CN103267680A - 半刚性基层材料设计与施工一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了半刚性基层材料设计与施工一体化方法，调查修建道路所在地区不同月份的气象资料，引入温度积的概念，计算不同施工季节的环境参数。进行半刚性基层材料配合比设计，进行不同龄期及养护条件下半刚性基层无侧限抗压强度试验。通过室内实验建立施工环境与基层材料强度之间的联系。建立半刚性基层材料设计与施工一体化评价指标，进而进行一体化评价。本发明在设计阶段就考虑到实际环境因素的作用，尽可能的使室内测试结果反映真实的环境因素，完善了半刚性材料路用性能评价方法，并且可以减少室内测试结果与实际应用时的脱节，提出不同施工季节的强度标准，为不同施工季节半刚性基层材料的施工及设计提供了控制指标。

Description

半刚性基层材料设计与施工一体化方法

技术领域

本发明属于路面半刚性基层技术领域，涉及一种建立室内试验与真实的环境因素之间关系的技术方法，具体涉及一种半刚性基层材料设计与施工一体化方法。

背景技术

国内高速公路沥青路面结构中，半刚性基层是最常用的结构形式，但由于半刚性材料固有的特点，加之混合料设计或施工不合理、或者设计与施工脱节将会直接影响或间接恶化沥青路面损坏类型和程度，加速各类病害发展，例如反射裂缝或唧泥，降低沥青路面的整体性能。

自然养生下环境的温度随施工季节而变化，在实际施工时，有时自然养生气温低于标准养生温度，而在有些气温较高的月份，自然养生温度又高于标准养生温度，若仅用标准条件下养生试件的强度、模量、劈裂强度等力学指标作为施工和设计的控制指标，显然是不合理的。随着施工时温度及湿度等条件的变化，不同季节施工的同龄期的半刚性基层抗压强度是动态的。

实践表明，不同施工季节得到的无机结合料材料使用性能差异很大，而室内测试结果均是在标准养生条件下确定的，表明室内测试结果与实际应用存在脱节，而如果室内测试结果能够反应环境因素，那么将完善半刚性材料路用性能评价，减少室内测试结果与应用时的脱节。

因此，立足半刚性基层对沥青路面损坏影响，开展半刚性基层材料设计与施工一体化研究，对缓解因半刚性基层引起的反射裂缝，提高半刚性基层使用品质，延长沥青路面的使用寿命具有积极意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种半刚性基层材料设计与施工一体化方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

1）调查修建道路所在地区不同月份的气象资料，引入温度积的概念，即温度与时间的综合参数，计算不同施工季节的环境参数；

2）进行半刚性基层材料配合比设计，进行不同龄期及养护条件下半刚性基层无侧限抗压强度试验；

3）通过室内实验建立施工环境与基层材料强度之间的联系，即求解半刚性基层的抗压强度与温度积的相关性；

4）建立半刚性基层材料设计与施工一体化评价指标，进而对在实际施工时的半刚性基层材料设计与施工进行一体化评价。

所述步骤1）中温度积通过以下公式计算：

$T_a={\stackrel{\‾}{T}}_a+{\tilde{T}}_a[(0.5+\frac{{\stackrel{\‾}{T}}_a-T_a^{\min }}{2{\tilde{T}}_a})\sin \frac{\mathrm{\πt}}{12}+(0.5-\frac{{\stackrel{\‾}{T}}_a-T_a^{\min }}{2{\tilde{T}}_a})\sin (\frac{\mathrm{\πt}}{4}-\mathrm{\π})+(1-\frac{{\stackrel{\‾}{T}}_a-T_a^{\min }}{{\tilde{T}}_a})\sin (\frac{\mathrm{\πt}}{6}-\frac{\mathrm{\π}}{2})]---\left(1\right)$

${\stackrel{\‾}{T}}_a=\frac{1}{2}(T_a^{\max }+T_a^{\mathrm{mix}}),{\tilde{T}}_a=\frac{1}{2}(T_a^{\max }-T_a^{\min })$

温度积即为将T_a在0～24h之间积分，再将积分值按不同龄期累计，计算公式为：

$w_{\mathrm{Ti}}={\∫}_0^{24}{T}_{\mathrm{\α}}\mathrm{dt},\mathrm{WT}=\underset{i=0}{\overset{i=T}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{Ti}}---\left(2\right)$

其中T_a为辐射日气温，为日平均气温，

为日气温振幅，

为日最高气温，

为日最低气温，t为时间变量，规定早晨6点为0。

所述步骤3）中通过室内实验建立施工环境与基层材料强度之间的联系，即建立了半刚性基层材料的抗压强度与温度积的相关性，其关系公式为

$A_y=\frac{Y_{y2}-Y_{y1}}{\ln X_{y2}-\ln X_{y1}}---\left(3\right)$

Y_y2＝Y_y1+A_yln(X_y2/X_y1)   (4)

Y_y＝Y_y1+A_yln(X_y/X_y1)   (5)

其中，Y_y1、Y_y2为某材料龄期1和龄期2对应抗压强度；

X_y1、X_y2为某材料龄期1和龄期2对应温度积；

A_y为某材料与抗压强度有关材料参数

Yy为半刚性基层不同龄期的抗压强度，Xy为对应的温度积。

所述步骤4）中建立半刚性基层材料设计与施工一体化评价指标，指标为反映半刚性基层强度内在因素的抗压强度。

相对于现有技术，本发明具有的有益效果：

（1）传统的半刚性基层的设计与施工是脱节的，即使在设计中半刚性基层能够表现出优良的性能，但是在实际工程中应用时，在实验室中表现出的优良性能很难比较好的表现出来；本发明在设计阶段就考虑到实际环境因素的作用，尽可能的使室内测试结果反映真实的环境因素，完善了半刚性材料路用性能评价方法，并且可以减少室内测试结果与实际应用时的脱节。

（2）针对不同季节铺筑的半刚性材料使用性能差异大，而设计指标―模量无法结合实际应用条件确定，导致结构设计出现偏差的问题，本发明对半刚性基层材料在不同温度条件下的模量变化特性进行了研究，提出温度积的概念，即温度与时间的综合参数，通过温度积研究了温度对半刚性基层材料路用性能的影响，提出不同施工季节的强度标准，为不同施工季节半刚性基层材料的施工及设计提供了控制指标。

（3）该方法直观、明确，易于为广大工程技术人员所接受。

本发明将半刚性基层材料的设计与施工进行一体化的考虑，可以尽最大可能地实现设计中的优良性能在实际工程中的体现。

具体实施方式

半刚性基层材料设计与施工一体化研究中，温度积是施工环境的重要参数，温度积的提出考虑到温度及时间对半刚性基层强度发展的影响。利用温度积参数，可建立半刚性基层材料施工温度、时间和强度的相关性，可较好解决半刚性基层因养生条件的差异性而存在着强度标准不统一的问题。

气温变化的周期性与非对称性可用三角函数的线性组合来拟合，同济大学研究提出气温日变化规律，表达式为下式（1）：

$T_a={\stackrel{\‾}{T}}_a+{\tilde{T}}_a[(0.5+\frac{{\stackrel{\‾}{T}}_a-T_a^{\min }}{2{\tilde{T}}_a})\sin \frac{\mathrm{\πt}}{12}+(0.5-\frac{{\stackrel{\‾}{T}}_a-T_a^{\min }}{2{\tilde{T}}_a})\sin (\frac{\mathrm{\πt}}{4}-\mathrm{\π})+(1-\frac{{\stackrel{\‾}{T}}_a-T_a^{\min }}{{\tilde{T}}_a})\sin (\frac{\mathrm{\πt}}{6}-\frac{\mathrm{\π}}{2})]---\left(1\right)$

${\stackrel{\‾}{T}}_a=\frac{1}{2}(T_a^{\max }+T_a^{\mathrm{mix}}),{\tilde{T}}_a=\frac{1}{2}(T_a^{\max }-T_a^{\min })$

式中：T_a——辐射日气温，℃；

——日平均气温，℃；

——日气温振幅，℃；

——日最高气温，℃；

——日最低气温，℃；

t——时间变量，规定早晨6点为0。

温度积即为将T_a在0～24h之间积分，再将积分值按不同龄期累计，计算公式见下式（2）。

$w_{\mathrm{Ti}}={\∫}_0^{24}{T}_{\mathrm{\α}}\mathrm{dt},\mathrm{WT}=\underset{i=0}{\overset{i=T}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{Ti}}---\left(2\right)$

其中：w_Ti——T_a在时间（24h）上的积分，

T——试件养生龄期，

WT——不同养生龄期时得温度积（h·℃）。

对在自然养生条件下的试件，自成型之日起，每天记录当天的最高和最低气温，计算出不同龄期的温度积（h·℃），建立强度（模量、劈裂强度）与温度积关系，反映其对无机结合料稳定碎石路用性能的影响。负温度积以0计。

我国《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034—2000）中，规定了水泥稳定类基层的质量管理和检查验收内容及条款，主要包括抗压强度、压实度和弯沉，以此评价半刚性基层的施工质量。在路面结构设计方面，尽管半刚性基层抗压回弹模量直接影响着沥青路面的力学响应，但由于目前控制模量难度很大，因此，进行路面质量检查验收时，规范并未将模量进行硬性的规定。通过辨别三个项目（抗压强度、压实度和弯沉）所反映的半刚性基层不同性质的原理性，最终选用能反映半刚性基层强度内在因素的抗压强度来作为半刚性基层材料与施工一体化的评价指标。

半刚性基层不同龄期的抗压强度Y_y和对应的温度积X_y具有以下关系，见下式（3）和下式（4）。

$A_y=\frac{Y_{y2}-Y_{y1}}{\ln X_{y2}-\ln X_{y1}}---\left(3\right)$

Y_y2＝Y_y1+A_yln(X_y2/X_y1)   (4)

其中：Y_y1、Y_y2——某材料龄期1和龄期2对应抗压强度，MPa；

X_y1、X_y2——某材料龄期1和龄期2对应温度积，h·℃；

A_y——某材料与抗压强度有关材料参数。

由此可见：可通过两个龄期的抗压强度和对应温度积由式3求得A_y，称之为材料参数。结合公式（3）和（4）变换得出下式（5）。

Y_y=Y_y1+A_yln(X_y/X_y1)     （5）

其中，Yy为半刚性基层不同龄期的抗压强度，Xy为对应的温度积。

因此可通过以上内容及公式（5），求得不同温度积时半刚性基层材料对应的抗压强度。

下面结合实施例，对本发明进一步详细说明。

本实例对西-铜高速进行半刚性基层材料设计与施工一体化研究。

（1）西-铜高速气候调查

考虑到水泥稳定类路面基层宜在春末和气温较高季节组织施工，施工期的日最低气温应在5℃以上，11月份至2月份由于温度不理想，不适合施工。因此，通过查阅西-铜高速所在区域的历史气温资料，运用公式2计算了该地区3月至10月份每个月的温度积，结果见表1所示。

表1三原县3～10月施工时温度积数值估算（单位：h·℃）

施工月份	3	4	5	6	7	8	9	10
									7天温度积	1764	2820	3492	4032	4896	4236	3408	2148

（2）半刚性基层配合比设计

西-铜高速上下基层的具体配合比设计情况详见以下各表。

1）下基层

表2下基层合成级配筛分结果

表3下基层配合比设计

由表2和3可知下基层各项指标均满足要求，可用于试验路铺筑。

2）上基层

表4上基层合成级配筛分结果

表5上基层配合比设计

由表4和5可知基层各项指标均满足要求，可用于试验路铺筑。

（3）基于抗压强度的半刚性基层材料设计与施工一体化研究

半刚性基层材料的抗压强度除了受养生条件影响外，压实度对其也有一定的影响。压实度过大，施工难以实施，压实度过小，板体性难以形成，很难取出完整的芯样。因此，控制一定的压实度，既能保证基层形成整体，也利于沥青路面整体强度。

1）下基层基于抗压强度的材料设计与施工一体化

①下基层不同月份七天抗压强度计算

基于下基层配合比设计，对西-铜高速下基层试件进行标准养生条件下7天及28天的无侧限抗压强度试验，具体结果见表6。

表6西-铜高速下基层标准养生条件下抗压强度

养生龄期（d）	温度积（h·℃）	试验抗压强度代表值（MPa）
			7	3360	3.4
28	13440	5.1

结合公式（5），可得出下基层温度积与抗压强度的表达式，见下式（6）。

Y=1.227lnX-6.557    （6）

式中：Y—下基层材料抗压强度，MPa；

X—温度积，h·℃。

为了方便与实际情况建立对比，运用公式（6）计算下基层施工后达到设计压实度时，7天抗压强度理论上应达到的值Y1，见下表7。

表7不同月份施工时西-铜高速下基层7天抗压强度计算结果Y1

施工月份	3	4	5	6	7	8	9	10
									7天抗压强度Y1（MPa）	2.6	3.2	3.4	3.6	3.6	3.7	3.4	2.8

考虑到本次设计的下基层在标准养生条件下的7天抗压强度（为3.4MPa）与设计文件的规定值（2.5MPa）的比值为1.36，因此，结合表7可估算出西-铜高速底基层在不同月份施工时的7天抗压强度的最低值Y2，见下表8。

表8不同月份施工时西-铜高速下基层7天抗压强度最低值Y2

施工月份	3	4	5	6	7	8	9	10
									7天抗压强度Y2（MPa）	1.9	2.3	2.5	2.7	2.8	2.7	2.5	2.1

②下基层材料与施工一体化评价体系

基于表7和表8的计算结果，可建立西-铜高速底基层材料与施工一体化评价分级表见表9。

表9西-铜高速下基层基于不同月份7天抗压强度的材料设计与施工一体化分级表

针对分级表9，进行几点说明如下：

P≈Y1，表明了施工后的强度与室内材料设计的一致性，即压实度和抗压强度都同室内材料设计的结果保持同步，实质则表明了整个施工能满足室内设计的要求，保持了一致性；

P≥Y2且P≠Y1，说明施工后材料整体强度基本上符合设计的要求，只是抗压强度或者压实度两者中，至少有一个不能与室内材料设计保持很好的一致性。当然芯样的7天抗压强度也不宜过大，防止产生干缩或者温缩裂缝，不利于沥青路面整体使用性能，需根据实际情况及时分析原因和解决问题；

如果7天芯样抗压强度过小，不满足设计要求，需要重新进行配合比设计。

2）上基层基于抗压强度的材料设计与施工一体化

①上基层不同月份七天抗压强度计算

基于上基层配合比，对西-铜高速标准养生28天的上基层试件进行无侧限抗压强度试验，具体结果见表10。

表10西-铜高速上基层标准养生条件下基层抗压强度

养生龄期（d）	温度积（h·℃）	试验抗压强度代表值（MPa）
			7	3360	4.3
28	13440	6.3

同理可得出下基层温度积与抗压强度的表达式，见式（7）。

Y=1.443lnX-7.414     （7）

式中：Y—上基层抗压强度，MPa；

X—温度积；h·℃。

同理，上基层施工后7天抗压强度应达到的值Y1见表11。

表11不同月份施工时西-铜高速上基层的7天抗压强度Y1

施工月份	3	4	5	6	7	8	9	10
									7天抗压强度Y1（MPa）	3.4	4.0	4.3	4.6	4.8	4.6	4.3	3.6

考虑到上基层在标准养生条件下的7天抗压强度（4.3MPa）与设计文件的规定值（不小于4MPa）的比值为1.075，以及《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034—2000）中表3.3.1（水泥稳定土的抗压强度标准）所示的要求：高速公路基层的标准养生条件下7天抗压强度不大于5MPa（相对西-铜高速的基层的抗压强度的比例为1.163），因此可估算出西-铜高速基层在不同月份施工时的7天抗压强度的最低代表值Y2和最高代表值Y3，详见以下各表。

表12不同月份施工时西-铜高速上基层7天抗压强度最低值Y2估算

施工月份	3	4	5	6	7	8	9	10
									7天抗压强度Y2（MPa）	3.1	3.8	4.0	4.3	4.5	4.3	4.0	3.4

表13不同月份施工时西-铜高速上基层7天抗压强度最高值Y3估算

施工月份	3	4	5	6	7	8	9	10
									7天抗压强度Y3（MPa）	3.9	4.6	5.0	5.3	5.6	5.3	5.0	4.2

②上基层材料设计与施工一体化评价体系

基于表11、表12和表13的计算结果，可建立西-铜高速基层的材料设计与施工一体化评价分级表，见下表14。

表14西-铜高速上基层基于7天抗压强度的材料设计与施工一体化分级表

关于表14的分级，需说明以下几点：

P≈Y1，表明施工测试结果与室内设计保证一致，即压实度和抗压强度都同室内材料设计的结果保持同步，说明整个施工过程能够反映室内材料设计水平。

Y2≤P≤Y3，说明上基层施工的整体结果基本上符合设计要求，只是在抗压强度或者压实度两者中，至少有一个不能与室内材料设计的结果保持良好的一致性。

如果上基层芯样7天抗压强度过小，不满足设计要求，则需要重新进行配合比设计。

（4）西-铜高速半刚性基层材料设计与施工一体化评价

西-铜高速扩建工程分为两个标，其中二标的试段路底基层集中在2010年3月铺筑，基层则集中在2010年4月铺筑。在进行铺筑前，必须先通过试验段试铺来确定松铺系数、施工工艺和合适厚度等主要项目。确定相关项目后，进行大面积铺筑，对桩号K55+871至桩号K56+071的底基层和基层在保证压实度的前提下进行了钻芯取样，相关信息及抗压强度测试结果如表15和表16。

表15下基层芯样信息表

表15平均值约等于表7的应达到值，属于表9中的“优”。

表16上基层芯样信息表

表16中平均值并不约等于表11中对应值，而大于表12且小于表13的范围内。结合表14的分级，可得出西-铜高速基层材料与施工一体化的级别为“良”。

Claims (4)

1.半刚性基层材料设计与施工一体化方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）调查修建道路所在地区不同月份的气象资料，引入温度积的概念，即温度与时间的综合参数，计算不同施工季节的环境参数；

2）进行半刚性基层材料配合比设计，进行不同龄期及养护条件下半刚性基层无侧限抗压强度试验；

3）通过室内实验建立施工环境与基层材料强度之间的联系，即求解半刚性基层的抗压强度与温度积的相关性；

4）建立半刚性基层材料设计与施工一体化评价指标，进而对在实际施工时的半刚性基层材料设计与施工进行一体化评价。

2.根据权利要求1所述的半刚性基层材料设计与施工一体化方法，其特征在于，所述步骤1）中温度积通过以下公式计算：

$T_a={\stackrel{\‾}{T}}_a+{\tilde{T}}_a[(0.5+\frac{{\stackrel{\‾}{T}}_a-T_a^{\min }}{2{\tilde{T}}_a})\sin \frac{\mathrm{\πt}}{12}+(0.5-\frac{{\stackrel{\‾}{T}}_a-T_a^{\min }}{2{\tilde{T}}_a})\sin (\frac{\mathrm{\πt}}{4}-\mathrm{\π})+(1-\frac{{\stackrel{\‾}{T}}_a-T_a^{\min }}{{\tilde{T}}_a})\sin (\frac{\mathrm{\πt}}{6}-\frac{\mathrm{\π}}{2})]---\left(1\right)$

${\stackrel{\‾}{T}}_a=\frac{1}{2}(T_a^{\max }+T_a^{\mathrm{mix}}),{\tilde{T}}_a=\frac{1}{2}(T_a^{\max }-T_a^{\min })$

温度积即为将T_a在0～24h之间积分，再将积分值按不同龄期累计，计算公式为：

$w_{\mathrm{Ti}}={\∫}_0^{24}{T}_{\mathrm{\α}}\mathrm{dt},\mathrm{WT}=\underset{i=0}{\overset{i=T}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{Ti}}---\left(2\right)$

其中T_a为辐射日气温，

为日平均气温，

为日气温振幅，

为日最高气温，

为日最低气温，t为时间变量，规定早晨6点为0。

3.根据权利要求1所述的半刚性基层材料设计与施工一体化方法，其特征在于，所述步骤3）中通过室内实验建立施工环境与基层材料强度之间的联系，即建立了半刚性基层材料的抗压强度与温度积的相关性，其关系公式为

$A_y=\frac{Y_{y2}-Y_{y1}}{\ln X_{y2}-\ln X_{y1}}---\left(3\right)$

Y_y2＝Y_y1+A_yln(X_y2/X_y1)   (4)

Y_y＝Y_y1+A_yln(X_y/X_y1)   (5)

其中，Y_y1、Y_y2为某材料龄期1和龄期2对应抗压强度；

X_y1、X_y2为某材料龄期1和龄期2对应温度积；

A_y为某材料与抗压强度有关材料参数

Yy为半刚性基层不同龄期的抗压强度，Xy为对应的温度积。

4.根据权利要求1所述的半刚性基层材料设计与施工一体化方法，其特征在，所述步骤4）中建立半刚性基层材料设计与施工一体化评价指标，指标为反半刚性基层强度内在因素的抗压强度。