设计沥青混合料.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流设计沥青混合料.精品文档.设计沥青混合料张肖宁(华南理工大学道路工程研究所，广东 广州 510641)摘 要： “设计沥青混合料”与路用沥青混合料组成设计具有本质的差别。尽管国内外在沥青混合料组成设计方面进行了广泛的研究但距离“设计沥青混合料”仍存在较大差距。本文根据以住的研究成果和对于国内外研究趋势的分析明确提出了设计沥青混合料的概念，重点分析了按体积设计沥青混合料、材料组成与沥青混合料路用性能关系等问题，并根据目前科学技术发展水平颈测了这一研究领域未来十年的技术进展。关键词：设计材料；沥青混合料；力学性能；体积特性 设计材料是高新技术时代材料科学与技术发展的重要标志，设计材料的方法与技术已经在国民经济发展的许多重要领域得到广泛应用。按照材料的功能要求设计材料，不仅可以极大限度地满足经济建设与社会发展的需求，更重要地，设计材料能够有效利用人类社会的宝贵资源，提高各类工程设计的水平与效率，更加显著地降低工程成本、有效地提高工程的使用功能。路用沥青混合料是当前决定道路工程质量的最重要的工程材料，也是占据道路建设经费比例最大的工程材料。近十年来，人类投入了巨大的研究费用研究其组成设计的理论、方法及应用技术，但到目前为止，工程技术人员仍然需要依据经验来确定沥青混合料的材料组成，并采用一些缺乏足够力学依据和实际验证的方法来评价沥青混合料的路用性能。毫无疑问，按照道路工程的环境特点、交通待性、结构特性、建设经费约束及其他功能要求，科学地、准确地设计能够满足使用要求、功能要求与建设要求的沥青混合料，将成为今后十年道路工程技术领域的重要课题。可以预见，设计沥青混合料的概念与目前采用的沥青混合料组成设计方法具有本质的差别，设计沥青混合料的概念一旦转化成应用技术，必将促使沥青路面建设技术发生巨大的科技进步。1   沥青混合料组成与设计沥青路面工程使用的沥青混合料一般由沥青、碎石、砂、矿粉以及添加剂组成。由这些材料组成的沥青混合料必须满足的路面功能要求包括：优秀的力学特性 包括疲劳抵抗能力、高温抗变形能力、低温抵抗开裂能力等。足够的耐久性 主要是对于自然环境因素影响的抵抗能力，如老化、冻融、浸水等。合理的结构适应性 在沥青路面结构中、不同层位对于沥青混合料具有完全不同的功能要求，不同特性的材料被应用于不同的结构层位。 优异的表面功能 包括平整性、抗滑能力、降噪防眩能力、排水特性、可辨识性等。 适宜的工艺特性 主要指混合、运输、摊铺、碾压及维护等施工过程中的施工和易性。现代交通对于路用沥青混合料的功能要求不仅表现为以上所述的多元性，也表现出功能要求之间的歧义性。通常认为这种歧义性主要表现为沥青混合料高温抗变形能力与低温防止开裂和表面抗滑与防止水损害之间的矛盾，事实上，从设计沥青混合料的技术观点出发，这种歧义性更加复杂。 例如，沥青混合料具有公认的粘弹特性，其力学行为不可避免地受到沥青感温性的影响。沥于混合料的工艺特性、高温特性、疲劳特性、低温特性之间既存在显著的依赖关系。也具有完全不同的力学机理。在适宜的施工温度范围内，沥青混合料要具有良好的流动特性和易成型性；为了防止车辙产生，在较高的使用温度范围内，沥青混合料不仅要表现出足够小的流动变形，也要具有足够的弹性变形恢复能力；对于疲劳抵抗能力，沥青混合料不仅要具有足够的柔韧性和适宜的重复荷载作用下的能量耗散能力，最近的研究还表明沥青混合料应该在尽量低的温度阀值下进入疲劳损伤状态；对于低温开裂，沥青混合料则不仅要具有足够的低温条件下的应力松弛能力，还要有较小的收缩特性和较大的低温开裂能。在工程实践中，过度地强调提高沥青混合料高温性能，就会不可避免地会损失其工艺特性、疲劳特性和低温特性，设计沥青混合料，重要的在于把握这些特性之间的平衡。 为了适应这些功能要求的多元性和歧义性，技术研究和工程实践取得的进展主要表现为以下方面：按结构层主要功能要求来设计沥青混合料，适当兼顾其他功能。比较典型的如抗滑表层(AK)、降噪路面(0GFC)、薄层沥青路面(BBM)、铺设在碎石层下的沥青下卧层(CRAM)等；提高石油沥青技术标准，改进沥青性能评价方法。此外，掺加聚合物(目前主要使用SBS改性剂)的改性沥青技术已经得到广泛应用，也有使用多级(温度敏感性)沥青的工程实例； 充分发挥粗集料的骨架作用，提高矿质混合料中粗集料的使用比例。目前正推广应用的SMS路面技术是这一潮流的典型代表。 显然，这些成果与进展还不足以称之为“设计沥青混合料”，采用更加清晰的特性原理测定并描述沥青混合料组成材料的特性，研究沥青混合料材料组成的体积关系对其功能的影响，选择更加合理的试验手段评价沥青混合料的路用性能，建立科学有效的数学模型由组成材料的特性预测沥青混合料整体的力学特性，根据沥青路面长期使用性能评价沥青混合料设计理论与方法，是当前沥青路面技术领域最为引人注目的研究课题。2按体积设计沥青混合料 沥青混合料的力学特性与其他功能的实现主要依赖于沥青胶浆特性与矿质混合料的级配组成。良好的沥青混合料组成设计不仅依赖于沥青性能和沥青胶浆性能，同时也依赖于粗集料颗粒之间的嵌挤。研究表明，沥青性能对于路面车辙抵抗的贡献率仅为29%，对于疲劳抵抗能力的贡献率为52%，对于低温抗裂性能的贡献率则为87。因此，在不断改善沥青性能的同时，充分发挥骨科对于沥青混合料性能的积极作用，按体积设计沥青混合料的方法不断得到完善。 技体积设计沥青混合料是设计沥青混合料的重要基础。已经发展一些按体积设计沥青混合料的技术，其中具有代表性的是SUPERPAVE沥青混合料设计体系。SUPERPAVE沥青混合料设计体系是美国公路战略研究计划(SHRP)成果的荟萃，其主要设计流程见图1。SUPERPAVE沥青混合料设计体系在执行过程中遇到的主要问题是按体积设计、按重量检验的矛盾，集料与混合料的毛体积密度、视密度、填装密度或最大密度的测定方法与测定结果对于按体积设计具有重要的影响。此外，目前使用的SUPERPAVE沥青混合料设计体系第I水平没有采用任何力学试验方法来评价沥青用量与沥青混合料性能，这一设计体系对于矿质集料级配的确定也完全依赖于经验，无法给设计者提供必要的方法与途径，这些都是SUPERPAVE沥青混合料设计体系尚未能被广泛认同的原因。 哈尔滨建筑大学于90年代初期提出了与SUPERPAVE沥青混合料设计体系类似的按体积设计沥青混合料的方法，尽管该方法也存在若干不足，但其与SUPERPAVE沥青混合料设计体系的不同则如图1所示，并可简要归结如下。 实测粗级料紧密堆积状态下空隙率，根据预定的沥青用量、粉油比和设计空隙率，通过质量与体积的平衡方程计算砂率，从而给出矿质集料级配设计的原则与方法，使得设计者可以根据自己的要求完成设计。按照这样的方法不仅可以设计连续级配，甚至可以设计单一粒径粗级料的特殊级配。 因此，对于相同的体积关系。粗细集料密度比变化时矿质级料的级配组成也将发生变化。工程中使用集料的密度品大达290以上。最小约为250，试算表明，即使粗集料紧密堆积状态下的空隙率不变。集料密度变化时粗级料的重量通过百分率可变化10左右，这对于混合料体积性能的影响可能是相当显著的。 在沥青混合料的体积组成关系中，粗集料具有骨架作用，细集料仅为填充，必须根据集料在沥青混合料中的作用划分粗细集料。该方法以粗集料最大粒径的16尺寸划分细集料，并强调断掉12档细集料形成密实间断级配。 采用马歇尔试验方法确定最佳沥青用量。并采用车辙试验、低温劈裂蠕变试验、应力控制方式劈裂疲劳试验来评价沥青混合料的高温特性、疲劳特性和低温抗裂特性，必要时，还需增加收缩系数测定与自行开发的构造深度耐久性试验等。使得按体积设计的沥青混合料力学性能得到控制。3    设计沥青混合料的力学性能沥青混合料的力学性能直接影响沥青路面的功能与使用特性。通常所说有沥青混合料力学性能包括沥青材料老化前后的高温稳定性、低温抗裂性、疲劳抵抗能力等，广义而言，也包括冰冻、水浸等自然因素影响前后力学性能的变化。沥青混合料力学性能的评价与预测是设计沥青混合料的基本目标，其主要研究内容包括以下5个方面。 沥青性能对于沥青混合料力学性能的影响。最早反映这一影响的研究成果是Shell中央研究所Van der poul的沥青与沥青混合料劲度关系的诺模图，诺丁翰大学Pell提出的由沥青含量及软化点预测沥青混合料拉应变与疲劳寿命的方法也已列入英国沥青路面设计规范。SHRP研究对于沥青技术指标体系进行了根本性变革，根据沥青感温特性、供用道路交通荷载组成水平、路用性能分类(高温、低温、中温)、沥青老化前后性质变化等因素，采用流变学理论和相应的仪器设备对沥青进行分级，事实上就是由沥青性能预测沥青混合料性能的一种方式。为了建立合适的预测模型，这一努力仍在继续，每年都有大量的研究结果发表。由于直馏道路沥青混合料不能满足路用性能的要求，改性沥青技术也得到迅速发展，根据对于沥青混合料路用性能要求的预测已经可以设计改性沥青的性能。 沥青胶浆性能对于混合料力学性能的影响。沥青胶桨主要由沥青与矿粉组成，有时也将沥青、矿粉与细集料的混合物称为沥青胶浆。随着SMA路面技术的发展。掺加各类纤维的混合料品种逐渐增加，纤维也成为沥青胶浆的重要组成部分。沥青混合料的力学性能主要依赖于粗集料之间的嵌挤(内磨阻力)和沥青胶浆的粘结力(内聚力)，研究沥青胶浆性能及其对于沥青混合料力学性能的影响无疑是非常重要的。较早研究的是矿粉粒度组成及表面特性对于胶浆性能的影响，随着SHRP研究仪器的普及，应用粘弹力学指标研究粉油比对胶浆及沥青混合料性能的影响，研究纤维在胶浆中的作用机理等得到广泛重视。最近，混合料中沥青膜厚度组成也成为评价沥青混合料性能的重要指标。沥青混合料体积特性对于力学性能的影响。沥青混合料的体积特性主要包括粗集料颗粒的几何特性和总体的堆积特性、沥青胶浆填充的体积特性以及沥青混合料中的空隙特性。较早的研究只能解决粗集料堆积状态和颗粒几何特性的分析。尽管已经编制丁关于粗集料几何特性的技术标准，但这些标准所依赖的检测手段比较落后。随后发展的图像数字化处理技术从手段上解决了这些问题，但已经发表的研究结果尚不足以全面地分析沥青混合料的体积特性，最近的研究正在向三维立体图像处理技术和包括粗级料、沥青胶浆、空隙等要素的多元识别技术发展。 沥青混合料力学性能的评价。设计沥青混合料必须采用科学合理的检测手段来评价它的力学性能，从Mashell试验用于沥青混合料设计至今，已经开发了相当数量的试验方法与检测手段。目前，模拟型的或简单力学模式的沥青混合料试验设备已经得到相当广泛的应用。其中，佐治亚大学开发的能够同时模拟车辙变形、路面疲劳和路面水损害的AAPA(Auto Asphalt Pavement Analyzer)试验设备引人注目，澳大利亚沥青混合料设计新方法中则采用了MATTA试验机来评价沥青混合料的高温、低温、疲劳性能和水损害抵抗能力。 沥青混合料力学性能与路面长期使用性能。在沥青路面长期使用过程中，由于沥青胶结料的老化，水温冻等自然环境的浸蚀，车辆荷载作用下产生的疲劳损伤等原因，沥青混合料的力学性能将产生一系列的变化。设计沥青混合料的力学性能应该是与路面长期使用性能相互一致的，为此需要通过路面长期使用性能调查，足尺路面加速加强试验和沥青混合料老化、损伤后的力学性能测定结合起来开展研究。美国联邦公路局(FIIWA)目前正在组织路面长期使用性能研究(LTPP)，我国也在小规模地开展类似的研究，但将这些研究成果纳入设计沥青混合料的范畴尚有显著的不足。4    设计沥青混合料的相关技术与展望综上所述，随着设计理论的发展与应用技术的进步，对于沥青混合料的研究已经进入一个全新时期，提出设计沥青混合料概念的时机已经成熟。根据目前的技术需求及研究动态，可以预测今后十年设计沥青混合料的理论与技术将得到迅速发展，并将扩展成为全新的重要概念。今后十年，需要和可能解决的主要技术问题包括：设计沥青混合料的体积组成技术日臻完善，以图像数字化处理技术和辐射成像技术为代表的沥青混合料体积组成无损判断技术得到迅速发展。以SUPERPAVE沥青混合料设计体系为例，为了进一步完善这一设计体系，美国联邦公路局组织了WestTrack环路实载试验验证了SUPERPAVE沥青混合料设计体系的适用性，协作展开了与SUPERPAVE沥青混合料设计体系第水平、第水平相关的测试方法研究。按体积设计需要按体积检验，美国联邦公路局研究中心(FHWRC)于1998年成立了SIMAP(Simulation,Imaging,and Mechanics of Asphalt Pavements)项目，计划调动多个学科领域的专家以三维图像数字化技术为核心，全面系统的研究沥青混合料体积组成特性。SIMAP原拟以平面图形数字化技术处理沥青混合料试件剖面上的集料、空隙和沥青胶浆的体积组成特性来评价其使用性能与设计水平，但很快就已经发展到使用X光断层扫描手段开展研究。SIMAP研究具有高度的保密性，但可以预见，这一研究手段一旦进入实用化阶段，将给设计沥青混合料课题带来革命性的技术进展。 随着材料科学技术进展，SHRP研究全面采用依据流变学原理设计的仪器评价沥青胶结料的路用性能及等级划分，使得沥青胶结料的研究手段全面接近高分子研究领域的水平。为此，如何提高沥青混合料基本性能的研究手段，促使沥青混合料性能研究的测试水平与沥青性能研究水平同步提高是一个非常重要的课题。例如，动态剪切流变仪(DSR)是SHRP研究用来评价沥青高温特性和疲劳特性的基本手段，为了模拟DSR的小变形剪切作用，Joseph L曾经在小于001应变水平下进行沥青混合料矩形梁扭转试验来建立沥青与沥青混合料在高温、疲劳等方面的动态响应关系，并取得良好的结果。类似地，已经发表了相当数量的论文和研究报告讨论沥青混合料流变特性与测试手段，但这一研究领域仍然存在许多问题留待研究解决。建立沥青混合料力学性能与路面长期使用性能相关性是设计沥青混合料研究中最为困难的课题，足尺路面加速加载试验是解决这一课题的重要手段，目前主要采用室内外两用试验装置开展研究。这类装置包括荷载、变形施加装置，路基湿度和承载力调整装置，环境温度和湿度控制装置，自动检测和实施数据处理软件等。作为现场快速测量系统，主要包含自动定位系统，车辙、平整度、表面构造深度与摩擦系数、裂缝等指标的自动测量系统、轴载自动检测、记录及实时处理系统。目前正在服役的加速加载设备主要包括南非开发的ALF和美国加州大学开发的HVS，这些装备均采用直线加载方式，一些小直径环道已经陆续退出使用。由于足尺路面加速加裁试验受到试验费用、试验条件、数据分析手段等条件的限制，其应用受到很大限制。 设计沥青混合树最重要的内容是建立一系列数学模型，如材料力学模型、路面功能模型、路面结构模型、路面长期使用性能模型等。尽管在这一领域中已经积累了相当丰富的方法与数据，但建模工作距离实用阶段仍有很大差距。可以说数据建模统领了本文所述设计沥青混合料领域各个分支的研究工作，因此，明确提出设计沥青混合料的概念，将有效促进沥青路面技术研究的进展。5   结语我国目前正处于高速公路建设的高峰时期，沥青路面技术人员正在致力于全面提高沥青路面建设质量，井为此不懈地引进吸收国外同一领域的先进技术。但是，我们不应该忽略沥青混合料设计理论与技术在悄然变化中可能产生的质的飞跃，积极发展设计沥青混合料的理论并在实践中将其完善，是进入新世纪后中国道路建设技术领域中必须高度重视的研究课题。                           摘自哈尔滨建筑大学学报