项指标均符合沥青混合料技术标准的油石比范围为：
4.70％～5.10％，即OACmin＝4.75％，OACmax＝5.00％则中值OAC2=（OACmin＋OACmax）/2＝（4.70％＋5.10％）/2＝4.90％。
③取OAC1和OAC2的中值为最佳油石比，即定最佳油石比OAC=（OAC1＋OAC2）/2＝（4.93％＋4.90％）/2＝4.9％。
4.1.2AC-13+高强
表11马歇尔试验结果
油石比
Pa（%）
毛体积密度
ρs（g/cm3）
空隙率
VV（%）
矿料间隙率
VMA（%）
沥青饱和度
VFA（%）
稳定度
MS（kN）
流值FL
（0.1mm）
4.0
2.347
7.5
16.3
53.9
13.1
26
4.5
2.365
6.1
16.0
61.7
14.8
46
5.0
2.403
4.0
15.1
73.6
18.5
47
5.5
2.390
3.9
16.0
75.8
13.0
23
6.0
2.392
3.1
16.3
80.8
14.9
48
技术标准
（JTGF40-2004）
—
3.0～4.5
≥14
65～75
>8.0
20～50
2.油石比与各项指标的关系曲线图
图9油石比与毛体积密度关系曲线
图10油石比与空隙率关系曲线
图11油石比与饱和度VFA关系曲线
图12油石比与稳定度关系曲线
图
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