对我国沥青路面施工技术标准的若干看法

   日期:2007-02-06     来源:网络     作者:佚名     评论:0    

1 问题的提出

  我们正处在沥青路面技术巨大转变的时代。沿用了近百年的针入度规范和将近五十年的粘度规范和沥青混合料马歇尔设计方法正面临着巨大的挑战。由于交通量、轴荷载以及轮胎气压的不断增长,这些经验的规范已显得力不从心。一些完全满足这些规范的沥青路面发生了早期破坏,这就是美国公路战略研究计划(SHRP)想要解决的问题,企图从经验的指标向性能基础上的指标靠拢,在完全建立在性能基础上的规范之前,似乎还必须找一些与性能有关的规范过渡一下,这就是我们所处的时代。
  什么是建立在性能基础上的规范,简单说来规范的技术指标表征了材料的物理或化学特征和性质,能通过建立的数学与物理化学模型来预测材料的路用性能。如Superpave沥青胶结料规范就是一种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、蠕变速率和破坏应变,均是沥青材料的基本的粘弹性性质参数,通过所建立的模型就能将材料参数和路用性能联系起来,当然还要综合考虑混合料的另一些粘弹性参数。
  什么是与性能有关的规范,实践告诉我们,沥青混合料必须满足它的一些基本的体积性质,如空隙率、VMA和VFA。如果这些指标不满足,就不可能生产出一种耐久的混合料,因此,沥青混合料的体积特性是与性能有关的规范指标。又如我们常常用轮辙试验的结果,如动稳定度或轮辙深度来评价沥青混合料的性能。
  本文就当前我国沥青路面路面施工技术规范1中的若干问题提出一些看法,并从材料标准、设计标准、设计方法、水损害评价以及密度标准等方面,将我国规范与Superpave规范3进行比较分析,以吸取有用的东西,摒弃无用的东西,使我们的沥青路面性能更好,寿命更长。

2 材料标准

  沥青混合料由适当级配的粗细集料及矿粉和规定等级与用量的沥青组成。过去人们往往把注意力放在沥青性质方面。固然,沥青对于路面低温开裂的影响是决定性的,但是对于抗车辙能力来说,集料和集料级配起决定的作用。由于沥青混合料中95%为集料,所以应对集料的技术标准与级配引起足够的重视。

2.1 集料标准
  表1为我国JTJ-032《沥青路面施工技术规范》中关于沥青混合料的集料标准。

我国规范集料标准和Superpave集料标准比较     表1

 

指    标

JTJ032

粗集料

  石料压碎值           不大于(%)
  洛杉矶磨耗损失         不大于(%)
  视密度             不小于(t/m3)
  吸水率             不大于(%)
  对沥青的粘附性         不小于(%)
  坚固性             不大于(%)
  细长扁平颗粒含量        不大于(%)
  水洗法<0.075mm颗粒含量     不大于(%)
  软石含量            不大于(%)
  石料磨光值           不小于(BPN)
  石料冲击值           不大于(%)
  破碎砾石的破碎面积       不小于(%)
   一表面层?
   一中下面层?
  粗集料角砾性

28
30
2.50
2.00
4级
12
15
1
5
42
28

90
50

细集料

  视密度             不小于(t/m3)
  粘土含量,砂当量
  坚固性(>0.3mm部分)       不大于(%)
  细集料未压实空隙率       (%)

2.50
60
12

  注:①坚固性试验根据需要进行;
   ?②用于高速公路、一级公路时,多孔玄武岩的视密度限度可放宽至2.45t/m3,吸水率可放宽至3%,但必须得到主管部门的批准;
?   ③石料磨光值是为高速公路、一级公路的抗滑表层需要而试验的指标,石料冲击值根据需要进行,其他等级公路如需要时,可提出相应的指标值;
    ④钢渣的游离氧化钙的含量应不大于3%,浸水后的膨胀率应不大于2%。

  表2为美国Superpave集料规范。
  Superpave集料标准有两种,一种为共同标准,也可以说是指令性标准,必须统一执行,如粗集料和细集料的角砾性、细长扁平颗粒含量、粘土含量共四项;另一些称为料源特性,大都由各州公路部门自己确定,如洛杉矶磨耗损失、粗集料和细集料坚固性共三项, 全部集料技术标准共为七项。我国粗集料和集料细集料技术标准多达15项,而美国认为至关重要的试验项目,如粗集料和细集料的角砾性,我国却没有。

Superpave集料规范        表2

交通量
(百万ESAL'S)

粗集料棱角

细集料棱角

细长与扁平
颗粒含量

粘土含量

表面以下<100

>100

<100

>100

<0.3

55/-

-/-

-

-

-

40

<1

65/-

-/-

40

-

-

40

<3

75/-

50/-

40

40

10

40

<10

85/80

60/-

45

40

10

45

<30

95/90

85/75

45

40

10

45

<100

100/100

95/90

45

45

10

50

≥100

100/100

100/100

45

45

10

50

 

表中"85/80"表示85%的粗集料有一个或一个以上的破碎面,80%的粗集料有两个或两个以上的破碎面。

   下面谈谈对我国集料标准中某些指标的一些看法。
  (1)关于集料压碎值
  集料压碎值用于相对衡量集料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力,是路面基层和沥青面层的重要指标,这个指标简单方便,是我国公路部门最常用的指标之一,应予以足够重视。
  (2)关于洛杉矶磨耗值
  洛杉矶磨耗试验在我国和北美是广泛使用的方法,美国有94%的州均有此指标以确定粗细集料抵抗磨耗的阻力和韧性,大多数州沥青路面底面层联结层和表面层最大允许值为 40%~50%,我国洛杉矶磨耗值标准为30%,比美国高得多,这是由于美国好的集料已用得差不多了,定高就会增加路面成本。
  北美洛杉矶磨耗损失的标准见表3。

北美洛杉矶磨耗值标准        表3

 

技术标准(%)

30

35

40

45

48

50

55

60

65

表面层

使用州百分比(%)

5

9

56

36

2

18

2

2

2

联结层

使用州百分比(%)

5

11

38

38

2

26

5

2

2

底面层

使用州百分比(%)

5

11

47

38

2

23

5

2

2

  从上述北美标准来看,其要求比我国低很多,以表面层来说,一半以上的采用40%作为标准,36%的州采用45%的损失值作为标准,而我国一律为30%。
  (3)关于粗集料视密度
  粗集料视密度在热拌沥青混合料体积计算时是一个非常重要的参数,但是否作为集料的一个指标值得讨论。
  (4)关于集料吸水性
  为了就地取材使用高吸水率的集料,规定一个最大吸水率的要求也是可以的,但是我国集料吸水性的标准明显高于国外标准,尽管Superpave集料并无此标准,但根据过去北美调查,为了避免使用高吸水率的集料,许多州也规定了最大吸水率要求(见表4)。

北美允许最大吸水率标准      表4

最大吸水率标准

1.75

2.0

3.0

3.5

4.0

5.0

6.0

使用州百分比(%)

2

16

22

8

29

29

7

  根据上述调查情况,36%的州最大允许吸水率为5.0%以上,65%的州为4.0%以上,也就是说美国、加拿大大部分州最大允许吸水率为4.0%,我国规定为2%似乎太严了一点。筑路应该使用当地材料,不应强制以2%吸水率作为集料接受或拒绝的标准。沪宁路苏州B标段古桑打石山,多孔玄武岩的吸水率为3.24%~4.32%。在美国大部分州都认为可以用,但超过了交通部标准,问题不在于能不能用,而在于如何用。指挥部召开专家会议,众说纷纭,莫衷一是,最后由于工期等原因,指挥部最后决定使用了多孔玄武岩,采用提高集料加热温度、延长集料烘干时间、混合料摊铺后立即碾压以及掺加抗离剂等措施,至今路面使用品质很好。
  所以对于多孔性集料,关键是试验方法要跟上。我国T 07112路面沥青混合料最大相对密度试验(真空法)明确规定不适用于吸水率大于3%的多孔性集料的沥青混合料,而ASTM D2041沥青混合料最大理论密度标准试验方法中,就有一节关于使用多孔性集料的沥青混合料的补充试验方法。这个方法对于正确计算压实沥青混合料孔隙率、路面压实度以及计算被集料吸收进孔隙的沥青数量十分重要。
  对于多孔性集料,另一个重要因素是计算被孔隙吸收沥青的数量,然后在计算沥青总用量时,加上这一部分数量。计算的沥青用量是有效沥青用量,加上被吸收的沥青用量,才是我们真正的沥青用量。
  (5)对沥青的粘附性
  我们认为粘附性试验主观性太强,不应作为集料规范试验标准,详见本文第5节关于水敏感性评价。
  (6)关于粗集料坚固性
  过去较少对集料坚固性进行试验,今后应按照规范要求进行试验,避免不合格材料影沥青混合料及路面整体质量。
  (7)关于细长与扁平颗粒含量
细长与扁平颗粒含量不应大于15%。根据北美调查仅有17%的州使用3∶1的标准,使用4∶1标准的也有17%,而7.5%的州为5∶1,最大允许百分比3∶1标准的范围为20%~30%;4∶1标准的为7%~20%;5∶1标准的为5%~20%。我国的标准还比较严格,应继续执行。
  但应该指出,目前市场上的测量细长与扁平颗粒含量的规准仪是用于水泥混凝土的,对于沥青混合料,应使用游标卡尺法。
  (8)水洗法<0.075mm颗粒含量
  (9)关于软石含量
  关于软石含量在集料试验规程(JTJ058-94)中只有一项卵石的软弱颗粒试验(T0320),显然不是指的这一试验,再也找不到另外的试验方法。在AASHTO的试验方法中也没有找到相应的试验方法。我国称为坚固性试验(T0314),事实上该法不仅适用于水泥混凝土集料,也适用于沥青混凝土用集料,不仅可以用硫酸纳作为溶剂,也可用硫酸锰作为溶剂,这在北美是普遍使用的集料试验方法,我国集料标准却规定坚固性试验根据需要进行。我们认为坚固性试验是一项很重要的试验,特别是当软石含量不能测定的情况下。
  (10)关于石料磨光值和石料冲击值
  根据表1注③的说明,磨光值是高速公路的抗滑表层需要而试验的指标,石料冲击值根据需要进行,这段话的意思似乎有二个:
  ①石料磨光值和石料冲击值均属抗滑表层(AK类沥青混合料)的指标。
  ②石料磨光值必须进行,而石料冲击值根据需要进行。
  那么就存在以下二个问题:
  ①如果是普通密级配沥青混凝土,是否可以不作磨光值试验。
  ②石料冲击值在什么情况下才需要进行试验。
  这些均是规范模糊不清的问题,我们认为:
  ①表面层沥青混合料都要有石料磨光值要求,不管是抗滑表层还是普通密级配沥青混合料磨耗层。
  ②关于石料冲击值规范应具体说明什么情况才需要,什么情况不需要。
  ③规范应具有唯一性。
  (11)关于破碎砾石的破碎面积
  关于破碎砾石的破碎面积要求,我国规范表1中要求破碎砾石的破碎面积,高速公路、一级公路表面层不小于90%,中下面层不小于50%。然而没有任何确定破碎面积相应的试验方法,在条文说明4.6.6节中称"破碎砾石的破碎面积至关重要,应满足附录表C.8的规定。规定将原来一个破碎面积的集料质量改成破碎面积,这是参照了美国办法修改的"。
  我国关于破碎集料要求表面层为90%,不知是指什么。如果说是指90%的集料应为具有一个或两个破碎面的破碎集料,似乎标准很高。目前,我国有丰富的优质集料,但由于我国用于沥青面层的集料均为破碎集料,可以说100%为破碎集料,这个指标不成问题。但有些地方使用破碎河卵石作为粗集料,就需要破碎面的试验数据与接受标准。
  实际情况是北美并没有用破碎面积来代替破碎集料质量。美国ASTM D 5821关于确定破碎集料百分比的试验方法中规定,破碎集料的定义为集料破碎面的投影面积应大于集料最大横截面积的四分之一, 计算破碎集料百分比的方法是:

P=(F+Q/2)/(F+Q+N)×100

式中:P——规定数量的破碎面的颗粒百分比;
   F——具有规定破碎数量的破碎集料的颗粒数或质量;
   Q——不明确是否属于破碎集料的颗粒数或质量;
   N——非破碎集料中不满足破碎集料要求的集料颗粒数或质量。
  通常称为具有一个或两个破碎面的破碎集料即为质量百分比,除非特指颗粒数量百分比。表5、表6为北美关于基层材料破碎集料的标准。

北美不同沥青层平均破碎面要求      表5

混合料类型

一或两个破碎面最小平均百分比

两个或多个破碎面最小平均百分比

表面层

59

62

联结层

60

60

底面层

55

60

北美粗集料破碎集料的标准        表6

 

 

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

表面层

一个或两个破碎面
州和省的百分比

 

9

7

18

7

13

11

20

13

 

两个或多个破碎面
州和省的百分比

 

 

2

2

20

11

16

7

5

 

联结层

一个或两个破碎面
州和省的百分比

 

11

5

13

8

13

11

16

15

2

两个或多个破碎面
州和省的百分比

 

 

2

2

18

7

9

7

2

 

底面层

一个或两个破碎面

2

11

9

16

13

13

11

18

9

 

两个或多个破碎面

 

 

2

2

13

7

9

5

2

 

  (12)关于粗细集料的筛分
  在进行配合比设计时,首先要精确地知道各档集料尺寸的比例,也就是平时所说的筛分,然而对于集料中小于0.075mm的颗粒部分,用常规的干筛是不可能筛干净的,必须用水冲洗的方法才能获得准确的数据。由于我国集料规范(JTJ 058-94)中没有这样一个试验方法,我们在最初筛分时也是用干筛,后来美国专家来我院指导工作时,我们一步一步的做给他们看,他们认为我们做的方法是正确的,唯一有区别的是筛分,他们告诉我们,小于0.075mm颗粒部分必须用水冲洗,他们当场做了一个示范试验,干筛和湿筛,小于0.075mm颗粒含量可相差1%,也就是说添加了5%的矿粉,实际上矿粉用量已达6%,由于矿粉偏多,沥青被矿粉吸走造成沥青用量不够,再加上不考虑有效沥青用量,因此成为造成我国沥青路面容易松散剥落的内在原因之一。
  (13)关于细集料视密度
  比较细集料标准,我国对视密度有一定要求,也许我国存在着某些有害轻质细集料必须加以限制,否则似乎不一定很必要。
  (14)关于细集料坚固性
  我国细集料坚固性要求,实际上是国外的安定性要求,这个技术指标是细集料在硫酸钠溶液中浸泡48h后,各档集料筛分损失加权平均值,指标范围与国外基本相同,均为12%左右,名称上我国叫坚固性,这个词英文名称为Soundness,也可译为坚固性,但似乎安定性更为确切。
  (15)关于细集料砂当量
  细集料砂当量是评定细集料中小于0.075mm颗粒的塑性部分的一个重要鉴别试验。砂当量试验在我国尚不普及,因此各单位均没有此项数据,省交科院业已购置此项设备,能够进行这项试验。
  同济大学用水洗法测定小于0.075mm颗粒含量达10.2%~11.7%,这是一个不可忽视的数据,这些颗粒是粘土还是矿粉,用水洗法是不能确定的。
  砂当量我国标准为60%,比Superpave最高的50%还要高。
  (16)细集料棱角性
  Superpave 有一个细集料棱角性要求,这是一个很重要的技术指标,什么砂好,什么砂不好,什么砂能用,什么砂不能用,在我国沥青路面集料规范中没有一个技术指标,这是造成VMA不足和动稳定度达不到要求的一个潜在原因。不同的砂有不同的棱角,不是说天然砂就不能满足这个要求,即使是人工破碎砂,也不一定能满足这个要求,因此要规定棱角性技术指标。
  Superpave对矿粉没有特殊要求,但应满足AASHTO M27对矿粉的一般要求,M27与我国要求基本相同。

2.2  沥青标准
  不论在欧洲或北美,世界上大体上只有两种沥青规范,一种是针入度级规范,以沥青25℃15℃时的针入度作为分级依据,另一种是粘度级规范,以原样沥青60℃粘度作为分级标准的称为AC级,以旋转薄膜烘箱残留物粘度作为分级依据的,称为AR级。人们根据以往的经验,不同的气候区选用不同的针入度或粘度等级沥青。
  现行规范的主要缺点之一是没有低温指标。在针入度规范中,使用15℃25℃温度,虽然这个温度是大多数路面的主要工作温度,但在负温度时,沥青的性质又会如何,没有测量,当然也谈不上指标。如果要将沥青性质与路面性能关联起来,就必须知道路面整个使用温度范围内的性质。
  现行规范的主要缺点之二是没有考虑沥青在路面整个使用期间的老化,无论针入度规范,还是粘度规范,都使用薄膜烘箱或旋转薄膜烘箱,这个试验模拟沥青在拌和与摊铺过程中的老化,不能控制在路面整个使用过程中的老化。也就是说,如果原样沥青和 RTFOT残留物性能还可以,并不能保证在路面整个使用期间的性能。表7则用文字总结了这种比较。

现行的沥青规范和Superpave胶结料规范比较    表7

序号

现行规范

Superpave规范

1

 传统的经验指标

 企图使用性能指标

2

 静态、弹性或粘性指标

 动态、粘弹性指标

3

 只适用于未改性沥青

 既适用于未改性沥青,也适用于改性沥青

4

 只能模拟拌和与摊铺期老化

 既能模拟拌和与摊铺期老化,也能模拟路面使用期老化

5

 试验温度固定、变化指标

 指标固定、变化试验温度

6

 没有低温指标

 具有低温指标

3 设计标准

3.1 级配
  粗集料的级配对热拌沥青混合料的性能有巨大影响,这种可能的影响可用美国联邦公路局1962年研制的0.45次幂级配图来评价。我们将某高速公路所使用的AC16IB以及沥青路面规范中的AC16I和用Superpave设计方法的控制点与限制区及设计出来的的级配曲线,以及典型的SMA级配曲线一起放在0.45次幂级配图上进行分析(见图1)。

Superpave和某高速公路沥青混合料级配设计标准比较    表8

 

19.0

16.0

13.2

9.5

4.75

2.36

1.18

0.6

0.3

0.15

0.075

AC-16 I

100

95~100

75~90

58~78

42~63

32~50

22~37

16~28

11~21

7~15

4~8

某高速公路

100

90~100

70~90

50~70

30~50

22~37

16~28

12~23

8~18

6~13

4~8

Superpave

100

 

90~100

 

90max

28~58

 

 

 

 

2~10

  在这些图上,原点0和最大集料尺寸100%通过的点的连线称为最大密度线。级配曲线越靠近此线,混合料就越密实。过去利用马歇尔设计方法设计的沥青混合料均属密级配沥青混合料,因此过去的混合料通常比较靠近最大密度线, 如AC-16I。然而,沥青混合料并不是越密实越好,在满足了沥青混合料的基本体积性质(如VMA,VFA,Va等)的基础上,尽可能密实一些。

 从图1中可以看出,AC-16I最靠近最大密度线,而且通过了Superpave设置的限制区。而AC-16IB则比AC-16I粗,但仍属于一种连续级配的混合料,而SMA级配线与上述曲线明显不同,Superpave混合料设计时,粗、中、细三种混合料,最细的混合料级配因矿粉的沥青用量比(下面简称粉胶比)不满足而放弃,我们选择了中等粗细的混合料,即便这样也比国内的混合料细得多,根据击实的试件来看,显然要密实得多,低温的间接抗拉强度也高得多。
  根据图1级配比较图,AC - 16IB 远离最大密度线,空隙率必然大,SMA 的级配本身空隙率也大,但是由于用了过量的矿粉、过量的沥青和纤维,形成马蹄脂,填充了空隙,使 SMA既嵌挤又密实。关于限制区,目前还未得出最终的结论,我们观点是在可能的情况下能避则避。

Superpave技术标准和我国热拌沥青混合料技术标准比较    表9

指  标

JTJ032

MP-2

 设计方法

马歇尔

Superpave

 击实次数        (次)

两面各75

见表

 稳定度         (kN)

>7.5

 流值          (0.1mm)

20~40

 空隙率         (%)

3~6

4

 沥青饱和度       (%)

70~85

见表

 残留稳定度       (%)

≥75

 矿料间隙率

见表11

见表11

 水敏感性,间接抗拉强度比,TSR
    AASHTO    T283

 

≥80

 矿粉/沥青用量比

*1.0~1.2

0.6~1.2

 水稳定性,简化洛特曼法

见表12

 

  注:我国规范矿粉/沥青用量比没有指明到底是矿粉与总的沥青用量比,还是与有效沥青用量比,差别很大。

Superpave和某高速公路沥青混合料技术性质比较    表10

 

苏州A标

Superpave

 设计空隙率           (%)

4.3

4.0

 设计用油量           (%)

4.93

4.6

 矿料间隙率           (%)

16.0

14.1

 沥青填隙率           (%)

73

72.03

 混合料毛体积密度        (t/m3)

2.599

2.6105

 松散混合料最大理论密度     (t/m3)

2.710

2.705

 水稳性,AASHTO         T283

集料A 集料B 集料C 集料D

集料B

 间接抗拉强度比TSR

88.8 64.0 91.9 89.4

70.5

 残留稳定度           (%)

81

 

 矿粉/沥青用量比

1.57

0.65

3.2 体积
  表10设计指标中的体积性质两种方法没有太大的差别,设计空隙率Superpave明确为4%,最佳沥青用量就用空隙率为4%时的沥青用量,而马歇尔法最佳沥青用量取满足空隙率范围、饱和度范围的沥青用量中值与最大密度及最大稳定度时的沥青用量的平均值。
  沥青饱和度与交通量联系起来似乎更合理,关于集料间隙料标准,没有本质上的不同,但在定义上有很大的差别。

3.3 集料最大尺寸和集料公称尺寸
  我国规范根据集料最大尺寸来选择VMA,Superpave根据集料公称尺寸来选择VMA,无论在JTJ032或GB50092中均没有发现关于集料最大尺寸和集料公称尺寸的定义,但从表1.7和2.1.44-47的条目来判断,我国规范中定义的集料最大粒径似乎是100%通过筛的下一档筛号,AC20混合料的最大粒径为19.0mm,根据最大集料粒径来选择矿料间隙率应为14%,而Superpave则根据最大公称尺寸来选择VMA,最大公称尺寸定义第一档筛余大于10%的筛子的上一档,而集料最大公称尺寸再大一档就是集料最大尺寸,Superpave以集料公称尺寸19mm来选择,VMA应为13%。
  为什么说没有本质差别呢?事实上,AC20的混合料所谓集料最大尺寸其实应是集料公称尺寸,19.0mm上一档为26.5mm,用我国规范表来选择也是13%。定义上的差别会造成混淆,在国外关于集料最大尺寸和集料公称最大尺寸有明确定义。集料公称最大尺寸用于命名混合料,在0.45次方级配图上,原点与100%通过的集料最大尺寸的点连线为最大密度线。我国规范中关于集料最大粒径应与国际上关于集料最大尺寸和集料公称尺寸的定义接轨,否则会发生差错。

Superpave和我国沥青混合料矿料间隙率标准比较    表11

筛  号

37.5

31.5

26.5
(25.0)

19.0

16.0

13.2
(12.5)

9.5

4.75

JTJ032 最大集料尺寸

12

12.5

13

14

14.5

15

16

18

MP-2 公称最大集料尺寸

11

 

12

13

 

14

15

 

3.4 矿粉与沥青用量比
  关于粉/胶比在我国规范正文中没有列入,而在附录中有"矿粉用量甚为重要,一般以与沥青用量之比取1-1.2为宜"。Superpave规范明确规定粉/胶比为矿粉与有效沥青用量之比,由于我国传统上不考虑被集料吸入的沥青用量,有效沥青用量是个新概念。有效沥青是指总的沥青用量减去被集料吸入的沥青用量,被集料吸入的沥青用量可达0.4%~1.6%,一般也有0.4%~0.8%,因此,用有效沥青用量计算粉/胶比,矿粉用量更少。
  我国规范中的粉/胶比1~1.2为宜,是总的沥青用量还是有效沥青用量没有明确。

4 设计方法

  现行世界各国的热拌沥青混合料设计方法多为马歇尔设计方法,我国也不例外。马歇尔法最早应用于第二次世界大战期间,由密西西比州公路局的Bruce Marshell发明,并由美国陆军工程师兵团改进和完善此法,在Superpave设计方法之前,75%的美国州运输部、美国国防部、美国联邦航空局均用此法。
  马歇尔方法经过半个世纪的应用,对混合料设计和沥青路面作出了应有的贡献。但是随着交通量、轮胎压力和轴载的增长,新材料新工艺和新结构的出现,以及此法本身的问题,这个带有经验性质的方法逐渐显示出以下的局限性:
  (1)不能精确地判别不同交通量对沥青混合料技术指标的要求。马歇尔法只把交通量简单地分成轻、中和重三种交通量,以不同的击实次数来模拟三种交通量,从而实现对沥青混合料的体积性质的要求,过于粗糙、简单。
  (2)与路面结构设计不挂钩。现行路面结构设计方法是根据经验或有限的试验方法来确定材料的各种模量,然后用层状弹性理论分析路面各结构层的应力、应变、位移或总弯沉,以满足设计标准,也即先有结构设计再进行混合料设计,而进行混合料设计后的材料是否能满足设计时假定的模量,从来不进行检验,也就是说混合料设计与结构设计不挂钩。正确的方法应该是根据经验,在路面结构设计后,进行混合料设计,混合料设计的输出如各种模量,即是路面结构设计真正的输入,在路面结构设计后,进行混合料设计,混合料的输入对选择材料参数、路面结构设计再进行检验和调整,这才是正确的方法。
  (3)不能预防路面早期破坏。根据众多学者的研究,马歇尔设计产生的技术指标,如马歇尔稳定度、流值等不能反映热拌沥青混合料(HMA)的抗剪强度,从而与路面的破坏,如车辙、疲劳和低温开裂并不相关,也就不能预防路面早期破坏,该法的功能仅仅停留在确定最佳沥青用量的作用上。
  (4)不适用于大粒径沥青混合料。现行马歇尔试件只有100mm直径,仅适用于最大集料尺寸25mm的集料,大多数下面层,甚至部分采用大粒径沥青混合料的中面层都无法适用该法来进行混合料设计。
  (5)不适用某些聚合物改性沥青。现行马歇尔设计的一套指标主要是针对密级配常规沥青开发的,对于某些聚合物改性沥青,例如丁苯橡胶沥青,流值远远超过40,但仍能用,尽管使用者作过部分研究,但作为标准规范的技术指标仍需进行深入的研究。
  (6)试件成型方法不能模拟行车压实。马歇尔设计方法中试件成型采用击实方法,一方面击实方法很容易将某些颗粒击碎,从而改变了混合料的级配;另一方面,击实方法不能模拟压路机和行车的搓揉碾压作用。美国SHRP曾对旋转压实、轮碾压实、马歇尔击实、路面岩心试件进行过工程性质的相关分析,发现马歇尔击实试件的工程性质与路面岩心试件的工程性质相关性能最差。
  马歇尔设计方法的重要贡献之一是注意到了热拌沥青混合料(HMA)必须具有一定的体积性质,如密度和空隙性质,才能产生耐久的HMA。如果这些性质不合适是不行的,新的Superpave设计方法也继承和发展了这些重要特性。马歇尔设计方法由于设备比较简单,很快得到了广泛的应用。公路部门根据这些体积性质与路用性能积累了一定的经验,但是这种经验只对特定的材料与环境(气候与交通)有效。
  (7)不适用于开级配沥青混合料。马歇尔设计方法只适用于密级配常规沥青混合料,如何设计开级配沥青混合料,不是简单地用改变马歇尔稳定度或流值等指标就能实现的。

5 水敏感性评价

5.1 我国规范指标及问题
  我国沥青混合料技术指标不足以防止水损害,我们一些高速公路在施工时,严格按照交通部行业标准《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ032)执行,即:
  (1)按水煮法试验,所有的集料与沥青的粘附性都大于4级;
  (2)按马歇尔试验,所有的沥青混合料残留稳定度均大于80%。
  为什么都满足了交通部技术规范,仍发生了水损害,除了上面论述的一些原因之外,还有一个原因是规范本身的关于粘附性指标以及混合料残留马歇尔稳定度的指标,与路面水损害并没有建立很好的关系。
  对于集料与沥青的粘附性指标来说,这个指标存在着三个致命的缺陷:
  (1)是否有不同粘附性等级与路面水损害关系的长期性能观测资料,这些资料是否已表明粘附性≥4级就不会产生水损害,事实上这种关系没有建立。
  (2)粘附性等级用水煮法试验评价,水煮法试验结果受人为主观因素影响太大,某指挥部曾请两家较为权威的单位测试玄武岩的粘附性,一个3级,一个5级,就充分说明这种试验结果作为规范技术指标是不科学的。
  (3)水煮法只适用于9.5~13.2的粗集料,事实上,部分细集料为砂,与沥青粘附性较差,但并没有评价。
  美国材料与试验协会 ASTM D 3625-96"水煮法评定水对沥青裹复集料影响的标准实践"的变迁就是一个很好的说明。 ASTM D 3625-91名称为"水煮法评定水对沥青裹复集料影响的标准试验方法",而ASTM D3625-96则改成"水煮法评定水对沥青裹复集料影响的标准实践"。 这里有着重要差别,试验方法是对一种材料、一个产品、 一个体系或一种服务的一个或多个性质、特征的确认、测量与评价,会产生试验结果。 而实践就不同了,它是对一种操作、一种功能给出一种明确的方法,它并不产生试验结果。从标准试验方法改变成标准实践,对水煮法的作用也更明确了,它不产生定量试验结果,ASTM D3625-91"水煮法评定水对沥青裹复集料影响的标准试验方法",将裹复程度与标准剥落率相比较分为0%~100% 10等, 业主们有的将95%、有的将90%作为接收标准。新版方法已去掉这些叙述,因而也不能作为拒绝或接收混合料的标准。
  美国ASTM D3625-95水煮法用厂拌混合料,进行煮沸用于现场肉眼判断两种集料与沥青的粘附性。D3625-95并不是一种试验方法,而是一种标准实践,它本身并不产生试验结果,D3625明确表明,水煮法与路面现场水损害的关系尚未建立。
  再拿沥青混合料残留浸水马歇尔稳定度技术指标来说,也存在着致命的弱点。 75次马歇尔击实仪双面击实, 试件空隙率已达到设计空隙率为3%~5%,水很难浸入,也更难浸入沥青膜与集料之间,没有足够的水,水损害就无从谈起?如果要用残留马歇尔稳定度作为指标,也得让空隙率接近现场空隙率,也就是说试件空隙率应在6%~8%之间。
  最近,在"公路沥青路面设计规范"(JTJ014-97)中已增加了使用简化的洛特曼试验法作为沥青混合料水稳定性指标。
  水损害主要是发生在我国南方多雨潮湿地区,而气温低于-21.5℃的北方,降雨量较少,水损害不应是一个严重问题,倒是南方多雨潮湿地区再加上冰冻,十分需要一个更能反映混合料水损害特性的技术指标,这个指标就是用AASHTO T283试验的结果--间接抗拉强度比来表征。

5.2 Superpave规范指标
  Superpave混合料设计方法中关于沥青混合料水敏感性评价,应用 AASHTO T283"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。
  事实上Superpave的指标不是新东西,它完全采用了美国在八十年代进行的全国公路联合攻关项目(NCHRP)的研究成果,虽然AASHTO T 283不是一个十全十美的方法,在九十年代初期已是全美国普遍接受的试验方法,初期TSR各州规范不一,有的州要求TSR≥70%,有的州TSR≥80%,目前Superpave规范统一为TSR≥80%。
  我国最新出版的"公路沥青路面设计规范"(JTJ014-97)将"八五"国家科技攻关成果——简化的洛特曼方法纳入沥青混合料水稳定性指标之中。除通常采用沥青与矿料粘附性试验和浸水马歇尔试验,以检验沥青混合料受水损害的抗剥落性能外,对年最低气温低于-21.5℃的寒冷地区, 还应增加沥青混合料冻融劈裂残留强度。
  简化的洛特曼方法,用双面击实50次的马歇尔试件,常温下浸水20min, 0.09MPa浸水抽真空15min后,在-18℃冰箱中冷冻16h,在60℃水中放置24h完成一次循环后,再在25℃水中浸泡2h后测劈裂强度,将此强度与未经冻融循环试件的劈裂强度的比值作为水稳定性指标。
  事实上,我国简化的洛特曼方法与真正的AASHTO T283相比有下列不同:
  ——混合料未经85℃、16h的老化或135℃、4h的老化
  ——空隙率未知
  ——饱和度未知
  在这种情况下试验的重复性和再现性没有经过大量试验验证。
  重要的不是试验方法本身,而是试验方法与指标应该应用的场合。事实上,-21.5℃的寒冷区, 雨水较少,水损害的潜在危险也较小,而在南方就不同了,一些路面离析地点,空隙率较大,渗进的雨水晚上结冰,体积膨胀,混合料就散了,事实上,这个指标首先应针对南方多雨有负温度的地区, 只要一次结冰,坑塘就出来了,沪宁路出现坑塘也有此原因。
  沥青混合料水损害虽不是一个新问题,在我国仍是一个尚未被充分认识的潜在危险,它尚未引起我国公路沥青工作者的足够重视,应在学习国外有效试验方法的基础上,继续深入开展这方面工作。

6  密度标准

  我国现行方法标准为以当天的拌和厂取样试验的马歇尔密度作为标准密度,通常用4~6个马歇尔密度的平均值作为该批混合料摊铺路段压实度计算的标准密度使用。
  我国现行方法标准至少有个问题值得商榷:
  由于马歇尔密度受人为影响而改变,最简单的方法是稍稍降低一点拌和温度和压实温度就可得出较低的马歇尔密度,以这样的密度作为标准密度,即使达到了96% 的压实度,实际路面的密度仍偏低,空隙率偏大,因此,采用最大理论密度作为标准密度更为合理。根据1986年的调查,美国有44%的州采用最大理论密度作为标准密度,38%的州采用实验室马歇尔密度作为标准密度,有12%采用试验路密度作为标准密度, 有6%的州采用现场马歇尔密度。以92%最大理论密度作为压实度标准的有12个州,以93%的最大理论密度作为压实度标准的有5个州。 现在美国正在逐步推广Superpave混合料体积设计方法,到2000年全面放弃马歇尔方法和采用Superpave 混合料体积设计方法,也即全部用最大理论密度作为压实度标准,目前的标准是92%的最大理论密度,已有将最大理论密度提高到93%作为压实标准的趋势。
  从表12中可以看出,试验段1路面压实度尽管均满足交通部标准96%,无一不合格,但如果用最大理论密度92%去衡量,有67%的密度不合格;若要用93%的最大理论密度去衡量,则100%不合格。
  表12中试验段4也表明,96%的马歇尔密度无一不合格;若用92%的最大理论密度作标准,仍有20%的路段密度不合格;如用93%的最大理论密度作标准,则有80%的路段不合格。

两种压实度标准合格率比较表     表12

 

马歇尔密度
96%

最大理论密度
92%

马歇尔密度
97%

最大理论密度
93%

试验段1上面层

100

33

0

0

试验段2上面层

100

100

43

43

试验段3上面层

80

80

50

50

试验段4上面层

100

80

40

20

试验段5下面层

100

100

100

93

试验段6中面层

100

100

100

100

试验段7上面层

83

50

17

17

试验段8下面层

100

94

94

44

  美国的压实度标准有从最大理论密度的92%提高到93%的趋势。根据这种标准,路面的密度更显不足。
  尽管均满足我国交通部标准,由于马歇尔密度受人为因素影响较大,有的承包商有意降低拌和与压实温度,使标准马歇尔密度偏低。
  建议在今后高速公路建设中,一方面按现行压实度标准进行施工;另一方面,建立课题组,用最大理论密度进行监控,积累数据。如确实是密实度不够,应转到以最大理论密度为标准上来。

7 结论与建议

  根据作者的观察、总结本文的主要结论与建议如下:
  (1)在交通条件发生重大变化,新材料、新工艺层出不穷的时代,我国现行沥青路面技术标准应进行修改。
  (2)在材料标准方面应对集料标准予以更多的重视。
  ——粘附性指标不应作为集料标准,只是现场目测比较两种集料的方法。
  ——集料视密度是否作为集料的一个指标值得讨论。
  ——集料吸水性指标太严,建议放宽到3%~4%,并在最大理论密度试验方法上增加相应的方法。
  ——进一步明确集料磨光值和冲击值的定义和应用范围。
  ——建立相应的关于破碎面的试验方法。
  ——在混合料设计时集料筛分中增加水洗法筛分,确定粗细集料中的小于0.075mm颗粒含量。
  ——粗细集料坚固性、细集料的砂当量试验应进一步加强推广使用的力度。
  ——增加粗细集料角砾性试验方法及相应的技术指标。
  (3)现行重交通沥青技术标准中粘度指标改为实测记录,尽管不作为正式指标,但过去关于粘度的许多经验可以借鉴。粘度是沥青流变性质的一个重要参数,不应由于仪器缺乏而放弃该指标。
  (4)在设计标准方面,我国常用的沥青混合料级配、尤其是抗滑表层混合料的级配应进行深入研究,包括级配组成、沥青用量的确定和技术指标,不应简单地套用和修改马歇尔设计方法及指标来进行抗滑表层混合料设计。
  (5)为了与国际接轨,应重新定义集料最大尺寸和增加集料公称尺寸定义。
  (6)在规范中进一步明确定义矿粉/沥青用量比,事实上为矿粉/有效沥青用量比,同时在沥青混合料体积分析时引入有效沥青用量,并用它来计算空隙率。
  (7)现行马歇尔设计方法有许多缺陷,但要摒弃它也非易事,但要使大家明白马歇尔设计方法的主要功能是确定一个沥青用量和一个合适的体积性质,而马歇尔稳定度和流值满足技术要求并不说明路用性能就能满足要求。
  (8)我国现行规范在水敏感性评价方面宜作重大改进,如前所述,满足了现行规范的混合料并不能防止水损害,水损害固然还有外部原因,但粘附性和残留稳定度与水损害的关系是不清楚的,简化的洛特曼方法不科学,建议增加AASHTO T283作为南方多雨及冰冻地区的水敏感性指标。
  (9)我国现行沥青路面压实以当天拌和厂取样试验的马歇尔密度作为标准密度不科学,因为马歇尔密度随着拌和温度与压实温度变化而发生较大变化。建议在现行标准基础上,用最大理论密度进行监控,积累数据以便今后逐步过渡到以最大理论密度为路面压实度标准。

参考文献

1 公路沥青路面施工技术规范(JTJ032-94).北京:人民交通出版社.1994
2 江苏宁沪高速公路股份有限公司;江苏省交通科学研究所;交通部重庆公路研究所.沪宁高速公路江苏段沥青与沥青混合料路用性能试验与评估-沥青混合料路用性能试验与评估报告.1998.6


 
打赏
 
更多>同类论文
0相关评论

推荐图文
推荐论文
点击排行