CN102432229B - 一种基于抗剪性能的沥青混合料配合比设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于抗剪性能的沥青混合料配合比设计方法，其特征在于它包括以下步骤：(1)确定设计的沥青混合料所在结构层的最大剪应力；(2)常规目标配合比设计阶段；(3)确定步骤(2)中设计的沥青混合料的抗剪强度；(4)确定沥青混合料的容许剪应力；(5)抗剪性能的验证。本发明的优越性在于在沥青混合料配合比设计中，提出沥青混合料抗剪设计指标，材料与结构一体化设计，针对性较强；在重载交通条件下，可以确定重载交通的设计荷载，突破标准荷载的限制，进行结构计算，确定路面结构受到的最大剪应力；再通过三轴剪切试验和结构分析，确定沥青混合料的容许剪应力；使设计的沥青混合料满足重载交通的需要，具有良好的抗剪性能。

Description

一种基于抗剪性能的沥青混合料配合比设计方法

(一)技术领域：

本发明涉及一种沥青混合料的配合比设计方法，尤其是一种基于抗剪性能的沥青混合料配合比设计方法。

(二)背景技术：

车辙是沥青路面主要损坏类型之一，沥青混合料需要具有良好的抗车辙能力以满足车辆荷载对路面结构剪应力的影响。《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)对于路面结构的设计指标仍局限于路表回弹弯沉值和各结构层的层底拉应力，没有将剪应力作为设计指标，应用于路面结构设计，只是在混合料设计时，根据不同的气候分区和沥青类型提出了动稳定度值，这个指标在一定程度上反应了沥青混合料的抗剪能力，但没有将混合料的剪切性能同结构设计联系在一起，不能有效的控制不同路面结构下沥青层的剪应力。

目前国内常用的沥青混合料配合比设计方法，没有系统的采用力学方法评价沥青混合料的抗剪性能，并同具体的路面结构联系在一起，提出抗剪设计指标，以控制沥青路面在设计年限内不发生剪切破坏。在现代交通条件下，尤其是重载交通对路面产生的影响，考虑不同的路面结构和荷载要求，设计满足具体交通荷载条件的沥青混合料，是非常必要的，也是减少路面病害，提高沥青路面使用性能的重要手段。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于抗剪性能的沥青混合料配合比设计方法，它能够解决现有技术的不足，将沥青混合料的剪切性能同路面结构设计联系起来，提出沥青路面抗剪设计指标，控制沥青混合料的剪切强度满足路面结构设计的要求，并控制沥青混合料在设计使用年限不发生剪切破坏。

本发明的技术方案：一种基于抗剪性能的沥青混合料配合比设计方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)确定设计的沥青混合料所在结构层的最大剪应力，通过路面结构力学分析，得到路面的最大剪应力τ_max：确定路面结构的设计参数，采用弹性层状体系理论，应用壳牌软件BISAR3.0计算结构层受到的最大剪应力；

(2)常规目标配合比设计阶段，采用Superpave配合比设计方法或马歇尔配合比设计方法进行沥青混合料配合比设计，使各项物理力学指标满足规范即JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求；

(3)确定步骤(2)中设计的沥青混合料的抗剪强度，通过三轴剪切试验得出沥青混合料的粘聚力c和内摩擦角φ，通过沥青混合料所在路面结构层的位置，计算路面实际受到的围压σ₃，根据公式

得出沥青混合料的抗剪强度；式中：τ_f为沥青混合料的抗剪强度，单位：kPa；σ₃为围压，根据路面的实际荷载情况计算确定，单位：kPa；

(4)确定沥青混合料的容许剪应力：结构层材料的容许剪应力是路面承受行车荷载反复作用达到临界破坏状态时的最大疲劳应力，这一应力较一次荷载作用的剪切强度小，减小的程度同重复荷载次数及路面结构层材料的性质有关，这种关系表示为：

式中：τ_R为路面结构层材料的容许剪应力，单位：Mpa；τ_SP为由试验确定的结构层材料的剪切强度，单位：Mpa；K_S为抗剪强度结构系数；

(5)抗剪性能的验证：若τ_max ≤τ_R，则沥青混合料的抗剪性能符合设计要求；否则，沥青混合料的抗剪性能不符合设计要求，通过调整级配和胶结料类型，使最后设计的沥青混合料满足抗剪要求。

所述步骤(3)中的三轴剪切试验的试验过程为：①成型试件，试件尺寸为直径为100mm，高为150mm的圆柱体，根据道路交通情况确定围压为0kPa、138kPa和276kPa，加载速度7.5mm/min；当轴向压力出现峰值后，停止试验；试验结束后，卸去轴向压力和围压，取出试件，对试件外观进行描述记录；各级围压的平行试验不少于3个；

②按公式

计算轴向应变ε₁，式中：ε₁为轴向应变，单位：％；Δh为试件压缩过程中垂直变形，单位：cm；h₀为试件初始高度，单位：cm；

③按公式

计算校正后的试件截面积Aa，式中：A_a为试件在压缩过程中实际截面积，单位：cm³；V₀为试件初始体积，单位：cm³；ΔV为试件在压缩过程中的体积变化，单位：cm³；

④按公式

计算最大主应力σ1，式中：σ₁为最大主应力，单位：kPa；σ₃为侧应力，即围压，单位：kPa；P为施加的轴向荷载，单位：N；

根据轴向应变-最大主应力曲线图，将其中最大主应力σ₁的最大值作为试件剪切破坏极限值；

⑤每个围压需要进行至少3个平行试验，取各个试件剪切破坏极限值的平均值作为每个围压下混合料的剪切破坏极限值σ_1max；根据公式 $S=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_V\×\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_L-\mathrm{n\Σ}({\mathrm{\σ}}_V\×{\mathrm{\σ}}_L)}{{\left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_L\right)}^2-\mathrm{n\Σ}{\mathrm{\σ}}_L^2},$ $I=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_L\×\mathrm{\Σ}\left({\mathrm{\σ}}_V{\mathrm{\σ}}_L\right)-\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_V\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_L^2}{{\left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_L\right)}^2-\mathrm{n\Σ}{\mathrm{\σ}}_L^2},$

及计算确定抗剪强度参数C、φ；式中：σ_V为位于直线上某一点的垂直压力，单位：MPa；σ_L为位于直线上某一点的侧压力，单位：MPa；

在标准荷载作用下，计算已知路面结构的σ₃和σ₁，根据三轴试验莫尔包络线示意图的几何关系(见图4)，计算沥青混合料的剪切强度τ_f，当

时，沥青混合料在一次荷载作用下不会发生剪切破坏；其中沥青混合料的剪切强度计算公式为：

所述步骤(4)表征结构层材料的抗剪强度因疲劳而降低的抗拉强度结构系数，是根据荷载应力与达到疲劳临界状态的荷载作用次数之间的关系的疲劳方程得到的；采用60℃的试验温度，10Hz的加载频率，选取不同混合料类型进行控制应力式疲劳试验，回归出沥青混合料的疲劳方程为：N_f＝171.106×(τ/τ₀)^-3.165，式中：τ为疲劳试验实际施加的最大剪应力，单位：Mpa；τ₀为极限剪应力，单位：Mpa；N_f为疲劳寿命，单位：次；

室内的疲劳剪切试验结果与道路上的实际情况有很大区别，需要对室内试验的结果进行修正和调整，修正时考虑的影响因素如下表：

修正时考虑的影响因素

影响因素	修正系数
		间歇时间的影响	7
裂缝传播速率的影响	40
		轮载横向分布的影响	0.57
不利季节天数的影响	60

通过

和N_f＝171.106×(τ/τ₀)^-3.165推导出：K_S＝0.011N_f ^0.316；考虑沥青混合料的级配和公路等级后得出：K_S＝0.011A_a·N_f ^0.316/A_c；式中：A_a为沥青混合料级配系数，细、中粒式沥青混凝土为1.0，粗粒式沥青混凝土为1.1；A_c为公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三、四级公路为1.2。

本发明的优越性：传统的沥青混合料配合比设计，没有考虑具体路面结构的交通荷载和交通量特征，只采用动稳定度作为验证指标，针对性不强；本发明在沥青混合料配合比设计中，考虑沥青混合料的抗剪性能，通过沥青混合料所在的具体路面结构层位，分析路面结构在实际荷载作用下的最大剪应力；同时结合具体路面结构的交通量，通过路面结构设计年限内的累计轴载作用次数和沥青混合料的抗剪强度，提出沥青混合料的容许剪应力，控制路面结构的最大剪应力小于沥青混合料的容许剪应力，使设计的沥青混合料在使用年限内不发生剪切破坏，有效控制车辙病害；在沥青混合料配合比设计中，提出沥青混合料抗剪设计指标，材料与结构一体化设计，针对性较强，尤其适用于重载交通沥青混合料配合比设计，在重载交通条件下，可以确定重载交通的设计荷载，突破标准荷载(100KN)的限制，进行结构计算，确定路面结构受到的最大剪应力，再通过三轴剪切试验和结构分析，确定沥青混合料的容许剪应力，使设计的沥青混合料满足重载交通的需要，具有良好的抗剪性能。

(四)附图说明：

图1本发明所涉一种基于抗剪性能的沥青混合料配合比设计方法的流程图。

图2为双圆均布垂直荷载作用图式。

图3为轴向应变-最大主应力曲线图。

图4为三轴试验莫尔包络线示意图。

(五)具体实施方式：

实施例：为某高速公路中面层设计沥青混合料配合比：

基于抗剪性能的沥青混合料配合比设计方法(见图1)，其特征在于它包括以下步骤：

(1)高速公路的路面结构如下表，设计年限内的累计轴载作用次数是2256万次/车道，设计轴载为100KN。

路面结构形式及材料参数取值

(2)确定设计的沥青混合料所在结构层的最大剪应力，通过路面结构力学分析，得到路面的最大剪应力τ_max：确定路面结构的设计参数，拟定路面结构为半无限空间弹性状态，各结构层层间均为连续状态，采用弹性层状体系进行结构计算(见图2)，应用壳牌软件BISAR3.0计算结构层受到的最大剪应力为0.228Mpa；

(3)常规目标配合比设计阶段，采用Superpave配合比设计方法或马歇尔配合比设计方法进行沥青混合料配合比设计，使各项物理力学指标满足规范即JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求：

中面层采用的混合料类型为SUP20，按照Superpave设计方法进行目标配合比设计，各项物理力学指标满足要求：

SU P20马歇尔试验技术指标表

浸水马歇尔稳定度试验结果

冻融劈裂试验结果

AASHTO T283试验结果

车辙试验结果汇总表

根据送样的集料、矿粉、沥青等原材料，按照美国Superpave沥青混合料设计标准进行配合比设计，得到的最佳沥青用量为4.5％(油石比为4.71％)，通过马歇尔验证，其空隙率、稳定度、流值均能满足我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的规定；通过浸水马歇尔试验可知，该级配抗水害性能良好；

(4)设计完成后，按照目标配合比的掺配比例，成型试件；进行三轴剪切试验，实测沥青混合料的c、φ；试验结果如表：

三轴剪切试验结果汇总表

通过沥青混合料所在路面结构层的位置，计算路面实际受到的围压σ₃＝154.1Kpa；根据公式

得出沥青混合料的抗剪强度为0.705MPa；式中：τ_f为沥青混合料的抗剪强度，单位：kPa；σ₃为围压，根据路面的实际荷载情况计算确定，单位：kPa；

(5)确定沥青混合料的容许剪应力：结构层材料的容许剪应力是路面承受行车荷载反复作用达到临界破坏状态时的最大疲劳应力，这一应力较一次荷载作用的剪切强度小，减小的程度同重复荷载次数及路面结构层材料的性质有关，这种关系表示为：

式中：τ_R为路面结构层材料的容许剪应力，单位：Mpa；τ_SP为由试验确定的结构层材料的剪切强度，单位：Mpa；K_S为抗剪强度结构系数；通过计算容许剪应力τ_R为0.304Mpa；

所述表征结构层材料的抗剪强度因疲劳而降低的抗拉强度结构系数，是根据荷载应力与达到疲劳临界状态的荷载作用次数之间的关系的疲劳方程得到的；采用60℃的试验温度，10Hz的加载频率，选取不同混合料类型进行控制应力式疲劳试验，回归出沥青混合料的疲劳方程为：N_f＝171.106×(τ/τ₀)^-3.165，式中：τ为疲劳试验实际施加的最大剪应力，单位：Mpa；τ₀为极限剪应力，单位：Mpa；N_f为疲劳寿命，单位：次；

室内的疲劳剪切试验结果与道路上的实际情况有很大区别，需要对室内试验的结果进行修正和调整，修正时考虑的影响因素如下表：

修正时考虑的影响因素

影响因素	修正系数
		间歇时间的影响	7
裂缝传播速率的影响	40
		轮载横向分布的影响	0.57
不利季节天数的影响	60

通过

和N_f＝171.106×(τ/τ₀)^-3.165推导出：K_S＝0.011N_f ^0.316；考虑沥青混合料的级配和公路等级后得出：K_S＝0.011A_a·N_f ^0.316/A_c；式中：A_a为沥青混合料级配系数，细、中粒式沥青混凝土为1.0，粗粒式沥青混凝土为1.1；A_c为公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三、四级公路为1.2；设计年限内的累计轴载作用次数是2256万次/车道，根据K_S＝0.011A_a·N_f ^0.316/A_c确定抗剪强度结构系数K_s＝2.318；

(6)抗剪性能的验证：τ_max为0.228Mpa，τ_R为0.304MPa，τ_max＜τ_R，则设计的SUP20沥青混合料剪切强度满足设计要求；

(7)提交沥青混合料配合比设计结果：

混合料级配明细表

10～20mm∶5～10mm∶3～5mm∶机制砂∶矿粉＝40％∶18％∶2％∶36％∶4％。

所述三轴剪切试验的试验过程为：①成型试件，试件尺寸为直径为100mm，高为150mm的圆柱体，根据道路交通情况确定围压为0kPa、138kPa和276kPa，加载速度7.5mm/min；当轴向压力出现峰值后，停止试验；试验结束后，卸去轴向压力和围压，取出试件，对试件外观进行描述记录；

②按公式

计算轴向应变ε₁，式中：ε₁为轴向应变，单位：％；Δh为试件压缩过程中垂直变形，单位：cm；h₀为试件初始高度，单位：cm；

③按公式

计算校正后的试件截面积Aa，式中：A_a为试件在压缩过程中实际截面积，单位：cm³；V₀为试件初始体积，单位：cm³；ΔV为试件在压缩过程中的体积变化，单位：cm³；

④按公式

计算最大主应力σ1，式中：σ₁为最大主应力，单位：kPa；σ₃为侧应力，即围压，单位：kPa；P为施加的轴向荷载，单位：N；

根据轴向应变-最大主应力曲线图(见图3)将其中最大主应力σ₁的最大值作为试件剪切破坏极限值；

⑤每个围压需要进行3个平行试验，取3个试件剪切破坏极限值的平均值作为每个围压下混合料的剪切破坏极限值σ_1max；根据公式 $S=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_V\×\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_L-\mathrm{n\Σ}({\mathrm{\σ}}_V\×{\mathrm{\σ}}_L)}{{\left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_L\right)}^2-\mathrm{n\Σ}{\mathrm{\σ}}_L^2},$ $I=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_L\×\mathrm{\Σ}\left({\mathrm{\σ}}_V{\mathrm{\σ}}_L\right)-\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_V\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_L^2}{{\left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_L\right)}^2-\mathrm{n\Σ}{\mathrm{\σ}}_L^2},$ $c=\frac{I}{2\sqrt{S}}$ 及

计算确定抗剪强度参数C、φ；式中：σ_V为位于直线上某一点的垂直压力，单位：MPa；σ_L为位于直线上某一点的侧压力，单位：MPa；

在标准荷载作用下，计算已知路面结构的σ₃和σ₁，根据三轴试验莫尔包络线示意图的几何关系(见图4)，计算沥青混合料的剪切强度τ_f，当

时，沥青混合料在一次荷载作用下不会发生剪切破坏；

Claims (1)

1.一种基于抗剪性能的沥青混合料配合比设计方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）确定设计的沥青混合料所在结构层的最大剪应力,通过路面结构力学分析，得到路面的最大剪应力τ_max：确定路面结构的设计参数，采用弹性层状体系理论，应用壳牌软件BISAR3.0计算结构层受到的最大剪应力；

（2）常规目标配合比设计阶段，采用Superpave配合比设计方法或马歇尔配合比设计方法进行沥青混合料配合比设计，使各项物理力学指标满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求；

（3）确定步骤（2）中设计的沥青混合料的抗剪强度，通过三轴剪切试验得出沥青混合料的粘聚力c和内摩擦角φ，通过沥青混合料所在路面结构层的位置，计算路面实际受到的围压σ₃，根据公式得出沥青混合料的抗剪强度；式中：τ_f为沥青混合料的抗剪强度，单位：kPa；σ₃为围压，根据路面的实际荷载情况计算确定，单位：kPa；

（4）确定沥青混合料的容许剪应力：结构层材料的容许剪应力是路面承受行车荷载反复作用达到临界破坏状态时的最大疲劳应力，这一应力较一次荷载作用的剪切强度小，减小的程度同重复荷载次数及路面结构层材料的性质有关，这种关系表示为：

式中：τ_R为路面结构层材料的容许剪应力，单位：MPa；τ_SP为由试验确定的结构层材料的剪切强度，单位：MPa；K_S为抗剪强度结构系数；

（5）抗剪性能的验证：若τ_max≤τ_R，则沥青混合料的抗剪性能符合设计要求；否则，沥青混合料的抗剪性能不符合设计要求，通过调整级配和胶结料类型，使最后设计的沥青混合料满足抗剪要求；

所述步骤（3）中的三轴剪切试验的试验过程为：①成型试件，试件尺寸为直径为100mm,高为150mm的圆柱体，根据道路交通情况确定围压为0kPa、138kPa和276kPa，加载速度7.5mm/min；当轴向压力出现峰值后，停止试验；试验结束后，卸去轴向压力和围压，取出试件，对试件外观进行描述记录；各级围压的平行试验不少于3个；

②按公式

计算轴向应变ε₁，式中：ε₁为轴向应变，单位：％；△h为试件压缩过程中垂直变形，单位：cm；h₀为试件初始高度，单位：cm；

③按公式

计算校正后的试件截面积A_a，式中：A_a为试件在压缩过程中实际截面积，单位：cm³；V₀为试件初始体积，单位：cm³；ΔV为试件在压缩过程中的体积变化，单位：cm³；

④按公式

计算最大主应力σ₁，式中：σ₁为最大主应力，单位：kPa；σ₃为侧应力，即围压，单位：kPa；P为施加的轴向荷载，单位：N；

根据轴向应变－最大主应力曲线图，将其中最大主应力σ₁的最大值作为试件剪切破坏极限值；

⑤每个围压需要进行至少3个平行试验，取各个试件剪切破坏极限值的平均值作为每个围压下混合料的剪切破坏极限值σ_1max；根据公式 $S=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_V\×\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_L-\mathrm{n\Σ}({\mathrm{\σ}}_V\×{\mathrm{\σ}}_L)}{{\left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_L\right)}^2-\mathrm{n\Σ}{\mathrm{\σ}}_L^2},I=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_L\×\mathrm{\Σ}\left({\mathrm{\σ}}_V{\mathrm{\σ}}_L\right)-\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_V\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_L^2}{{\left(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\σ}}_L\right)}^2-\mathrm{n\Σ}{\mathrm{\σ}}_L^2},c=\frac{1}{2\sqrt{s}}$ 及

计算确定抗剪强度参数C、φ；式中：σ_V为位于直线上某一点的垂直压力，单位：MPa；σ_L为位于直线上某一点的侧压力，单位：MPa；

在标准荷载作用下，计算已知路面结构的σ₃和σ₁，根据三轴试验莫尔包络线示意图的几何关系，计算沥青混合料的剪切强度τ_f，当时，沥青混合料在一次荷载作用下不会发生剪切破坏；

所述步骤（4）表征结构层材料的抗剪强度因疲劳而降低的抗拉强度结构系数，是根据荷载应力与达到疲劳临界状态的荷载作用次数之间的关系的疲劳方程得到的；采用60℃的试验温度，10Hz的加载频率，选取不同混合料类型进行控制应力式疲劳试验，回归出沥青混合料的疲劳方程为：N_f=171.106×(τ/τ₀)^-3.165，式中：τ为疲劳试验实际施加的最大剪应力，单位：MPa；τ₀为极限剪应力，单位：MPa；N_f为疲劳寿命，单位：次；

室内的疲劳剪切试验结果与道路上的实际情况有很大区别，需要对室内试验的结果进行修正和调整，修正时考虑的影响因素如下表：

修正时考虑的影响因素

影响因素 修正系数 间歇时间的影响 7 裂缝传播速率的影响 40 轮载横向分布的影响 0.57 不利季节天数的影响 60

通过

和N_f=171.106×(τ/τ₀)^-3.165推导出：K_S=0.011N_f ^0.316；考虑沥青混合料的级配和公路等级后得出：K_S=0.011A_a·N_f ^0.316/A_c；式中：A_a为沥青混合料级配系数，细、中粒式沥青混凝土为1.0，粗粒式沥青混凝土为1.1；A_c为公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三、四级公路为1.2。

Images