多场耦合因素下多功能长寿命城市沥青路面结构功能匹配一体化研究中期报告(编辑修改稿)

多场耦合因素下多功能长寿命城市沥青路面结构功能匹配一体化研究中期报告(编辑修改稿)内容摘要：

8 12 配比 筛孔尺寸/ m m筛孔通过百分率/%级配上限级配下限合成级配级配中值13 图 2 3 SMA13 矿料级配 C 曲线图 按公路工程集料试验规程 JTG E4220xx 中试验 T 0309 测得上述矿料级配 A、矿料级配B 和矿料级配 C 的粗集料松装间隙率 VCADRC 分别为 %、 %和 %。 比较 已建类似工程沥青混合料的 合成集料毛体积相对密度 预估本次试验的最佳油石比为 %。 按照选择的初试油石比和矿料级配制作 SMAS 试件，马歇尔标准击实的次数为双面 50 次。 马歇尔试件的毛体积 相对密度由表干法测定。 马歇尔试件的各项体积参数见 表 2。 表 2 8 各种矿料级配马歇尔试件的体积参数 级配类型 γ t γf VV VFA VMA CVAmix — — % % % % 级配 A 级配 B 级配 C 由设计规范要求 ， CVAMIXVCADRC 及 VMA17%的要求，选取级配 B 作为设计级配。 确定设计沥青用量 根据所选择的设计级配和初试油石比试验的孔隙率的结果，应当分别以%、 %和 %的油石比制作马歇尔试件。 由于初试油石比的混合料体积指标符合设计要求， 因此省去上述步骤 ，只进行一次复核。 复核试验以级配 B配比和油石比 %制作马歇尔试件，其各项体积参数见 表 2。 表 29 马歇尔试件的体积参数 油石比 γ t γf VV VFA VMA CVAmix MS % — — % % % % kN 筛孔尺寸/ m m筛孔通过百分率/%级配上限级配下限合成级配级配中值14 复核结果表明， 最佳油石比为 %。 配合设计检验 （ 1） 析漏、飞散试验 以油石比 制作马歇尔试件和制备沥青混合料，分别进行肯特堡飞散试验和谢伦堡析漏试验，试验结果如 表 2。 表 210 析漏、飞散试验结果 矿料级配 油石比 谢伦堡析漏 损失 肯特堡飞散损失 % % % 级配 B 技术要求 ≤ ≤15 由试验规范技术指标要求可知 ，上述结果均满足规范要求。 （ 2） 高温稳定性检验 以油石比 %制作车辙试件 2 块，试件尺寸 30030050mm， 60177。 1℃ 条件下保温 5h，进行车辙试验，得到的结果见 表 2。 表 2 11 车辙性能研究 试验次数 1 2 3 时间 t1 (min) 45 车辙变形 (mm) 时间 t2 (min) 60 车辙变形 (mm) 动稳定度 DS (次 /mm) 5833 5385 5727 平均动稳定度 (次 /mm) 5648 技术要求 (次 /mm) ≥3000 动稳定度为 5648 次 /mm,大于 3000 次 /mm，对比设计规范，高温稳定性能满足设计要求。 （ 3） 水稳定性检测 以油石比 %制作 2 组马歇尔试件，分别测试浸水 30min 与 48h 的马歇尔稳定度，其测试结果见 表 2。 表 2 12 浸水残留稳定度试验结果 浸水时间 理论相对密度 毛体积相对密度 空隙率 沥青饱和度 矿料间隙率 稳定度 MS0 h — — % % % kN ％ 48h 以油石比 %制作 2 组马歇尔试件，分别测试未冻融循环与冻融循环后试件的劈裂抗拉强度，其测试结果见 表 2。 15 表 213 冻融劈裂强度比 测试指标 试件高度 毛体积相对密度 空隙率 饱和度 矿料间隙率 试验荷载 劈裂抗拉强度 TSR mm — % % % kN MPa % 未冻融 冻融后 浸水残留稳定度 高于公路沥青路面施工技术规范中的技术要求 80%； 冻融劈裂强度比 亦高于公路沥青 路面施工技术规范中的技术要求 80%。 （ 4） 渗水系数检验 以油石比 %成型三组车辙试件 ，分别测试渗水系数，测试结果见 表 2。 表 2 14 渗水系数试验 组别 时间 /s 0 60 120 180 渗水系数 (ml/min) 平均渗水系数 (ml/min) 1 体积 /ml 100 109 119 128 9 9 2 体积 /ml 100 110 121 131 10 3 体积 /ml 100 110 119 127 9 由上表可知， 渗水系数小于公路沥青路面施工技术规范要求 80ml/min。 综合以上配合比设计检验可知， SMA13 最佳油石比为 %。 16 3 抗裂性柔性基层沥青混凝土配合比设计 原材料选择 胶结料 根据 沥青路面 结构设计要求与宜昌地区气候特点，柔性基层沥青混凝土采用AH70 号沥青 ，其基本性能指标见 表 2 1。 表 3 2 AH70 沥青基本性能指标 技术指标 技术要求 试验结果 针入度（ 25℃ 、 100g、 5s ） （ ） 60~80 75 延度 （ 10℃、 5cm/min） （ cm） ≥20 23 软化点（环球法） （ ℃ ） ≥42 48 闪点（ COC） （ ℃ ） ≥230 264 溶解度（三氯乙烯） （ %） ≥99 粗集料与细集料 粗集料采用石灰岩碎石， 细集料采用石屑和机制砂。 检测 标准：《公路沥青路面施工技术规范》 (JTGF4020xx)， 基本性能 见表 32。 表 32 集料性能指标 技术指标 表观相对密度 t/m3 毛体积相对密度 t/m3 含泥量 % 砂当量 % 技术要求 ≥ —— ≤5 ≥50 粗集料 —— (35)石屑 —— (03)机制砂 75 填料 采用宜昌花艳水泥厂矿粉，其性能指标见 表 2。 表 3 3 矿粉基本性能 技术指标 表观密度 毛体积相对密 度 亲水系数 含水量 单位 t/m3 t/m3 — % 技术要求 ≥ — ≤1 ≤1 测量值 17 配合比设计 设计矿料级配的确定 表 3 4 矿料级配设计 筛孔 合成级配 级配中值 级配范围 (mm) 205 515 石屑 机制砂 矿粉 (%) (%) (%) 100 ~ 100 90 ~ 100 16 60 ~ 85 50 ~ 75 40 ~ 65 15 ~ 40 5 ~ 22 2 ~ 16 1 ~ 12 0 ~ 10 0 ~ 8 0 ~ 5 配比 100 0102030405060708090100110筛孔尺寸( m m )通过率(%)级配上限级配下限合成级配级配中值 图 31 矿料级配曲线 18 马歇尔试验 选择油石比 、 、 、 、 进行马歇尔实验，混合料拌和温度160℃ ，击实温度 140℃ ，马歇尔击实仪双面击实各 50 次。 测试马歇尔试件的毛体积相对密度 γf、空隙率 VV 和 马歇尔稳定度 MS， 结果见 表 3 3。 表 3 3 最佳油石比试验 油石比 γf VV MS % — % kN 确定最佳沥青用量 从表 35 中 分析得出，相应于密度最大值的油石比 a1= ，相应于马歇尔稳定度最大值的油石比 a2=，相应于空隙率规范中值的油石比 a3=，相应于沥青饱和度规范中值的油石比 a4=，则计算出 OAC1= (a1 +a2 +a3+a4)/4=。 同时，由图中分析可知，满足各项技术指标的油石比最大值与最小值的范围为： ～ ，计算得出 OAC2=（ +） /2=。 经过综合分析后，初步确定得出最佳油石比为 OACopt=（ OAC1 +OAC2） /2=。 19 4 拌和式水泥乳化沥青混凝土材料研究 水泥乳化沥青混凝土（ Cement Emulsified Asphalt Concrete，以下简称 CEAC）是将水泥、乳化沥青、级配碎石和一些外加剂等经冷拌、冷铺及碾压后形成的一种兼具水泥混凝土刚性和沥青混合料柔性的新型路面材料，具有 较好的高温稳定性、低温抗裂性及抗疲劳性。 与传统的热拌时沥青混合料相比，冷拌式的 CEAC 具有以下几个优点 ： 1） 对于冷拌式，乳化沥青 中的 水分和集料中包含的适当水分均不影响混合料的质量，而热拌式沥青需要预先脱水，集料也需经过干燥除水处理，否则沥青混合料的质量将受影响； 2）乳化 沥青破乳后的水分可供水泥硬化凝结，较好的解决了乳化沥青破乳“憎水” 和水泥水化“需水”的矛盾 ； 3） CEAC 采用冷拌、冷铺的施工工艺，可以降低能耗，减少环境污染，对于实现文明、环保施工非常有利。 水泥乳化沥青混凝土 强度形成机理 CEAC 是水泥混凝土和沥青混凝土的结合体， 其强度形成与发展过程与水泥在混凝土中作用密切相关，同时与乳化沥青增强粒子的作用有很大联系。 CEAC属颗粒增强复合材料，乳化沥青粒子高度弥散地分布在混凝土骨料基体中，当基体受荷载时，乳化沥青增强粒子阻碍导致骨料基体产生塑性变形的运动，对混凝土产生强化效果。 强化效果与乳化沥青粒子体积、粒子特性、粒子间距和 粒子直径等因素有关。 在水泥与水作用约 45min 后，丝状的结构不仅很快地在水泥表面形成，而且在粒子之间填充水的空间内发展。 随着水泥水化时间的延长，一方面由于水泥水化所产生的多种水泥纤维以水泥颗粒为中心向周围空间发展，纵横交叉，逐渐填充满混合料内的所有毛细空间，水泥与乳化沥青除物理吸附和化学吸附外，还可能发生化学反应。 其结果是水泥水化产物与沥青膜交织在一起，并同细集料牢固结合而形成柔性空间网，正是水泥产物的凝结力及沥青的粘聚力、水泥与乳化沥青的结合力，组成强大的复合力，使 CEAC 成为一种 “密实一骨架 ”结构。 此 时，水泥砂浆充满 孔隙 ， 形成均匀、密实、孔隙闭合的整体，从而提高了混凝土的总体强度。 另一方面 ， 混凝土中的沥青乳液因压实等原因，已开始分解破乳，沥青从乳液的水相中分解出来，许多微小沥青颗粒相互聚结，成为连续的沥青薄膜，以结构沥青的形式粘附在骨料的表面。 由于这两种作用是同时进行的，两种胶凝材料之间既相互独立又相互贯穿，不可分割，形成两种材料和性质均不相同的立20 体空间网络，把骨料紧紧地结合在一起，与普通沥青混合料相比，除了原有单独起作用矿质骨架和沥青的粘结外，水泥、乳化沥青混凝土提供了一种新型的、以水泥凝胶为主体的第 一骨架，这种质地坚硬的骨架，不仅大大提高了混凝土的抗压性能，并且由于其自身的凝固力，对混凝土的抗拉能力也有所改善；同。