冷拌冷铺沥青混合料在路面修补中的应用研究(可编辑)
长安大学
硕士学位论文
冷拌冷铺沥青混合料在路面修补中的应用研究
姓名:费杰
申请学位级别:硕士
专业:道路与铁道工程
指导教师:陈拴发
20091227摘 要
本文根据冷拌冷铺沥青混合料的技术特点,首先分析了冷拌冷铺混合料的沥青材料
分类、组分分析及技术性能,在此基础上分析了它的组成结构,并研究了它的强度成型
机理及试验分析。在冷拌冷铺混合料设计方法研究中研究了矿料级配的确定、溶剂的剂
量、最佳沥青的用量及配合比设计程序。在应用研究中对使用方法和应用前景进行分析,
并提出了进一步研究的建议。
关键词:冷拌冷铺沥青混合料 强度机理 配合比设计 经济效益, ,
,? ,.
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.
:
?长安大学工程硕士学位论文
第一章绪论
.问
的提出
近年我国公路建设实现了跨越式发展,“十五期间全社会公路建设累计完成投资
.万亿元,年均增长.%。进入“十一五后,公路建设投资继续保持较高水
平,年完成投资亿元,年累计完成投资亿元。。截至年底,全
国公路总里程达到.万公里,路网密度达公里/百平方公里,路网结构逐步完
善,公路通达深度明显提高,至年底全国高速公路通车总里程预计达到.万公
里,公路建设正由规模扩张型向规模与质量效益并重型转变。
路面是高等级公路的重要组成部分,路面相对于路基而言虽然只是薄薄的一层,但
其工程造价却占到了公路工程总造价的%左右。路面是道路直接与行车荷载接触的
“界面’’,其工程质量具有重要的意义。截至年底,全国公路总里程达.万公
里不含村道,高速公路达.万公里。在已建成的高速公路中,约有%
采用了沥青
混凝土路面。
然而,因沥青面层老化、基层反射裂缝、雨雪侵蚀和上下面层或面层与基层结
合不好等一系列原因,在行车荷载的作用下,行车道经常出现一些松散、坑槽等病害。
北方地区每年月至月间,因气温较高,对于松散及坑槽等病害,养护单位可以随时
采用热拌沥青混合料进行修补恢复路况,防止病害进一步发展;而每年月至次年
月,由于气温较低,热拌沥青混合料使用困难,致使损坏的路面得不到及时的修补,雨
水、雪水不断下渗会造成基层、路基含水量过大,冬季出现严重的不均匀冻胀,春融期
出现翻浆等严重的病害,使得路面结构松散,承载力能力下降。此外,坑槽引起行车颠
簸,振动产生的冲击荷载为正常荷载的.~.倍致使松散、坑槽很快就连成一片,
局部路段大面积损坏,直接影响行车的安全和舒适性以及道路的使用寿命。若等到来年
月以后修补,不仅需要投入更大的人力、物力、财力,而且路面结构已从根本上受到
损害,其强度和刚度将难以恢复。为了解决冬季沥青路面养护这一问题,对储存式冷拌
冷铺沥青混合料以下简称冷拌冷铺沥青混合料进行研究是非常必要的。
冬季采用冷拌冷铺沥青混合料进行修补,不仅可以改善路面的使用性能,还可以延
长其使用寿命。及时的养护工作还可以减少来年的养护任务和养护费用,而且,由于冷
拌冷铺沥青混合料具有对环境污染小、施工简便等优点,以及其特有的工作性,对其进
行研究具有十分重要的现实意义。第一章绪论
.国内外研究现状
..国外研究现状
在国外,早于二、三十年代前苏联和美国便开始了冷拌冷铺沥青混合料的研究与应
用,日本、欧洲对冷拌冷铺沥青混合料进行了深入的研究。前苏联的研究指出冷拌冷铺
沥青混合料与热铺沥青混合料的根本区别在于,为了保证获得必要的强度、耐水性、耐
热性和耐冻性,在冷拌冷铺沥青混合料中加入了适量的液体沥青,因此在矿料级配中应
适当的矿粉含量,即小于.筛孔的矿料。必须遵循的一个原则是,
沥青粘度越
稀,越应加大矿粉用量。对于用粘稠沥青和液体沥青制备的具有相同初始强度的两种沥
青混合料,采用粘稠沥青混合料时,矿粉用量应占矿料总量的%;采用液体沥青时,
矿粉用量应占%。同时,用液体沥青制备的沥青混合料中,矿料的沥青膜厚度比用粘
稠沥青制备的沥青膜薄得多,所以,要保证路面达到必要的耐热性和耐裂性,就需要增
加矿粉用量。
根据多年使用的经验,采用高抗压强度企.冷拌冷铺沥青混合料铺设的
路面在经过第一个冬季之后易出现温度裂缝,而低抗压强度.路面在炎热
气候条件下则易出现塑性变形。因此,铺设初始抗压强度为..的冷拌冷
铺混合料,沥青路面的使用寿命最长。但要注意粘结性指数,冷拌冷铺沥青混合料的粘
结性指数主要取决于沥青的粘度、沥青和矿粉的比例及其在混合料中的含量。可以采用
快凝或慢凝液体沥青或者将粘稠沥青稀释后作生产冷拌冷铺沥青混合料的结合料用。可
以使用煤油、粗汽油、汽油煤油馏分及其他液体石油加工产品作稀释剂。
英国在年月召开了冷拌冷铺和温铺沥青混合料工艺讨论会,会中提出的论
文主要涉及混合料组成、刨槽修复、人行道以及欧洲大陆有关沥青混合料经验的概述
他们对冷拌冷铺沥青混合料采用的结合料主要是乳化沥青,也就是侧重于乳剂型冷
拌冷铺沥青混合料的研究。英国.撕大学用了六年的时间对乳化沥青混合料进行
了系统的研究并对其性能有一定的理解。截至目前已经得出下列结论:开式粗级配沥青
混合料可以导致乳化沥青混合料完全裂解,但它具有很低的劲度模量和很低的抗疲劳特
’毒
性,除非采用改性沥青制成的乳化沥青。乳化沥青混合料的力学性能是由骨料结构控制
的,该混合料需要很高的压实能量。另一方面,细的密级配混合料可能不会导致结合料
乳剂的完全裂解,但这种混合料可能具有相对很高的劲度模量,该混合料的.力学性质是
由构成材料的基本结构的沥青胶浆控制的,铺筑这种混合料需要
用重型的压实荷载。当
使用改性沥青作为结合料时,则用这种混合料可以获得与热铺混合料等值的性能。考虑
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到维修工程的需要,提出了对材料的新要求:
?材料性能应持续长久且贮藏简便;
?可使用现有施工法或轻型设备压实施工;
?材料易流入角隅和箱形补块的四周;
?经济效益好;
?在性能上能够与路面外观相匹配;
?便于施工操作。
目前,英国运输与道路研究所已开发出了永久性冷拌冷铺路面材料,将它
用于路面修复和人行道工程。它的优点是具有长期的材料储存时间可减少材料的损耗,
并使材料运送次数减到最少,但它的结构性比热拌混合料低。在英国运输与道路研究所
的试验环道上提取了间隔为个月的芯样,进行了弹性劲度、徐变抵抗、抗车辙性等常
规试验,并依据面层剖面、面层纹理、抗滑性和透水性对材料在修复方面的性能做了评
价。并对于材料的试样进行了软化点、针入度、含水率、空隙率
等试验,试验结果表明
取得一种符合要求的弹性劲度值的混合料是困难的。研究人员介绍了用于永久性
修复材料的乳化沥青的研制,认为乳化沥青混合料的优点远远超出通用的热拌沥青混合
料。英国研究人员介绍了永久性冷拌冷铺路面材料的研制并对此进行了确认。
此外,等人介绍了美国、南非、澳大利亚和英国利用泡沫沥青和回收再用的沥
青做冷拌冷铺路面材料的发展历史。年英国颁布了用于修复公路孔洞的规范,藏规
范不准使用长期以来使用的可以存储的沥青碎石。它是用软质沥青或液体沥青拌制的,
虽然经过几天或几周后仍可使用,但这种材料的劲性和抗变形能力不如热拌沥青材料。
规范允许使用新研制的永久性冷拌冷铺路面材料,要求满足刚度模量规范和大于~
年的保证期。
欧美在冷拌冷铺沥青混合料的关键技术乳化沥青上已取得了许多成果,并取得了多
项专利,研究的方向有以下几种:
、可以控制破乳时间的乳化沥青。它于年开发以来,至今已有万
以
上的工程实例。调整破乳速度的方法,一般为制造厂家的专利,最常用的方法是在喷洒
乳液的时候同时喷洒破乳剂,破乳时间可以调节在分钟至数小时。在对表面进
行处治时可以用时很短,并能在雨中或霜中对道路进行养护,因此,可以大大延长路面
表面处治的施工季节。在法国有这样的实例,一般情况必须立即着手进行%表面处治
修补的路面,由于使用了可以控制破乳时间的乳化沥青进行表面处治工程,可使很多工第一章绪论
程在恶劣的气候状态下也可进行,因而可由%减至%。
、掺聚合物的乳化沥青。掺加聚合物的改性乳化沥青是年代初开始工业化生产
的,它的优点是:由于带有活性物质,具有很好的粘结性,与热铺沥青相比较不受气候
..
的影响,因为溶剂的用量比例小,可以很快的固化得到很强的粘结;与稀释沥青相比,
骨料可充分裹覆,还由于粘度低喷洒容易。实际证明使用改性乳化沥青用以制成质
量很高的表面处治层,即便在重交通道路上也可以使用。法国的
公司开发
了掺加聚合物的改性乳化沥青。
、精制乳化沥青。在制造乳液时,高的界面张力是制备细微粒乳液的最大障碍,
如在酸性状态时往沥青中加入低分子多胺,那么沥青中将形成稳定的咪唑型的界面活性
剂。由于这种界面活性剂的存在,使沥青与酸性溶液的界面张力显著下降。当值接
近于时,界面张力几乎为零,这样处理的沥青制造乳化沥青时形成微小颗粒,也就是
说一般乳化沥青微粒直径的中间值为微米,而精制乳化沥青的中间值为微米,
微细粒径和单一的粒径将有助于乳化沥青的贮存稳定性和与骨料的粘结性,并且由于骨
料上沥青膜很薄而节省沥青用量。
、高浓度乳化沥青。在道路上使用的乳化沥青最初是沥青含量%的阴离子乳化
沥青,渐渐制作出%%的乳化沥青,甚至制作出沥青含量为%一%的乳化沥
青。最近,法国已经开发了沥青含量浓度为%一%阳离子乳化沥青。
目前,在欧洲有些比较新的想法,其中包括破裂试剂法、间断级配冷拌沥
青混凝土法和填石胶浆法:
方法是指具有一种特殊阴离子掺加剂的一种阳离子慢裂乳液的破裂,这是一
种双层乳液,底层溶液乳化在油中,另外一种溶液乳化在水中。随后底层溶液通过油态
导致延缓沥青乳液的破裂,当最终乳液将要发生破裂时,它的破裂速度就非常快。
法国的公司提出的混合料是基于.和间断级
配骨料,然后将聚丙烯晴纤维组织加入干骨料中,加入的
是.%~.%,乳液中
还包含了一种改进结合料。这种混合料可以利用常规的稀浆封层摊铺机进行铺筑,
纤维组织的增加可以减少混合料的离析,减少石屑流失,在养护后增加剪切强度,
增加粘结力,温度敏感性,流变状况和附着力,这种断级配形成了粗糙的表面结构这在
雨季非常有利。
英国和美国对填石胶浆进行了大量的研究,填石胶浆包括在挖土方中铺筑同粒料的
集料大约,在里面浇入包括沥青乳液、水泥、比较均衡的砂子和水的稀浆,这种
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稀浆比较稀薄,能够充分灌入通过基层的所有孔隙,由于多用高标号水泥,混合料很快
凝固,实际证明这是一种非常硬的材料。
冷拌冷铺沥青混合料与传统的热拌沥青混合料相比,可以减少能源消耗量和
排出量,因此调动了日本官方和民间的热情。日本大有株式会社提出了常温沥青混合料
的试验方法和技术标准,由于目前还几乎没有用于重交通道路路面面层的冷拌冷铺沥青
混合料,于是提出了研究的目标:能够用于重交通道路路面,动态稳定度达
次/以上,与热拌沥青混合料相比能耗减少%以上。此外,并据此开发了,
种常温式路面。
路面
是指将高粘度改性沥青为基质的阳离子系高浓度乳剂作为结合料,并使用由一定的
级配范围和一定质量的骨料构成的常温式混合料路面。这种路面可以用专门的机械进行
大规模而迅速的施工,可以早期开放交通。此外,无需进行铣削即可进行罩面施工。
路面
雹:,
是指使用由高浓度改性乳化沥青和无机固化剂构成的常温式混合料的排水路面。
这种路面不仅具有排水路面的减噪和提高行车安全性的特点,还具有良好的抗流动性和
耐磨耗性。此外,由于混合料能够很容易地生产,所以还适用于排水路面的小型维修工
程。
路面
麓
是指使用了改性乳化沥青和低收缩水泥的常温式路面。混合料可以用专门的拌和机
和现有的热拌沥青混合料制造设备生产,并且可以用与热拌沥青路面相同的施工机械施
工,且这种路面抗流动性好。
路面
是指使用由乳化沥青与二液反应式环氧树脂构成的复合结合料的路面。这种路面挠
曲追踪性和耐流动性好,可以使用与热拌沥青路面相同的施工机械施工。
路面
是指使用聚合物环氧树脂作为结合料的路面。由于使用树脂所特
有的粘性小的
结合料,可以使用与热拌沥青路面相同的机械施工,而且耐磨性、抗流动性好,同时容
易实现彩色化。
美国的
对路面养护方面做了有史以来最广泛的试验研究。数百篇的论
文得到发表。这些论文涉及到冷拌临时修补、坑洞修补、冬季修补和相关的课题,多数第一章绪论
论文都提到在较冷的气候中出现的问题。他们都通常对养护混合料的强度做了测定,但
是对混合料在库存中的老化以及混合料老化前后的工作性却很少研究,只有很少的研究
探讨了混合料的库存老化和老化后的混合料与摊铺压实等相关的特性。
德克萨斯运输部?指出多数公路养护部门要经常对沥青路面和坑洞进行
维修,特别是冬季寒冷而夏季温和湿润的地区,这种气候年复一年地加速路面的破损,
因为沥青材料成本较低、稳定性和质量普遍较好且施工方便,所以它被证明是最常用的
路用养护材料之一。沥青材料可以比较好地适应各种路面的修补,然而这些养护材料并
非没有任何问题,德克萨斯运输学院在进行了研究后提出了热拌冷拌冷铺
沥青混合料所存在的主要问题:一是在库存和使用过程中表现出较差的低温工作性能,
二是由于水稳性不足而产生松散和剥落破坏,三是在深坑槽修补当中出现强度不足的问
题。总的说来,它在按标准或规范配制和使用时并不稳定,标准的实验室样本可能与工
地上压实的混合料并不具有可比性,实验室测试方法并不能很好地模拟车辆、环境的影
响。而且现在并没有合适的规范来确保混合料的工作性,也没有合适的试验方法来定量
混合料的工作性,为此他们开发了一种试验方法来模拟六个月的库存老化,并且定量地
评价了此混合料的工作性。
..国内研究现状
在国内,对冷拌冷铺沥青混合料的研究较少,只是近几年才做了一些初步的研究,
主要研究如下:
年月气温.?,吉林省公路管理局应用该技术对国道线路面破损
进行了修复,一年多的实践表明低温沥青混合料用于冬季沥青路面的养护是完全可行
的。自年起,该技术作为吉林省公路养护管理行业重点新技术在全省推广应用。
,极大地提高了沥青路面路况水平,
目前,利用该技术已累计修补沥青路面超过
取得了较大的经济效益和社会效益。
从年开始,山西省公路管理局研究并推广了应用溶剂型冷拌冷铺沥青混合料
冬季修补坑槽的技术。在年冬季分别在太长线、国道、线寿阳路段以及交
通量较大的太旧高速公路上进行了推广试用。实践表明,采用溶剂型冷拌冷铺沥青混合
料使用效果良好,但是,也存在高温稳定性不足的问题,如:高温拥包、粘附性较差等,
还需要进一步的系统研究。
山西省公路管理局还对反应型冷拌冷铺沥青混合料进行了初步的研究,其关键技术
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是在一般型的冷拌冷铺沥青混合料中现场加入一种叫做路面强化剂的材料,以迅速提高
其初期强度,做到迅速开放交通。路面强化剂由种成分组成:主剂为不饱和聚酯;
添加剂为甲基丙烯酸甲酯;氧化剂为过氧化二苯甲酰;还原剂为
二甲基苯胺
。主剂是里面强化剂的主要成分,其用量占路面强化剂总重量的%,%。添
加剂的作用:一是用来调节主剂的粘度,改善路面强化剂的渗透性;二是提高路
面强化剂的耐侯性和塑性,其用量占总重量的%。氧化剂和还原剂是使主剂发生
化学反应的引发剂。还原剂提前加入到主剂中,使用时现场加入氧化剂,路面强化剂便
立即发生化学反应,形成具有一定强度的固状化合物。由于要求路面强化剂与冷铺沥青
混合料接触后,能迅速渗透到混合料的空隙中,并发生化学反应,所以要求冷铺沥青混
合料经初压后剩余空隙率应在%以上,这样,渗透到混合料空隙中的路面强化剂成型
后在混合料中形成网状骨架。此外,路面强化剂在反映过程中释放出大量的热能,促使
稀释沥青中的稀释剂迅速挥发。两方面的作用使得冷铺沥青混合料在灌注路面强化剂后
能够立即形成路面强化剂的骨架强度和混合料的整体强度,因此,施工后便可开
放交通。
东北林业大学的张海涛在对溶剂型常温沥青混合料的理论及室内试验研究的基础
上,对室外试验路进行了进一步的研究,并同时与乳剂型常温沥青混合料进行了对比分
析。对试验路的观测结果表明,溶剂型沥青混合料的力学性能与路用性能良好,未见脱
落和松散现象,也没有裂缝出现,但因含油量大或有部分混合料拌合不均匀,而有轻微
拥包及泛油现象,但经过一段时间通车后,泛油现象基本消失。因此,溶剂型常温沥青
混合料是一种良好的筑路及养护新材料。
.主要研究内容与技术路线
..主要研究内容
由于国内对冷拌冷铺沥青混合料研究尚不系统,本文在国内外研究的基础上,对冷
拌冷铺沥青混合料的材料组成、配合比设计方法、机理分析以及生产施工工艺、经济比
较等进行了研究,主要的研究内容如下:
.对冷铺沥青混合料的沥青材料进行研究及性能分析。
.对冷拌冷铺沥青混合料的强度形成机理进行分析并作试验研究。
.通过室内试验进行配合比设计,提出冷拌冷铺沥青混合料的设
计方法及程序。
.对冷拌冷铺沥青混合料提出适当的施工工艺。
第一章绪论
.对冷拌冷铺沥青混合料的经济与社会效益进行综合分析。
..研究的技术路线
本文以理论分析为基础,通过大量的室内试验对冷拌冷铺沥青混凝土的组成材料、
配合比设计、技术指标以及施工工艺开展了系统的研究。
研究的技术路线如下图所示:
图.技术路线示意图
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第二章 冷拌冷铺混合料所用沥青材料
.冷拌冷铺混合料沥青分类
目前,用于路面维修的冷铺沥青可以分为两大类:一类是乳剂型冷铺沥青,如乳化
沥青、改性乳化沥青等;另一类是溶剂型冷铺沥青,主要是采用各种有机溶剂来稀释粘
稠沥青而得到的。本研究所用的沥青是一种溶剂型冷铺沥青,是由北京海成志远和美国
普利泰科公司联合研制开发,并拥有自主知识产权的一种冷拌冷铺沥青,其主要组成材
料为基质沥青、有机溶剂、还原剂、外加剂含改性剂。
冷拌冷铺沥青根据用途的不同可选用不同标号的基质沥青样、、进行制
备,制备的沥青分为高速公路用、非低温地区一般公路用、低温地区一般公路用三种系
列。参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》.的有关试验方法,对用于
配制冷拌冷铺沥青的基质沥青进行了三大物理指标检验,试验结果如表.所示,均符
瞥
合规范要求。
表.壳牌基质沥青的三大物理指标检验结果
基质沥青 延度, 软化点?
针入度,,/
. .
. . .
冷拌冷铺沥青与基质沥青从外观颜色上来看,都为黑色,并无明显的区别,但从其
在常温下的存在状态来看,则有较大区别。冷拌冷铺沥青在常温下是处于一种易流动的
状态,而基质沥青为固态。按照基质沥青的试验方法,来检验冷拌冷铺沥青的三大物理
指标,结果发现针入度为“一针到底”,软化点和延度均因无法制
模而没有检验。基质沥
青在常温下不具有工作性,但在加入有机溶剂后,其工作性则大大改观,随着有机溶剂
加入量的加大,基质沥青逐渐转变为易流动状态,其在常温下的工作性得到了实现。
.冷拌冷铺沥青的组分分析
有机溶剂和添加剂的加入是否会破坏基质沥青的结构,目前国内外还没有这方面的
研究资料。因此,本文试图通过分析基质沥青和冷拌冷铺沥青的组分,并加以比较,从
而探讨有机溶剂和添加剂对基质沥青的影响。
第二章冷拌冷铺混合料所用沥青材料
..
沥青组分分析方法分类
根据试验方法的不同,沥青的组分有以下几种分类方法:
三组分法,即溶解一吸附分析法哈巴尔德、..斯坦菲尔德法。该法将沥青
分解成沥青质、油分和树种组分。这种组分试验方法的特点是各组分界限
明确,但分析时间长。
四组分法,即色谱分析法。该法将沥青分解成沥青质、饱和分、芳香分
和胶质四种组分。这种组分试验方法的特点是试验速度快,组分与沥青结构关系密
切,但试验操作的要求较高。
五组分法,即化学沉淀法,也称罗斯特勒法。该法将沥青分解成沥青
质、氨基、第一酸性分、第二酸性分和链烷分五种组分。
我国习惯于采用四组分分析方法,又称科尔贝特法,目前已经成为国际上
通用的沥青组分评价方法。由于沥青的四组分饱和分、芳香分、胶
质和沥青质通常以、、、表示,所以四组分分析又称为
分析。本文所采用的方法为四组分分析方法。
..组分试验结果
按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》.的沥青组分试验四组分
法,先测定三种基质沥青的组分,试验结果见表.。另做冷拌冷铺沥青的四组分试验,
结果见表.。将表.、.的试验结果绘制成柱状图,如图.所示。
表.基质沥青四组分测定结果%
基质沥青 沥青质 饱和分 芳香分 胶质 胶质沥青质
. . . .
.
. . . . .
. .
. . .
。 表.冷拌冷铺沥青四组分测定结果%
妒”
冷拌冷铺沥青类型 沥青质 饱和分 芳香分 胶质 胶质沥青质 . . . .
.
冷拌冷铺.
. . . . .
冷拌冷铺
. . . . .
冷拌冷铺.
第二章冷拌冷铺混合料所用沥青材料
方法:将配制好的冷拌冷铺沥青约埏装在一个敞的塑料桶内,
然后将其
放置在温度为常温的环境内,使溶剂自由挥发,经过、、天后,参照
《公路工
程沥青及沥青混合料试验规程》.的有关试验方法分别检验其三
大物理指
标。
在试验中发现,冷拌冷铺沥青在储存一段时间后,表面有轻微的
结皮现象,而且这
种结皮现象随着储存时间的延长而不断加重,表现在外观上就是结皮的厚度越来越大。
结皮的这部分冷拌冷铺沥青的可拌和性大大降低,如果不加处理其无法使用。为了避免
冷拌冷铺沥青在储存过程中的浪费,建议冷拌冷铺沥青密闭存储。在密闭储存后,冷拌
冷铺沥青出现表面结皮现象的时间和严重程度将会得到很大的改善。如果条件所限而无
法密闭存储时,在使用前最好将结皮的那部分冷拌冷铺沥青提取备用或直接进行重新配
制。
适宜的粘度
冷拌冷铺沥青中有机溶剂的用量多时,冷拌冷铺沥青的粘度就低,此时冷拌冷铺沥
青可获得良好的施工性及储存性,但直接影响了冷拌冷铺混合料的强度。反之,当有机
溶剂用量少时,冷拌冷铺沥青的粘度大,冷拌冷铺混合料的稳定度将会随之提高,但此
时冷拌冷铺混合料的储存性和施工性降低了。此外,由于不同种类的有机溶剂对基质沥
青的溶解能力不同,因而在采用相同用量的不同有机溶剂时,冷
拌冷铺沥青的粘度并不
相同。
考虑到有机溶剂的种类和溶剂用量对冷拌冷铺沥青粘度及冷拌冷铺混合料质量的
影响,我们参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》.中沥青标准粘度
试验出为,温度为。规程,对用不同有机溶剂,在不同用量下所配制的冷拌
冷铺沥青的粘度作了测定,测定结果如表.、.和图.所示。
表.冷拌冷铺沥青标准粘度测定结果撑溶剂
溶剂用量%
冷拌冷铺沥青类型. . . . .
撑溶剂
. . . .
.
撑溶剂
. . . . .
拌溶剂
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表.冷拌冷铺沥青标准粘度测定结果撑溶剂
溶剂用量%
冷拌冷铺沥青类型. . . . .
撑溶剂
. .
捍溶剂 . . .
. . . . .
撑溶剂
占
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心 、入、。 篓
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溶剂用量% 十滞硝 撑
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置
嘣硝??一 旃
图.不同溶剂及其用量对冷拌冷铺沥青粘度的影响
从表.、.和图.中我们可以看出:
?溶剂用量越高,冷拌冷铺沥青的粘度越小;
?群溶剂对冷拌冷铺沥青粘度的影响要大于溶剂;
?冷拌冷铺沥青的粘度和溶剂的用量之间有良好的规律性;
?不管是“溶剂还是溶剂,其含量由%变化到%的冷拌冷铺沥青的粘度变
化要明显大于溶剂含量由%到%的粘度变化。
采用基质沥青外掺%的溶剂配制而成的冷拌冷铺沥青,通过大量的工程实
践,取得了满意的效果。从而确定了冷拌冷铺沥青的标准粘度范围~秒。粘
度的大小应根据当地的气候、使用条件、具体要求来确定,如在较冷季节或储存时间较
长时可采用低粘度冷拌冷铺沥青,气温高的夏季可采用高粘度的冷拌冷铺沥青。
良好的粘附性
冷拌冷铺沥青在常温下处于一种易流动的状态,此时它的粘度较小,因而与集料有
较好的可拌和性。但其是否与集料有着良好的粘附性,这是人们较为关心的问题。通过
水煮法试验对其进行了测试,试验结果如表所示。
第二章冷拌冷铺混合料所用沥青材料
表.基质沥青及冷拌冷铺沥青与集料的粘附性试验结果
石料类型 试验后石料表面上沥青膜剥落程度 粘附性等级
石灰岩号沥青 沥青膜完全保存,剥离面积百分率接近于
沥青膜局部明显地为水所移动,基本保留在石料
花岗岩号沥青
表面上,剥离面积率少于%
石灰岩冷拌冷铺.
沥青膜完全保存,剥离面积百分率接近于
花岗岩冷拌冷铺.
沥青膜完全保存,剥离面积百分率接近于
从表.试验结果可以看出,冷拌冷铺沥青与集料有着良好的粘附性。基质沥青与
酸性集料的粘附性等级为级,而冷拌冷铺沥青则为级。这表明基质沥青转变为冷拌
冷铺沥青后,由于添加剂含改性剂的介入,其粘附性不但没有降低反而还得:.大
的提高。
酸性集料通常较碱性集料质硬、压碎值小,用酸性集料制备相同
级配的沥青混合料
可以获得较碱性集料混合料大的内摩擦角,但由于酸性石料与基质沥青的粘附性较差,
所以在实际应用中并没有被广泛采用。冷拌冷铺沥青以其良好的粘附性,解决了酸性集
料与于沥青结合性能差的问题,从而提高了混合料的应用品质。
良好的性能恢复性
基质沥青在加入添加剂转变为冷拌冷铺沥青后,其物理性能受到了很大的影响,但
随着有机溶剂的不断挥发,其物理性能又逐步得到恢复,影响基质沥青物理性能恢复的
一个很重要的因素则是溶剂挥发的快慢,从而影响到其粘度的变化。本文通过以下的两
个试验,对冷拌冷铺沥青是否具备良好的性能恢复性进行了检验。
质量损失及粘度变化试验
试验方法:首先配制冷拌冷铺沥青,然后把配制好的冷拌冷铺沥青分成两份,
一份质量为用来做粘度试验,另一份质量为用来做质量损失试验,将两
份试样分别倒入事先准备好的试样盘内,盘内试样的厚度不要超过。称量进行质量
损失试验的试样盘重沥青重,然后把两份试样都放入。烘箱中为了加速溶剂挥发
且不使基质沥青老化,每将做质量损失试验的试样盘取出称重一次,计算冷拌
冷铺沥青的质量损失及质量损失百分率,试验结果见表.、图.。在进行质量损失试
验的同时,每隔将做粘度变化试验的试样取出部分进行粘度试验。粘度试验参照
《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》.口沥青标准粘度试验出口为
,温度为进行的,试验结果见表.、图.。
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表.冷拌冷铺沥青的质量损失试验结果
. . . . .
挥发时间
.
. . . .
质量损失百分率%
. . . . .
挥发时间
. . . . . .
质量损失百分率%
。?
/
/厂
/
/
/
/
/
一零~鼹冬忸※写卿峰
. . . . . . 时间
图.冷拌冷铺沥青的质量损失曲线夔莨. 由图.的试验结果可以看出:冷拌冷铺沥青的质量损失随着时间
的延长而逐渐增
大,在。烘箱中,经过.,其质量损失达到了.%试验所配制的冷拌冷
铺沥青
中有机溶剂的含量为.%,这
冷拌冷铺沥青中的有机溶剂具有
良好的挥发性。
表.冷拌冷铺沥青标准粘度试验结果时间 .如
. . . . .
标准粘度
图.冷拌冷铺沥青的粘度变化曲线
表.的试验结果表明:冷拌冷铺沥青随着有机溶剂的挥发,其粘度有了很大的增
长,并且变化的趋势与质量损失试验基本保持一致。这说明,随着有机溶剂的不断挥发,
冷拌冷铺沥青的性能得到了恢复。第二章冷拌冷铺混合料所用沥青材料
蒸馏试验
冷拌冷铺沥青在有机溶剂完全挥发后,其物理性能是否能够完全恢复,这是我们最
为关心的问题。通过对冷拌冷铺沥青的蒸馏残留物进行沥青三大物理指标的测定,得出
了其性能还原的基本认识。
试验方法:试验所采用的冷拌冷铺沥青,其配制方法与质量损失试验及粘度变化试
验相同。在对冷拌冷铺沥青进行蒸馏试验完后,对其蒸馏残留物进行了沥青三大物理指
标的测定,试验方法是参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》.的有
关试验方法进行的,试验结果见表.。
将冷拌冷铺沥青的蒸馏残留物试验结果表.与基质沥青的检验结果表.进行
对比,可以看出:冷拌冷铺沥青在有机溶剂完全挥发后,其基本指标性能得到了恢复,
部分指标得到了提高。这说明冷拌冷铺沥青具有良好的性能还原性。
表.冷拌冷铺沥青的蒸馏试验结果
?蒸馏残留物
冷拌冷铺沥青
?针入度 延度 软化点
类型
质量损失百分比
,,/ 。, ?
% .
冷拌冷铺.
% . .
冷拌冷铺
% . .
冷拌冷铺.
由于冷拌冷铺沥青中所加的有机溶剂是一种可挥发且易燃的液体,所以冷拌冷铺沥
青在储存时的安全性必须给予高度的重视。按规范通过液体石油沥青闪点试验泰格开
口杯法,对冷拌冷铺沥青的储存安全性进行了检验,试验结果表
明其闪点都大于?,
符合规范要求。建议在储存冷拌冷铺沥青时,将其放在常温、通风的环境内。
通过本章对冷拌冷铺沥青技术性能以及质量损失试验结果的分析,我们可以得出用
于生产的冷拌冷铺沥青的技术性能,见表.。
表.冷拌冷铺沥青的技术标准
冷拌冷铺沥青 闪点 ?蒸馏残留物
粘度
类型
? 质量损失比 标准针入度
延度,
%
冷拌冷铺. ~
? % ~
冷拌冷铺冷拌冷铺. % ~
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.本章小结
本章主要对冷拌冷铺混合料的沥青分类、组分分析和技术性能进行研究,得出了如下
结论:
.冷铺沥青可以分为两大类:一类是乳剂型冷铺沥青,另一类是溶
剂型冷铺沥青本
研究所用的沥青是一种溶剂型冷铺沥青。基质沥青在常温下不具有工作性,但在加入有
机溶剂后,其工作性则大大改观,随着有机溶剂加入量的加大,基质沥青逐渐转变为易
流动状态,其在常温下的工作性得到了实现。
.对沥青组分分析可知,基质沥青在加入有机溶剂和添加剂转变为冷拌冷铺沥青后,
沥青质含量明显减少,胶质含量增多。由沥青的胶体理论可知,沥青是由沥青质吸附胶
质,再分散于液态的芳香分和饱和分组成的分散介质中形成的。沥青质减少、胶质增多
会引起沥青由溶一凝胶结构向溶胶结构转化。基质沥青在转变为冷拌冷铺沥青后,胶质
含量相对上升,芳香分含量相对下降。这主要是因为基质沥青在加入添加剂添加剂中
含有改性剂后,沥青中的部分饱和分和芳香分进入改性剂网络中,使自由沥青的组分
比例发生了明显的变化的结果。通过对基质沥青和冷拌冷铺沥青的组分分析,可以得到
以下两点认识:有机溶剂的加入使基质沥青的胶体结构发生了改变;添加剂的加入使基
质沥青得到了改性。
.冷拌冷铺沥青混合料具有稳定的储存性、适宜的粘度、良好的性能恢复性、良好
的粘附性等路用性能。
第三章冷拌冷铺混合料组成特点及强度形成机理
第三章 冷拌冷铺混合料组成特点及强度形成机理
.冷拌冷铺沥青混合料的组成特点
压实成型的沥青混合料是由集料、沥青胶结料和残余空隙所组成的一种具有空间网
络结构的多相分散体系,其材料属性为粘弹性材料。沥青混合料它的力学强度主要取决
于集料间的摩擦力和嵌挤力、沥青胶结料的粘结性以及沥青与骨料之间的粘附性等方
面。因此,沥青混合料的结构组成对其强度构成起着重要的作用。
冷拌冷铺沥青混合料有以下特点:能够在几个月的时间内,在一定的储存条件
下保持良好的疏松状态,即体现它的工作性特点。在路上摊铺后,能在常温下压实
成型,有初步的承受荷载的能力,即体现它在外力作用下的强度特点。由于工作性与强
度二者相互矛盾,所以需寻找一个平衡点,两者同时兼顾。
按沥青混合料强度构成原则的不同,其结构可分为按嵌挤原理构
成的结构和按密实
级配原理构成的结构两大类。
按嵌挤原理构成的沥青混合料,要求采用较粗的、颗粒尺寸较均匀的骨料,沥青在
混合料中起填隙作用,并把骨料粘结成为一个整体。这种材料的结构强度主要依赖于骨
料颗粒之间相互嵌挤所产生的内摩阻力,而对沥青的粘结作用依赖性不大。这种路面的
性能受温度的影响相对较小。
按密实级配原理构成的沥青混合料,是指骨料和沥青按最大密实原则进行配合以后
而形成的一种材料,其结构强度是以沥青与骨料之间的粘结力为主、以骨料颗粒间的嵌
挤力和内摩阻力为辅而构成的。这种路面的性能受温度的影响相对较大。
根据混合料结构中“嵌挤成分”和“密实成分”所占的比例不同,沥青混合料的组成结
构形态有以下三种典型类型:
.密实悬浮结构:这种结构形态的沥青混合料,通常采用连续型密级配,骨料的颗
粒尺寸由大到小连续存在。这种材料中含有大量细料,而粗料数量较少,且相互间没有
接触,不能形成骨架,粗颗粒犹如“悬浮”于细颗粒之中。这种沥青混合料表现为粘结力
较高,而内摩阻力较小。用这种沥青混合料修筑的路面,由于受沥青性质的影响较大,
故它的温度稳定性较差。
.骨架空隙结构:采用连续开级配的沥青混合料属于这一结构类型。在这种沥青混
合料中,粗骨料较多,而细料数量过少,因此,虽然能够形成骨架,但其残余空隙较大。
这种材料的内摩阻力较大,而粘结力较小。由此而修筑的沥青路面,受沥青性质的影响
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较小,因而其稳定性较好。
.密实骨架结构:是综合以上两种类型组成的结构。混合料既有一定数量的粗骨料
形成骨架,又根据残余空隙的多少加入细料,从而形成较高的密实度。这种沥青混合料
同时具有较高的粘结力和内摩阻力。
根据冷拌冷铺沥青混合料的要求,初始强度主要应来源于矿料间的摩擦力,而粘聚
力的贡献应较小,以获得较好的疏松性和和易性。为了得到一定的初始强度可以采用较
粗的、颗粒尺寸较均匀的骨料,使它们之间相互嵌挤构成骨架。为了改善沥青混合料的
疏松性、和易性,可采用低稠度沥青,降低沥青的粘度。这种材料在初期内摩阻力较大,
而粘结力较小。
相比较热拌热铺混合料而言冷拌冷铺混合料在设计施工过程中加入了大量的矿粉。
混合料的疏松性决定于未经压实时混合料颗粒上沥青薄膜的厚度。当沥青膜厚度大时,
颗粒便易粘结起来而产生结块。由于增加混合料中矿粉含量可以使矿质骨架的比面积大
大增加,可以加强沥青对石料的裹覆能力,避免拌和时发生的流淌,所以适当增加矿粉
用量能使混合料得到较好的疏松性,高密实性以及捣实后的不透水性。而且矿粉用量增
加也可以使混合料的强度增大。这是因为矿粉增加,矿料的比面积增大且颗粒结合点数
量剧增,更多的沥青成为薄层的结构沥青,具有更大的粘结力,尤其在颗粒接合点处这
种联结作用更大。但是矿粉用量过多也会影响和易性和压实性能。总的来说,矿粉用量
比普通沥青混合料的多。
.强度形成机理
..强度形成特点
冷拌冷铺混合料在储存和强度形成过程中,相比较热拌热铺混合料而言,其具有以
下特点:
具有时间性和过程性
冷拌冷铺混合料在修补到路面破损处后,其强度是逐渐形成的。由于冷拌冷铺混合
料中含有有机溶剂,所以当冷拌冷铺混合料修补到路面破损处后,在行车荷载和环境温
度的综合作用下,随着有机溶剂的不断挥发,其强度快速增长。经过一段时间,当冷拌
冷铺混合料中的有机溶剂完全挥发完后,其强度才能最终形成。而热沥青混合料在摊铺
碾压成型后,温度急速冷却,强度就完全形成,与冷拌冷铺混合料相比,其强度形成具
有瞬时性的特点。
常温下经压实可形成一定的强度
第三章冷拌冷铺混合料组成特点及强度形成机理
冷拌冷铺混合料是冷拌冷铺沥青与集料在常温下拌和而成的混合物。在没有外力作
用时,混合料呈现疏松状态,并且可在常温下长期存储。热沥青混
合料不能在常温下存
储,只能根据需要生产。当冷拌冷铺混合料修补到路面破损处后,能够在常温下压实,
并且压实的冷拌冷铺混合料还具备初步承受荷载的能力。而热沥青混合料的压实成型则
需要在较高温度下进行,其常温下根本无法压实。
冷拌冷铺混合料形成的初始强度低
冷拌冷铺混合料的初始强度是指冷拌冷铺混合料被修补道路面破损处后,第一天的
强度。冷拌冷铺混合料在修补到路面破损处后,经过压实虽然具备了一定的强度,但强
度低,造成强度低的主要原因是冷拌冷铺混合料中存在有机溶剂。
冷拌冷铺混合料的成型强度可达到热沥青混合料的标准
冷拌冷铺混合料的成型强度是指冷拌冷铺混合料在有机溶剂完全挥发完以后所具
有的强度。冷拌冷铺混合料在汽车的碾压下,随着有机溶剂的不断挥发,其强度将最终
达到热沥青混合料的标准。
冷拌冷铺混合料的强度形成受到诸多因素的影响,其主要影响因素有养生条件、冷
拌冷铺沥青的粘度和用量、集料。
养生条件:养生条件主要是指温度、风、汽车轴重、车速等环境因素。在强度形成
过程中,温度越高、风力越大、轴重越重、车速越快,则冷拌冷铺混合料中的有机溶剂
挥发就越快,越有利于强度形成。
冷拌冷铺沥青的粘度和用量:在影响冷拌冷铺混合料强度的诸多因素中,冷拌冷铺
沥青的粘度和用量是最重要的因素。冷拌冷铺沥青的粘度过大,则其在常温下不能和集
料进行充分的裹覆,从而影响到冷拌冷铺混合料强度的形成;冷拌冷铺沥青的粘度过小,
则其在混合料中容易产生流淌,使混合料出现不易压实等现象,也会影响到冷拌冷铺混
合料强度的形成。冷拌冷铺混合料的强度形成与冷拌冷铺沥青用量也有很大关系,在材
料性能相同的情况下,冷拌冷铺沥青用量过高或过低都会降低混合料的强度。冷拌冷铺
沥青用量太大时,自由沥青过多,沥青膜厚,混合料中剩余空隙率小,有机溶剂不易挥
发,这会使混合料强度降低;反之,如果沥青用量过少,则不足以形成理想的沥青膜裹
覆矿料,故混合料强度较低,同时还缺乏足够的耐久性和储存性,
因而在设计混合料时,
冷拌冷铺沥青用量要适度。
集料:集料对冷拌冷铺混合料强度形成的影响主要表现在集料的物理特性和集料的
级配两个方面。一般而言,采用表面粗糙且级配良好的集料而生产的冷拌冷铺混合料,长安大学工程硕士学位论文
不但具有坚实的矿质骨架网络,而且混合料的密实度也相对较高,因此其强度形成较好。
通过对冷拌冷铺混合料强度形成特点及其影响因素的分析,有助于我们合理地对冷
拌冷铺混合料进行配合比设计,有效地控制冷拌冷铺混合料的修补质量,为保证其修补
路面具备良好的使用品质打下扎实的基础。
..强度形成机理
目前,对沥青混合料强度构成特性开展研究时,许多学者普遍采用了摩尔一库仑理
论作为分析沥青混合料的强度理论,并引进两个强度参数,即粘结力和内摩阻角西
作为其强度理论的分析指标。
对于组成沥青混合料的两种材料一沥青和骨料,通过实验研究和强度理论分析,
可以认为:纯沥青材料的?而?,干燥骨料的而??。由于冷拌冷
铺沥青混
合料在储存时温度不高,也未承受外力作用,骨料之间并未相互嵌挤构成骨架,所以摩
阻角?较小,而且混合料中用油量恰当,沥青膜厚度适中,则裹覆在矿料表面的沥青大
多能与矿料相互作用而形成粘度很大的结构沥青,而剩余的自由沥青粘度低,分子间的
相互作用力较小,可以起到良好的润滑作用,即值较小,综合这两方面,则混合料在
储存时并未形成强度,颗粒间彼此分离,呈疏松状态。
当混合料在路面上摊铺后,开始承受较大的车轮作用力,此时矿料颗粒在沥青的润
滑作用下相互推移,形成嵌挤结构,摩阻角?值提供了初始强度的主要来源。而沥青间
的粘聚力仍较小,所以对初始强度的形成贡献非常小。为了验证这一点,做马歇尔试验,
试验结果如表.和表.。
表.初始马歇尔稳定度
溶剂掺量%. . .
初始马歇尔稳定度
表.初始马歇尔稳定度
级配名称
. . .
初始马歇尔稳定度
注:其中、、三种矿料级配范围见表.。
第三章冷拌冷铺混合料组成特点及强度形成机理
表. 三种矿料级配情况表
.
通过百分率%
筛孔尺
寸皿
. . .
. . . . . . .. . . .
从表.可以看出:当采用相同的级配,而采用不同粘度的沥青结合料时,初始马
歇尔强度的差别比较小。从表.也可看出,当采用相同粘度的沥青结合料,而采用不
同的级配时,混合料的初始马歇尔强度则有较大差别。试验结果表明以上观点是正确的。
随着时间、外界环境、车辆荷载等的作用,添加剂不断挥发,且挥发速度由快渐慢,
这样使得矿料表面的沥青因分子间的作用力逐渐增大而相互溶合,沥青的粘度由小变
大,粘聚力值处于不断增大的状态,使得混合料成为一个更加牢
固的整体,随着往来
车辆的轮载作用而逐渐压实最终完全成型。这样,粘聚力的增长大小与增长快慢决定
了混合料的最终强度和成型时间。而骨料的摩擦角?值基本上是一个常数,对强度的增
长起着较小的作用。
.本章小结
.冷拌冷铺沥青混合料有以下特点:
能够在几个月的时间内,在一定的储存条件下保持良好的疏松状态,即体现
它的工作性特点。
在路上摊铺后,能在常温下压实成型,有初步的承受荷载的能力,即体现它
在外力作用下的强度特点。由于工作性与强度二者相互矛盾,所以需寻找一个平衡点,
两者同时兼顾。
.冷拌冷铺沥青混合料强度形成有如下特点:
具有时间性和过程性。
常温下经压实可形成一定的强度。
冷拌冷铺混合料形成的初始强度低。
冷拌冷铺混合料的成型强度可达到热沥青混合料的标准。
.强度形成机理和热拌沥青混合料类似,但是冷拌冷铺料随着时
间、外界环境、车长安大学工程硕士学位论文
辆荷载等的作用,添加剂不断挥发,且挥发速度由快渐慢,这样使得矿料表面的沥青因
分子问的作用力逐渐增大而相互溶合,沥青的粘度由小变大,粘聚力值处于不断增大
的状态,使得混合料成为一个更加牢固的整体,随着往来车辆的轮载作用而逐渐压实最
终完全成型。这样,粘聚力的增长大小与增长快慢决定了混合料的最终强度和成型时
间。而骨料的摩擦角?值基本上是一个常数,对强度的增长起着较小的作用。第四章冷拌冷铺混合料配合比设计方法
第四章冷拌冷铺混合料配合比设计方法
沥青混合料配合比设计方法,目前大多数国家仍采用马歇尔的方法,对于冷拌冷铺
沥青混合料的配合比设计,国际上尚无公认的成熟方法。我们在采用马歇尔设计方法时,
考虑到它与路用性能并无良好的相关性,于是提出了对沥青混合料进行综合设计的方
法,作为对马歇尔试验方法的补充和完善。
沥青混合料组成设计应该包括原材料选择和配合比设计两个方面。材料的选择侧重
于其技术指标达到路用要求,混合料配合比设计包括矿料级配类
型及沥青用量的确定。
.确定矿料级配
.确定混合料结构类型
沥青混合料根据其矿料的级配类型基本上可分为连续级配和间断级配两类。我国规
范规定,剩余空隙率%%的为密实式沥青混合料,剩余空隙率为%%的为半
密实式沥青混合料,剩余空隙率在%以上为半开式沥青混合料,剩余空隙率大于%
的为开式沥青混合料。
吉林省公路局采用了. 型级配,山西公路局太原分局在研究当中选择了沥青
碎石的级配.、.、.、.,晋中分局也采用了沥青碎石种矿料级
配分别是.、.、.和砂粒式混合料中砂。沥青碎石混合料的级配基本
上可归属于连续级配的范畴,它的剩余空隙率在%以上。总的看来,这些级配的剩余
空隙率在%%之间,与日本对空隙率的技术要求%%相当接近。对于型密
实式级配,由于细集料比较多而使冷铺沥青混合料颗粒间的接触点较多,容易造成混合
料结块,从而丧失疏松性,而且由于沥青用量大、空隙率小,极易
出现泛油病害。但为
了兼顾混合料的抗水害能力以及耐久性,空隙率也不亦太大。据此确定以半密实式沥青
混合料级配为基础进行调整作为推荐级配。
.确定矿料的最大粒径
美国的研究报告中提到冷铺沥青混合料在使用时一个显著的问题就是在深处的强
度非常低。为了提高路面结构深处的强度,建议分层压实,每层厚度为。日
本生产的冷铺沥青混合料按厚度也分为深坑槽修补和浅坑槽修补,浅坑槽修补的沥青混
合料在外观上要细一点。各国对沥青混合料的最大粒径同路面结构层最小厚度
关系均有规定。我国研究表明,随/增大,耐疲劳性提高,但车辙量增大;相反,/
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减小,车辙量也减小,但耐久性降低,特别是在/时,疲劳耐久性急剧下降。为此,
建议结构层厚度与最大粒径之比应控制在/。通过计算对深坑槽修补建议最大
粒径为.,浅坑槽修补最大粒径为.。
.矿粉种类和用量
由于冷铺沥青混合料中沥青与酸性集料粘附性较差,所以采用酸性石料应考虑加入
抗剥落剂,或者加入适量的碱性矿粉,如石灰石粉、水泥等。
矿