城市道路排水性沥青混合料OGFC应用研究（可编辑）

城市道路排水性沥青混合料OGFC应用研究（可编辑） 城市道路排水性沥青混合料OGFC应用研究 长安大学 硕士学位论文 城市道路排水性沥青混合料OGFC应用研究 姓名:成华 申请学位级别:硕士 专业:交通运输工程 指导教师:韩森 20110611摘要 大空隙排水性沥青路面是指,将空隙率大的沥青混合料用于路面结构的上面层或 上面层与中面层同用,并且在排水层下面铺设密级配不透水层。雨水通过排水功能层 和排水设施迅速排出。这种类型的路面能够及时将路面表面的雨水排出,从而提高了雨 天车辆行驶的安全性能。同时,由于混合料内的多空隙结构,有效地降低了道路交通噪 声。城市道路是城市建设的一个重要组成部分,城市道路的使用状况直接关系到城市经 济的发展、居民出行便捷程度以及城市环境等问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。因而,在城市道路中使 用排水性沥 青路面能解决城市道路排水问题,降噪问题,并且提高路面抗滑性从而降低城市交通事 故发生率。 具有空隙率大的特点,其 排水性沥青混合料 空隙率在/..%,能够通过较大的空隙迅速排除路表降水【】,减小路表水膜厚度, 使车轮与路面有足够的接触面积,从而避免高速行车时产生水雾现象,并且能大大提高 行车安全性。排水性沥青路面中连通空隙可以使交通噪声声波在传播过程中消减,还可 通过路表丰富的宏观构造对声波进行漫反射等,使交通噪声显著降低。因此,在城市道 路中使用排水性沥青混合料,可以起到降低交通噪声、快速排水、提高车辆行驶安全性 等作用。 本文结合城市道路交通条件,主要对排水性沥青混合料配合比设计方法、排水性沥 青混合料路用性能以及混合料排水降噪功能进行了分析说明,可供工程借鉴参考。 关键词:城市道路,排水能力,汽车拥有量,交通噪声,排水性沥青混合料伽 曲. . . , . , , ...、’ ., , . , . 魄 , . ... . 啪位 . ?, , , 五 , . : ,五 , 衔商 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 .问题的提出及研究意义 随着城市道路交通建设的发展,环境保护问题逐渐受到人们的重视,然而,城市路 网密度的增加、汽车拥有量的增加,这些都使交通噪声越来越多的影响人们的生活环境。 因而,向市民提供舒适、安全、便捷的城市交通成为道路工作者追求的新目标,发展绿 色交通成为了今后城市道路发展的方向,具有排水、降噪型的路面结构?在我国 城市道路中具有广阔的发展空间。 目前,路面结构普遍采用传统的密实结构,这种面层结构具有良好的力学特性,并 且能够有效防止雨水进入面层以及路面下部结构中,为路面结构稳定性提供了有力保 障。但是,随着公路建设的快速发展传统沥青路面在使用中的问题日益突出,首先是其 抗滑性以及雨天行车安全性成为主要的问题;其次,车辆交通噪声尤其是城市道路中的 交通噪声严重的影响着人们的正常生活;最后,近年来我国城市化速度加快,城市道路 的发展速度尤为突出,而其中的沥青路面以及水泥路面具有较大的吸热率,因此,城区 内的温度高于郊区温度,城市热岛效应现象严重【。 交通噪声主要由机械噪声和轮胎.路面噪声组成,通过改善汽车的发动机以及传动 部件,机械噪声已经降低到了最低状况,而轮胎.路面所产生的噪声显得比较突出,这 部分噪声主要受轮胎结构和路面材料特征影响,改善轮胎的花纹以及刻槽 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 ,选用吸 声效果好的路面材料类型是降低轮胎.路面噪声的主要方法。然而,通过改善轮胎以达 到降噪的效果非常有限,通常仅能降低分贝左右,而其中的研究费用却非常巨大【】。 因此,人们把眼光集中在了研究新型路面结构及路面材料方面,以求缓解城市交通噪声 的影响。 排水性沥青混合料因具有较大的空隙结构,使得上述问题得以有效的解决。 普通密级配沥青混凝土路面由于致密的结构具有不渗水的特点,降水主要通过表面径流 的方式排出。这样就会在路面表面形成水膜,影响车辆的行驶安全性。而排水性沥青路 面具有较高的结构稳定性和较好的抗滑性能,它能够通过较大的空隙迅速排除路表降 水,减小路表水膜厚度,使车轮与路面有足够的接触面积,从而避免高速行车时产生水 雾现象,并且能大大提高行车安全性。 排水性沥青路面中连通空隙可以使交通噪声声波在传播过程中消减,还可通过路表第一章绪论 丰富的宏观构造对声波进行漫反射等,使交通噪声显著降低。相关研究表明,与普通沥 青路面或水泥混凝土路面相比,排水性沥青路面可降低噪声~分贝,按照交通噪声从 大到小依次为:水泥混凝土路面、密级配热拌沥青路面、沥青玛蹄脂 碎石、排水性沥青路面【。 排水性沥青路面具有良好的透水功能,其混合料中的空隙结构是这一功能得 以发挥的主要原因。使用排水性沥青路面可以缓解城市温度、降低热岛效应的影 响:一方面,排水性沥青混合料中具有大空隙结构,这种结构的存在可以使路面 结构和大气中的热量得到及时的交换。通过及时、快速的热传递过程路面内部结 构温度和大气环境温度得到了平衡:另一方面,降雨时排水性沥青路面在进行排 水过程中,可以使路面温度在雨水的作用下得到缓解,通过雨水的排出过程来降 低温度。 城市车辆拥有量不断增加,如何提高雨天行车安全性降低交通噪声成为城市 道路急 待解决的问题。交通噪声严重影响了人们的正常工作和休息, 还会给人们带来一些病 症。如果能将大空隙排水性沥青路面应用在市政道路上,那么不仅可以有效解决城市道 路中的行车安全以及噪声等问题,而且从环保以及可持续发展方面来考虑,使用排水性 沥青路面对于建设“绿色交通”有着重要的意义。 .排水性沥青路面特性及国内外研究现状 排水性沥青路面是指在不透水结构层上铺设空隙率大的多孔型沥青混合料层所形 成的路面结构。这种路面结构混合料采用间断级配或称为开级配,混合料中粗集料 含量多且粒径单一,细集料含量较少,因此结构具有较大空隙率一般为%左右和 良好的透水性能。排水性沥青路面结构图见下图.。 图排水性沥青路面结构图 长安大学硕士学位论文 ..排水性沥青路面特性 良好的降噪性 车辆行驶中的交通噪声由两部分组成,一部分是车辆自身的机械振动噪声,另外一 部分是车轮与路面之间接触时产生的空气压缩噪声。对于前者,可以通过改善或提高车 辆自身的性能,以减少行驶中所产生的机械振动噪声;而对于后者,可通过两种方式来 降低,一是采用混合料中的空隙结构或构造深度来吸收噪声声波,二是通过路面表面的 纹理结构反射声波,经多次反射后降低噪声能量【】,从而达到降低噪声的目的。本课题 中采用的排水性沥青混合料具有连通的大空隙,同时路面表面还具有丰富的纹 理结构,因此采用这种混合料路面结构,可以使路面表面和进入路面的压缩空气,经过 反复的反射和吸收过程,减少噪声能量,从而达到降噪效果。 透水性 城市道路中的线形受周边建筑影响较大,通过路线纵坡排水的效果并不明显,采用 排水性沥青混合料使雨水快速进入路面结构内部,汇集之后集中排出,这对缓?耘 解和改善城市道路排水系统,提高城市道路使用寿命有着重要的意义。 抗滑性 排水性沥青路面表面丰富的纹理结构提高了路面的抗滑性,即便是在雨天高速行车 . 时,排水性沥青路面也同样具有良好的潮湿抗滑性。美国相关部门通过对排水性沥青路 面和普通热拌沥青路面的调查表明,排水性沥青路面的速度梯度较低,具有较高的抗滑 系数。 安全性 由于排水性沥青路面具有良好的透水性,因此雨天路面表面不会存在连续的水膜, 这样提高了路面表面的标识可见性、防止雨天车辆出现漂移现象,提高了形成安全性。 降低了城市道路排水系统的建设成本 排水性沥青路面可以快速排出雨天路面径流,在城市道路建设中,仅需设置简单的 集水、排水系统,这样可以节约建设成本,同时,还可降低由于雨天所造成的各种危害。 ..国内外研究使用情况 排水性沥青混合料在不同的国家有不同的名称,在美国称其为开级配磨耗层 ,即,在英国称为大空隙沥青碎石 . ,在欧洲称为多孔性沥青路面,而在日本称其为排水性沥 第一章绪论 。这种路面结构虽然具有以上不同的称谓,但是都指的是 青路面 采用单一粒径集料形成间断级配所构成的大空隙沥青混合料。 欧洲对排水性沥青混合料的研究和应用较早,当时是将这种混合料当作磨耗层。随 着这种路面结构的使用,其效果也越来越明显,受到了一些国家的认可。随后在英国、 法国、荷兰、比利时等国也广泛推广使用这种路面结构。美国在一些州际公路上采用了 这种排水、降噪型路面结构,也取得了明显的效果。日本则在世纪年代对这种路 面结构进行了研究应用,同时也积累了大量的使用经验。 这种路面结构在国内高速公路上也有应用,在城市道路中的应用也逐渐被人们所认 可,其中,在北京昌平区、北京二环路至三环路等应用了排水性沥青路面。通过这些路 段的使用情况,表明排水性沥青路面在经过高温、低温季节的考验后,仍具有良好的排 水、降噪功能,路面具有良好的使用品质。这种路面结构在城市道路中具有广阔的发展 空间。 ..本课题研究内容 排水性沥青路面在我国高速公路上已经有了一些实体工程应用,对于排水性沥青混 合料的设计和施工已经有积累了丰富的实践经验;对于城市道路而言,城市道路在其设 计以及应用方面有自身的特点和需求,因此,相应的设计理念以及方法就不能完全照搬 以往的设计方法,必须结合实际需要对其进行改善。因此本课题将就以下内容进行研究: 、设计指标 空隙率 排水性沥青路面设计中的关键问题在于目标孔隙率的选取,孔隙率偏小则排水功能 得不到充分发挥,而空隙率多大则会造成耐久性不足,引起路面早期破坏的发生。因此, 配合比设计中孔隙率的选取至关重要。要结合当地的降雨量及降雨强度选取合适的孔隙 率,以达到预期效果城市道路受周围各种环境因素的限制,某些路段会出现排水不畅的 问题,因此,目标空隙率的选取不能仅仅参考高速公路上的经验值,还应对各路段的排 水能力进行实际的调查,选取合适的空隙率,以真正实现道路排水畅通,确保雨天城市 道路的交通安全,以便提供更好的路面使用品质。 、排水性沥青混合料组成设计 从原材料选取、配合比设计以及混合料路用性能方面对排水性沥青混合料组成设计 进行系统说明。 长安大学硕士学位论文 第二章排水性沥青混合料设计方法分析 排水性沥青混合料配合比设计方法不同于普通沥青混合料,其混合料油石比与马歇 尔稳定度关系曲线上没有出现峰值阴,采用马歇尔稳定度试验确定最佳沥青用量是非常 困难的,因此对于排水性沥青混合料有专门的配合比设计方法。在排水性沥青混合料使 用过程中,各国对于其设计方法都在进行不断研究,其中美国、日本等都有了各自的配 合比设计方法。 .排水性沥青路面配合比设计方法 ..美国设计方法 对于排水性沥青混合料设计方法的研究,各国都有了一定的进展和成果。 在美国,排水性沥青混合料配合比设计方法经历了两个阶段,首先是在年,美国 联邦公路局提出了一整套设计方法,但一些州对于这种设计方法存在一定的 质疑,因此, 这种设计方法在美国各个州并没有广泛推广。之后,经研究改良,并且借鉴其 它国家的 经验,年,美国国家沥青科技中心提出了一个新的配合比设计方法,该方法配 合 比设计步骤为: 选择材料:包括集料、沥青及其它添加剂。 设计级配:按照规范规定的级配范围见表.选择初始级配,测试各级配 中粗集料捣实状态下的骨架空隙率,使用的旋转压实仪成型试件, 其中每个级配中加入%.%的沥青,测定每次压实后混合料的粗集料空隙率 ,当时,说明在混合料中已经形成了石石接触的骨架结构,则选取 该级配为设计级配。 表美国国家沥青科技中心排水性沥青混合料级配范围 筛孔尺寸 . . . . . . 通过率~ ? 一 巧 % 确定最佳沥青含量:最佳沥青含量确定时主要根据磨耗试验、流淌 第二章排水性沥青混合料设计方法分析 试验、空隙率以及透水率等确定。其中要求为老化的试件磨耗损失不大于%, 老化试件的磨耗试验损失率不大于%,流淌损失率不大于.%,要求混合 料空隙率在%%之间,并且室内透水率应大于/,满足这些要求的沥青含 量为最佳沥青含量。 水稳定性评价:对方法进行改进,采用次冻融循环试验,测定劈 裂抗拉强度,大于%的混合料水稳定性满足要求。 该设计方法的主要研究成果有:为了保证排水性沥青混合料的耐老化性以及防止施 工时混合料发生流淌,要求使用橡胶改性沥青;关于级配设计,建议排水性沥青混合料 孔隙率取%;在混合料设计时采用了的旋转压实方法成型马歇尔试件,通 过与马歇尔击实方法成型的试件进行对比,发现旋转压实可达到要求的孔隙率,并且集 料之间能够形成骨架结构,不会发生集料压碎现象;为了评价排水性沥青混合料的抗磨 耗性,除了常规的飞散试验外,还将试件进行老化,然后进行飞散试验以评价老化后排 水性沥青混合料的抗磨耗性。 ..日本设计方法 日本在最初采用的是,美国排水性沥青路面的设计方法,随后发现路面的早期破坏 非常严重,并且降噪、排水功能衰退的很快。为此,日本结合本国的气候、交通等因素 经过研究推广以形成了自己的排水性沥青混合料设计方法。日本对于排水性沥青路面的 研究也取得了重大成果,在《排水性沥青路面技术指南》一 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 中对于排水性沥青路面结 构设计、各种原材料技术要求、沥青混合料配合比设计以及路面 施工工艺 钢筋砼化粪池施工工艺铝模施工工艺免费下载干挂石材施工工艺图解装饰工程施工工艺标准钢结构施工工艺流程 、质量控制等 内容进行了详细介绍说明。该指南指出,使用马歇尔稳定度沥青混合料配合比设计方法 并不适合排水性沥青混合料,在设计时可作为参考;对于沥青用量方面,建议使用析漏 试验所确定的最大值,目的是确保沥青路面的强度以及耐久性;沥青结合料应使用高粘 度的改性沥青。具体配合比设计流程见图.。 长安大学硕士学位论文 图日本排水性沥青混合料配合比设计流程 在该配合比设计方法中,以沥青混合料析漏试验确定最佳沥青用量,以目标空隙率 为级配确定的评定 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。在《排水性沥青路面技术指南》一书中,还对该设计方法有如 下规定: 第二章排水性沥青混合料设计方法分析 配合比设计时使用的材料应与以后正式生产使用的采用相同。 排水性沥青路面的排水功能是由空隙所提供的,当难于保证必要的空隙时, 可将.筛孔与.筛孔的通过率之差调整使其变小,以获得必要的空隙率。 对于排水性沥青混合料最大粒径的选取,当强调排水性沥青路面的降噪效果 时,则最大理解那个宜取小值。 同时,在该指南中还对排水性沥青混合料级配范围有规定,见表.。 表 日本排水性沥青混合料级配范围 各筛孔通过率% 筛孔 最大粒径 最大粒径 . . ~ . 一 ~ . ~ . ~ . ? .. ? 一 . ~ ~ . ? ~ 沥青用量 .%以上 我国排水性沥青路面设计大多借鉴日本的设计方法,同时又考虑到我国实际 的气 候、交通等因素,在进行配合比设计时有以下事宜: 对于最佳沥青用量的确定采用理论计算、马歇尔法验证 对于每一组初试级配,先计算其集料的表面积式.,然后确定沥青膜厚通常 沥青膜厚取,最后计算每组级配的初试沥青用量式.。 ......./. . 其中:?卜集料的总表面积 长安大学硕士学位论文 、、、、、、分别为.、.、.、.、.、 .、.筛孔的通过百分率,% 通过析漏试验和飞散试验去定最佳沥青用量后,还必须进行马歇尔试验和车 辙试验,以检验混合料的高温稳定性。 .排水性沥青混合料配合比设计关键问题 由于各国道路使用条件、环境等因素不同,对排水性沥青路面使用的侧重点 也有差 异,因此在排水性沥青混合料配合比设计时的方法也各有差别,但对于设计 时的关键问 题是一致的。 空隙率 . 排水性沥青路面的排水、降噪以及抗滑功能都是基于混合料较高的空隙率,因此在 配合比设计中要保证其具有高空隙率。研究以及实践证明,为了保证其上述功能,混合 料中的空隙率要达到%以上,但同时又考虑到使用过程中空隙堵塞的问题,因此设计 时空隙率应更高,一般在%左右。 耐久性 对于排水性沥青路面而言,水对其的危害是十分严重的,为了减小水对混合料的影 响,避免混合料松散,因此在配合比设计中要充分考虑水稳定性问题。除此之外,还应 确保排水性沥青路面具有一定的强度以承受车辆荷载的作用。 .本章小结 排水性沥青混合料由于自身结构的特点,其配合比设计方法不同于普通沥 青混合料。各国关于排水性沥青混合料组成设计的方法不尽相同,本章主要对美、日本 的排水性沥青混合料配合比设计方法进行说明。 美国国家沥青中心提出的改良后的配合比设计方法具有普遍的推广意义,使 用的旋转压实仪成型试件,防止集料在击实时发生压碎现象。并且考虑了老 化后排水性沥青混合料的抗磨耗性,这样就更符合路面的实际使用情况。 日本结合本国气候、交通等实际情况,并且参考美国的设计方法,最终在《排 水性沥青路面技术指南》一书中对集料选取要求、配合比设计方法、施工检测等方面的 技术都进行详细说明,这本书对于指导排水性沥青路面的实践应用有着重要的意义。 第三章排水性沥青混合料配合比设计 第三章排水性沥青混合料配合比设计 排水性沥青混合料配合比设计包括混合料组成设计以及混合料性能检验两部分,在 组成设计中主要包括目标空隙率确定、级配却性以及最佳油石比的确定【。为了使所设 计的混合料性能满足要求,还要进行排水性沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳 定性等路用性能检验。 .原材料技术要求 排水性沥青混合料中的大空隙的存在使得它比密级配的沥青混合料更易受阳光、空 气等自然环境因素的影响。为了避免其出现破坏以及提高其使用寿命,在进行原材料选 取时必须注意使用性能优良的集料以及沥青结合料。 ..沥青结合料 沥青结合料作为排水性沥青混合料的重要组成部分,应该具有优良的粘韧 性、抗老 化性以及与集料间良好的粘附性能。尤其对于城市道路而言,由于车辆在城市道路上行 驶时会由于交通拥堵或是红绿灯信号的出现而不断刹车或减速,因此沥青结合料还应具 有较高的抗变形和抗剪切性能,以保证路面良好的工作性能。通过实践表明,采用普通 的沥青材料很难满足排水性沥青混合料技术性能要求,而改性沥青材料可以达到性能优 良的排水性沥青混合料。 改性沥青在目前高等级沥青道路中普遍使用,是指添加高分子聚合物、树脂、橡胶 粉等添加剂,或对沥青进行轻度氧化后使沥青的性能得到改善,从而使沥青混合料的性 能得到提高。现在普遍使用的改性剂有热塑弹性体类、橡胶类、热塑树脂类。 改性剂选取 改性剂作为一种改性材料加入到沥青或沥青混合料中,以改善或提高沥青混合料的 性能,提高路面使用质量。改性剂有有机物或无机物,目前道路使用的改性沥青多为聚 合物改性沥青,其分类见表.。 长安大学硕士学位论文 表.聚合物改性沥青分类 类型 改性剂 特点 苯乙烯.丁二烯.苯乙烯 具有橡胶的弹性以及树脂的 苯乙烯.异戊二烯.苯乙烯 热塑性弹性体 热塑性,目前道路中多采用 苯乙烯.聚乙烯/丁基.聚乙烯 改性剂 / 天然橡胶 氯丁橡胶 具有橡胶的弹性性质,其中 丁苯橡胶 橡胶类 是使用较多的改性剂材 丁二烯橡胶 料 异戊二烯瓜 乙丙橡胶 蕾 聚乙烯 道路沥青混合料中多使用 热塑树脂类 乙烯.醋酸乙烯共聚物 、、, 聚丙烯 对于道路常用的改性剂、、、各具有不同的使用性质,在这几种 改性剂中,改性剂对于提高沥青软化点的幅度最大,并且改性沥青的粘度以 及弹性恢复能力最强。壳牌公司在对、、、这四种改性剂的性能对比 试验中发现改沥青具有良好的抗车辙变形、抗温缩裂缝、抗疲劳裂缝、抗磨耗以 及抗老化性能。 日本在排水性沥青混合料研究和使用过程中,开发研制了一种专门的排水性沥青混 合料改性剂,它是一种热塑性弹性体材料,外观为左右的淡黄色颗粒,经溶 解后与集料具有良好的粘附性。在生产中直接将其添加到拌和楼拌和,操作简单,便于 大面积施工。外观图见图.。第三章排水性沥青混合料配合比设计 图外观图 ..粗集料 排水性沥青混合料主要依靠粗集料颗粒之间所形成的空隙结构来满足其排水、降噪 等性能要求,粗集料的含量也叫普通密级配沥青混合料含量多,通常在%左右,要求 粗集料要具有良好的耐磨性、耐破碎性以及与沥青的粘附性。在生产中应综 合考虑经济 等因素,尽可能选取优良的粗集料。 在粗集料的各项技术指标中,针片状含量是其中的一项关键性控制指标。在施工摊 铺碾压过程中,针片状颗粒容易被压碎,从而使排水性沥青混合料的空隙率变小,并且 断裂处成为了今后受力的一个薄弱点,在这些地方容易发生应力集中现象而使路面产生 破坏。因此,各国对于粗集料中的针片状颗粒的含量都有一定的要求,以保证排水性沥 青混合料良好的使用功能。其中细长状、扁平状颗粒含量在各国的的规范中都有要求, 各国对排水性沥青混合料粗集料技术性质要求见表.。 排水性沥青混合料一般作为表面功能层,对于抗滑性与耐磨性要求较高。通常,认 为碱性集料与沥青结合料有良好的粘附性,但是作为表面功能层的排水性沥青混合料, 必须具有良好的耐磨性,因此对于粗集料的磨耗值也要有一定的要求【】。 长安大学硕士学位论文 表各国对粗集料技术性质要求 技术指标 日本 美国 中国台湾 瑞典 洛杉矶磨耗损失率% 不大于 不大于 不大于 不大于 一个以上 不小于 不小于 破裂面% 两个以上 不小于 不小于 不小于 : 扁平、细长状 不大于 不大于 不大于 颗粒含量% : 不大予 不大于 吸水率% 不大于 不大于 不小于. 表干密度/ ..细集料 对于细集料而言,可使用机制砂、石屑等细集料。机制砂棱角性好,并且通过人工 加工后其中的粉尘等杂物已经被清除,因此洁净度较好【】。而石屑在生产过程中易含粉 尘、粘土等有害物质,因此要充分考察后决定其是否可用。通常推荐使用机制砂。 ..填料 填料是沥青混合料的重要组成部分,它与沥青进行结合形成的结构沥青是集料颗粒 之间粘聚力的主要来源。填料与沥青结合成一体,有助于提高排水性沥青混 合料的耐久 性与稳定性。通常情况下排水性沥青混合料所用填料原则上使用由石灰岩经粉碎加工而 成的矿粉,选用憎水性亲油性的矿粉,作为抗剥落剂时可使用消石灰或水泥代替部分矿 粉【。日本对于石灰岩矿粉的粒径有如表.所示规定。 表石灰岩矿粉粒径要求 筛孔尺寸 各筛孔通过率% . . . .目标空隙率第三章排水性沥青混合料配合比设计 排水性沥青混合料配合比设计首先是对目标空隙率的确定,其次是为了保证混合料 强度、高温、低温性能等耐久性的级配选取以及沥青用量的确定【。排水性沥青路面的 良好的排水、降噪功能主要是依赖于混合料中的空隙率,由于空隙率较大,因此在设计 时要充分考虑以下方面问题: 混合料应具有一定的力学强度 排水性沥青混合料中的粗集料较多,相应的细集料以及沥青含量都较少,混合料颗 粒之间的强度较低。随着空隙率的增加,强度也越低。因此,在设计时级配的选择以及 材料的选择要非常谨慎,以确保排水性混合料应具有的强度要求。 混合料应具有足够的抗松散性 在排水性沥青路面中,水对混合料的影响很明显。若水分长期滞留在路面结构内部, 则易造成混合料颗粒剥落现象,造成路面松散。因此,排水性沥青混合料应具有足够的 水稳定性,减少路面松散现象的出现。 空隙率的选取适中 排水性沥青混合料目标空隙率的选择要适中,既要考虑到排水、降噪功能的需求, 同时还应考虑到耐久性的要求。 ..目标空隙率 在进行排水性沥青混合料配合比设计时,首先要确定混合料目标空隙率。目前,各 国对于目标空隙率的确定都采用经验方法各国所规定的目标空隙率见表。在城市 道路上,若采用这种方法确定目标空隙率时会存在以下问题:若所确定的目标空隙率较 大,超过了当地降雨量以及排水系统流量,则会造成浪费,排水性沥青混合料的耐久性 也会受到影响【】;相反,则不能满足迅速排水的要求,体现不出排水性沥青路面的优势。 表.各国排水性沥青混合料目标空隙率 日本 国家 英国 美国 德国 法国 新加坡 比利时 荷兰 空隙率 ? 丝 % 目标空隙率的选取应在经验值的基础上,综合考虑排水性沥青路面排水性、降噪性、 抗滑性及其强度与耐久性。 长安大学硕士学位论文 空隙率排水功能 在城市道路上使用排水性沥青路面目的就是为了克服普通沥青路面在雨天行车安 全以及舒适性较低的缺点。美国相关研究表明,当混合料的空隙率增大时,其透水性能 也加快,当空隙较小时,水流在空隙中为层流状态,而当空隙率增大时,水流成为紊流 状态。并且,在排水性沥青混合料中,并非所有空隙都具有排水功能,只有连通的空隙 才具有此功能。因此,在选取目标空隙率时,可根据当地降水情况来决定所需要的透水 能力,然后根据连通空隙率与空隙率的关系将其换算为所需的空隙率。通过对空隙率以 及连通空隙率的测试,可得出图.空隙率与连通空隙率关系图。表.为降雨量与空 隙率关系。 图空隙率与连通空隙率关系 表降雨量与空隙率关系 等级 日降雨量 透水能力/ 空隙率% 暴雨 .母. 邳. 塑 .. .?. .忍. 大雨 .也. .. .~. 中雨 小于. 小雨 因此,在进行排水性沥青混合料目标空隙率选取时,应根据当地的降水情况以及所 需的排水能力选取合适的空隙率,确保路面排水能力与所需的排水能力相匹配。 降噪功能 排水性沥青混合料的另外一个重要的功能就是降噪功能。进入空隙中的声波,通过第三章排水性沥青混合料配合比设计 在空隙中的振动使其具有的能力转化为热能,经过反复的振动循环之后,声能所具有的 能力不断衰减,从而达到降噪的目的【。 排水性沥青混合料中的空隙结构存在三种形式,即有效空隙、半有效空隙、无效空 隙。其中,无效空隙也称为封闭空隙,这种空隙结构不能透水,它在排水性沥青混合料 中单独存在,对于排水性沥青混合料的降噪吸不起作用。有效空隙是指能够贮水并且能 够通水的一类空隙。半有效空隙是指不能够通水,只能贮水的一类空隙。在排水性沥青 混合料中,能够起排水、降噪作用的空隙是连通空隙,它是指能够有效地与外部相连通 的一类空隙。具有相同空隙率的排水性沥青混合料,其内部的连通空隙结构不一定相同, 因此在评价排水性沥青混合料降噪功能时,以半有效空隙和有效空隙组成的连通空隙作 为评价标准。 .排水性沥青混合料配合比设计 本次目标配合比设计中,借鉴了日本关于排水性沥青混合料配合比设计方法, 在设 计过程中以.筛孔通过率的中央以及%范围暂定三个级配,用经验公式计算个 级配的初始沥青用量,之后各自成型马歇尔试件并且测量各自的空隙率,最后将与目标 空隙率一致或接近者作为所确定的级配。若个级配混合料空隙率与目标空隙率相差较 大,可通过调整.筛孔通过率来满足目标空隙率的要求。级配确定之后,就可以 根据肯塔堡飞散试验和析漏试验确定最佳沥青用量。最后进行混合料性能试验。具体过 程如下: ..排水性沥青混合科目标空隙率选取 将排水性沥青混合料应用于城市道路上,主要是为了提高雨天排水效率、降低城市 交通噪声对人们生活的影响。因此,在配合比设计阶段中的空隙率选取时要综合考虑, 选取合适的目标空隙率,使其排水、降噪功能得以充分发挥。 从排水功能方面考虑时,路面结构空隙率越大,其内部的连通空隙率也就越大,因 此,也有利于路面雨水的及时排出。结合西安市的降雨情况,选取目标空隙率。西安市 降雨主要以中到大雨为主,因此考虑中到大雨时的排水状况,依据表.,选择 目标空 隙率为%。 目前,我国城市市区道路交通噪声污染很严重,随着交通量的增加交通噪声的也不 断上升。在城市道路上交通拥挤比较严重,拥堵状况下车辆变速器所处档位变低,此时 长安大学硕士学位论文 发动机的转速较高,会产生很大的交通噪声。因此,堵车时的交通噪声比流畅行驶时的 交通噪声要大。处于较高噪声中的驾驶员心理会发生变化,思维紊乱、注意力分散,这 些都会引发交通事故。交通噪声会影响到人们的工作、学习,严重时可对人们身体健康 产生危害。我国对交通噪声的定义为,机动车辆在交通干线上运行时发出的超过国家标 准晚间,白天的声音。然而研究发现,~分贝的噪声就对 人们的睡眠产生严重影响,因此,为了使居民有良好的睡眠质量,应控制道路交通噪声 在分贝以下。 本次试验中,对西安南郊主要道路交通调查,交通干线两侧的噪声在夜间达到了 分贝,严重影响了沿线居民的睡眠。 根据图.空隙率与吸声系数的关系,当选 取 %的空隙率时,吸声系数为.,那么最终的交通噪声为.分贝,可以满足良好睡 眠的噪声要求。因此,考虑降噪功能时,选取%的目标空隙率。 图不同空隙率下的吸声系数 由图.可知,当排水性沥青混合料空隙率增大时,吸声系数也在增大。因而,当 考虑雨天排水时,目标空隙率为%;考虑降噪时,目标空隙率为%。考虑在城市 道路中车辆刹车频繁,选取较小的空隙率,确保排水性沥青混合料耐久性。最终,本次 设计中目标空隙率为%。 ..排水性沥青混合料级配选择 配合比设计理论 沥青混合料级配是由粒径大小不同的集料按照一定比例形成的,各种集料比例不同 时,所形成的混合料物理、力学性能也会有很大的差异。沥青混合料根据级配类型不同 可分为骨架密实结构、悬浮密实结构和骨架空隙结构,对于前两者在级配设计时采用最 大密度曲线理论,而排水性沥青混合料属于骨架空隙结构,其级配设计采用的 第三章排水性沥青混合料配合比设计 是开级配的粒子干涉理论。 粒子干涉理论是由魏茅斯.提出的,该理论指出集料颗粒之间所 形成的空隙应有次一级的颗粒填充,其余空隙由再次一级颗粒填充。用来填充空隙的集 料粒径不能大于孔隙之间的距离,否则集料颗粒之间会发生粒子干涉。排水性沥青混合 料的级配中,粗集料形成空间构架结构,在通过一定数量的细集料对骨架空隙进行填充, 混合料通过沥青胶浆粘结在一起,最终形成具有一定空隙结构的骨架型结构【】。 级配 在排水性沥青混合料配合比设计过程中,级配主要是根据目标空隙率来确定的。通 过各国对排水性沥青混合料配合比设计经验的总结,认为空隙率大小主要受到. 筛孔通过率的影响。对于空隙率大小与.筛孔通过率之间有如下图.的关系。 ; 餮 雾 .姗筛孔通过率% 图空隙率与.筛孔通过率关系 因此,在级配选取时,当目标空隙率确定后,可根据图中空隙率与.筛 孔通过率关系,初步确定确定.筛孔的通过率。 参照各国经验,排水性沥青混合料矿料级配推荐范围见表.。 暇长安大学硕士学位论文 表捧水性沥青混合料级配推荐范围 各筛孔通过率% 筛孔尺寸 姗 嘧. ? ~ . . ? . ~ ~ . ? ? . 一 ? . 乒 . ~ ? . 一石 . ~ ? 集料筛分结果 本次试验中选用的是西安临潼的角闪片麻岩,填料为泾阳的石灰岩矿粉和消 石灰。毒 集料的筛分结果见表.。 第三章排水性沥青混合料配合比设计 表.集料筛分试验结果 通过率% ~ ~ 矿粉 筛孔衄 消石灰 % % % % % . . . . .. . . . . .. . .. . .. . . . . . . . . . . . . . . 初试级配 根据建议级配范围,初选三个初始级配,各级配通过率见表.、图.。 表初始级配各筛孔通过率 各筛孔通过率% 级配 . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . 长安大学硕士学位论文 缝魏尽蔓』鲤 一二?. 一??一 上限下限 级配?峥一级配??一级配 【....??..?.........,..一 一??一.一 图各级配曲线 初步确定沥青用量 采用理论计算方法确定各级配初始沥青用量。按下式分别计算个级配集料的 表面 积,然后根据沥青膜厚度通常沥青膜厚取,计算公式见式孓、。 式? ......./. × 式. 式中::集料的总表面积 :沥青膜厚度, 、、、、、、分别为.、.、.、.、.、 .、.筛孔的通过率。%。 各级配油石比结果见表。 表各级配油石比结果 级配 油石比% . . . 成型马歇尔试件、测量空隙率 以上述三个级配和对应的油石比成型马歇尔试件双面击实次,采用体积法测 量沥青混合料的空隙率,以确定所需级配。表.为空隙率结果。 第三章排水性沥青混合料配合比设计 表.空隙率计算结果级配 .% 空隙率% .% .% .筛孔通过率 . . . % 从表.中可以看出,.筛孔的通过了对空隙率影响较大,随着.筛 孔通过率的增大,空隙率在变小。并且,还可以得出,级配三所确定的空隙率 为.% 最接近目标空隙率,因此以级配为所选级配。 确定最佳沥青用量 采用烧杯法析漏试验,称取左右的沥青混合料,倒入烧杯中,然后将烧杯放入 ?烘箱中,时之后取出烧杯将混合料倒出,计算出粘附在烧杯上的沥青结合 料 质量,粘附在烧杯上的沥青质量与总的沥青混合料质量之比即为析漏损失 率。试验中变 化沥青用量,可以得出不同沥青用量与析漏损失率的关系曲线。本次试验中油石比分别 取.%、.%、.%、.%、.%五组值。析漏损失率与油石比曲线图见?。 图油石比与析漏损失率关系曲线 从图中可以看出,在曲线上油石比为%时,曲线出现拐点。因此,通过析漏 试验确定的最大油石比为%。 同样取.%、.%、.、.%、.%五组油石比分别成型马歇尔试件,通过洛 杉矶磨耗试验后计算飞散损失率,然后绘制不同油石比与分散损失率之间的关系曲线, 长安大学硕士学位论文 曲线上拐点处对应的即为最小油石比,曲线见图。 图.飞散试验结果 图.中对应的油石比为.%时,飞散损失率出现拐点,以此确定最小油石比为 .%。参照日本的经验,在确定排水性沥混合料最佳油石比时,多以流淌试验确定的最 大油石比为最佳油石比。因此,本次试验最佳油石比为.%。 ..混合料使用性能检验 进行排水性沥青混合料使用性能检验,级配为表.中的级配,油石比为.%, 检验结果见表.。 表.排水性沥青混合料使用性能检验结果 检验指标 试验值 要求值 . 空隙率% . 连通空隙率% . 马歇尔稳定度 车辙 次/? 最终变形 抗弯拉强度 . 咿 低温弯曲 试验 最大弯拉应变雌 马歇尔残留稳定度% . . 冻融劈裂强度比%第三章排水性沥青混合料配合比设计 表.排水性沥青混合料使用性能检验结果 检验指标 试验值 要求值 飞散损失率% . 析漏损失率% .. . 从表.的检验结果可以看出,所设计的排水性沥青混合料满足要求,具有良好 的高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性。 .本章小结 本章主要对排水性沥青混合料配合比设计过程进行了说明,针对排水性沥青混合料 的特点,分别说明了沥青、集料等材料应具备的技术性质,并对级配选择、油石比确定、 混合料检验进行了分析说明。主要内容如下: 排水性沥青混合料中要求使用高粘度改性沥青,所使用的沥青应与集料具有 良好的粘附性、抗老化性能等。 应严格控制粗集料中的细长扁平颗粒的含量,并且对粗集料的压碎值、磨耗 损失等技术指标进行严格检验。 排水性沥青混合料配合比设计过程中,空隙率的选取至关重要,它是排水、 降噪功能的重要保障。应根据当地的降雨量、交通状况、道路等级以及交通量组成而定。 与高速公路相比较,城市道路具有车辆荷载较小的特点,因此在选取目标空隙率时,可 在参考高速公路取值的基础上适当调整变大。在我国高速公路排水性沥青路面目标空隙 率一般为/%,而城市道路通常稍大些取%。若当地降雨量较大,为了便于排 水目标空隙率可取大值;若当地冬季冰雪较为频繁,可选取较小值以防止空隙中的水结 冰冻胀引起的路面损坏现象【。 目标空隙率是排水性沥青混合料在目标配合比设计阶段的一个初设值。在目 标配合比设计时,空隙率与集料的均匀性以及级配曲线等因素密切相关,为了保证所设 计的排水性沥青混合料空隙率与目标空隙率的一致性,就要选择均匀性较好的集料,以 提高排水性沥青混合料空隙率的稳定性。 在生产施工过程中,应对现场施工工艺,特别是碾压温度以及压实功进行严格控制, 保证施工过程中的空隙率与室内配合比设计时空隙率的一致性。通常情况下,道路在承 受早期荷载时会有一个初步压密过程,因此施工时的空隙率较大于室内设计时的空隙 长安大学硕士学位论文 率。 在最佳沥青用量确定时,没有使用传统的马歇尔法,因为在排水性沥青混合 料马歇尔稳定度与沥青用量的曲线上不会出现稳定度的峰值。试验中采用析漏试验和飞 散试验确定合理的沥青用量。第四章排水性沥青混合料路用性能试验研究 第四章排水性沥青混合料路用性能试验研究 排水性沥青路面是一种新型功能性路面,其具有的排水、降噪特性都是基于混合料 内部多孔隙结构,这些空隙结构对于发挥路面功能起着极其重要的作用,但 是也因这些 空隙结构,路面易出现松散等破坏现象。因此,进行性沥青混合料高温稳定性、低温抗 裂性以及水稳定性等路用性能试验,保证排水性沥青路面强度以及耐久性。 .高温稳定性 在炎热的夏季,沥青路面的强度和刚度会因温度的作用而降低,同时加上车辆荷载 的反复作用,路面抵抗永久变形的能力就会下降。渠化交通以及永久变形的积累,在路 面上就会出现车辙。 ..影响因素分析与试验方法 影响沥青混合料高温稳定性的因素很多,主要有材料内部的因素,如混合料类型、 各种材料特性、气候以及交通条件等。 沥青混合料类型 沥青的高温粘结性和矿料之间的嵌挤作用是沥青混合料的高温稳定性形成机理。对 于前者而言,高温下的粘结作用可以提高路面承受水平推力和剪切作用的能力。同时, 高温时良好的劲度与粘度对于抵抗变形也是很有帮助的。对于后者而言,粗细集料的比 例以及各矿料的比例对于高温性能起到了重要的作用。在排水性沥青混合料 中,粗集料 所占比例很大,这对于集料间嵌挤作用的形成起了重要的作用。 对于密级配的沥青混合料,集料大都悬浮在沥青砂浆中,在混合料中没有形成很好 的嵌挤作用,而对于沥青玛蹄脂随之混合料以及排水性沥青混合料等一些 以嵌挤作用为主的混合料而言,嵌挤作用得到了很好的发挥,因此高温稳定性较好【。 粗集料 粗集料表面纹理特性、棱角性以及扁平颗粒含量等这些因素都会影响到沥青混合料 的高温稳定性。表面纹理丰富的粗集料,其混合料中的内摩擦角也较大,这对提高沥青 混合料的高温稳定性是有利的。在沥青混合料中,当所含的粗集料棱角丰富,并且粗集 料形状接近于立方体时,都会提高粗集料的棱角性,增强混合料的高温稳定性。扁平状 颗粒含量较多时,混合料的高温抗剪切强度变小,因此要减小混合料中的扁平状颗粒含 长安大学硕士学位论文 量。 沥青 混合料中沥青用量以及沥青材料的品质都对沥青混合料高温性能有影响。沥 青用量 过多时,高温时的流淌现象较为严重。在我国为了防止夏季炎热高温时车辙现象发生, 建议实际生产施工时的沥青用量应为配合比设计时所得的最佳利用用量基础上减少 .%左右,以提高高温炎热地区沥青路面的高温稳定性。 沥青材料本身的特性对于高温稳定性的影响也是很大的,高温时要求沥青具有较大 的粘度和劲度,这样才不会发生因高温稳定性不足而引发的路面病害。 气候和荷载 排水性沥青混合料更易受气候因素的影响,混合料中大空隙的存在,为各种自然因 素的作用提供了条件。加之荷载的长期反复作用,尤其是超载、重载车的增加,路面的 高温变形将更加严重。因此,对于排水性沥青路面应加强结构合理性设计,选取优良的 材料使其排水、降噪功效得到长久的发挥。 ..试验分析 沥青用量对高温稳定性的影响 试验采用配合比设计时的级配,试验中确定的最佳油石比为.%。改变油石比, .%、.%、.%、.%,分别成型车辙板,采用国产全自动车辙仪?。.进 行试验。动稳定度计算公式为: :塑 式? 一 式中:一沥青混合料的动稳定度,次/妇; 对应于时间的变形量,衄; 对应于时间的变形量,衄; 试验中轮子的往返速度,通常为舳。 试验结果见表.。第四章排水性沥青混合料路用性能试验研究 表.不同油石比时的动稳定度试验结果 油石比% 变形 变形 次/ . . . . . . . . . 图.动稳定度随油石比变化试验结果 在试验过程中发现,采用.%的油石比制成的车辙板在试验时发生了破坏,分 析 原因可能是因为沥青用量较少,颗粒间的粘结力不足,由于车辙板强度不足而在试验开 始时就发生了破坏。 从图可以直观看出,油石比增大时动稳定度反而在减小,混合料抵抗变形的能 力减小。分析其原因可知,沥青用量较小时,沥青混合料具有较高的劲度,能够抵抗车 辙变形;当沥青用量增加后,在沥青混合料中的自由沥青所占的比例增加,沥青混合料 的劲度降低,当沥青混合料受到车辆以及温度作用后,抵抗变形的能力降低。可见,通 过配合比设计出的最佳油石比并非是沥青混合料高温稳定性最好时的油石比。配合比设 计时的最佳油石比是在综合考虑沥青混合料高低温、水稳定性以及疲劳、耐久等方面的 综合设计结果,因此在车辙试验时采用最佳油石比时的动稳定度并不是最大值。 在使用过程中,若高温稳定性对于整个工程的影响较大时,可在配合比设计阶段求 出的最佳油石比的基础上,适当减小沥青用量,以达到最佳的高温效果。 改性剂对动稳定度的影响长安大学硕士学位论文 排水性沥青混合料所用材料均应具有优良的性能,就沥青而言也经历了一系 列的演 变过程。排水性沥青路面的广泛应用主要归功与改性沥青技术的发展,在排水性沥青路 面应用初期,由于混合料强度不足路面易出现松散、脱落等情况,路面在使用后较短时 间就发生破坏。到了世纪年代,改性沥青技术取得了一些重要成果,将改性沥青 用于排水性沥青混合料中大大改善了排水性沥青混合料的路用状况,提高了路面的使用 品质和寿命。通过大量实践,人们发现用于排水性沥青混合料的沥青应为高分改性或橡 胶改性沥青,这种沥青材料提高了混合料间的粘聚力,改善了混合料的高温、低温以及 各种使用性能。 试验中使用的沥青改性剂为,是一种高分子热塑性材料。剪切后可将基质沥青 制备成高粘度改性沥青,也可在生产中将其直接添加于拌锅中,在拌和过程中,其与集 料颗粒逐渐发生摩擦,经高温后可融化并分散在混合料中。 改性剂作为一种添加材料可直接加入到混合料中,经过高温下的摩擦与融化达 到良好的分散性。试验中对不同掺量的沥青混合料进行高温车辙试验。通过 试验 来确定合理的改性剂掺量。试验中掺量分别取沥青用量的%、%、%、%、 %,试验结果见.。 表不同掺量的动稳定度试验结果 掺量% 变形砌 变形 次/皿 . . . .. .. .. . 第四章排水性沥青混合料路用性能试验研究 图不同改性剂掺量的混合料动稳定度 从表.中可以看出,仅使用基质沥青时排水性沥青混合料的动稳定度远不能满足 要求。添加了%的改性剂后,动稳定度增加了%。随着改性剂添加量的增 加,动稳定度也在逐步增加,当添加量为%时,混合料的动稳定度远大于要求。 这说明改性剂的加入改善了基质沥青的品质,增强了沥青的粘度,提高了排水性 沥青混合料的高温稳定性。 .低温抗裂性 沥青材料是一种感温材料,当温度降低时混合料的劲度也会显著增大,变形能力明 显降低,进而在温度应力的作用下路面产生裂缝,这在我国北方地区是十分普遍的路面 破坏形式。 ..低温抗裂性影响因素与试验方法 评价沥青混合料低温抗裂性的试验方法主要有:间接拉伸试验、弯曲破坏试验、直 接拉伸试验、弯曲拉伸蠕变试验、受限试件温度应力试验、三点弯曲积分试验、应力 松弛试验等。本文在试验过程中考虑试验的可操作性、能否模拟现场情况等因素,选取 了低温弯曲破坏试验。 低温弯曲破坏试验是常用的评价沥青混合料低温性能的试验方法。国外低温弯曲破 坏试验中试件的尺寸为.×.×,试验温度为.、.、一. 长安大学硕士学位论文 ?。在万能试验机上通过对小梁进行三点加载试验得到沥青混合料的抗弯拉强度以及低 温劲度模量。通过总结国外的试验方法,结合我国的实际气候以及车辆荷载作用情况, 我各国试验规程中规定了低温弯曲破坏试验的小梁尺寸以及试验温度。试验是在跨径为 的 的小梁上进行中点加载,试验温度为’。弯拉应 力、应变以及劲度模量计算公式如下: 。式. :?? ?? 式一 武 儿 式 其中:为小梁的跨径 、为小梁的宽度和高度 为破坏时跨中变形 为破坏荷载 ..试验分析 试验准备 试验按照《公路工程沥青及沥青混合料的试验规程》旧.中的沥青混合 料低温弯曲破坏试验方法进行,试验温度为.?。