CN107330213B - 基于疲劳效益系数的橡胶沥青混合料最佳油石比确定方法 - Google Patents

基于疲劳效益系数的橡胶沥青混合料最佳油石比确定方法 Download PDF

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Abstract

一种基于疲劳效益系数的橡胶沥青混合料最佳油石比确定方法，依次包括如下步骤：（1）确定橡胶沥青混合料的矿料级配；（2）选择5个油石比，按照规范制作疲劳试件；（3）进行四点弯曲疲劳试验，确定橡胶沥青混合料油石比与疲劳寿命的关系；（4）考虑费用因素，确定疲劳效益系数；（5）绘制疲劳效益系数与油石比的关系曲线图，确定最佳油石比；（6）对所确定的最佳油石比，成型试件进行橡胶沥青混合料路用性能验证。本发明所述的方法简单使用，可以确定最优的油石比，在兼顾橡胶沥青路面的寿命周期和费用的情况下，保证橡胶沥青路面的性能费用比达到最优，降低沥青路面施工成本，提高沥青路面使用寿命。

Description

基于疲劳效益系数的橡胶沥青混合料最佳油石比确定方法
技术领域
本发明属于橡胶沥青混合料技术领域，尤其涉及一种基于疲劳效益系数的橡胶沥青混合料最佳油石比确定方法。
背景技术
近年来，随着我国汽车工业的迅速发展，汽车保有量的增加，大量的废旧橡胶轮胎随之产生，废旧轮胎的处理不仅成为社会热点问题，而且直接影响到生活的环境和社会的发展。橡胶改性沥青在道路建设领域得到了大规模的应用，不仅能消耗大量废旧轮胎，而且大幅提升了沥青路面的抗疲劳性能，延长了路面的使用寿命，产生了巨大的社会效益和环境效益。
疲劳破坏是沥青路面的主要破坏型式之一。由于我国道路交通量激增，超载超限现象严重，加剧了沥青路面的疲劳破坏，缩短了道路的使用寿命，造成了巨大的经济损失。
目前，我国常用沥青混合料的最佳油石比确定方法是马歇尔设计方法，马歇尔设计方法虽然试验方法简单、费用较低，但马歇尔设计方法中试件的击实成型方法无法模拟路面的实际碾压作用，稳定度和流值同沥青混合料的路用性能相关性差，试验数据难以说明沥青路面的长期使用性能，且设计方法中未考虑全寿命周期费用因素。
因此，为了能保证橡胶沥青混合料具有良好的抗疲劳性能，保证橡胶沥青路面的使用性和耐久性，同时，兼顾橡胶沥青路面的寿命周期费用，保证橡胶沥青路面的性能费用比达到最优，提出一种新的简单实用的橡胶沥青混合料最佳油石比确定方法已刻不容缓。
发明内容
本发明旨在提供一种使用效果好的基于疲劳效益系数的橡胶沥青混合料最佳油石比确定方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种基于疲劳效益系数的橡胶沥青混合料最佳油石比确定方法，依次包括如下步骤：
(1)确定橡胶沥青混合料的矿料级配；
(2)选择5个油石比，按照规范制作疲劳试件；
(3)进行四点弯曲疲劳试验，根据公式一确定橡胶沥青混合料油石比与疲劳寿命的关系；
lg Nf＝k1(lg Pa)2+k2 lg Pa+k3 公式一
其中，lg为对数函数；Pa为选定的油石比；Nf为疲劳寿命；k1，k2，k3为自定义系数；
(4)考虑费用因素，根据公式二确定疲劳效益系数：
Figure GDA0002596390040000021
其中，k为疲劳效益系数；Nf为疲劳寿命；A为橡胶沥青路面的费用；
(5)绘制疲劳效益系数与油石比的关系曲线图，确定最佳油石比；
(6)对所确定的最佳油石比，成型试件进行橡胶沥青混合料路用性能验证。
其中橡胶沥青路面的费用A由公式三确定：
A＝A建设+A养护 公式三
其中，A为橡胶沥青路面的费用；A建设为初期建设费用；A养护为后期养护费用。
初期建设费用由公式四确定：
Figure GDA0002596390040000022
其中，α石料为级配石料单价；α沥青为沥青单价；A施工为沥青路面前期施工费用；
后期养护费用由公式五确定：
A养护＝αA建设 公式五
其中，A建设为初期建设费用；A养护为后期养护费用；α为自定义系数。
通过以上技术方案，本发明的有益效果为：本发明所述的方法简单使用，可以确定最优的油石比，从而保证橡胶沥青混合料具有良好的抗疲劳性能，同时保证橡胶沥青路面的使用性和耐久性；另外，兼顾橡胶沥青路面的寿命周期费用，保证橡胶沥青路面的性能费用比达到最优。
附图说明
图1为本发明所述方法流程图；
图2为疲劳寿命Nf与油石比Pa的对数曲线图；
图3为疲劳效益系数k与油石比Pa的关系曲线图。
具体实施方式
一种基于疲劳效益系数的橡胶沥青混合料最佳油石比确定方法，如图1所示，依次包括如下步骤：
(1)确定橡胶沥青混合料的矿料级配；此步骤根据级配设计范围和各组成材料筛分试验结果确定。
(2)选择5个油石比，按照规范制作疲劳试件。
(3)进行四点弯曲疲劳试验，根据公式一确定橡胶沥青混合料油石比与疲劳寿命的关系；
lg Nf＝k1(lg Pa)2+k2 lg Pa+k3 公式一
其中，lg为对数函数；Pa为选定的油石比；Nf为疲劳寿命；k1，k2，k3为自定义系数。
(4)考虑费用因素，根据公式二确定疲劳效益系数：
Figure GDA0002596390040000031
其中，lg为对数函数；k为疲劳效益系数；Nf为疲劳寿命；A为橡胶沥青路面的费用；k1， k2，k3为自定义系数；
另外，橡胶沥青路面的费用A由公式三确定：
A＝A建设+A养护 公式三
初期建设费用由公式四确定：
Figure GDA0002596390040000032
其中，Pa为选定的油石比；α石料为级配石料单价；α沥青为沥青单价；A施工为沥青路面前期施工费用。
后期养护费用由公式五确定：
A养护＝αA建设 公式五
其中，A建设为初期建设费用；A养护为后期养护费用；α为自定义系数。
最终，得出疲劳效益系数的计算公式如下：
Figure GDA0002596390040000033
其中，lg为对数函数；k为疲劳效益系数；Nf为疲劳寿命；A为橡胶沥青路面的费用；k1， k2，k3为自定义系数；Pa为选定的油石比；α为自定义系数；α石料为级配石料单价；α沥青为沥青单价；A施工为沥青路面前期施工费用。
(5)根据公式六绘制疲劳效益系数与油石比的关系曲线图，确定最佳油石比。
(6)对所确定的最佳油石比，成型试件进行橡胶沥青混合料路用性能验证。
基于以上实施例，确定WRAC-13橡胶沥青混合料最佳油石比，方法如下：
(1)确定橡胶沥青混合料的矿料级配：
对于原材料：本实例原材料采用的是将一定比例的橡胶粉和SBS掺加到基质沥青中制备而成的橡胶粉复合改性沥青，其各项指标如表1所示。
表1橡胶粉复合改性沥青技术要求及试验结果
Figure GDA0002596390040000041
粗集料选用10mm～15mm，5mm～10mm两个范围的石灰岩碎石粗集料；细集料采用石灰岩机制砂，矿粉采用辉县产的石灰岩矿粉。各档集料及矿粉均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中相关要求。WRAC-13橡胶沥青混合料矿料级配见表2。
表2合成级配
Figure GDA0002596390040000042
(2)选择5个油石比，按照规范制作疲劳试件：
本实例参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，采用四点弯曲疲劳试验方法，疲劳破坏判据为劲度模量降为初始劲度模量的50％。选定的油石比为：5.0、5.5、 6.0、6.5、7.0。
(3)进行四点弯曲疲劳试验，根据公式一确定橡胶沥青混合料油石比与疲劳寿命的关系；
根据路面车载情况，选取应变为1500με的加载水平，WRAC-13橡胶沥青混合料疲劳试验结果见表3。
表3疲劳试验结果
油石比Pa/％ 空隙率/％ 应变水平/με 疲劳次数/次
5.0 7.0 1500 7145
5.5 5.6 1500 9050
6.0 4.1 1500 11320
6.5 3.2 1500 10260
7.0 2.3 1500 9365
根据疲劳试验结果，采用公式一对疲劳试验数据进行拟合，得到疲劳寿命Nf与油石比Pa的对数曲线见图2。
lg Nf＝k1(lg Pa)2+k2 lg Pa+k3 公式一
其中，lg为对数函数；Pa为选定的油石比；Nf为疲劳寿命；k1，k2，k3为自定义系数。
具体到本实施例，公式一为：lgNf＝-21.706(lgPa)2+34.35lgPa-9.5562。
根据公式一得到疲劳寿命与油石比的对数曲线图，如图2所示：
(4)考虑费用因素，根据公式二确定疲劳效益系数：
基于疲劳性能与费用的相对关系，提出疲劳效益系数K，进行油石比的优化调整，使单位费用下橡胶沥青路面的疲劳性能达到最优。
疲劳效益系数K取为疲劳寿命对数与费用对数之商，具体计算公式如式(2)所示。
Figure GDA0002596390040000051
其中，k为疲劳效益系数；Nf为疲劳寿命；A为橡胶沥青路面的费用；
式中，A为橡胶沥青路面的费用，包括初期建设费用A建设和后期养护费用A养护。其中，初期建设费用A建设又分为材料费用A材料和生产施工费用A施工。材料费用主要包括橡胶沥青费用和石料费用两项。每吨橡胶沥青混合料初期建设费A建设计算如式(3)所示。后期养护费用按初期建设费用的一定比例选取。
橡胶沥青路面的费用A由公式三确定：
A＝A建设+A养护 公式三
初期建设费用由公式四确定：
Figure GDA0002596390040000061
其中，Pa为选定的油石比；α石料为级配石料单价；α沥青为沥青单价；A施工为沥青路面前期施工费用。
后期养护费用由公式五确定：
A养护＝αA建设 公式五
其中，A建设为初期建设费用；A养护为后期养护费用；α为自定义系数。
则最终，得出疲劳效益系数的计算公式公式六如下：
Figure GDA0002596390040000062
其中，lg为对数函数；k为疲劳效益系数；Nf为疲劳寿命；A为橡胶沥青路面的费用；k1， k2，k3为自定义系数；Pa为选定的油石比；α为自定义系数；α石料为级配石料单价；α沥青为橡胶沥青单价；A施工为道路施工费用。
以目前市场价格为准，橡胶沥青单价为4960元/吨，石料单价为120元/吨，橡胶沥青混合料的生产和施工费用为70元/吨，α取0.2。将以上数据代入公式六，得到疲劳效益系数k 和油石比Pa的关系式如公式七所示，其曲线如图3所示。
Figure GDA0002596390040000063
(5)绘制疲劳效益系数与油石比的关系曲线图，确定最佳油石比；
根据公式七拟合疲劳效益系数和油石比的关系曲线如图2所示。
由关系曲线可以得出，当油石比达到5.96％时，疲劳效益系数k达到最大值，说明在油石比为5.96％时，橡胶沥青混合料疲劳寿命效益最高。最终选择6.0％为WRAC-13橡胶沥青混合料的最佳油石比。
(6)对所确定的最佳油石比，成型试件进行橡胶沥青混合料路用性能验证。
按照上述确定的最佳油石比6.0％，成型试件进行路用性能试验，试验结果如表4所示。
表4路用性能验证结果
Figure GDA0002596390040000064
Figure GDA0002596390040000071
根据性能试验结果，WRAC-13断级配橡胶沥青混合料可满足现行规范对改性沥青上面层混合料的技术要求。
本发明所述的方法简单使用，可以确定最优的油石比，在兼顾橡胶沥青路面的寿命周期和费用的情况下，保证橡胶沥青路面的性能费用比达到最优，降低沥青路面施工成本，提高沥青路面使用寿命。

Claims (4)

1.一种基于疲劳效益系数的橡胶沥青混合料最佳油石比确定方法，其特征在于：依次包括如下步骤：
(1)确定橡胶沥青混合料的矿料级配；
(2)选择5个油石比，按照规范制作疲劳试件；
(3)进行四点弯曲疲劳试验，根据公式一确定橡胶沥青混合料油石比与疲劳寿命的关系；
lgNf＝k1(lgPa)2+k2lgPa+k3 公式一
其中，lg为对数函数；Pa为选定的油石比；Nf为疲劳寿命；k1，k2，k3为自定义系数；
(4)考虑费用因素，根据公式二确定疲劳效益系数：
Figure FDA0002596390030000011
其中，k为疲劳效益系数；A为橡胶沥青路面的费用；
(5)绘制疲劳效益系数与油石比的关系曲线图，确定最佳油石比；
(6)根据所确定的最佳油石比，对成型试件进行橡胶沥青混合料路用性能验证。
2.如权利要求1所述的基于疲劳效益系数的橡胶沥青混合料最佳油石比确定方法，其特征在于：其中橡胶沥青路面的费用A由公式三确定：
A＝A建设+A养护 公式三
其中，A为橡胶沥青路面的费用；A建设为初期建设费用；A养护为后期养护费用。
3.如权利要求2所述的基于疲劳效益系数的橡胶沥青混合料最佳油石比确定方法，其特征在于：初期建设费用由公式四确定：
Figure FDA0002596390030000012
其中，α石料为级配石料单价；α沥青为沥青单价；A施工为沥青路面前期施工费用。
4.如权利要求3所述的基于疲劳效益系数的橡胶沥青混合料最佳油石比确定方法，其特征在于：后期养护费用由公式五确定：
A养护＝αA建设 公式五
其中，A建设为初期建设费用；A养护为后期养护费用；α为自定义系数。
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