第29卷 第4期2009年8月
文章编号:1671-2579(2009) 04-0293-05
中 外 公 路
中、法沥青路面材料试验体系的差别
柴福斌, 李 刚, 赵 明, 雷 宇
(中交第一公路勘察设计研究院有限公司, 陕西西安 710075)
摘 要:法国的柔性路面材料试验体系不论是试验项目、试验方法、试验设备、试验分级和试验理念等方面同我国都存在很大的差异。该文详细介绍了法国的柔性路面材料试验体系, 并指出了该体系与国内相关试验体系的差别, 对我国沥青路面材料设计试验具有参考意义。
关键词:中国; 法国; 沥青路面材料试验体系; 差异
1 法国柔性路面材料试验体系概述
法国的规范体系中, 习惯将沥青路面总体结构称
之为 路面体 , 路面体从结构上一般分为面层和基础层两个大的层次。路面体下部称为 路面承台 , 具体的结构体系如下:
(1) 路面体。 面层。面层由以下部分组成:磨耗层, 即道路的上面层, 直接承受交通工具的作用及自然界气候的作用; 在某些情况下, 在道路的基层与磨耗层之间, 有个连接层; 基础层。基础层的作用主要是承受交通荷载带来的应力和应变, 并将交通荷载分散到其下部的路面承台上。基础层自上而下一般分为基层和底基层两层。
(2) 路面承台。一般来讲路面承台是由垫层和其下部的PST 构成的, 但有些特殊情况下(如PST 的材料对水不敏感, 而且长期承载力水平非常高) , 也可取消垫层。 垫层(CDF) 。这个自土基到路面体之间的过度层主要有如下的双重作用:在道路的施工期间, 它对土方起保护作用, 方便施工机械的通行、建筑材料的搬运及方便其上路面体各个结构层的施工。路面的力学作用, 垫层会优化车辆荷载的扩散以及对路面体提供抗冻保护; 土方上部(PST ) 。相当于国内的路床, 厚度约为1m, 位于垫层下面, PST 下面为土方下部, PST 与土方下部合称土方。PST 的顶面称为整平层(AR) 。
法国的柔性路面试验体系也和我国的类似, 分为原材料试验和混合料试验。本文将结合一些主要的试验项目, 对两种试验体系做出对比。
收稿日期:2008-10-25
2 原材料试验体系的区别
2. 1 沥青
对于沥青试验而言, 国内的试验体系和法国的基本一致, 试验设备也完全相同, 具体的试验项目和参考的试验规程见表1。
表1 沥青的试验项目和试验规程试验项目
针入度(25 ) /0. 1mm
软化点/
质量变化(最大值,
+/-) /%
R T FO T (163 ) 后
残存针入度(最小值)
/0. 1mm 软化点(最小值) / 软化点的提高(最大值) / 闪点(最小值) / 溶解度(最小值) /%(m/m) 含蜡量(最大值) /%(m/m)
法国执行规程EN 1426EN 1427EN 12607-1EN 12607-1EN 1427EN 1427EN 22592EN 12592EN 12606-2
中国执行规程T 0604T 0606T 0610或T 0609T 0604T 0606T 0606T 0611T 0607T 0615
2. 2 改性沥青
和国内比较类似的是, 法国也只颁布了聚合物改性沥青的标准, 法国的聚合物改性沥青具体需要实施的试验项目见表2、3。
目前中国针对各类聚合物改性沥青材料试验制定了有关的试验标准, 但其他种类的改性沥青, 还没有统一的标准可以遵循。
中 外 公 路 第29卷
表2 聚合物改性沥青的主要要求和沥青等级的产品标准范围
改性沥青的主要
主要要求
特性
试验方法
要求的相关等级2
中间工作温度下的粘稠度
较高工作温度下的
粘稠度
针入度(25 ) /0. 1mm
软化点/ 延展力
(慢速拉伸) /J cm -5 的拉伸试验
粘附度
(快度拉伸) /J cm -摆锤(振动试验) /J cm -密度的变化/%
稳定性
(抗硬化能力EN 12607-1或者-3)
其他特性
保留的渗透性/%软化点的提高/
闪点/
22
325~55 75 2(5 ) 2
EN 1426EN 1427EN 13589EN 13702EN 13587EN 13702EN 13588EN 12607-1EN 12607-3
EN 1426EN 1427ENI SO 2592
10~40 80 3(5 ) 3 0. 7 0. 3 35 8 250
2
0. 5 40 10 235
表3 改性沥青的附加要求和沥青等级的产品标准范围
试验项目弗拉斯沥青破裂点/
弹性形变后的复原/%
25 10
试验方法EN12593EN13398EN13398EN14023EN13399EN 1427EN13399EN 1426EN 1427EN13398
改性沥青的等级2 0 80 75 85 5 9 2 70
3 -5 70 50 80- 13 5 60
弹性间隔/
存储的稳定性软化点的差别/ 存储的稳定性针入度的差别/0. 1mm
在EN 12607-1或者12607-3的操作之后, 软化点的减少/ 在EN 12607-1或者12607-3的操作之后的弹性形变后的复原/%
相对于中国的改性沥青试验, 法国也同样仅颁布了聚合物改性沥青的试验标准, 但是其试验项目更加全面, 而且由于气候的原因, 法国更加重视聚合物改性沥青产品的低温性能。对于非聚合物改性沥青, 法国一般由设计单位根据工程的具体情况提出技术指标, 并要求由材料供应商提供一个技术卡片, 技术卡片中必须有产品的技术性能、生产状况、经营状况、存储状况以及运输条件等信息。2. 3 集料2. 3. 1 基本概念
(1) 集料与骨料
国内的集料根据不同的方式可分成不同的类型。根据集料形成的过程可分为自然风化、地质作用形成的卵石(砾石) 和人工机械加工成的碎石; 根据粒径大小可分为粗集料和细集料(砂) ; 根据化学成分分为酸性集料和碱性集料。
按照法国规范XP P 18-540(见参考文献[4]) 的定义, 大小在0~125mm 之间的所有天然的、人工加工的或者回收的矿料颗粒称为骨料。骨料的真实比重(MVR, P18-554, P18-555) 大于或等于2M g/m
3
3
(或t/m ) 。骨料又进一步分为粗集料(砂砾、细砾、道渣) 、细集料(细砂、中粗砂) 和填料(矿粉) 。
2009年第4期
(2) 标准筛
柴福斌, 等:中、法沥青路面材料试验体系的差别
(2) 细集料试验
对集料、骨料颗粒大小的划分和标准筛分试验都要依靠标准筛进行, 标准筛由一组多个不同大小孔径的套筛组成。
一直以来, 我国按不同使用目的采用不同套筛的方法确定标准筛的规格和组成。对于沥青路面和各类基层集料用标准筛均以方孔筛为准, 相应的筛孔尺寸为:0 0. 075 0. 15 0. 3 0. 6 1. 18 2. 36 4. 75 9. 5 13. 2 16 19 26. 5 31. 5 37. 5 53 63 75mm; 对于水泥混凝土用集料标准筛的孔径 2. 5mm 时以圆孔筛为准,
法国规范体系中不论沥青混合料还是水泥混合料均采用相同的方孔筛标准, 相应的筛孔尺寸为:0 0. 08 0. 1 0. 16 0. 2 0. 315 0. 4 0. 63 0. 8 1. 25 1. 6 2. 5 3. 15 5 6. 3 10 12. 5 14 20 25 40 50 80 100 注:带下划线的尺寸是由CEN (NE EN 9-332) 主张采用的基础系列数据。
2. 3. 2 法国的沥青路面集料试验
(1) 粗集料试验
法国的沥青路面粗集料试验主要有力学特性(主要的指标有加速磨光值CPA 、洛杉矶磨耗率L A 、浸水微德尔瓦系数M DE 等) 、生产特性(如骨料的几何尺寸和洁净度等) 和附属特性(主要的指标有抗冻性和棱角性等) 3部分内容。
对于物理性质试验(视密度、级配等) , 法国和国内的区别主要是法国不做粗集料与沥青粘附性的指标。对于力学特性试验, 法国没有压碎值和冲击值的概念, 但是其洛杉矶磨耗试验(L A ) 和国内的从仪器到试验方法则完全相同, 加速磨光试验和国内的磨光值试验也基本类似。
磨耗层粗集料试验
磨耗层集料必须是一种高强度的耐磨的优质石料, 其质量必须满足法国规范XP P18-540第8节的要求。
连接层和基础层粗集料
连接层和基础层粗集料质量必须满足法国规范法国的沥青路面细集料试验同样有生产特性(如骨料的几何尺寸和洁净度等) 和附属特性(主要的指标有砂的破碎性指数和棱角性等) 2部分内容。其磨耗层、连接层和基础层细集料相关试验标准和规范参见法国标准XP P18-540。
(3) 填料试验
矿粉的技术要求见表4。
表4 矿粉的技术要求
结构类型
R IGDEN 孔隙指数I VR
BBM A 3BBM E 1EM E 2
0/100/100/14 40%
40%
40%
硬化能力(复合胶泥物的球、
环软化温度差(NF EN 1427) , 10 10 10 以重量计, 60%的粉灰加40%T BA T BA T BA 的沥青50/70和同类沥青) 20 20 20 (NF T 66-008)
亚甲兰试验(每1000g 粉末所吸收的亚甲兰克数) (N E 10 10 10EN 933-9) M BF
注: 在填料中可使用一定量的活性石灰代替部分矿粉, 但在BBM A 3、BBM E 1和EM E 2中活性石灰的添加量不大于总量的1%; 关于矿粉分级的具体规定, 见参考文献[4]
2. 3. 3 小结
在集料试验方面, 首先是标准筛存在一定差异, 看来我国的标准筛和国际接轨应当也是大势所趋。其次法国的集料试验体系和路面结构层的功能性要求结合得更加紧密一些, 比如粗集料, 法国应用在不同层次(磨耗层、连接层、基层、底基层) 的技术要求是不一样的。另外集料和沥青的粘附性指标是我国特有的, 法国只要求沥青混合料满足水稳定性指标即可。
3 沥青路面混合料试验
3. 1 中国
沥青混合料作为沥青路面材料, 在使用过程中要求承受行车荷载的反复作用, 以及环境因素的长期影响。因此沥青混合料在具备一定的承载力的同时, 还必须具有良好的抵抗自然因素作用的耐久性。我国的沥青混合料试验主要分为高温稳定性试验、低温抗裂性试验、耐久性试验、抗滑性试验和施工和易性试验5类。
中 外 公 路 第29卷 定性, 实际工作中通过马歇尔稳定度试验方法和车辙试验方法进行测定和评价。
(2) 低温抗裂性试验。目前用于研究和评价低温性能的方法可分为三类:预估沥青混合料的开裂温度、评价沥青混合料的低温变形能力或应力松弛能力和评价沥青混合料断裂能力等几种方法。
(3) 耐久性试验。耐久性是指沥青混合料在使用过程中抵抗环境不利因素的能力及承受行车荷载反复作用的能力。主要包括沥青混合料的抗老化性、水稳性和抗疲劳性等几个方面。
我国现行的规范采用空隙率、饱和度和残留稳定度等指标来表征沥青混合料的耐久性。
(4) 抗滑性试验。抗滑性是保障公路交通安全的一个很重要因素。沥青路面的抗滑性主要取决于矿料自身或级配形成的表面构造深度、颗粒形状与尺寸、抗磨光性等方面。国内目前主要以构造深度试验和摆值试验来衡量沥青混合料面层的抗滑性能。
(5) 施工和易性试验。目前国内还没有能够直接用于评价沥青混合料和易性的方法和指标, 通常的做法是严格控制材料的组成和配比, 采用经验的方法根据现场实际情况进行控制, 一般就是在施工期间对沥青混合料加热、拌和、摊铺和碾压时的温度进行测量, 并按照有关的经验范围进行控制。3. 2 法国
3. 2. 1 法国沥青混合料的试验分档
按照法国道路与桥梁中心试验室(LCPC) 编写的热拌沥青混合料配合比设计使用手册(见参考文献[2]) 和法国的热拌沥青混合料的NF P98系列的规范中的规定, 法国的热拌沥青混合料目标配合比共分为4档试验:1档:PCG 试验(NF P 98-252) ; 18 时的DURIEZ 试验(NF P 98-251-1) 。2档:1档试验+车辙试验(NF P 98-253-1) 。3档:2档试验+复合模量试验(NF P 98-260-2) 或直接拉伸试验(NF P 98-260-1) 。4档:3档试验+疲劳试验(NF P 98-261-1) 。
第1档的试验对于所有的沥青混合料而言都是必须要求的。其余档次的试验则依据混合料所在结构层的功能而定。比如一般来讲磨耗层仅做2档试验, 而连接层需要做3档试验, 基层和底基层则需要进行4档试验。
3. 2. 2 法国沥青混合料试验
稳性试验、热稳定性试验、刚度试验和疲劳试验5种。
(1) 基础性试验
法国的旋转剪切压实试验(PCG) 类似于英美和我国的马歇尔试验, 是沥青混合料最基本的试验项目。该试验是将试验室制造的沥青混合料, 在试验温度(130~160 ) 下膨胀后, 置入一个直径150mm 或者160mm 的圆筒形试模中。在试块顶部加一个0. 6MPa 的垂直压力。同时, 试块倾斜一个小角度1 (外) 或者0. 82 (内) , 进行旋转运行。这些不同的力会产生一个搅拌式压实的作用。根据回转次数, 就可以观测到密实度的提高(孔隙率下降) 。通过该试验可以估算现场的孔隙率, 可以勘察抗车辙强度的情况, 还可以发现粒料的一些通过普通试验无法察觉的微小变化。因此, 旋转剪切试验可用来检测随着时间变化, 配比的稳定性。
法国的NF P 98规范系列对各种类型的混合料在一定的回转次数条件下需要满足的孔隙率的范围都有详细的规定。
(2) 水稳定性试验
在法国规范体系中是通过Duriez 试验来测试对水的敏感性的。欧洲规范中则采用劈裂试验来取代Duriez 试验。
Duriez 试验。Duriez 试验是将沥青混合料置于一个圆筒形的试模中, 进行压实。一部分试件在特定的温度(18 ) 和湿度下保持干燥, 另一半浸在水里。每组试件都进行简单压缩试验。该试验是通过浸水后的抗压强度和干燥抗压强度之比可得知混合料对水的敏感性。干燥抗压强度属于力学特征的范畴, 而压实度则是回转剪切压实试验的一个补充性指标。
劈裂试验。劈裂试验是将通过旋转剪切压实仪制作或者通过试验路取芯得到一批圆柱形试件。一部分试件在环境温度下保持干燥, 另一部分在40 下经过70h 排气后浸入水中。每组试件在15 温度下进行劈裂试验。通过浸水后的抗压强度和干燥抗压强度之比可以得知混合料对水的敏感性。目前法国的这种试验方法正在逐步的改进和修订过程中。
(3) 车辙试验
根据混合料的摊铺厚度是小于还是大于5cm , 试验体是一个5cm 或者10cm 厚的试件。在严格的温度条件下(60 ) , 在这个试验体上加载一个车轮的作用(频率:1H z, 荷载:5kN, 压力:600kPa) 。该试验
2009年第4期 柴福斌, 等:中、法沥青路面材料试验体系的差别
深度。相关的规定是针对在一定循环次数条件下的车辙百分比, 具体取决于材料的类型和等级。
(4) 模量试验
模量试验的目的是测定混合料的刚度, 一般是通过复合模量试验(在梯形试块上加正弦式的应力) 或直接拉伸试验(在圆柱体或者平行六面体试块上进行) 来测定。通过控制时间或者频率、温度、加载方式, 在较小变形的范围内加荷载。该试验针对每个基本试验进行模量(应力和变形的比值) 计算。按照时间-温度当量关系, 可以绘制出一定温度下的有效曲线。这样, 就可以了解在一个较宽的加载时间或频率波谱范围内混合料的性能表现。有关的规范是针对15 温度, 频率10H z, 或者加载时间0. 02s 的条件来规定的。
(5) 抗疲劳强度
疲劳试验是在一定的温度和一定的加载频率下, 使梯形试块受到一个恒定的应变。当所施加的用来保持指定应变的应力减小一半时, 则认为试块在相应循环次数的条件下遭到破坏。
该试验结果绘制在一幅lg /lg 线图上, 不同的成对参数(加载程度, 循环数, 直到试件破坏) 排列在一条疲劳度直线上。在1 106次循环下, 直线上所读出的加载极限值就是抗疲劳强度的特征值 6。
压实性、水稳性试验、热稳定性试验到刚度试验和疲劳试验, 整个的试验体系能够保证路面的各种功能性指标得到检验。而我国目前还没有将模量和疲劳等试验项目正式纳入沥青混合料配合比试验的范畴。
(4) 沥青混合料配合比试验方法与路面结构设计方法结合更加紧密
目前我国采用的路面结构设计和混合料设计是独立的两个体系。例如, 路面结构设计采用的力学指标包括:抗压弹性模量、泊松比、劈裂强度等, 而混合料配合比设计采用马歇尔指标, 其参数包括稳定度、流值和空隙率等。这种试验和结构设计分离的做法虽然可以简化试验方法, 但是却带来了一系列的问题, 这里不再赘述。而法国路面结构设计指标中的模量和疲劳等参数却都是直接来自于沥青混合料配合比设计。
国际上有各式各样的沥青混合料配合比设计方法, 目前美国和欧洲已经逐步采用新的材料试验体系逐步取代马歇尔方法。我国的许多大专院校和科研院所也在对国外的一些沥青路面配合比设计方法进行研究, 这些研究成果将为今后的沥青路面有关规范的修订工作提供参考。
参考文献:
[1] 阿尔及利亚东西高速公路中、西标段配合比试验报告
[R], 2008.
[2] M anuel L PC d aide la F or mulatio n des Enro b s
Chaud (L CPC 2005) , 2005.
[3] T 65-001(1999) -Sp cifications des Bitumes Routier s [4]
XP P 18-540(1997) -G ranulats -D finitio n, Confor mit , Sp cifications, 1997.
[5] Analyse et Com par aison des Essais de L abor atoire Cont
ext e No rmatif Euro p en (L CPC 2006) , 2006.
[6] F or mulatio n de Enr ob s du L abor at oir au Chant ier, ver s
l Euro pe (LCPC 2006) , 2006.
[7] No uv eaux M at r iel M L PC pour M odule et F atig ue des
Enro b s (L CPC 2006) , 2006.
[8] N F P 98-132(2000) -B to ns Bitumineux M inces, 2000. [9] N F P 98-140(1999) -Enr ob s M o dule ev , 1999. [10] NF P 98-141(1999) -B ton Bitumineux M odule
Elev , 1999.
[11] 张 超, 郑南翔. 路基路面试验检测技术[M ].北京:人
民交通出版社, 2004.
4 结语
法国沥青路面试验体系和我国相比有其独到之处, 尤其是沥青混合料配合比的试验项目和参数与国内存在较大的差别, 总体而言, 法国的沥青路面材料试验体系和中国相比具有以下主要特点:
(1) 在沥青和改性沥青方面
两个国家的试验项目基本相同, 只是法国更加重视聚合物改性沥青产品的低温性能, 另外对产品技术卡片的要求更加严格一些。
(2) 在集料试验方面
法国的集料试验体系和路面结构层的功能性要求结合得更加紧密, 各种集料的技术要求随着结构层的变化而变化。
(3) 沥青混合料配合比试验的针对性更强法国的沥青路面材料试验体系是一种针对路用性能的功能设计, 对于沥青混合料配合比试验, 从材料的