CN102828455A - 一种高性能级配碎石混合料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高性能级配碎石混合料，其由以下重量百分比的组份构成：级配碎石：93.5-95.95%；路用纤维：0.05-0.15%；饮用水：4.0-5.0%。一种权利要求1所述的高性能级配碎石混合料的制备方法，其步骤为：将所用的集料按照全筛孔从0.075mm～31.5mm逐级筛分，将集料从大到小分成单档材料，采用具有如表1中级配范围的级配碎石：将上述级配碎石搅拌均匀；人工或机械投入路用纤维；振动击实法分别确定级配碎石混合料的最佳含水量和最大干密度；加入最佳含水量的水，搅拌均匀，即得到级配碎石混合料成品。本发明的高性能级配碎石混合料显著提高级配碎石柔性路面的高温抗车辙能力，降低重载车辆和大流量交通负荷对沥青路面的损害，有效延长沥青路面使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于路面材料领域，特别是一种高性能级配碎石混合料及其制备方法。
背景技术
半刚性基层沥青路面结构是有其长期的历史发展过程的，为我国沥青路面的发展做出了巨大贡献的。我国目前90%以上的高等级路面都是采用的半刚性基层沥青路面结构形式。半刚性基层在其优点的背后，也有不少缺点，有些是无法克服的：
（1）半刚性基层的收缩开裂及由此引起沥青路面的反射性裂缝程度不同地存在。裂缝的存在导致两种后果，首先是裂缝中进水，导致沥青层和基层界面条件的变化，使基层、底基层、路基的水分状况恶化，承载能力迅速降低，表面产生水力冲刷，出现灰浆，并形成裂缝处唧浆、坑槽；第二是车轮从裂缝的一侧经过到达裂缝的另一侧时，荷载变化不再连续，使路面裂缝两侧发生大的应力突变，还形成很大的上下剪切和表面受拉。
（2）半刚性基层非常致密，它基本上是不透水或者渗水性很差的材料。水从各种途径进入路面并到达基层后，不能从基层迅速排走，只能沿沥青层和基层的界面扩散、积聚。水进入沥青路面是不可避免的，如不能及时排走就将造成危害。界面上水的存在改变了界面连续的边界条件，使路面的受力状态变得十分不利，成为导致路面破坏的直接原因。所以都称“水”是造成沥青路面损坏的“元凶”，半刚性基层沥青路面的内部排水性能差是其致命的弱点。
（3）半刚性基层有很好的整体性，但是在使用过程中，半刚性基层材料的强度、模量会由于干湿和冻融循环、在反复荷载的作用下因疲劳而逐渐衰减。
（4）半刚性基层沥青路面对重载车来说具有更大的轴载敏感性。重载车换算为标准轴载时，对柔性基层通常是按4次方换算，而对半刚性基层来说，随着基层和沥青层的模量比的增大，换算荷载的次方数将不再是4次方，很可能是12-15次方。轴载加大1倍，对柔性基层的换算轴次是增大16倍，而对半刚性基层可能要变为数十万次。也就是说，同样的超载车对半刚性基层沥青路面的危害要远大于对柔性基层沥青路面的危害，对路面的损伤也大得多。
（5）半刚性基层损坏后没有愈合的能力，且无法进行修补。基层一旦破坏，便无可救药，除了挖除重建，别无他法。这将给沥青路面的维修养护造成很大的困难。通常所说进行“补强”实际上是不现实的，也是不可能的。在半刚性基层加铺基层也不能结合成为整体。
级配碎石在我国高速公路的建设中作为柔性基层的一种重要材料形式从20世纪70年代就已开始研究并应用。我国公路建设正处在一个大规模建设高等级公路的发展时期，大交通量和重载车辆的日益增多，必然对公路路面结构的强度和稳定性提出更高的要求，同时使用者对行车速度和舒适性的要求也在不断提高。无论是作为半刚性基层与沥青面层之间的过渡层还是作为柔性路面的基层，级配碎石都将是一种非常有潜力的路面材料。级配碎石的主要优点有：①吸收和消减了半刚性基层尖端应力，减少和延缓了反射裂缝的发生。②级配碎石基层能起到路面排水基层的作用，对进一步改善高等级公路路面使用品质，延长使用寿命极为重要。③如设置级配碎石结构层于半刚性基层之上，级配碎石易获得高的密实度，同时较高刚度的下卧层有利于其上碎石基层力学性能的充分发挥。总之，推广级配碎石柔性路面技术可以矫正原有路面材料的缺陷，改变目前我国千篇一律的半刚性基层沥青路面结构形式改造原有路面的结构，并解决由此引发的各种病害，丰富我国的道路结构方式，提高道路承载力和延长使用寿命，节约成本，符合我国经济发展的战略方针和规划要求。
经过研究，级配碎石能够有效防止或减少半刚性基层反射裂缝，同时级配碎石基层还具有良好的排水功能。这种结构既发挥了半刚性基层沥青路面高强度的优点，又克服了半刚性基层沥青路面结构的缺点。
级配碎石柔性路面技术可以改变目前我国千篇一律的半刚性基层沥青路面结构形式，改造原有路面的结构，并解决由此引发的各种病害，丰富我国的道路结构方式，提高道路承载力和延长使用寿命，节约造价，符合我国经济发展的战略方针和规划要求。
但是级配碎石刚度较低，制约其大面积推广就是因为级配碎石具有较大的塑性变形，导致其上的沥青面层容易出现车辙。致使沥青路面容易因重载车辆和大流量交通造成损坏，缩短路面使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高性能级配碎石混合料及其制备方法，其可有效降低重载车辆和大流量交通负荷对沥青路面的损害，有效延长沥青路面使用寿命。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种高性能级配碎石混合料，其特征在于：由以下重量百分比的组份构成：
级配碎石：93.5-95.95%；
路用纤维：0.05-0.15%；
饮用水：4.0-5.0%。
而且，所述路用纤维采用聚丙烯纤维丝带经压痕处理成为波浪形聚丙烯纤维丝带，该波浪形聚丙烯纤维丝带的长度为级配碎石最大粒径的0.8-1.2倍。
而且，所述的波浪形聚丙烯纤维丝带的长度为20-30mm。
而且，所述压痕处理前的聚丙烯纤维丝带的截面为圆形，且其直径为0.8-1.5mm。
而且，所述压痕处理前的聚丙烯纤维丝带的截面为十字形、三叉形或五叉形。
而且，所述的波浪形聚丙烯纤维丝带压痕角度为135°，压痕长为3mm，压痕高1mm。
而且，所述级配碎石具有如下级配范围：
| 筛孔尺寸（mm） | 31.5 | 26.5 | 19 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 上限 | 100 | 100 | 85 | 72 | 64 | 54 | 38 | 27 | 18 | 14 | 11 | 9 | 5 |
| 下限 | 100 | 90 | 71 | 60 | 54 | 44 | 28 | 17 | 12 | 8 | 5 | 3 | 0 |
一种权利要求1所述的高性能级配碎石混合料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴原材料选择：
将所用的集料按照全筛孔从0.075mm～31.5mm逐级筛分，将集料从大到小分成单档材料，采用具有如下级配范围的级配碎石：
| 筛孔尺寸（mm） | 31.5 | 26.5 | 19 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 上限 | 100 | 100 | 85 | 72 | 64 | 54 | 38 | 27 | 18 | 14 | 11 | 9 | 5 |
| 下限 | 100 | 90 | 71 | 60 | 54 | 44 | 28 | 17 | 12 | 8 | 5 | 3 | 0 |
⑵将上述级配碎石搅拌均匀；
⑶人工或机械投入重量百分比为0.05-0.15%的路用纤维；
⑷振动击实法分别确定级配碎石混合料的最佳含水量和最大干密度；
⑸加入重量百分比为4.0-5.0%的水，搅拌均匀，即得到级配碎石混合料成品。
而且，所述的最佳含水量为4.0%-5.0%，最大干密度为2.4g/cm3-2.5g/cm3。
而且，所述的级配碎石采用石灰岩石料。
本发明的优点和有益效果为：
1.本发明的高性能级配碎石是采用振动成型设计方法并掺入专用纤维，大幅度提高级配碎石路用性能，即抗拉强度（劈裂强度）提高30%以上，抗剪强度提高2倍以上，抗车辙能力提高2倍以上；显著提高级配碎石柔性路面的高温抗车辙能力，降低重载车辆和大流量交通负荷对沥青路面的损害，有效延长沥青路面使用寿命，具有很强的工程应用价值。
2.采用本发明的高性能级配碎石施工形成的柔性路面，其造价不高于半刚性路面，与沥青混凝土层厚度较大的柔性路面相比，平均每平方米节约造价60元左右，以一条100km的高速公路计算，可节约造价5千万元，大幅降低施工成本。
3.采用本发明的高性能级配碎石施工形成的柔性路面具有如下优点：①不再使用水泥，符合国家低碳节能环保政策；②克服了目前半刚性路面裂缝多，寿命短的缺点，延长了路面寿命；③简化了施工，延长了施工要求期限，可精心施工，提高施工质量；④改变了传统养护模式，养护中不再连基层一起铣刨，而是在级配碎石上重新压实即可铺设沥青层，大大节约了养护资金，提供了养护效率。
4.本发明的高性能级配碎石，采用振动成型方式设计，并掺混有路用纤维的级配碎石作为基层的柔性沥青路面合理地应用于高等级公路，这对加快我国道路交通事业的发展具有重要而深远的意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图（立体图）；
图2为本发明的聚丙烯纤维丝带的截面示意图（十字形）；
图3为本发明的聚丙烯纤维丝带的截面示意图（三叉形）；
图4为本发明的聚丙烯纤维丝带的截面示意图（五叉形）。
附图标记说明：
1-纤维丝带体，2-压痕、3-截面为十字形的聚丙烯纤维丝带、4-截面为三叉形的聚丙烯纤维丝带、5-截面为五叉形的聚丙烯纤维丝带。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1
一种高性能级配碎石混合料，其由以下重量百分比的组份构成：
级配碎石：95.4%；
路用纤维：0.1%；
饮用水：4.5%。
所述级配碎石具有如下级配：
| 筛孔尺寸（mm） | 31.5 | 26.5 | 19 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 设计级配A | 100 | 95 | 78 | 66 | 59 | 49 | 33 | 22 | 15 | 11 | 8 | 6 | 2.5 |
上述路用纤维采用聚丙烯纤维丝带经压痕处理成为波浪形聚丙烯纤维丝带，即在其纤维丝带体1上制有压痕2。该波浪形聚丙烯纤维丝带的长度应与级配碎石最大粒径相匹配，该波浪形聚丙烯纤维丝带的长度为级配碎石最大粒径的0.8-1.2倍，最佳长度为1.0倍。波浪形聚丙烯纤维丝带的长度通常为20-30mm。波浪形聚丙烯纤维丝带压痕角度为135°，压痕长为3mm，压痕高1mm。将聚丙烯纤维丝带进行压痕处理，可以有效增加与石料的摩擦力，从而提高级配碎石混合料的整体性能。
压痕处理前的聚丙烯纤维丝带的截面为圆形，且其直径为0.8-1.5mm，而且最佳直径为1mm。压痕处理前的聚丙烯纤维丝带的截面还可以为十字形、三叉形或五叉形。截面为十字形的聚丙烯纤维丝带3如图2中所示、截面为三叉形的聚丙烯纤维丝带4如图3中所示、截面为五叉形的聚丙烯纤维丝带5如图4中所示。截面为异形的聚丙烯纤维丝带在经过压痕处理后，能够有效增加石料的摩擦力，从而进一步提高混合料的整体性能。
本发明的提高级配碎石路用性能的专用纤维的制备方法为：
1.将成纤高聚物熔体经纺丝喷丝头流出熔体细流，在周围空气（或水）中冷却凝固成型，制得聚丙烯纤维丝带；
2.可采用常规圆形喷丝孔，则纺得的聚丙烯纤维丝带截面为圆形；若采用异形喷丝孔，则纺得的聚丙烯纤维丝带截面为异形，如十字形、三叉形或五叉形或其他各种形状；
3.聚丙烯纤维丝带经压痕处理，成型为波浪形聚丙烯纤维丝带。
一种上述高性能级配碎石混合料的制备方法，包括以下步骤：
⑴原材料选择：
将所用的集料按照全筛孔（从0.075mm～31.5mm）逐级筛分，将集料从大到小分成单档材料，这样可以有效控制级配的变化，保证每次性能试验采用的级配在设计范围之内，也更利于控制19mm、9.5mm、4.75mm筛孔的通过率，减少级配变化对后续试验的影响。确定级配如下表所示：
表1-1设计级配A
| 筛孔尺寸（mm） | 31.5 | 26.5 | 19 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 设计级配A | 100 | 95 | 78 | 66 | 59 | 49 | 33 | 22 | 15 | 11 | 8 | 6 | 2.5 |
级配碎石基层石料采用石灰岩，石灰岩中粗集料具有一定的韧性，细集料具有一定的塑性，施工的和易性和保水性较其他岩质的石料好，易于碾压成型，不易离析；同时，石灰岩粉末类同于石灰粉，与水反应后可以形成强度，利于路面结构的长期使用。级配碎石具有如下技术指标：
表1-2碎石技术指标
⑵将上述级配碎石搅拌均匀；
⑶人工或机械投入重量百分比为0.1%的路用纤维，该路用纤维即为前面提到的聚丙烯纤维丝带。
⑷采用振动击实法分别确定级配碎石混合料的最佳含水量和最大干密度，最佳含水量为4.5%，最大干密度为2.463g/cm3；采用振动击实法的高性能级配碎石较之重型击实法的普通级配碎石，其密度可提高3%～4%。
表1-3高性能级配碎石A最大干密度试验结果
| 试验方法 | 最佳含水量（%） | 最大干密度（g/cm3） |
| 高性能级配碎石A | 4.5 | 2.463 |
| 普通级配碎石 | 4.6 | 2.379 |
本发明的高性能级配碎石，由于粗集料之间相互嵌挤较好，能够充分发挥骨架的强度，细集料作为填料能充分填充骨架的空隙。室内试验的方式与现场施工的方式相近。高性能级配碎石，由于颗粒之间的相对位置发生了变化，出现了相互填充现象，颗粒之间的间隙减小。较大颗粒之间的紧密接触也增大了被压实材料的内摩擦阻力，使基础的承载能力随之提高。
⑸加入重量百分比为4.5%的水，搅拌均匀，即得到级配碎石混合料成品。
实施例2
一种高性能级配碎石混合料，其由以下重量百分比的组份构成：
级配碎石：95.25%；
路用纤维：0.05%；
饮用水：4.7%。
所述级配碎石具有如下级配：
| 筛孔尺寸（mm） | 31.5 | 26.5 | 19 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 设计级配B | 100 | 97.5 | 81.5 | 69.0 | 61.5 | 51.5 | 35.5 | 24.5 | 16.5 | 12.5 | 9.5 | 7.5 | 3.8 |
其他同于实施例1.
一种上述高性能级配碎石混合料的制备方法，包括以下步骤：
⑴原材料选择：
将所用的集料按照全筛孔（从0.075mm～31.5mm）逐级筛分，将集料从大到小分成单档材料，这样可以有效控制级配的变化，保证每次性能试验采用的级配在设计范围之内，也更利于控制19mm、9.5mm、4.75mm筛孔的通过率，减少级配变化对后续试验的影响。采用具有如下表中设计级配的级配碎石：
表2-1设计级配B
| 筛孔尺寸（mm） | 31.5 | 26.5 | 19 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 设计级配B | 100 | 97.5 | 81.5 | 69.0 | 61.5 | 51.5 | 35.5 | 24.5 | 16.5 | 12.5 | 9.5 | 7.5 | 3.8 |
⑵将上述级配碎石搅拌均匀；
⑶人工或机械投入重量百分比为0.05%的路用纤维，该路用纤维即为前面提到的波浪形聚丙烯纤维丝带。
⑷采用振动击实法分别确定级配碎石混合料的最佳含水量和最大干密度，最佳含水量为4.7%，最大干密度为2.442g/cm3；
采用振动击实法的高性能级配碎石较之重型击实法的普通级配碎石，其密度可提高3%～4%。
表2-2高性能级配碎石B最大干密度试验结果
| 试验方法 | 最佳含水量（%） | 最大干密度（g/cm3） |
| 高性能级配碎石B | 4.7 | 2.442 |
| 普通级配碎石 | 4.6 | 2.379 |
本发明的高性能级配碎石，由于粗集料之间相互嵌挤较好，能够充分发挥骨架的强度，细集料作为填料能充分填充骨架的空隙。室内试验的方式与现场施工的方式相近。高性能级配碎石，由于颗粒之间的相对位置发生了变化，出现了相互填充现象，颗粒之间的间隙减小。较大颗粒之间的紧密接触也增大了被压实材料的内摩擦阻力，使基础的承载能力随之提高。
⑸加入重量百分比为4.7%的水，搅拌均匀，即得到级配碎石混合料成品。
实施例3
一种高性能级配碎石混合料，其由以下重量百分比的组份构成：
级配碎石：95.45%；
路用纤维：0.15%；
饮用水：4.4%。
所述级配碎石具有如下级配范围：
| 筛孔尺寸（mm） | 31.5 | 26.5 | 19 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 设计级配C | 100 | 92.5 | 74.5 | 63 | 56.5 | 46.5 | 30.5 | 19.5 | 13.5 | 9.5 | 6.5 | 4.5 | 1.3 |
其他同于实施例1.
一种上述高性能级配碎石混合料的制备方法，包括以下步骤：
⑴原材料选择：
将所用的集料按照全筛孔（从0.075mm～31.5mm）逐级筛分，将集料从大到小分成单档材料，这样可以有效控制级配的变化，保证每次性能试验采用的级配在设计范围之内，也更利于控制19mm、9.5mm、4.75mm筛孔的通过率，减少级配变化对后续试验的影响。采用具有如下表中设计级配的级配碎石：
表3-1设计级配C
| 筛孔尺寸（mm） | 31.5 | 26.5 | 19 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 设计级配C | 100 | 92.5 | 74.5 | 63 | 56.5 | 46.5 | 30.5 | 19.5 | 13.5 | 9.5 | 6.5 | 4.5 | 1.3 |
⑵将上述级配碎石搅拌均匀；
⑶人工或机械投入重量百分比为0.15%的路用纤维，该路用纤维即为前面提到的波浪形聚丙烯纤维丝带。
⑷采用振动击实法分别确定级配碎石混合料的最佳含水量和最大干密度，最佳含水量为4.4%，最大干密度为2.442g/cm3；
采用振动击实法的高性能级配碎石较之重型击实法的普通级配碎石，其密度可提高3%～4%。
表3-2高性能级配碎石最大干密度试验结果
| 试验方法 | 最佳含水量（%） | 最大干密度（g/cm3） |
| 高性能级配碎石C | 4.4 | 2.475 |
| 普通级配碎石 | 4.6 | 2.379 |
本发明的高性能级配碎石，由于粗集料之间相互嵌挤较好，能够充分发挥骨架的强度，细集料作为填料能充分填充骨架的空隙。室内试验的方式与现场施工的方式相近。高性能级配碎石，由于颗粒之间的相对位置发生了变化，出现了相互填充现象，颗粒之间的间隙减小。较大颗粒之间的紧密接触也增大了被压实材料的内摩擦阻力，使基础的承载能力随之提高。
⑸加入重量百分比为4.4%的水，搅拌均匀，即得到级配碎石混合料成品。
试验对比：
选取实施例1中得到高性能级配碎石A，实施例2中得到的高性能级配碎石B，实施例3中得到的高性能级配碎石C及不含路用纤维的普通级配碎石进行试验。
1.级配碎石力学性能试验
掺混路用纤维的高性能级配碎石较之普通级配碎石，劈裂强度可显著提高30%以上，抗剪切强度可提高2倍以上。
室内试验结果如下：
表4高性能级配碎石劈裂强度试验结果
表5高性能级配碎石抗剪切强度试验结果
| 项目 | 抗剪强度（kpa） |
| 普通级配碎石 | 577.70 |
| 高性能级配碎石A | 1323.54 |
| 高性能级配碎石B | 1006.34 |
| 高性能级配碎石C | 998.88 |
2.级配碎石抗车辙性能试验
高性能级配碎石较之普通级配碎石，抗车辙能力提高50%以上，尤其是层间铺筑土工格栅，效果更显著，室内试验结果如下：
表6高性能级配碎石抗车辙试验结果
本发明的高性能级配碎石是采用振动成型设计方法并掺入专用纤维，大幅度提高级配碎石路用性能，即抗拉强度（劈裂强度）提高30%以上，抗剪强度提高2倍以上，抗车辙能力提高2倍以上。
尽管为说明目的公开的本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (10)
1.一种高性能级配碎石混合料，其特征在于：由以下重量百分比的组份构成：
级配碎石：93.5-95.95%；
路用纤维：0.05-0.15%；
饮用水：4.0-5.0%。
2.根据权利要求1所述的高性能级配碎石混合料，其特征在于：所述路用纤维采用聚丙烯纤维丝带经压痕处理成为波浪形聚丙烯纤维丝带，该波浪形聚丙烯纤维丝带的长度为级配碎石最大粒径的0.8-1.2倍。
3.根据权利要求1所述的高性能级配碎石混合料，其特征在于：所述的波浪形聚丙烯纤维丝带的长度为20-30mm。
4.根据权利要求1所述的提高级配碎石路用性能的专用纤维，其特征在于：所述压痕处理前的聚丙烯纤维丝带的截面为圆形，且其直径为0.8-1.5mm。
5.根据权利要求1所述的提高级配碎石路用性能的专用纤维，其特征在于：所述压痕处理前的聚丙烯纤维丝带的截面为十字形、三叉形或五叉形。
6.根据权利要求1中任一项所述的提高级配碎石路用性能的专用纤维，其特征在于：所述的波浪形聚丙烯纤维丝带压痕角度为135°，压痕长为3mm，压痕高1mm。
7.根据权利要求1所述的高性能级配碎石混合料，其特征在于：所述级配碎石具有如下级配范围：
8.一种权利要求1所述的高性能级配碎石混合料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴原材料选择：
将所用的集料按照全筛孔从0.075mm～31.5mm逐级筛分，将集料从大到小分成单档材料，采用具有如下级配范围的级配碎石：
⑵将上述级配碎石搅拌均匀；
⑶人工或机械投入重量百分比为0.05-0.15%的路用纤维；
⑷振动击实法分别确定级配碎石混合料的最佳含水量和最大干密度；
⑸加入重量百分比为4.0-5.0%的水，搅拌均匀，即得到级配碎石混合料成品。
9.根据权利要求8所述的高性能级配碎石混合料的制备方法，其特征在于：所述的最佳含水量为4.0%-5.0%，最大干密度为2.4g/cm3-2.5g/cm3。
10.根据权利要求8所述的高性能级配碎石混合料的制备方法，其特征在于：所述的级配碎石采用石灰岩石料。
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2012
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