论文摘要：基于堆积密度理论的沥青混合料抗车辙性能研究

据国际上的统计，车辙等沥青路面的变形病害是最常见的路面损害现象。在沥青路面的维修中，有约80%是来自车辙变形的原因。与沥青路面开裂、水损害相比，车辙的危险性最大。高速公路沥青路面出现的车辙病害，影响了路面的平整度，使轮迹带沥青层厚度减薄，降低了面层以及路面结构的整体强度。路段出现较深辙槽影响了车辆操纵的稳定性，车辆在超车或者更换车道时方向难以控制；在雨天时和天气寒冷季节，使得路面失去均匀的抗滑能力，严重威胁过往车辆的行车安全。沥青路面车辙出现会显著降低道路的服务水平，提前进行大修和中修，大大缩短高速公路的使用寿命。我国现行公路沥青路面施工技术规范中容许范围内的所有级配走向都被认为是验收合格的，但实际上，在规范范围内的级配不同的走向，沥青混合料的堆积密度有很多的差别，将使沥青混合料的后期使用性能产生巨大的差异。研究发现，其高温抗剪性能差异达到30%以上。目前，常用的级配理论主要有最大密度曲线理论和粒子干涉理论，皆以最大密度曲线理论为基础发展而来，只强调级配达到最大密实度，没有考虑骨架结构的形成与否，并且没有实用的计算方法，由此设计的级配也就难以形成高效能抗车辙的骨架密实结构。针对已有研究主要侧重沥青路面抗车辙级配的定性分析和试验研究，其成果难以指导实际沥青混合料级配控制的局限，本研究通过理论推导和试验验证，建立了沥青基中集料堆积密度的计算公式，在该公式的基础上，建立了基于堆积密度理论的沥青路面抗车辙的沥青混合料配合比设计的新方法。用该方法能够在现行规范规定的较为宽泛的矿料级配范围内找到路用性能较好的级配。解决高速公路沥青路面高效能抗车辙的设计方法、施工技术、材料性能指标与施工质量现场检测等关键技术问题，主要进行了如下工作：第一，针对沥青混合料路面的实际情况，将包裹沥青膜的颗粒作为复合颗粒，在干粉颗粒堆积密度计算公式的基础上，推导建立了沥青混合料堆积密度计算公式；在该公式的基础上，综合考虑沥青路面高低温性能两个方面的匹配关系，通过理论推导和试验验证建立了实用的基于堆积密度理论沥青路面抗车辙的沥青混合料配合比设计的方法。以骨架密实为原则，确定最佳的配合比。通过上述计算得到一系列可能的试验配比，路用性能试验结果及理论分析，验证和修正上述级配的计算方法；第二，对采用沥青路面抗车辙的沥青混合料配合比设计的沥青路面的上（AC13-3）中(AC20-3)下(ATB25-3)面层三种级配，采用旋转剪切压实仪进行成型，结果表明：由新方法设计得到三个最佳的配合比方案的安全系数（抗剪强度与最大剪应力之比值）、动稳定度、无测限抗压强度都是最大的。其中AC13-3的动稳定度分别比AC13-2和AC13-1大16％和10％，70℃抗压强度分别高11.2%和8.5%；AC20-3的动稳定度分别比AC20-2和AC20-1大10％和13％，70℃抗压强度分别高14.0%和38.9%；ATB25-3的动稳定度分别比ATB25-2和ATB25-1大15％和31％，70℃无侧限抗压强度分别高11.0%和6.7%。第三，沥青混合料性能马歇尔试验结果表明，采用新建立的多粒径（连续粒径分布）沥青混合料抗车辙级配计算方法设计的沥青混合料上、中、下面层的高温抗车辙能力、水稳定性及渗水系数指标，均比文中方案一、二的指标有大幅度提高，并满足现有规范（JTG F40-2004）要求的相应规定值。ATB25-3稳定度为16.73KN，分别比ATB25-1稳定度12.31KN、ATB25-2稳定度10.60KN分别大36％和58％；AC13-3的稳定度15.59KN，分别比AC13-1的稳定度（12.37KN）高26％、AC13-2的稳定度（12.8）高21.8%。表明基于堆积密度理论的沥青混合料抗车辙设计方法完全满足实际工程需要。第四，通过钻芯试样结构特征提取、钻芯试样孔洞识别、钻芯试样三维结构还原等技术手段，得到了经表面图像处理的空洞面积与沥青混合料孔隙比之间的关系式，又根据建立的沥青混合料最密堆积计算公式中沥青混合料孔隙比与车辙深度的关系式，进而得到空洞的面积与车辙的关系。此方法也可以作为沥青路面车辙识别和预测的一种技术手段。第五，为了在施工中能够实现上述方法设计的骨架密实结构以及根据GTM试验方法的特点，在施工工艺可靠性研究方面提出了新的碾压组合和碾压温度：两台130型双钢轮振动压路机静压一遍，振压两遍；三台26吨以上轮胎压路机碾压四遍；两台110型双钢轮压路机静碾压两遍，130型双钢轮振动压路机除在初压前进时静碾、以后全部振碾。开始碾压的沥青混合料温度不低于140℃，26吨以上轮胎压路机碾压终了的表面温度不低于90℃，110型双钢轮压路机碾压终了的表面温度不低于80℃。新的施工工艺为工程应用沥青路面高效能抗车辙粒径优化设计新方法获得高质量抗车辙沥青路面提供了可靠保证，在实体工程试验段中也得到了验证。

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