潭邵路路面材料性能试验大纲.docx
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潭邵路路面材料性能试验大纲
潭邵高速公路沥青路面
材料性能与施工控制研究
研究大纲
长沙交通学院道路与交通工程系
2001年7月27日
一、研究目的、意义及国内外概况
(一)研究目的与意义
我省是全国修建沥青路面最早的省份之一,在多年的理论研究与施工实践中,积累了极其宝贵的经验。
特别是90年代初期,我省结合107国道的改建工程,修筑了一定数量的沥青路面,但是这些沥青路面都不同程度地出现了早期损坏现象,1991年长沙交通学院曾受湖南省公路局的委托,对107国道湖南全线进行了一次全面调查,分析、研究损坏原因,尽管存在施工中的问题、施工质量控制问题、原材料质量与混合料配合比问题等,但其中最主要的是水的破坏作用和沥青路面结构本身与重交通荷载的适应性与合理性问题。
随后受省公路局的委托,长沙交通学院进行了“水对沥青路面作用的研究”和“湖南省干线公路典型半刚性基层沥青路面设计研究”的课题研究,取得了一些研究成果,后者还获得了湖南省科技进步三等奖,但这些成果对沥青路面的研究还不够全面和深入,也不太适应高速公路沥青路面的建设需要。
根据我国的公路自然区划《公路自然区划标准》(JTJ003-86),湖南属于江南丘陵过湿区(Ⅳ5),气候温和、雨量充沛,是我国南北气候过渡地带。
按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ032-94)附录A的沥青路面施工气候分区,湖南属于热区,最低月平均气温大于0℃,另外根据湖南地区的降雨量,属于多雨潮湿地区。
在这样一个又热又潮湿多雨地区,如何进行高速公路沥青路面的建设,是我省公路建设中有待深入研究的课题之一。
沥青混合料是一种典型的热流变材料,其力学性能(应力—应变特性)与试验温度和加载速率及荷载大小有关,不是一种理想的线弹性体,而我国的规范仍将其视为弹性体,主要是基于荷载的加载速度快。
由于沥青混合料具有蠕变与应力松驰特性,在湖南夏季高温季节,应力松驰时间大大缩短,有可能等于或小于荷载作用时间,材料表现为弹-粘-塑性体或粘-塑性体,在荷载作用下产生较大的塑性变形,特别是在高速公路和城市道路中,由于渠化交通,随着荷载重复次数的增加,塑性变形的累积,车辙现象严重。
另一方面,在湖南多雨地区,沥青混合料在雨水作用下,沥青与石料之间的粘附性能和粘结强度必然受到影响,也就是沥青混合料的水稳定性(抗剥离性能)问题。
由于国产石油沥青的质量问题,沥青与石料之间的粘附性能差、粘结强度低,从而产生沥青路面的早期大面积损坏,对我省的公路交通造成极大的影响。
由于湖南的气候特点,以及材料、施工、设计等方面的不足,造成早期部分沥青路面损坏严重。
因此,90年代初期,我省在高等级公路建设中,普遍采用了水泥混凝土路面结构。
近年来,由于水泥混凝土路面本身存在的不足,又开始尝试修筑沥青路面,1999年10月竣工的长沙市国道绕城高速公路西北段,全程35km第一次在我省全部采用了沥青路面结构;建设中的耒宜高速公路计划修筑44km的沥青路面,建设中的临长高速公路原设计计划修筑70km左右的沥青路面,现正在进行全部修筑沥青路面的论证,而潭邵高速公路则安排修筑140km左右的沥青路面。
由此可见,沥青路面在我省高速公路建设中的比例在不断上升。
近年来我国其它地区高速公路沥青路面迅速发展,在设计、施工、管理等方面均取得了较丰富的经验。
但由于公路交通量迅速增大、车辆荷载重量增加、超常单轮胎的应用以及普遍存在的车辆超载现象,对沥青路面所用的原材料及沥青混合料性能提出了更高要求,原有的设计、施工技术不能满足当前公路建设的发展,并且造成了部分高速公路沥青面层出现了早期损坏现象,如松散、泛油、剥落、坑洞和车辙等。
目前我国高速公路沥青路面面临的主要问题有:
(1)沥青路面表面抗滑性能不够,表现为构造深度小、摩擦系数低、抗滑性能衰减快等现象,不能满足高速公路高速行车的要求。
(2)沥青路面水损害严重,表现为面层松散、剥落、坑洞等现象,路面出现早期损坏。
(3)沥青路面高温稳定性不够,在渠化交道与重载交通作用下,产生车辙,影响路面平整度与行车性能。
(4)沥青路面的表面泛油现象,由于沥青混合料组成设计不当,造成表面泛油,降低表面构造深度与抗滑性能。
在这样一种背景下,如何建设好我省高速公路沥青路面,使得一条路比一条路好,公路建设者必须去研究高速公路沥青路面的修筑技术。
而潭邵高速公路是320国道中的一段,即我国公路主骨架网“五纵七横”中上海至瑞丽高速公路中的一段,担负着重要的运输任务,路面的使用性能至关重要。
为使沥青路面结构在我省高速公路建设中广泛应用,积累沥青路面结构设计与施工经验,开展“潭邵高速公路沥青路面材料性能试验与施工控制研究”的课题研究,形成一整套适应我省气候、材料、交通等特点的高速公路沥青路面的材料组合设计与施工控制技术,具有十分重要的经济与社会意义。
(二)国内外研究概况
数十年来,世界各国对沥青路面研究都给予了极大的关注,并取得了长足的进展,特别是1994年完成的美国战略公路研究计划(SHRP)对沥青材料、沥青混合料及沥青路面等各个领域进行了系统、广泛的研究,取得了系列成果。
我国自80年代以来,在“六五”、“七五”、“八五”、“九五”科技攻关中,都把沥青路面列为重点研究课题,取得了可喜的成绩。
随着公路等级的不断提高,对沥青材料提出了更高的要求。
除针入度、延度、软化点等目前常用的三大指标外,先后提出了脆点、含蜡量、族组份分析、粘附性以及回转薄膜烘箱老化等一系列非常规指标。
还应用流变学的理论与方法研究了沥青的粘弹性力学特性、蠕变、应力松弛、沥青性能对温度和时间的依赖关系,以及针入度指数和劲度等与流变学有关的指标。
与此同时,出现了各种改性沥青,如往沥青中掺入橡胶、树脂及其他高分子聚合物等。
美国SHRP计划对沥青的抗车辙、低温开裂、疲劳开裂必须满足所需的性能等级提出了要求,是建立在性能基础上的规范,它的规范指标,如复数剪切模量,相位角、蠕变劲度、蠕变速度和破坏应变,均是沥青材料的基本粘弹性性质参数,通过所建立的模型就能将材料参数和路用性能联系起来。
当然,沥青路面性能还要综合考虑混合料的另一些粘弹性参数。
我国现行规范对沥青材料控制的主要缺点有两个,一个是没有低温指标。
在针入度规范中,使用15℃或20℃温度,但在负温下,沥青的性质又会如何,没有量测,当然谈不上指标。
另一个是没有考虑沥青在路面整个使用期间的老化,无论是针入度,还是粘度都使用薄膜烘箱或旋转薄膜烘箱试验,这个试验能模拟沥青在拌和摊铺过程中的老化,不能反映路面使用过程中的老化。
目前沥青路面高温稳定性评价方法有马歇尔试验,大多数国家认为用马歇尔方法设计的沥青混合料的稳定度和流值指标与实际路面相关性不好,我国“七五”期间也进行了大量研究,发现沥青混合料的马歇尔稳定度并无多大差别,而车辙试验结果相差较大,所以马歇尔稳定度用来衡量沥青混合料高温稳定性存在着局限性。
蠕变试验既可以区别混合料的稳定性,指导混合料组成设计,又可以预估车辙量,为路面结构设计提供依据,因而受到众多研究者的青睐,国际上有以蠕变试验取代马歇尔试验的趋势。
美国公路战略研究计划的高温性能也是通过简单剪切试验,重复剪切试验和频率扫描试验等,结合交通量,气候条件进行车辙预估,评价是否在可接受水平。
低温缩裂是温度下降时内部应力所致,目前世界上控制沥青面层低温缩裂的方法有:
限制劲度法、开裂统计法、预估破裂温度法、松弛理论简化法、能量法。
沥青路面温度疲劳裂缝一般采用温度应力试验来研究。
目前,世界上有许多试验方法已用于研究沥青混合料的低温开裂,试验方法有:
间接拉伸试验、直接拉伸试验、幅变试验、约束试件的温度应力试验、切口小梁试件的弯曲试验、应力松驰试验。
这些试验中,只有约束温度应力试验可模拟实际状况,其余试验可提供沥青混凝土试件的低温应力应变特性和加载过程中试件破坏时拉伸强度或者提供能量释放率的断裂力学指标,这些指标只是降温过程中混合料响应的间接指标。
我国沥青混合料水稳性技术指标有沥青的粘附性、混合料残留马歇尔稳定度以及沥青混合料冻融劈裂残留强度。
在高速公路施工时,尽管严格按施工技术规范执行,仍发生了水损害,这说明这些指标与路面水损害并没有建立很好的关系。
沥青路面水损害在我国仍是一个潜在危险。
Super-pave混合料设计方法中关于沥青混合料水敏性评价,应用AASHTOT283“压实沥青混合料水损害试验方法”并要求间接抗拉强度比(TSR)大于等于80%作为沥青混合料水敏感性评价指标。
由于马歇尔或维姆法设计的沥青混合料,其路用性能表现出较大不足,鉴于这种情况,为与我国现行沥青路面设计规范相配套,现行沥青混合料组成设计方法是在马氏设计法基础上,补充了车辙试验。
但现行沥青混合料组成设计方法仍未能考虑沥青路面的低温破坏现象,因此探索多指标材料组成综合设计方法是非常有必要的。
另外对于矿料的级配组成研究也较少。
针对地区气候特点和主要病害,采用不同的沥青混合料组成设计方法十分必要的.当今,美国SHRP研究成果是考虑路面性能的沥青混合料设计分析体系。
由于这种方法需要昂贵的设备和大量的气候资料,因此目前在我国尚没推广,但是SHRP沥青混合料设计分析体系的思想:
集料的级配组成、沥青混合料配比的体积设计法、水敏性评价等是非常值提借鉴的。
沥青路面国内外现状表明:
尽管沥青路面开展多年的研究,我国公路沥青路面规范,仍有许多地方需完善,针对具体气候条件提出补充设计参数、试验方法很有必要。
利用SHRP成果,结合具体情况建立多指标材料组成设计方法是道路工作者不懈努力的目标。
SHRP计划是建立在路用性能基础上的规范,采用体积设计法进行混合料设计,结合我国具体情况,利用其成果,是迅速提高和保证我国沥青路面质量的一条重要途径。
二、前期科研(开发)工作情况、现有基础和条件
湖南省潭邵高速公路建设开发有限公司正在建设的潭邵高速公路,为实现本项目创造了十分有利的环境和条件。
长沙交通学院道路与交通工程系拥有雄厚的技术力量和进行沥青、沥青混合料性能试验研究的必要仪器、设备。
该研究工作所需的人员、设备、材料均已具备。
项目合作单位长沙交通学院自国家“七·五”、“八·五”计划以来,先后负责承担完成了二个国家自然科学基金项目、三个国家重点攻关项目、五个交通部重点科研项目、五个交通部联合攻关项目、多项省级横向课题等共70余项科研课题;先后有近二十项课题获得国家、部、省级科技进步奖。
其中交通部“七·五”重点课题“半刚性基层沥青路面研究”、交通部重点项目“半刚性基层材料环道疲劳试验研究”、国家“八·五”攻关项目“半刚性基层沥青路面典型结构的研究”和“高等级公路沥青路面可靠度研究”、“湖南省干线公路典型半刚性基层沥青路面设计研究”等课题研究成果为本课题的研究提供了基础。
长沙交通学院还承担了长沙市国道绕城高速公路西北段35km的沥青路面设计与试验研究任务,该项目于1999年10月通车;目前正在进行耒宜高速公路、临长高速公路、长沙市五一路改造工程中沥青路面结构与材料等方面的研究工作,这些研究工作为本项目的开展提供了技术基础与前期准备。
长沙交通学院拥有配套的道路实验室、大型直道实验室(长60米、宽3.2米、深2米,加载车轴重可超过130kN)、建筑材料实验室、结构实验室(有一套先进的动力加载系统)、土工实验室。
各实验室均有配套的先进的试验仪器设备,可以模拟各种试验环境,拥有各种用于该课题研究的试验仪器设备,可满足本课题室内外试验的需要,特别是大型室内直槽,可进行各种路面结构的疲劳试验。
课题组查询和收集了国内外大量的研究资料和研究成果,特别是有关最新的路面结构设计方面的资料。
掌握了目前国内外有关此课题研究方向的研究水平和最新研究情况,为本课题的研究作了必要的前期准备工作。
由此,本课题组在理论分析与计算、试验仪器设备条件、试验路现场和前期工作准备上为本课题的研究开展提供了保证,有能力完成这一项目的研究内容并取得预期的成果。
三、考核目标、主要研究内容
1、考核目标
(1)沥青混合料级配组成技术研究;
(2)保证沥青路面材料性能优良的技术措施;
(3)保证沥青路面半刚性基层材料性能优良的技术措施;
(4)沥青路面渗水系数指标与标准的研究
(5)沥青路面施工质量控制技术。
2、研究内容
(1)潭邵路沥青路面基层材料性能与组成设计研究
(2)潭邵路沥青路面面层沥青混合料矿料级配组成技术研究
(3)潭邵路沥青混合料配合比组成设计与材料性能试验研究
(4)潭邵高速公路沥青路面施工技术指南与质量控制
(5)潭邵高速公路沥青路面基层施工技术指南与质量控制
四、研究技术路线
1、技术路线
本项目以长沙市绕城路、耒宜路、临长路的沥青路面建设与研究为基础,结合潭邵高速公路工程实体,对潭邵高速公路沥青路面施工建设中的有关技术难题进行较深入的系统研究。
通过室内试验、实体工程的修筑,提出潭邵高速公路沥青路面的原材料、矿料级配、混合料组成要求,重点研究解决国内沥青面层表面抗滑性、材料的热稳定性、水损害以及表面泛油等问题和现象;提出沥青路面材料组成设计、施工工艺、质量控制方法等成套技术,并将此技术应用于潭邵高速公路沥青路面的建设中。
2、技术方案
(1)潭邵路沥青路面基层材料性能与组成设计研究
沥青路面基层主要承受由面层传来的车辆荷载的垂直力,并扩散到下面的垫层和土基中去,基层是沥青路面结构的承重层,要求具有足够的强度与刚度,并具有良好的扩散应力的能力,同时要求具有足够的水稳定性。
半刚性基层材料的强度取决于半刚性材料的性能,因此在路面施工过程中,应十分重视基层材料的选择、基层材料强度的均匀性、结构层的碾压厚度和含水量、基层的压实度和整体性以及良好的养生。
课题研究中,首先进行基层材料的原材料选择,以满足技术规范的要求,同时综合考虑基层材料的强度、刚度、耐疲劳、抗开裂、抗水损害、经济性等性能。
在原材料选择的基础上,进行半刚性基层混合料的配合比设计,确定各材料用量,保证半刚性基层材料的各项性能,并进行各项性能试验,以确定合理的半刚性基层材料配合比。
以性能指标为依据,确定半刚性基层材料的级配规范,提出合理的生产用级配曲线。
(2)潭邵路沥青路面面层沥青混合料矿料级配组成技术研究
利用潭邵路所采用材料,用Superpave体积设计方法设计符合Superpave要求的混合料,对潭邵路采用我国现行规范设计方法确定的(常规)混合料和潭邵路采用的Superpave体积设计法确定的混合料,用Superpave分析技术中的加速性能试验获得的一些材料特性参数,比较研究其抗永久变形、疲劳开裂、水稳性及低温开裂方面的能力。
潭邵路的Superpave沥青混合料与潭邵路的常规沥青混合料对比研究。
重点进行沥青混合料的级配与体积设计法研究。
集料级配采用Superpave的0.45次方的级配图,采用级配控制界限和限制区来确定设计集料结构。
拟采用级配曲线,通过控制点而不进入限制区,级配曲线拟采用通过限制区下方。
应用Superpave混合料的体积配合比设计,其总体思路:
沥青混合料设计空隙率定为4%,矿料间隙率的技术要求与设计集料结构的最大公称尺寸相符合,沥青填隙率的技术要求与设计交通量相吻合,<0.074mm矿粉与有效沥青含量之比在0.8~1.6之间。
(3)潭邵路沥青混合料配合比组成设计与材料性能试验研究
根据试验研究提出的级配范围与级配曲线,进行各种沥青混合料的配合比组成设计试验,确定各种材料的配比与沥青用量,并对各项沥青混合料材料性能进行试验,包括水稳定性试验(粘附性试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验)、高温稳定性试验(车辙试验),同时测试沥青混合料的各项力学参数,包括劈裂强度、抗压模量等。
(4)潭邵高速公路沥青路面施工技术指南与质量控制
根据潭邵高速公路的地理环境、地质条件、气候特点、沥青混合料类型、施工经验与施工水平,提出潭邵高速公路沥青路面施工指南。
根据技术规范与目前国内沥青路面施工技术水平,提出潭邵高速公路沥青路面施工质量控制方法与指标。
同时提出统一的试验方法与质量检验标准。
(5)潭邵高速公路沥青路面基层施工技术指南与质量控制
根据潭邵高速公路的地理环境、地质条件、气候特点、半刚性基层材料混合料类型、施工经验与施工水平,提出潭邵高速公路沥青路面半刚性基层施工指南。
根据技术规范与目前国内沥青路面基层施工技术水平,提出潭邵高速公路沥青路面基层施工质量控制方法与指标。
五、预期效益、推广应用前景
本课题的初步研究成果可作为潭邵高速公路沥青路面施工的基本技术依据与施工质量保障措施。
本项目最终的研究成果将对湖南省高速公路沥青路面修筑提供材料组成设计技术,对沥青路面出现的不同程度的各种早期损坏现象的解决提供经济、有效的技术措施,提高路面的使用性能,减少养护费用,延长使用寿命,减少投资浪费和不良的社会影响。
同时将对我国高速公路沥青路面的技术进步做出贡献。
同时本课题的研究成果对一般高等级公路和其它等级公路的沥青面层结构设计也有重要的参考价值。
因此,本项目的研究成果将具有广阔的推广应用前景。
六、承担单位及必要支撑条件
本课题研究项目由湖南省潭邵高速公路建设开发有限公司与长沙交通学院道路与交通工程系共同承担。
湖南省潭邵高速公路建设开发有限公司正在建设的潭邵高速公路,为实现本项目创造了十分有利的环境和条件。
长沙交通学院道路与交通工程系拥有雄厚的技术力量和进行沥青、沥青混合料性能试验研究的必要仪器、设备。
该研究工作所需的人员、设备、材料均已具备。
七、经费估算
序号
项目内容
估算经费(万元)
备注
1
调研与查询费
1
2
基层材料性能与组成设计试验费
6
3
沥青面层级配与材料性能试验费
28
4
现场施工质量控制费
18
现场指导、试验与检测
5
交通费
4
现场交通费
6
阶段试验成果专家评审费
6
考虑3次
7
资料分析与理论计算,研究报告编写
8
8
鉴定会费用
5
9
管理费(10%)
8
10
合计
84
八、主要研究人员
姓名
性别
年龄
工作单位
现从事专业
职务、职称
湖南省潭邵高速公路建设开发有限公司
长沙交通学院道路与交通工程系
李宇峙
男
52
长沙交通学院(项目负责)
公路工程
教授
刘朝晖
男
32
长沙交通学院(技术负责)
公路工程
副教授
秦仁杰
男
29
长沙交通学院(现场负责)
公路工程
讲师
黄云涌
男
36
长沙交通学院(室内试验)
公路工程
讲师
邵腊庚
男
35
长沙交通学院
公路工程
副教授
魏建国
男
26
长沙交通学院
公路工程
助教
李九苏
男
27
长沙交通学院
建筑材料
讲师
谢军
男
26
长沙交通学院
公路工程
讲师
黎霞
女
36
长沙交通学院
公路工程
高级实验师
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