第一章 緒 論

1.1 論文研究目的及意義
采用半剛性基層雖然可以增強(qiáng)路面承載力，為面層提供穩(wěn)定的支承，使瀝青面層行車舒適性得到充分發(fā)揮。但是，由于材料性能的原因，半剛性基層路面在使用過(guò)程中普遍存在龜裂、反射裂縫、車轍、沖刷等病害現(xiàn)象，其中開(kāi)裂是半剛性基層典型的病害型式，一直的得不到根本解決[1-5]。為了減少半剛性基層瀝青路面反射裂縫，近年來(lái)國(guó)內(nèi)一些省份在公路建設(shè)中開(kāi)始使用柔性基層，由于瀝青價(jià)格較高，柔性基層瀝青路面建設(shè)費(fèi)用與半剛性基層路面相比大幅上揚(yáng)，且國(guó)內(nèi)對(duì)于柔性基層瀝青路面車轍問(wèn)題研究不足，缺乏科學(xué)的技術(shù)規(guī)范。因此，柔性聯(lián)結(jié)層和半剛性基層相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式成為目前較為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)組合型式。其上層為瀝青穩(wěn)定碎石柔性層、下層為半剛性基層，既具有半剛性基層強(qiáng)度高、承載能力大的優(yōu)點(diǎn)，又可以發(fā)揮柔性層良好的抗變形和抗開(kāi)裂能力，同時(shí)也降低了路面建設(shè)費(fèi)用[6-8]。

目前，我國(guó)柔性聯(lián)接層主要采用瀝青穩(wěn)定碎石（ATB），ATB 瀝青穩(wěn)定碎石混合料粒徑較大，其最大公稱粒徑在 25~63mm 之間。下面層和基層的瀝青穩(wěn)定碎石空隙率在 3%~6%之間，用于基層的嵌擠骨架－空隙型瀝青穩(wěn)定碎石空隙率在 15%以上。作為柔性結(jié)構(gòu)層，瀝青穩(wěn)定碎石具有較強(qiáng)的變形能力；同時(shí)可以有效降低路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力集中，減少瀝青路面反射裂縫的發(fā)生，提高路面使用性能[9-11]。我國(guó)對(duì)于瀝青穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)施工等方面的研究尚處于起步階段，但由于其良好的使用性能，各地在公路建設(shè)中對(duì)于穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層的研究和應(yīng)用逐漸增多。在今后的公路建設(shè)中，瀝青穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層將成為高等級(jí)公路的主要路面結(jié)構(gòu)層之一，具有良好的應(yīng)用前景。因此，對(duì)瀝青穩(wěn)定碎結(jié)構(gòu)層的混合料的設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)性能要求、施工質(zhì)量控制措施等方面進(jìn)行深入研究對(duì)于該結(jié)構(gòu)的推廣具有重要意義[12-20]。

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1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
國(guó)外在對(duì)于柔性基層路面的應(yīng)用相對(duì)較早，美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、澳大利亞等國(guó)家都形成了柔性基層路面技術(shù)規(guī)范。目前，國(guó)外采用的柔性路面結(jié)構(gòu)形式主要有兩種。一種是柔性基層瀝青路面，其面層和上基層均采用瀝青混合料，下基層采用級(jí)配碎石；另一種是柔性組合式路面，其面層和上基層采用瀝青混合料，下基層采用無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層，或在半剛性基層與瀝青面層之間設(shè)置級(jí)配碎石層[21-23]。
1949 年，在北約克郡修建了多個(gè)試驗(yàn)段，用于比較瀝青碎石基層和級(jí)配碎石基層性能的差異性。1957 年在劍橋郡鋪筑的試驗(yàn)路包括了 33 種柔性路面結(jié)構(gòu)，比較了級(jí)配碎石、貧混凝土、瀝青碎石、瀝青混凝土和水泥膠結(jié)砂基層的使用性能。結(jié)果表明，瀝青混凝土基層路用性能最優(yōu)，開(kāi)級(jí)配瀝青碎石次之，級(jí)配碎石和膠結(jié)砂的路用性能較差[24]。1956~1960 年間，美國(guó)各州公路工作者協(xié)會(huì)(AASHO)進(jìn)行了著名的AASHO 試驗(yàn)路研究。在該項(xiàng)研究中對(duì)比了碎石基層、礫石基層、水泥穩(wěn)定基層和瀝青穩(wěn)定基層的使用性能。結(jié)果表明，瀝青穩(wěn)定基層路面的使用性能明顯優(yōu)于水泥穩(wěn)定類基層[25-28]。
20 世紀(jì) 70 年代初期，德國(guó)在路面設(shè)計(jì)中采用了全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)，解決重載交通對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成的損害問(wèn)題。并在這一時(shí)期內(nèi)修建了多條試驗(yàn)路，對(duì)比分析了傳統(tǒng)瀝青路面結(jié)構(gòu)與全厚式瀝青路面的使用性能。結(jié)果表明，全厚式瀝青路面具有更好的路用性能。1973 年，加拿大亞伯達(dá)省修建了兩段全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)，并對(duì)不同交通荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行了檢測(cè)，分析了路面在交通、環(huán)境和結(jié)構(gòu)共同作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和彎沉，為制定路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提供了科學(xué)依據(jù)。20 世紀(jì) 70 年代中期，俄亥俄州進(jìn)行了全厚式瀝青路面力學(xué)性能的系統(tǒng)研究。進(jìn)行了大量的疲勞試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，確定了瀝青面層材料和瀝青穩(wěn)定基層材料的結(jié)構(gòu)系數(shù)分別為 0.45 和 0.40。
加拿大氣高速公路瀝青路面多采用瀝青穩(wěn)定碎石基層，其混合料粒徑較小，厚度一般為 15~35cm，瀝青穩(wěn)定碎石混合料設(shè)計(jì)方法與瀝青混合料較為相似，僅減小了填料和瀝青用量。丹麥、挪威、芬蘭、瑞典等國(guó)家很少使用半剛性基層，其高速公路大多采用瀝青穩(wěn)定碎石基層，由于處于潮濕、冰凍氣候區(qū)，其路面結(jié)構(gòu)中瀝青面層厚度和基層厚度較大。意大利、西班牙等國(guó)家高速公路以柔性基層瀝青路面為主，尤其是交通量較大時(shí)，普遍采用瀝青穩(wěn)定碎石基層，底基層采用半剛性材料。意大利的典型路面結(jié)構(gòu)是 20cm 半剛性底基層+20~35cm 瀝青層，西班牙的典型路面結(jié)構(gòu)是20cm 半剛性底基層+22~40cm 瀝青層。

Robert 基于斷裂力學(xué)理論建立了瀝青路面溫度疲勞計(jì)算模型，分析了路面結(jié)構(gòu)溫度分布梯度，對(duì)路面溫度疲勞開(kāi)裂進(jìn)行了預(yù)估，提出了基于溫度疲勞開(kāi)裂的瀝青路面設(shè)計(jì)方法[29]。Doh,Young 建立了瀝青路面疲勞壽命預(yù)估模型，采用多項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)瀝青路面抗裂性能進(jìn)行了分析，對(duì)比評(píng)價(jià)了不同類型瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層的抗反射裂縫性能[30]。Kumara 等建立了車輛荷載作用下的瀝青路面開(kāi)裂狀況預(yù)估模型，并采用馬爾科夫數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)隨機(jī)荷載作用下裂縫的概率分布特性，提出了瀝青路面隨機(jī)開(kāi)裂預(yù)估方法，揭示了車輛荷載作用下路面裂縫的發(fā)展過(guò)程[31]。Goagofou 通過(guò)建立能夠表征結(jié)構(gòu)開(kāi)裂行為的數(shù)學(xué)模型，來(lái)預(yù)測(cè)車輛荷載及溫度共同作用下路面裂縫的發(fā)展規(guī)律，從而確定阻止路面裂縫的方法。

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第二章 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法和建模理論

2.1 馬歇爾設(shè)計(jì)方法
目前，多采用馬歇爾方法進(jìn)行瀝青混合料設(shè)計(jì)，該方法最早由BruceMarshall發(fā)明，美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)對(duì)此方法進(jìn)行了改進(jìn)和完善。馬歇爾方法被世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法之一，但該設(shè)計(jì)方法屬于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，無(wú)法滿足交通量和軸載迅速增長(zhǎng)、新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)對(duì)瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)的需求。越來(lái)越多的工程技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)通過(guò)馬歇爾方法得到的瀝青混合料，其體積指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)不能較真實(shí)地反映實(shí)際路面的使用性能。其原因包括：一、由于馬歇爾方法以擊實(shí)成型試件，不能真實(shí)體現(xiàn)壓路機(jī)、行駛車輛對(duì)瀝青混凝土路面的揉搓、碾壓作用；二、由于馬歇爾擊實(shí)儀僅為垂直作用，其擊實(shí)功不足，而僅以增加擊實(shí)次數(shù)提高擊實(shí)功，則在擊實(shí)過(guò)程中容易把試件表層的集料擊碎，與施工過(guò)程和實(shí)際使用狀態(tài)下的瀝青路面所承受的作用力差異顯著。此外，馬歇爾方法采用擊實(shí)成型存在的局限性如下[42]。
（1）混合料合計(jì)與路面設(shè)計(jì)不掛鉤
現(xiàn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或有限的試驗(yàn)確定材料的各種模量，用彈性層狀理論分析各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力、應(yīng)變、位移、總彎沉，以滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即先進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再進(jìn)行瀝青混合料的設(shè)計(jì)。混合料設(shè)計(jì)后的材料參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)時(shí)的取值，未進(jìn)行檢驗(yàn)，也就是說(shuō)混合料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚未相結(jié)合考慮。正確的方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定路面結(jié)構(gòu)后，進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定瀝青混合料的各項(xiàng)指標(biāo)，以此作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)。
（2）無(wú)法判斷交通量對(duì)瀝青混合料的技術(shù)要求
馬歇爾方法僅根據(jù)所計(jì)算的交通量大小分成三種，即輕、中、重交通，三種不同的交通量水平是根據(jù)在成型試件時(shí)采用不同的擊實(shí)次數(shù)，據(jù)此要求瀝青混合料響應(yīng)的體積特性，該劃分結(jié)果過(guò)于簡(jiǎn)單。
（3）試件成型方法無(wú)法匹配行車壓實(shí)過(guò)程
馬歇爾設(shè)計(jì)方法中試件采用擊實(shí)方法成型，該方法具有一定的弊端：一、擊實(shí)方法很容易將試件內(nèi)部的集料擊碎，特別是位于試件表層的集料，因此改變了混合料的原有級(jí)配；二、擊實(shí)方法無(wú)法對(duì)應(yīng)壓路機(jī)和行車的搓揉、碾壓。美國(guó)SHRP計(jì)劃對(duì)四種不同試件（分別為旋轉(zhuǎn)壓實(shí)、輪碾壓實(shí)、馬歇爾擊實(shí)、路面鉆芯試件）進(jìn)行工程性質(zhì)的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)馬歇爾擊實(shí)試件與路面鉆芯試件工程性質(zhì)的相關(guān)性最差。
（4）聚合物改性瀝青混合料的適用性較差

現(xiàn)行馬歇爾試件的體積指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)主要是針對(duì)密級(jí)配普通瀝青混合料提出的。若使用改性瀝青混合料，增加較小的荷載，則常常出現(xiàn)馬歇爾試件變形持續(xù)增大的現(xiàn)象。對(duì)于此類問(wèn)題的處理不能簡(jiǎn)單將規(guī)范值放大或放小，應(yīng)進(jìn)行深入的研究。

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2.2 Superpave 設(shè)計(jì)方法
Superpave（Superior Performing Asphalt Pavement）混合料設(shè)計(jì)方法體系是美國(guó)SHAP（Strategic Highway Research Program）計(jì)劃的主要研究成果之一。Sperpave混合料設(shè)計(jì)包括三個(gè)水準(zhǔn)：混合料體積設(shè)計(jì)，以旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，并根據(jù)體積設(shè)計(jì)要求確定瀝青用量；混合料中等路面性能水平設(shè)計(jì)，以混合料體積設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，以SST和IDT試驗(yàn)預(yù)測(cè)性能；混合料最高路面性能水平設(shè)計(jì)，以混合料體積設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，附加較寬溫度范圍的SST和IDT試驗(yàn)。

對(duì)于瀝青結(jié)合料，采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱模擬瀝青混合料在拌和和攤鋪中的老化；采用壓力老化容器模擬瀝青在路面使用中的老化。對(duì)于集料，在進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，采用控制點(diǎn)和限制區(qū)來(lái)限定。對(duì)于瀝青混合料，在拌好后，采用短期老化模擬瀝青混合料在拌和攤鋪壓實(shí)中的老化。Superpave混合料體積設(shè)計(jì)根據(jù)瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率、瀝青填隙率等體積特性進(jìn)行熱拌瀝青混合料設(shè)計(jì)的，主要有材料選擇、混合料拌和、體積分析以及混合料性能驗(yàn)證。Suerpave瀝青混合料體積設(shè)計(jì)法對(duì)材料、集料級(jí)配、混合料均有嚴(yán)格的規(guī)定，并制定了相應(yīng)的規(guī)范，包括膠結(jié)料規(guī)范、集料規(guī)范、混合料規(guī)范。

2.2.1 Superpave 瀝青混合料的特點(diǎn)

Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件和對(duì)于混合料的力學(xué)性能測(cè)試，試件的尺寸與馬歇爾擊實(shí)方法成型的試件相差很大，其直徑為150mm，該設(shè)計(jì)方法引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的瀝青混合料一般具有級(jí)配連續(xù)、骨料嵌擠、結(jié)構(gòu)密實(shí)的特點(diǎn)。此外，Superpave瀝青混合料還具備以下特點(diǎn)：
（1）良好的內(nèi)摩阻力和穩(wěn)定性，顯著改善了抗高溫車轍能力；（2）良好的密實(shí)性，在充分壓實(shí)的情況下可以得到較為理想的空隙率，增強(qiáng)了抗水損壞的能力；（3）混合料施工方面有一定的特殊性，高溫壓實(shí)時(shí)混合料穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)推擠和波浪現(xiàn)象，但壓實(shí)相對(duì)困難。
2.2.2 Superpave 設(shè)計(jì)流程

Superpave 瀝青混合料設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖 2.1，Superpave 級(jí)配設(shè)計(jì)的 S 級(jí)配見(jiàn)表2.1。

隨著交通條件和車速的提高，新材料、新結(jié)構(gòu)等的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)方法的馬歇爾設(shè)計(jì)方法存在的問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，而Superpave技術(shù)自引入我國(guó)，得到了廣泛關(guān)注的同時(shí)，我國(guó)的該領(lǐng)域研究人員展開(kāi)了卓有成效的研究工作，并取得了卓越的研究成果，部分研究成果已經(jīng)寫入《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》、《公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》、施工規(guī)范等，說(shuō)明Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)方法具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

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第三章 ATB-30 混合料配合比設(shè)計(jì)與路用性能測(cè)試.............22
3.1 原材料選擇..........................................22
3.1.1 瀝青..............................................22
3.1.2 粗集料............................................22
第四章 ATB-30 瀝青混合料細(xì)觀模型的構(gòu)建及力學(xué)分析........36
4.1ATB-30 級(jí)配確定........................................36
4.2ATB-30 下面層力學(xué)分析.................................37
4.2.1 細(xì)觀模型的構(gòu)建.....................................37
第五章 ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石的施工工藝......................53
5.1 準(zhǔn)備工作.............................................53

5.2ATB-30 的拌和與運(yùn)輸....................................54

第五章 ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石的施工工藝

在某高速公路路面設(shè)計(jì)中，下面層采用 ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石，大粒徑混合料在施工工程中容易發(fā)生離析，影響路面施工質(zhì)量，因此，ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石下面層施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，避免混合料在施工過(guò)程在發(fā)生離析，提高路面施工質(zhì)量和使用性能，本章對(duì) ATB-30 的施工技術(shù)和質(zhì)量控制進(jìn)行研究。

5.1 準(zhǔn)備工作
1、集料
（1）按照配合比設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)備各種規(guī)格的集料。對(duì)不同料場(chǎng)、不同批次的集料應(yīng)進(jìn)行篩分試驗(yàn)，不同規(guī)格集料應(yīng)分類堆放，相同規(guī)格、不同料源的集料也應(yīng)分開(kāi)堆放，所有集料都應(yīng)進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，滿足設(shè)計(jì)要求。
（2）集料對(duì)方場(chǎng)地應(yīng)清潔、干燥、排水良好，場(chǎng)地應(yīng)設(shè)置硬質(zhì)鋪面，集料試驗(yàn)前應(yīng)充分烘干。
（3）集料對(duì)方時(shí)應(yīng)采用分層堆放的方法，備料時(shí)逐層向上堆放，避免集料發(fā)生離析。
2、瀝青
瀝青應(yīng)按照品種、標(biāo)號(hào)分類存放。瀝青存貯溫度不低于130℃，最高不超過(guò)170℃。瀝青在運(yùn)輸和存放過(guò)程中應(yīng)采取防水措施。改性瀝青宜貯存在可加熱與保溫的貯藏罐中，貯存溫度取決于瀝青類型和等級(jí)，如果停止使用，改性瀝青貯存溫度應(yīng)低于150℃。若停用時(shí)間超過(guò)3周，貯存溫度應(yīng)低于135℃。重新使用時(shí)應(yīng)緩慢加熱至使用溫度，加熱過(guò)程中不斷進(jìn)行攪拌避免局部過(guò)熱和瀝青老化。
3、施工機(jī)械和檢測(cè)儀器的準(zhǔn)備
施工前應(yīng)檢查瀝青混合料生產(chǎn)、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓設(shè)備是否齊全，并進(jìn)行校驗(yàn)。保證機(jī)械設(shè)備能夠良好運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)應(yīng)配備符合規(guī)定要求的質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備，檢查儀器設(shè)備是否損壞。
4、準(zhǔn)備下承層

瀝青混合料下面層鋪筑前，應(yīng)檢查其下承層的施工質(zhì)量是否滿足要求，保證層間界面接觸狀態(tài)良好。

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第六章 主要結(jié)論及建議

6.1 主要結(jié)論
本文針對(duì) ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石混合料目前應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，對(duì)ATB-30 瀝青穩(wěn)定碎石級(jí)配組成設(shè)計(jì)、路用性能、細(xì)觀力學(xué)性能及施工質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為瀝青穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供科學(xué)參考。得出的主要研究結(jié)論如下：
（1）分析了馬歇爾設(shè)計(jì)方法隨著目前道路交通量的發(fā)展、使用性能的提高該方法已凸顯其局限性，引出了 Superpave 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法，確定了ATB-30 下面層的配合比設(shè)計(jì)方法。介紹了用于構(gòu)建瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)、并用于分析瀝青混合料內(nèi)部相互作用機(jī)理的離散元方法的相關(guān)理論。
（2）結(jié)合依托工程具體情況選擇了ATB-30混合料所用原材料，并進(jìn)行了配合比組成設(shè)計(jì)，確定了最佳油石比為3.5%。
（3）對(duì)ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石混合料路用性能進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石下面層具有良好的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性。
（4）利用離散元方法生成了二維ATB-30下面層細(xì)觀模型，在施加標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，追蹤了荷載作用位置處的接觸力、顆粒位移。構(gòu)建了5cmAC-13上面層+7cmAC-20中面層+10cmATB-30下面層的路面結(jié)構(gòu)，并追蹤了施加標(biāo)準(zhǔn)軸載后路面結(jié)構(gòu)的細(xì)觀響應(yīng)。

（5）確定了不同階段ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石混合料施工溫度控制范圍，提出了ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石混合料的施工工藝及施工質(zhì)量控制措施。

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6.2 進(jìn)一步研究建議
1、對(duì)ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石混合料在施工過(guò)程中材料的離析研究不夠系統(tǒng)，需進(jìn)一步提出施工各階段防止離析的具體措施。

2、對(duì)ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石混合料路面的長(zhǎng)期性能缺乏觀測(cè)和評(píng)價(jià)，在后續(xù)研究中可通過(guò)預(yù)埋傳感器、無(wú)損檢測(cè)等方法進(jìn)行深入觀測(cè)。

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參考文獻(xiàn)（略）

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本文編號(hào)：38240