CN104198232A - 一种沥青混合料的成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沥青混合料的成型方法，为剪切压实成型方法，首先测定拌和沥青混合料的最大理论密度，设置剪切压实参数，根据要成型沥青混合料的空隙率计算需要装填的沥青混合料的质量，将经过短期老化的沥青混合料进行装填，对装填后的沥青混合料进行剪切压实成型，成型后进行脱模，对成型后的沥青混合料进行二次加工。本发明采用剪切压实成型的方法，通过对成型的沥青混合料进行二次加工获得用于沥青混合料性能测试的圆柱形试件、小型车辙板试件、小梁试件等，通过该方法成型的沥青混合料的性能与实际沥青路面的性能具有良好的相关性。
Description
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种沥青混合料的成型方法。
背景技术
目前，马歇尔(Marshall)沥青混合料设计法、采用旋转压实仪(SuperpaveGyratory Compactor，简称SGC)的Superpave沥青混合料设计法、美国工程兵团旋转压实法(Gyratory Testing Machine，简称GTM)等是国内外具有代表性的沥青混合料的设计方法。这些设计方法通过冲击、振动或者通过揉搓等不同作用方式来加工成型沥青混合料，无论采用哪种成型方式，其最终目标是在室内成型出与实际路面具有相同密度的沥青混合料，进而模拟实际道路沥青混合料的成型状态。目前，我国最常用的沥青混合料设计方法为马歇尔沥青混合料设计法。
马歇尔沥青混合料设计法的成型方式为击实成型，由于该成型方式简便、适用性强、设备价格较低，因此在世界范围内被广泛采用。但是随着现代交通事业的不断发展，路面交通流量飞快提高，轮胎压力和轴载也快速增大，马歇尔击实成型愈来愈显示出一定的局限性，这些局限性主要体现在如下几个方面：(1)马歇尔击实成型容易导致设计级配的改变，为了得到密度较大的马歇尔沥青混合料，成型时要增加击实次数，这容易造成集料破碎，导致设计级配的偏差；(2)马歇尔击实与沥青混合料的现场压实情况不一致，马歇尔击实成型与道路实际压实有很大的差异，它没有考虑荷载的水平剪切作用；(3)马歇尔击实成型的沥青混合料，其性能与路面使用性能相关性不明确，很难用马歇尔试件性能预测实际路面使用性能；(4)马歇尔击实成型对于改性沥青混合料的适应性不好。现行的马歇尔沥青混合料的技术要求和标准是针对密级配普通沥青混合料提出的，对于那些使用了改性沥青的改性沥青混凝土来说，会出现荷载增加微小，而形变量却一直加大的现象。许多研究表明，沥青混凝土路面所出现的车辙、疲劳裂缝、低温裂缝等早期破坏现象与马歇尔方法的技术指标(比如马歇尔稳定度、流值等)没有明显的相关性，从而无法利用马歇尔方法的技术指标来预测路面是否会出现早期损坏。
总之，马歇尔击实成型方法无法模拟路面的实际情况，因此有必要开发新的沥青混合料的成型方法来满足现代交通的要求。
申请公布号为CN102768135A的发明专利公开了一种移动式沥青混合料轮碾成型方法，该方法在预热、原料注入速度、碾压速度等多个方面对现有的成型方法进行了改进，虽然提高了制造沥青混合料试件的使用寿命，同时提高了制造效率，但是成型沥青混合料试件的密度与实际路面沥青的密度相差很大，因此无法模拟实际道路沥青混合料的成型状态。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种沥青混合料的成型方法，为剪切压实成型方法，通过该方法可以获得接近实际摊铺压实沥青路面的沥青混合料试件，进而提高室内实验与道路实际情况的相关性，该成型方法按照先后顺序包括以下步骤：
(1)按照预先设计对沥青混合料进行拌和；
(2)测定所拌和沥青混合料的最大理论密度；
(3)设置剪切压实参数；
(4)根据所要成型沥青混合料的空隙率计算需要装填的沥青混合料的质量；
(5)将沥青混合料进行短期老化；
(6)将老化后的沥青混合料进行装填；
(7)对装填后的沥青混合料按照设置的剪切压实参数进行剪切压实成型，成型后进行脱模；
(8)对成型后的沥青混合料进行二次加工。
试件加工完毕后，可按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)中相关试验方法对试件进行性能测试。
采用本发明的成型方法，在室内成型的沥青混合料的性能与现场摊铺压实沥青路面的性能具有很好的相关性。
优选的是，所述剪切压实成型采用控制剪切压实高度的模式。成型终止条件采用压实高度控制，沥青混合料被压实，当高度达到170mm时，实验终止。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中，设置的剪切压实参数为压实终止高度、竖向压强、循环剪切角。
在上述任一方案中优选的是，所述压实终止高度为170mm，所述竖向压强为0.8MPa，所述循环剪切角为4°。经过大量实验证明，成型的沥青混合料试块的高度可达到170mm，这一高度是比较高的，因此压实时，剪切压实仪控制压强为0.8MPa，循环剪切角设为4°，大量实验证明，该压强和剪切角有利于沥青混合料尽快压实，且不易产生裂纹、孔隙等缺陷。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(4)中，需要装填的沥青混合料质量的计算公式为M＝γs×15×45×H×(1-A)，
式中，M—沥青混合料装填质量，g，
γs—沥青混合料理论最大密度，g/cm3，
H—沥青混合料成型高度，cm，H一般取170mm，
A—所要成型沥青混合料的空隙率，％，A是按体积法控制的，一般取7％。
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0711沥青混合料理论最大相对密度试验(真空法)测定所拌和沥青混合料的理论最大密度。
在上述任一方案中优选的是，所述沥青混合料成型高度为压实终止高度。
在上述任一方案中优选的是，所述成型沥青混合料的空隙率为7％。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(5)中，沥青混合料短期老化的方法为，将沥青混合料摊铺在试样盘中，堆积一定高度；将沥青混合料放入烘箱中加热一定时间；在加热过程中，每隔一小时翻拌一次沥青混合料。烘箱内的温度维持在成型温度。所用试样盘可选用搪瓷盘。翻拌沥青混合料时可使用铲子等工具。
在上述任一方案中优选的是，试样盘中沥青混合料堆积的高度为40-60mm。
在上述任一方案中优选的是，烘箱内的温度为140-160℃。优选的是150℃。
在上述任一方案中优选的是，沥青混合料在烘箱内加热2-3h。为了模拟沥青混合料在运输、摊铺时的短期老化，需将拌和好的沥青混合料在拌和温度下保温2-3h。优选的是2h。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(6)中，采用分次分层装填沥青混合料。由于剪切压实成型的沥青混合料试块较大，所用沥青混合料较多，因此分次分层装填，便于沥青混合料装填的均匀，进而确保剪切压实成型试件的均匀性。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(6)中，沥青混合料的装填方法为，将烘箱内的沥青混合料分成三等份，将其中一份倒入装料斗中；将装料斗中的沥青混合料通过分料器加入成型室中；用热插捣棒在成型室的边角处插捣4-6次，并将沥青混合料进行平整；重复上述装填步骤，对另外两份沥青混合料依次进行装填。
每一份沥青混合料装填时，需将沥青混合料均匀倒入装料斗中，并用铲子等工具将其铺平。装料斗中的沥青混合料通过分料器一次性加入成型室中，避免产生离析、孔隙等缺陷，同时沥青混合料在压实的过程中容易密实。插捣棒需要加热，避免冷的插捣棒带走部分热量，导致成型室内沥青混合料热量的不均匀，影响压实成型的效果，同时冷的插捣棒遇到热的沥青混合料时，冷的插捣棒上会粘附沥青混合料，使沥青混合料随插捣棒带出成型室，也会影响压实成型的效果。在成型室中，可用整平耙将沥青混合料进行平整。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(7)中，剪切压实成型所用的仪器为剪切压实仪。剪切压实仪的压实作用原理非常独特，它可以提供一个恒定的压力，并且能够提供具备恒定剪切角的循环剪切力，这种循环剪切力能更好地模拟现场压路机的动作，从而保证在室内成型的沥青混合料的密度与现场沥青路面的压实度保持一致性。
由于剪切压实仪能最大限度的模拟路面施工压实的状况，且成型的沥青混合料的尺寸很大，其长为450-480mm、宽为150-170mm、高为150-190mm，所以可以通过对其进行二次加工得到用于测试沥青混合料性能所常用的圆柱形试件、小型车辙板试件、小梁试件等。采用剪切压实成型方法能最大限度模拟沥青路面现场的压实状况，进而提高了室内成型沥青混合料性能与道路实际使用沥青性能的相关性。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(7)中，沥青混合料成型后采用脱模装置进行脱模。剪切压实仪自带脱模装置，也可单独设置脱模装置。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(7)中，沥青混合料脱模时采用降温装置对其进行降温。由于剪切压实成型的沥青混合料较高，在脱模时需采用降温装置、降温设施或冷风等对成型的沥青混合料试块进行降温，以防止由于温度过高，导致沥青混合料脱模后发生变形。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(8)中，成型沥青混合料二次加工后得到圆柱形试件。一个剪切压实成型沥青混合料试块可得到三个圆柱形试件，然后利用切割机按照所需高度进行切割，可得到六个马歇尔试件。
在上述任一方案中优选的是，所述二次加工所用的仪器为取芯机。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤(8)中，成型沥青混合料二次加工后得到小型车辙板试件。一个剪切压实成型沥青混合料试块经过切割可得到三块小型车辙板试件。
在上述任一方案中优选的是，所述二次加工所用的仪器为切割机。
在上述任一方案中优选的是，所述小型车辙板试件再次加工后得到小梁试件。一块小型车辙板试件经过切割可得到三个小梁试件。
在上述任一方案中优选的是，所述再次加工所用的仪器为切割机。
本发明的沥青混合料的成型方法，是采用剪切压实成型的方法，通过对成型的沥青混合料进行二次加工获得用于沥青混合料性能测试的圆柱形试件、小型车辙板试件、小梁试件等，通过该方法成型的沥青混合料的性能与实际沥青路面的性能具有良好的相关性，能更好的将室内实验与实际生产情况联系起来。
附图说明
图1为按照本发明的沥青混合料的成型方法的工艺流程图；
图2为按照本发明的沥青混合料的成型方法的圆柱形试件取芯的剖面图；
图3为按照本发明的沥青混合料的成型方法的图2所示圆柱形试件取芯的俯视图；
图4为按照本发明的沥青混合料的成型方法的小型车辙板试件分层切割的剖面图；
图5为按照本发明的沥青混合料的成型方法的图4所示小型车辙板试件的示意图。
具体实施方式
为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。
实施例一：
以AC-13C沥青混合料成型为例。
首先对原材料进行性能测试。实验所用的原材料主要有粒径为3-5mm、5-10mm、10-15mm的三种碎石材料，机制砂、石灰石矿粉、70#沥青。实验前测试了新矿料的密度和沥青的性能，实验结果见表一和表二。
表一：新矿料的密度
| 新矿料种类 | γa：表观相对密度 | γb毛体积相对密度 |
| 10-15mm | 2.754 | 2.711 |
| 5-10mm | 2.759 | 2.707 |
| 3-5mm | 2.782 | 2.708 |
| 机制砂 | 2.747 | |
| 石灰石矿粉 | 2.785 |
表二：70#沥青的性能
如图1所示，AC-13C沥青混合料的成型方法，为剪切压实成型方法，其按照先后顺序包括以下步骤：
(1)按照预先设计对沥青混合料进行拌和。
采用的沥青混合料的级配如表三所示。
表三：沥青混合料的合成级配
集料加热温度为175℃，沥青加热温度为165℃，拌和温度为165℃，成型温度为150℃，油石比采用5.4％。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0702的方法拌制沥青混合料。
(2)测定所拌和沥青混合料的最大理论密度。
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0711沥青混合料理论最大相对密度试验(真空法)测定所拌和沥青混合料的理论最大密度为2.532g/cm3。
(3)设置剪切压实参数。
在剪切压实仪的参数设定界面设置压实参数，竖向压强为0.8MPa，循环剪切角为4°，压实终止高度为170mm。压实终止高度即沥青混合料成型高度。
(4)根据所要成型沥青混合料的空隙率计算需要装填的沥青混合料的质量。
按照实验要求，所成型沥青混合料试块的空隙率按照7％控制。根据公式M＝γs×15×45×H×(1-A)可计算出需要装填的沥青混合料的质量。
式中，M—沥青混合料装填质量，g，
γs—沥青混合料理论最大密度，g/cm3，
H—沥青混合料成型高度，cm，
A—按体积法控制的成型沥青混合料试块的空隙率，％。
因此，需要装填的沥青混合料的质量为：M＝γs×15×45×H×(1-A)＝2.532×15×45×17×(1-7％)＝27021g。
(5)将沥青混合料进行短期老化。
将沥青混合料摊铺在试样盘中，自然堆积高度为40mm；将沥青混合料放入150℃的烘箱中加热2h；在加热过程中，每隔一小时用铲子在试样盘中翻拌一次沥青混合料。烘箱内的温度维持在成型温度，即150℃。
(6)将老化后的沥青混合料进行装填。
由于所需沥青混合料的质量较大，为27021g，因此分成三等份，分三次装填，每次装填的质量为9007g。首先将其中一份加热保温的沥青混合料均匀地倒入装料斗中，并用铲子铺平；然后将装料斗中的沥青混合料通过分料器一次性加入成型室中；最后用加热后的插捣棒在成型室的边角处插捣6次，并用整平耙将沥青混合料铺平。重复上述装填步骤，对另外两份沥青混合料依次进行装填。
(7)对装填后的沥青混合料按照设置的剪切压实参数进行剪切压实成型，成型后进行脱模。
沥青混合料剪切压实成型结束后，采用单独设置的脱模装置进行脱模，在脱模时采用降温装置对沥青混合料试块进行降温。
(8)对成型后的沥青混合料进行二次加工。
如图2和图3所示，成型后的沥青混合料的尺寸为，长450mm，宽150mm，高170mm，采用取芯机在成型沥青混合料试块上钻取直径为100mm的圆柱形试件，然后根据所需高度对圆柱形试件的端部进行切割。取芯机的壁厚为5mm，圆柱形试件的内径为100mm，外径为110mm。一个剪切压实成型沥青混合料试块可得到三个高度为150mm的标准圆柱形试件。进一步切割，也可得到六个高度为63.5mm的马歇尔试件。
(9)对试件进行性能测试
对钻芯得到的圆柱形试件按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0709-2011和T0729-2011进行马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验，测试结果如表四所示，可见，本实施例剪切压实成型沥青混合料试件的性能与实际沥青路面的性能相接近。
表四：圆柱形试件性能测试结果
实施例二：
以AC-13C沥青混合料成型为例。
原材料的选择及性能测试、沥青混合料的成型方法等与实施例一相同，不同的是，在沥青混合料短期老化时，沥青混合料在试样盘中自然堆积的高度为60mm，然后将其放入140℃的烘箱中加热3h；在沥青混合料装填时，加热后的插捣棒在成型室的边角处插捣5次；沥青混合料剪切压实成型结束后，采用剪切压实仪自带的脱模装置进行脱模，脱模时采用降温设施对沥青混合料试块进行降温。
如图4和图5所示，成型后的沥青混合料的尺寸为，长450mm，宽150mm，高170mm，采用切割机对沥青混合料试块进行分层切割，分层切割后，将试件长度方向的两端分别切割掉75mm，中间部分剩余的长度为300mm。因此，成型沥青混合料试块经过分层切割后，可以得到三块长为300mm、宽为150mm，厚为53mm的小型车辙板试件。
对小型车辙板试件按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)中T0719-2011沥青混合料车辙试验进行试验，试验结果如表五所示，可见，本实施例剪切压实成型沥青混合料试件的性能与实际沥青路面的性能相接近。
表五：小型车辙板试件性能测试结果
| 试验编号 | 45min位移(mm) | 60min位移(mm) | 动稳定度(次/mm) |
| 1 | 1.586 | 1.699 | 4460 |
| 2 | 1.482 | 1.578 | 5272 |
| 3 | 1.597 | 1.717 | 4200 |
实施例三：
以AC-13C沥青混合料成型为例。
原材料的选择及性能测试、沥青混合料的成型方法等与实施例一相同，不同的是，在沥青混合料短期老化时，沥青混合料在试样盘中自然堆积的高度为50mm，然后将其放入160℃的烘箱中加热2.5h；在沥青混合料装填时，加热后的插捣棒在成型室的边角处插捣4次；沥青混合料剪切压实成型结束后，采用剪切压实仪自带的脱模装置进行脱模，脱模时采用冷风对沥青混合料试块进行降温。
采用切割机对实施例二中的小型车辙板按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0703所述方法进行再次加工，一块小型车辙板试件可以得到三个长为250mm，宽为30mm，高为35mm的标准小梁试件。
对切割得到的小梁试件按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)中T0715-2011沥青混合料弯曲试验进行试验，低温弯曲试验结果如表6所示，可见，本实施例剪切压实成型沥青混合料试件的性能与实际沥青路面的性能相接近。
表六：小梁试件性能测试结果
本领域技术人员不难理解，本发明的一种沥青混合料的成型方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种沥青混合料的成型方法，为剪切压实成型方法，其按照先后顺序包括以下步骤：
（1）按照预先设计对沥青混合料进行拌和；
（2）测定所拌和沥青混合料的最大理论密度；
（3）设置剪切压实参数；
（4）根据所要成型沥青混合料的空隙率计算需要装填的沥青混合料的质量；
（5）将沥青混合料进行短期老化；
（6）将老化后的沥青混合料进行装填；
（7）对装填后的沥青混合料按照设置的剪切压实参数进行剪切压实成型，成型后进行脱模；
（8）对成型后的沥青混合料进行二次加工。
2.如权利要求1所述的沥青混合料的成型方法，其特征在于：所述剪切压实成型采用控制剪切压实高度的模式。
3.如权利要求1所述的沥青混合料的成型方法，其特征在于：所述步骤（3）中，设置的剪切压实参数为压实终止高度、竖向压强、循环剪切角。
4.如权利要求3所述的沥青混合料的成型方法，其特征在于：所述压实终止高度为170mm，所述竖向压强为0.8MPa，所述循环剪切角为4°。
5.如权利要求1所述的沥青混合料的成型方法，其特征在于：所述步骤（4）中，需要装填的沥青混合料质量的计算公式为 ，
式中，—沥青混合料装填质量，g，
—沥青混合料理论最大密度，g/cm3，
—沥青混合料成型高度，cm，
—所要成型沥青混合料的空隙率，%。
6.如权利要求5所述的沥青混合料的成型方法，其特征在于：所述沥青混合料成型高度为压实终止高度。
7.如权利要求5所述的沥青混合料的成型方法，其特征在于：所述成型沥青混合料的空隙率为7%。
8.如权利要求1所述的沥青混合料的成型方法，其特征在于：所述步骤（5）中，沥青混合料短期老化的方法为，将沥青混合料摊铺在试样盘中，堆积一定高度；将沥青混合料放入烘箱中加热一定时间；在加热过程中，每隔一小时翻拌一次沥青混合料。
9.如权利要求8所述的沥青混合料的成型方法，其特征在于：试样盘中沥青混合料堆积的高度为40-60mm。
10.如权利要求8所述的沥青混合料的成型方法，其特征在于：烘箱内的温度为140-160℃。
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| Title |
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| 季节 灯: "基于不同成型方法的热再生沥青混合料性能试验研究", 《公路》 * |
| 李秀梅: "AC213（改进型)沥青混合料劈裂试验研究", 《西部交通科技》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109507401A (zh) * | 2018-11-08 | 2019-03-22 | 桂林理工大学 | 一种新型乳化沥青混合料马歇尔试验方法 |
| CN109608095A (zh) * | 2019-01-16 | 2019-04-12 | 西安航空学院 | 一种粉煤灰改性沥青及其制备方法 |
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