發(fā)布時間：2016-04-14 20:14

第一章 緒 論

1.1 論文研究目的及意義
采用半剛性基層雖然可以增強路面承載力，為面層提供穩(wěn)定的支承，使瀝青面層行車舒適性得到充分發(fā)揮。但是，由于材料性能的原因，半剛性基層路面在使用過程中普遍存在龜裂、反射裂縫、車轍、沖刷等病害現(xiàn)象，其中開裂是半剛性基層典型的病害型式，一直的得不到根本解決[1-5]。為了減少半剛性基層瀝青路面反射裂縫，近年來國內(nèi)一些省份在公路建設(shè)中開始使用柔性基層，由于瀝青價格較高，柔性基層瀝青路面建設(shè)費用與半剛性基層路面相比大幅上揚，且國內(nèi)對于柔性基層瀝青路面車轍問題研究不足，缺乏科學(xué)的技術(shù)規(guī)范。因此，柔性聯(lián)結(jié)層和半剛性基層相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式成為目前較為常見的結(jié)構(gòu)組合型式。其上層為瀝青穩(wěn)定碎石柔性層、下層為半剛性基層，既具有半剛性基層強度高、承載能力大的優(yōu)點，又可以發(fā)揮柔性層良好的抗變形和抗開裂能力，同時也降低了路面建設(shè)費用[6-8]。

目前，我國柔性聯(lián)接層主要采用瀝青穩(wěn)定碎石（ATB），ATB 瀝青穩(wěn)定碎石混合料粒徑較大，其最大公稱粒徑在 25~63mm 之間。下面層和基層的瀝青穩(wěn)定碎石空隙率在 3%~6%之間，用于基層的嵌擠骨架－空隙型瀝青穩(wěn)定碎石空隙率在 15%以上。作為柔性結(jié)構(gòu)層，瀝青穩(wěn)定碎石具有較強的變形能力；同時可以有效降低路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力集中，減少瀝青路面反射裂縫的發(fā)生，提高路面使用性能[9-11]。我國對于瀝青穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層的設(shè)計施工等方面的研究尚處于起步階段，但由于其良好的使用性能，各地在公路建設(shè)中對于穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層的研究和應(yīng)用逐漸增多。在今后的公路建設(shè)中，瀝青穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層將成為高等級公路的主要路面結(jié)構(gòu)層之一，具有良好的應(yīng)用前景。因此，對瀝青穩(wěn)定碎結(jié)構(gòu)層的混合料的設(shè)計方法、結(jié)構(gòu)性能要求、施工質(zhì)量控制措施等方面進行深入研究對于該結(jié)構(gòu)的推廣具有重要意義[12-20]。

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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
國外在對于柔性基層路面的應(yīng)用相對較早，美國、德國、英國、澳大利亞等國家都形成了柔性基層路面技術(shù)規(guī)范。目前，國外采用的柔性路面結(jié)構(gòu)形式主要有兩種。一種是柔性基層瀝青路面，其面層和上基層均采用瀝青混合料，下基層采用級配碎石；另一種是柔性組合式路面，其面層和上基層采用瀝青混合料，下基層采用無機結(jié)合料穩(wěn)定基層，或在半剛性基層與瀝青面層之間設(shè)置級配碎石層[21-23]。
1949 年，在北約克郡修建了多個試驗段，用于比較瀝青碎石基層和級配碎石基層性能的差異性。1957 年在劍橋郡鋪筑的試驗路包括了 33 種柔性路面結(jié)構(gòu)，比較了級配碎石、貧混凝土、瀝青碎石、瀝青混凝土和水泥膠結(jié)砂基層的使用性能。結(jié)果表明，瀝青混凝土基層路用性能最優(yōu)，開級配瀝青碎石次之，級配碎石和膠結(jié)砂的路用性能較差[24]。1956~1960 年間，美國各州公路工作者協(xié)會(AASHO)進行了著名的AASHO 試驗路研究。在該項研究中對比了碎石基層、礫石基層、水泥穩(wěn)定基層和瀝青穩(wěn)定基層的使用性能。結(jié)果表明，瀝青穩(wěn)定基層路面的使用性能明顯優(yōu)于水泥穩(wěn)定類基層[25-28]。
20 世紀(jì) 70 年代初期，德國在路面設(shè)計中采用了全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)，解決重載交通對路面結(jié)構(gòu)造成的損害問題。并在這一時期內(nèi)修建了多條試驗路，對比分析了傳統(tǒng)瀝青路面結(jié)構(gòu)與全厚式瀝青路面的使用性能。結(jié)果表明，全厚式瀝青路面具有更好的路用性能。1973 年，加拿大亞伯達省修建了兩段全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)，并對不同交通荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變進行了檢測，分析了路面在交通、環(huán)境和結(jié)構(gòu)共同作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和彎沉，為制定路面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提供了科學(xué)依據(jù)。20 世紀(jì) 70 年代中期，俄亥俄州進行了全厚式瀝青路面力學(xué)性能的系統(tǒng)研究。進行了大量的疲勞試驗、劈裂強度試驗和動態(tài)模量試驗，確定了瀝青面層材料和瀝青穩(wěn)定基層材料的結(jié)構(gòu)系數(shù)分別為 0.45 和 0.40。
加拿大氣高速公路瀝青路面多采用瀝青穩(wěn)定碎石基層，其混合料粒徑較小，厚度一般為 15~35cm，瀝青穩(wěn)定碎石混合料設(shè)計方法與瀝青混合料較為相似，僅減小了填料和瀝青用量。丹麥、挪威、芬蘭、瑞典等國家很少使用半剛性基層，其高速公路大多采用瀝青穩(wěn)定碎石基層，由于處于潮濕、冰凍氣候區(qū)，其路面結(jié)構(gòu)中瀝青面層厚度和基層厚度較大。意大利、西班牙等國家高速公路以柔性基層瀝青路面為主，尤其是交通量較大時，普遍采用瀝青穩(wěn)定碎石基層，底基層采用半剛性材料。意大利的典型路面結(jié)構(gòu)是 20cm 半剛性底基層+20~35cm 瀝青層，西班牙的典型路面結(jié)構(gòu)是20cm 半剛性底基層+22~40cm 瀝青層。

Robert 基于斷裂力學(xué)理論建立了瀝青路面溫度疲勞計算模型，分析了路面結(jié)構(gòu)溫度分布梯度，對路面溫度疲勞開裂進行了預(yù)估，提出了基于溫度疲勞開裂的瀝青路面設(shè)計方法[29]。Doh,Young 建立了瀝青路面疲勞壽命預(yù)估模型，采用多項性能指標(biāo)對瀝青路面抗裂性能進行了分析，對比評價了不同類型瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層的抗反射裂縫性能[30]。Kumara 等建立了車輛荷載作用下的瀝青路面開裂狀況預(yù)估模型，并采用馬爾科夫數(shù)學(xué)模型預(yù)測隨機荷載作用下裂縫的概率分布特性，提出了瀝青路面隨機開裂預(yù)估方法，揭示了車輛荷載作用下路面裂縫的發(fā)展過程[31]。Goagofou 通過建立能夠表征結(jié)構(gòu)開裂行為的數(shù)學(xué)模型，來預(yù)測車輛荷載及溫度共同作用下路面裂縫的發(fā)展規(guī)律，從而確定阻止路面裂縫的方法。

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第二章 瀝青混合料配合比設(shè)計方法和建模理論

2.1 馬歇爾設(shè)計方法
目前，多采用馬歇爾方法進行瀝青混合料設(shè)計，該方法最早由BruceMarshall發(fā)明，美國陸軍工程兵團對此方法進行了改進和完善。馬歇爾方法被世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛的瀝青混合料設(shè)計方法之一，但該設(shè)計方法屬于經(jīng)驗設(shè)計法，無法滿足交通量和軸載迅速增長、新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)對瀝青混合料配合比設(shè)計和檢驗的需求。越來越多的工程技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)通過馬歇爾方法得到的瀝青混合料，其體積指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)不能較真實地反映實際路面的使用性能。其原因包括：一、由于馬歇爾方法以擊實成型試件，不能真實體現(xiàn)壓路機、行駛車輛對瀝青混凝土路面的揉搓、碾壓作用；二、由于馬歇爾擊實儀僅為垂直作用，其擊實功不足，而僅以增加擊實次數(shù)提高擊實功，則在擊實過程中容易把試件表層的集料擊碎，與施工過程和實際使用狀態(tài)下的瀝青路面所承受的作用力差異顯著。此外，馬歇爾方法采用擊實成型存在的局限性如下[42]。
（1）混合料合計與路面設(shè)計不掛鉤
現(xiàn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法根據(jù)經(jīng)驗或有限的試驗確定材料的各種模量，用彈性層狀理論分析各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力、應(yīng)變、位移、總彎沉，以滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，即先進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，再進行瀝青混合料的設(shè)計�；旌狭显O(shè)計后的材料參數(shù)是否滿足設(shè)計時的取值，未進行檢驗，也就是說混合料設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計尚未相結(jié)合考慮。正確的方法是根據(jù)經(jīng)驗確定路面結(jié)構(gòu)后，進行混合料設(shè)計，通過室內(nèi)試驗測定瀝青混合料的各項指標(biāo)，以此作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的參數(shù)。
（2）無法判斷交通量對瀝青混合料的技術(shù)要求
馬歇爾方法僅根據(jù)所計算的交通量大小分成三種，即輕、中、重交通，三種不同的交通量水平是根據(jù)在成型試件時采用不同的擊實次數(shù)，據(jù)此要求瀝青混合料響應(yīng)的體積特性，該劃分結(jié)果過于簡單。
（3）試件成型方法無法匹配行車壓實過程
馬歇爾設(shè)計方法中試件采用擊實方法成型，該方法具有一定的弊端：一、擊實方法很容易將試件內(nèi)部的集料擊碎，特別是位于試件表層的集料，因此改變了混合料的原有級配；二、擊實方法無法對應(yīng)壓路機和行車的搓揉、碾壓。美國SHRP計劃對四種不同試件（分別為旋轉(zhuǎn)壓實、輪碾壓實、馬歇爾擊實、路面鉆芯試件）進行工程性質(zhì)的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)馬歇爾擊實試件與路面鉆芯試件工程性質(zhì)的相關(guān)性最差。
（4）聚合物改性瀝青混合料的適用性較差

現(xiàn)行馬歇爾試件的體積指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)主要是針對密級配普通瀝青混合料提出的。若使用改性瀝青混合料，增加較小的荷載，則常常出現(xiàn)馬歇爾試件變形持續(xù)增大的現(xiàn)象。對于此類問題的處理不能簡單將規(guī)范值放大或放小，應(yīng)進行深入的研究。

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2.2 Superpave 設(shè)計方法
Superpave（Superior Performing Asphalt Pavement）混合料設(shè)計方法體系是美國SHAP（Strategic Highway Research Program）計劃的主要研究成果之一。Sperpave混合料設(shè)計包括三個水準(zhǔn)：混合料體積設(shè)計，以旋轉(zhuǎn)壓實成型試件，并根據(jù)體積設(shè)計要求確定瀝青用量；混合料中等路面性能水平設(shè)計，以混合料體積設(shè)計為基礎(chǔ)，以SST和IDT試驗預(yù)測性能；混合料最高路面性能水平設(shè)計，以混合料體積設(shè)計為基礎(chǔ)，附加較寬溫度范圍的SST和IDT試驗。

對于瀝青結(jié)合料，采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱模擬瀝青混合料在拌和和攤鋪中的老化；采用壓力老化容器模擬瀝青在路面使用中的老化。對于集料，在進行級配設(shè)計時，采用控制點和限制區(qū)來限定。對于瀝青混合料，在拌好后，采用短期老化模擬瀝青混合料在拌和攤鋪壓實中的老化。Superpave混合料體積設(shè)計根據(jù)瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率、瀝青填隙率等體積特性進行熱拌瀝青混合料設(shè)計的，主要有材料選擇、混合料拌和、體積分析以及混合料性能驗證。Suerpave瀝青混合料體積設(shè)計法對材料、集料級配、混合料均有嚴格的規(guī)定，并制定了相應(yīng)的規(guī)范，包括膠結(jié)料規(guī)范、集料規(guī)范、混合料規(guī)范。

2.2.1 Superpave 瀝青混合料的特點

Superpave瀝青混合料設(shè)計方法的主要特點是采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型試件和對于混合料的力學(xué)性能測試，試件的尺寸與馬歇爾擊實方法成型的試件相差很大，其直徑為150mm，該設(shè)計方法引起了世界各國的廣泛關(guān)注。旋轉(zhuǎn)壓實成型的瀝青混合料一般具有級配連續(xù)、骨料嵌擠、結(jié)構(gòu)密實的特點。此外，Superpave瀝青混合料還具備以下特點：
（1）良好的內(nèi)摩阻力和穩(wěn)定性，顯著改善了抗高溫車轍能力；（2）良好的密實性，在充分壓實的情況下可以得到較為理想的空隙率，增強了抗水損壞的能力；（3）混合料施工方面有一定的特殊性，高溫壓實時混合料穩(wěn)定，不會出現(xiàn)推擠和波浪現(xiàn)象，但壓實相對困難。
2.2.2 Superpave 設(shè)計流程

Superpave 瀝青混合料設(shè)計流程見圖 2.1，Superpave 級配設(shè)計的 S 級配見表2.1。

隨著交通條件和車速的提高，新材料、新結(jié)構(gòu)等的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗方法的馬歇爾設(shè)計方法存在的問題逐漸顯現(xiàn)出來，而Superpave技術(shù)自引入我國，得到了廣泛關(guān)注的同時，我國的該領(lǐng)域研究人員展開了卓有成效的研究工作，并取得了卓越的研究成果，部分研究成果已經(jīng)寫入《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》、《公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》、施工規(guī)范等，說明Superpave瀝青混合料設(shè)計方法具有獨特的優(yōu)點。

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第三章 ATB-30 混合料配合比設(shè)計與路用性能測試.............22
3.1 原材料選擇..........................................22
3.1.1 瀝青..............................................22
3.1.2 粗集料............................................22
第四章 ATB-30 瀝青混合料細觀模型的構(gòu)建及力學(xué)分析........36
4.1ATB-30 級配確定........................................36
4.2ATB-30 下面層力學(xué)分析.................................37
4.2.1 細觀模型的構(gòu)建.....................................37
第五章 ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石的施工工藝......................53
5.1 準(zhǔn)備工作.............................................53

5.2ATB-30 的拌和與運輸....................................54

第五章 ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石的施工工藝

在某高速公路路面設(shè)計中，下面層采用 ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石，大粒徑混合料在施工工程中容易發(fā)生離析，影響路面施工質(zhì)量，因此，ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石下面層施工時應(yīng)嚴格控制施工質(zhì)量，避免混合料在施工過程在發(fā)生離析，提高路面施工質(zhì)量和使用性能，本章對 ATB-30 的施工技術(shù)和質(zhì)量控制進行研究。

5.1 準(zhǔn)備工作
1、集料
（1）按照配合比設(shè)計要求準(zhǔn)備各種規(guī)格的集料。對不同料場、不同批次的集料應(yīng)進行篩分試驗，不同規(guī)格集料應(yīng)分類堆放，相同規(guī)格、不同料源的集料也應(yīng)分開堆放，所有集料都應(yīng)進行抽樣檢驗，滿足設(shè)計要求。
（2）集料對方場地應(yīng)清潔、干燥、排水良好，場地應(yīng)設(shè)置硬質(zhì)鋪面，集料試驗前應(yīng)充分烘干。
（3）集料對方時應(yīng)采用分層堆放的方法，備料時逐層向上堆放，避免集料發(fā)生離析。
2、瀝青
瀝青應(yīng)按照品種、標(biāo)號分類存放。瀝青存貯溫度不低于130℃，最高不超過170℃。瀝青在運輸和存放過程中應(yīng)采取防水措施。改性瀝青宜貯存在可加熱與保溫的貯藏罐中，貯存溫度取決于瀝青類型和等級，如果停止使用，改性瀝青貯存溫度應(yīng)低于150℃。若停用時間超過3周，貯存溫度應(yīng)低于135℃。重新使用時應(yīng)緩慢加熱至使用溫度，加熱過程中不斷進行攪拌避免局部過熱和瀝青老化。
3、施工機械和檢測儀器的準(zhǔn)備
施工前應(yīng)檢查瀝青混合料生產(chǎn)、運輸、攤鋪、碾壓設(shè)備是否齊全，并進行校驗。保證機械設(shè)備能夠良好運轉(zhuǎn)，同時應(yīng)配備符合規(guī)定要求的質(zhì)量檢測設(shè)備，檢查儀器設(shè)備是否損壞。
4、準(zhǔn)備下承層

瀝青混合料下面層鋪筑前，應(yīng)檢查其下承層的施工質(zhì)量是否滿足要求，保證層間界面接觸狀態(tài)良好。

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第六章 主要結(jié)論及建議

6.1 主要結(jié)論
本文針對 ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石混合料目前應(yīng)用過程中存在的問題，對ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石級配組成設(shè)計、路用性能、細觀力學(xué)性能及施工質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)進行了系統(tǒng)研究，為瀝青穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層的進一步推廣應(yīng)用提供科學(xué)參考。得出的主要研究結(jié)論如下：
（1）分析了馬歇爾設(shè)計方法隨著目前道路交通量的發(fā)展、使用性能的提高該方法已凸顯其局限性，引出了 Superpave 瀝青混合料配合比設(shè)計方法，確定了ATB-30 下面層的配合比設(shè)計方法。介紹了用于構(gòu)建瀝青混合料細觀結(jié)構(gòu)、并用于分析瀝青混合料內(nèi)部相互作用機理的離散元方法的相關(guān)理論。
（2）結(jié)合依托工程具體情況選擇了ATB-30混合料所用原材料，并進行了配合比組成設(shè)計，確定了最佳油石比為3.5%。
（3）對ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石混合料路用性能進行了檢測，結(jié)果表明ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石下面層具有良好的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性。
（4）利用離散元方法生成了二維ATB-30下面層細觀模型，在施加標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，追蹤了荷載作用位置處的接觸力、顆粒位移。構(gòu)建了5cmAC-13上面層+7cmAC-20中面層+10cmATB-30下面層的路面結(jié)構(gòu)，并追蹤了施加標(biāo)準(zhǔn)軸載后路面結(jié)構(gòu)的細觀響應(yīng)。

（5）確定了不同階段ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石混合料施工溫度控制范圍，提出了ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石混合料的施工工藝及施工質(zhì)量控制措施。

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6.2 進一步研究建議
1、對ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石混合料在施工過程中材料的離析研究不夠系統(tǒng)，需進一步提出施工各階段防止離析的具體措施。

2、對ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石混合料路面的長期性能缺乏觀測和評價，在后續(xù)研究中可通過預(yù)埋傳感器、無損檢測等方法進行深入觀測。

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參考文獻（略）

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本文編號：38240