路面上铺层沥青混合料的级配设计及其性能研究开题报告

沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑褐色复杂混合物，呈液态，是一种防水防潮和防腐的有机胶凝材料。用于涂料、塑料、橡胶等工业以及铺筑路面等。

沥青路面是在柔性基层、半刚性基层上，铺筑一定厚度的沥青混合料作面层的路面结构。这种路面与砂石路面相比，其和强度稳定性都大大提高。与水泥混凝土路面相比，沥青路面表面平整无接缝，行车振动小，噪音低，开放交通快，养护简便，适宜于路面分期修建，是我国路面的重要结构形式。沥青路面的缺点是温度敏感性较高。夏季强度下降，若控制不好会使路面发软泛油或推移剪裂破坏乳化沥青。低温时沥青材料变脆可能引起路面开裂。在土木工程中，沥青是应用广泛的防水材料和防腐材料，主要应用于屋面、地面、地下结构的防水，木材、钢材的防腐。沥青还是道路工程中应用广泛的路面结构胶结材料，它与不同组成的矿质材料按比例配合后可以建成不同结构的沥青路面，高速公路应用较为广泛。

沥青是石油炼制过程中一次加工得到的产品，来源丰富，并且价格相对较低，现在在公路及高速铁路等方面应用越来越广泛。近几年来。随着日益繁重的交通量和负荷的增加旧基质沥青的性质已不能完全满足使用性能的要求，添加各种改性剂的改性沥青得到广泛的应用。沥青作为路面材料，在加工、储存、运输以及与石料拌和的过程中一直处于较高温度并接触空气；在路面使用期间，长期遭受日光照射、雨水淹没冲刷、冰雪覆盖，同时还要承受繁重的交通负荷，导致沥青发生挥发、分解、氧化等反应，使得沥青内部的分子结构变化，沥青会逐渐失去粘弹性质。以上过程称为沥青的老化。沥青的老化在20世纪30年代就得到重视。沥青的老化严重影响了路面的使用性能，研究表明，沥青老化后，粘度增大、针入度减小、软化点升高、低温延度会下降，沥青路面变硬。冬天处于较低温度下易于开裂。沥青来源不同，组分含量及分子结构不同，油分对沥青质的胶溶能力不同，导致沥青抗老化性能不同。而对于改性沥青体系，由于不同的改性剂的引入，改性剂吸收沥青中的轻组分溶胀的能力不同，改性剂和沥青的相容性不同，导致改性沥青的老化复杂化。研究表明，改性沥青的老化同时包括了改性剂的降解和沥青的老化，因此，基质沥青自身的性质必然会影响改性沥青的老化，同时，改性剂加入量不同、助剂不同等，也会对改性沥青的老化产生影响陋。研究发现改性沥青老化后，软化点上升，延度、针人度都降低，和基质沥青呈现出不同的老化规律。

沥青混凝土（AsphaltConcrete，简称AC）是人工选配具有一定级配组成的矿料，碎石或轧碎砾石、石屑或砂、矿粉等；与一定比例的路用沥青材料，在严格控制条件下拌制而成的混合料。沥青玛蹄脂碎石混合料(Stonemasticasphalt，简称SMA)是一种由改性沥青、矿粉及木质纤维稳定剂组成的沥青玛蹄脂结合料，填充于间断级配的碎石骨架中所形成的沥青混合料。成形的SMA不但具有开级配的嵌挤能力，而且路面结构具有高温抗车辙、低温抗开裂、抗滑、不积水、耐久性好等特点，又具备密级配沥青混合料的优点，它的沥青用量多，空隙率小，延长了路面的疲劳寿命，增加了防渗能力。

国内外路面设计者对沥青混合料配合比设计方法的研究很多，纵观世界各国，现行用于沥青混合料配合比设计的方法主要有：马歇尔方法、维姆方法、SUPERPAVE方法、GTM方法以及贝雷法等，但其中又以马歇尔法运用得最为广泛。马歇尔法设备简单、廉价、方法简单、易于掌握。

我国公路和机场路面绝大部分是沥青路面，沥青结合料提高了铺路用粒料抵抗行车和自然因素对于路面平整少尘、不透水、经久耐用。但沥青公路路面层的质量对于公路的使用寿命有着严重的影响，所以对沥青路面面层的质量控制已经成为人们关注的问题。

沥青老化作为目前影响沥青使用寿命的一个极为重要的因素，当前，国内外70%以上的路面为沥青路面，而每年因为沥青路面的老化而使得沥青道路使用寿命大大缩短，翻修重建也消耗了极大的人力物力，违背了资源长期有限利用的宗旨。本次研究从室外实地取材，利用实验室模拟室外环境，进行沥青老化进程的研究。高等级公路沥青表面层直接经受重交通荷载反复作用和各种自然因素的影响，因此表面层不仅应具有平整密实、抗滑耐磨、稳定耐久的服务功能，还应具有高温抗车辙、低温抗开裂、抗老化等品质。在沥青公路中最容易老化的是路面上铺层沥青混合料。而《公路沥青路面设计规范》建议气候炎热、多雨潮湿地区宜选用表面粗糙的抗滑面层(AC、SMA)作为路面上铺层。

本次研究主要内容是以实际工地使用的改性沥青及集料为主要原材料，首先进行AC-13、SMA-13路面面层的级配设计，进行对所设计的沥青混合料进行基本性能的宏观检测，同时运用原子力显微镜（AFM）以及红外分析实验，分析全气候条件下面层沥青混合料中沥青老化前后的常规物理性能变化规律及微观组成结构变化规律。

主要内容如下：

（1）沥青的三大指标及密度实验、不同粒径集料的密度、吸水率、集料的筛分实验。

（2）学习AC-13、SMA-13路面面层的级配设计方法，并设计沥青混合料配合比。

（3）制作沥青混合料马歇尔试件，并检测试件密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度、流值。

（4）成型沥青混合料车辙试件放入全气候老化试验仪，分别选取不同老化时间的试件进行沥青抽提。如松散料的抽提、成型0小时的抽提、成型老化1000小时、3000小时的抽提。

（5）利用针入度、软化点及延度等试验分析全气候条件下沥青老化前后常规物理性能变化。利用原子力显微镜、红外分析老化后微观组成结构变化规律。

（6）检测成型老化1000小时、3000小时试件的稳定度与抗压劈裂强度。

（7）比较两种级配设计的沥青混合料性能。

预期目标：通过三大指标宏观实验和AFM及红外等微观实验，探究全气候条件下的沥青老化前后的性能变化。

3.1沥青

按照的试验设计内容，选用下面沥青作为之后试验所用沥青，试验设计参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE42-2005）严格执行。检测沥青的针入度、延度、软化点、密度、相对密度并记录数据与以后数据作对比。

3.2集料及填料

AC-13型与SMA-13型路面上铺层沥青混合料目标配合比设计试验所采用的集料粒径规格分别为1号（10～15mm）、2号（5～10mm）、3号（3～5mm）和4号（0～3mm）.从实际工地取回原材料后，原材料集料试验按照《公路工程集料试验规程》的要求和方法进行粗细集料的筛分试验，记录数据用于级配。

粗集料用干筛法测其表观密度、毛体积密度，用网篮法测得吸水率。细集料和矿粉(4号料）用水洗法测得其表观密度和毛体积密度，用容量瓶法测得其吸水率。对于做网篮法测吸水率的方法必须让石子浸泡一夜，然后用水洗净石子，一定要洗到水清为止。4号料由于体积过小，用网篮装可能漏出，所以要用容量瓶法。记录数据检验石子是否合格。

根据《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）的数据计算公式，可得粗、细集料与填料试验结果。根据《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）的规范标准，所有集料都要能符合技术要求才能进行之后的试验内容。

以《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）的实验规范，进行填料试验。本次实验选用粒度范围＜0.6mm的矿粉。

3.3沥青混合料配合比设计

根据筛分结果以及《公路沥青路面设计规范》中AC与SMA荐级配及其工程设计级配范围，知道了上下限与级配中值以及筛分数据可以利用图表法算出级配。

沥青路面表面层不但要满足较好的构造特征指标，而且还要像其它混合料一样满足温度稳定性、水稳性以及抗疲劳耐久性等方面的要求，在此过程中，除了重视抗滑石料的选择外。矿料级配的选择至关重要。研究中典型级配曲线的选取遵循以下原则：

①在规范级配范围内，以粗型级配为主(2．36mm筛孔的通过率小于40％)；

②避开Superpave一12．5的限制区，级配从限制区下方通过。以提高混合料抗永久变形能；

③级配曲线宜平滑，避免过多的犬牙交错。

3.4沥青最佳掺量的选择

根据对石子和矿粉的筛分结果得到最佳级配，用已经配好的集料加入油石比为4.2%,4.5%,4.8%,5.1%，5.4%的沥青来制作AC-13马歇尔试件，又加入油石比5.8%、6.1%、6.4%、6.7%的沥青来制作SMA-13马歇尔试件，对各个油石比不同的马歇尔试件进行实验，分别测得它们的干重，水中重，表干重。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE42-2005）的数据计算公式计分别算出AC-13与SMA-13试件的密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度和流值，记录数据并最终求出沥青的最佳掺量。

3.5冻融劈裂

确定沥青最佳参量之后，制作马歇尔试件将正反双面各击实50次的试件分为两组，每组5个试件，将第二组试件在98．3～98．7KPa真空条件下保持15min，然后打开阀门，恢复常压，试件在水中放置0．5h，取出试件放入塑料袋中，加入约10ml水，扎紧口袋，将试件放入18士20C恒温冰箱中保持16 lh，然后取出试件放入604-0．50C恒温水槽保24h，将第一组和第二组试件全部浸入25 0．50C水浴中恒温不少于2h后进行劈裂试验，测定试验的最大荷载。分别按公式(2.1和公式(3.2）计算劈裂抗拉强度，冻融劈裂试验强度比TSR按公式(3.3）计算。

RT1=0．006287PTI／h1(3.1)

RT2=0．006287PT2／h2(3.2)

TSR=RT1／RT2100(3.3)

通过实验，记录最佳沥青掺量下的AC和SMA马歇尔试件，记录冻融和未冻融下的稳定度、劈裂抗拉强度和冻融劈裂强度比。

3.6车辙实验

车辙试验的过程按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGT0702-2005）的要求和方法进行，进行拌料时AC-13与SMA-13沥青混合料的拌和温度为170℃，碾压成型温度为160℃，实验室选用尺寸为：10010050mm车辙板，行走距离为7.51cm。每个制作3块车辙式样记录动稳定度，再取平均值。

3.7沥青的老化

各制作最佳沥青掺量下的AC-13试件与SMA-13的马歇尔试件两组并将它们放入老化箱老化1000小时和3000小时。

到时间之后取出老化试件利用离心抽提仪抽提出沥青，作红外光谱及原子力显微镜（AFM）观察其微观性能。

然后检测老化后沥青的针入度、延度、软化点性能。并用原沥青与松散料、新拌老化0小时、老化1000小时、老化3000沥青做对比，并记录实验数据。

3.8成型老化1000小时、3000小时试件的稳定度与抗压劈裂强度

将成型老化1000小时与3000小时AC-13与SMA-13试件的依旧进行稳定度与冻融抗压劈裂强度的检测，并与未老化的试件最对比其稳定度、劈裂抗拉强度、冻融劈裂强度比。

3.9路面上铺层沥青混合料AC-13型与SMA-13型性能对比

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第1周：对石子作基本性能检测，做出AC-13与SMA-13型混合料的级配设计以及最佳沥青掺量。做出最佳沥青掺量下的AC-13与SMA-13试件放入老化箱老化。

第2~3周：检测沥青性能：包括三大指标、沥青的密度及旋转粘度。查阅中文文献及外文文献。

第4~5周：做最佳沥青掺量下的AC-13的冻融劈裂试验与抗车辙能力试验，并翻译外文文献。

第6周：对1000小时老化沥青抽提并做红外及AFM试验检测微观性能和做三大指标及旋转粘度等宏观性能，最后与原沥青对比。

第7~8周：做最佳沥青掺量下的SMA-13的冻融劈裂试验与抗车辙能力试验。

第10周：对3000小时老化沥青抽提并做红外及AFM试验检测微观性能和做三大指标及旋转粘度等宏观性能，最后与原沥青对比。提交翻译的外文文献。

第11周：对成型老化1000小时、3000小时试件检测其稳定度与抗压劈裂强度并与之前数据做对比。

第12~14周：整理分析数据，对AC-13与SMA-13上铺层沥青混合料的性能进行对比。

第15周：撰写论文初稿。

第16周：制作PPT，准备答辩。