CN109460634B - 一种基于贝雷法的密级配骨架密实型沥青稳定碎石混合料配合比设计的设计方法 - Google Patents

一种基于贝雷法的密级配骨架密实型沥青稳定碎石混合料配合比设计的设计方法 Download PDF

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Abstract

为优化级配设计，提高级配设计的合理性把CA、FAC和FAf比作为控制指标进行级配设计，对设计的级配进行马歇尔试验，考虑沥青混合料的压实特性，结合VMA和VV指标选择出了最优级配，形成了基于贝雷法的级配设计方法。采用贝雷法，主要考虑了粗、细集料的划分界限，从装填特性出发合理设计粗、细集料的比例，使粗集料形成多级嵌挤骨架，细集料充分填充粗集料形成的空隙，从而使设计出的级配为骨架密实型，具有良好的高温抗车辙性、密水性和耐久性。

Description

一种基于贝雷法的密级配骨架密实型沥青稳定碎石混合料配 合比设计的设计方法
技术领域
本发明属于道路材料工程技术领域，具体涉及一种基于贝雷法的密级配骨架密实型沥青稳定碎石混合料配合比设计的设计方法。
背景技术
随着我国高速公路交通量日益增加，重载和超载现象日益严重等问题的出现，路面性能变差，使用寿命变短，集料级配对沥青混合料路用性能起的作用也越来越明显，是影响沥青混合料性能的重要因素(集料级配、原材料性质、气候条件、施工水平等)之一，级配设计的优劣直接影响着沥青混合料的路用性能。贝雷法是美国伊利诺斯州交通部Robert.Bailey首先提出的，是一种系统的嵌挤密实级配设计和评价方法。贝雷法主要考虑了粗、细集料的划分界限，从装填特性出发合理设计粗、细集料的比例，使粗集料形成多级嵌挤骨架，细集料充分填充粗集料形成的空隙，从而使设计出的级配为骨架密实型，具有良好的高温抗车辙性、密水性和耐久性。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于贝雷法的密级配骨架密实型沥青稳定碎石混合料配合比设计的设计方法。鉴于在我国交通量逐步加大重载和超载等问题不断增加的情况下，为提路面的使用性能和寿命，开发一种以贝雷法为控制指标的混合料级配设计的设计方法，贝雷法主要考虑了粗、细集料的划分界限，从装填特性出发合理设计粗、细集料的比例，使粗集料形成多级嵌挤骨架，细集料充分填充粗集料形成的空隙，从而使设计出的级配为骨架密实型，具有良好的高温抗车辙性、密水性和耐久性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案一种基于贝雷法为基础的密级配骨架密实型沥青稳定碎石混合料配合比设计的设计方法，包括如下步骤：
步骤一：对比密级配骨架悬浮型的沥青混合料AC以及密级配骨架密实型的沥青混合料SMA的各档集料的级配中值，分析沥青混合料从骨架悬浮型结构转变到骨架密实型结构后，级配中值的上升或下降的百分比；
步骤二：根据不同的密级配骨架悬浮型沥青稳定碎石ATB的各档集料的级配中值，初步得出密级配骨架密实型沥青稳定碎石ATSM的设计级配；
步骤三：利用贝雷法提出的三个参数来验证ATSM的级配，并且对关键筛孔的比例进行修改，得到满足贝雷法的要求ATSM的级配；
步骤四：根据ATSM的级配的级配与已知的ATB的经验油石比成型出5组ATSM 大马歇尔试件；
步骤五：测定五组不同油石比对应下的大马歇尔试件的毛体积密度，最大理论相对密度，并按照相关公式计算其体积参数，包括空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA；
步骤六：进行马歇尔稳定度试验，测定大马歇尔试件稳定度及流值；
步骤七：根据步骤一至步骤六的试验结果计算混合料的最佳沥青用量即油石比。
优选的是，步骤一中，依据贝雷法中提出三个关键筛孔PCS、SCS、TCS来分析沥青混合料从骨架悬浮型结构转变到骨架密实型结构，其关键筛孔中值的上升或下降的百分比。
在以上任一方案中优选的是，依据已有的ATB的设计级配，采用同步骤一中相同的方法得到关键筛孔的级配中值变化规律，其余筛孔变化取平均值，进行相应的调整，从而得到ATSM的初步设计级配。
在以上任一方案中优选的是，贝雷法引入三个参数CA比、FAC比、FAf比，当设计级配通过计算满足上述三个参数的要求时，认为级配中粗集料嵌挤，细集料填充空隙，级配设计合格，满足贝雷法的要求。
在以上任一方案中优选的是，参照已有的ATB的经验油石比，提出五种参照油石比从而通过马歇尔实验确定ATSM的最佳沥青用量。
在以上任一方案中优选的是，步骤一中沥青混合料选用的是AC-13与 SMA-13。
在以上任一方案中优选的是，步骤一中沥青混合料选用的是AC-16与 SMA-16。
在以上任一方案中优选的是，步骤一中沥青混合料选用的是AC-20与 SMA-20。
在以上任一方案中优选的是，不同的密级配骨架悬浮型沥青稳定碎石为 ATB-25、ATB-30以及ATB-40中的一种。
在以上任一方案中优选的是，密级配骨架密实型沥青稳定碎为ATSM为 ATSM-25、ATSM-30以及ATSM-40中的一种。
在以上任一方案中优选的是，步骤五中选用的五组油石比为2.2％-2.6％、 2.6-3.0％、3.0-3.4％、3.4-3.8％和3.8-4.2％。
在以上任一方案中优选的是，步骤五中选用的五组油石比为2.4％、2.8％、3.2％、3.6％和4.0％。
在以上任一方案中优选的是，步骤五中选用的五组油石比为2.6％、3.0％、3.4％、3.8％和4.2％。
在以上任一方案中优选的是，步骤六中在60℃水浴环境下浸泡60min后测定大马歇尔试件稳定度及流值。
附图说明
图1为是本发明优选实施例ATSM-30级配设计曲线；
图2是为本发明优选实施例ATSM-30油石比-毛体积密度关系曲线；
图3是为本发明优选实施例ATSM-30油石比-空隙率关系曲线；
图4是为本发明优选实施例ATSM-30油石比-沥青饱和度关系曲线；
图5是为本发明优选实施例ATSM-30油石比-矿料间隙率关系曲线；
图6是为本发明优选实施例ATSM-30油石比-稳定度率关系曲线；
图7是为本发明优选实施例ATSM-30油石比-流值关系曲线。
具体实施方式
以下结合具体实施例以及附图对本发明做进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
一、ATSM-30的设计级配的确定
步骤一：对比密级配骨架悬浮型的沥青混合料AC以及密级配骨架密实型的沥青混合料SMA的各档集料的级配中值，本发明中采用三种不同最大公称粒径的密级配沥青混合料以及沥青玛蹄脂的级配中值，计算其中值的变化规律，以AC-13 和SAM-13做对比分析，结果如下表1。
表1 AC-13与SMA-13级配中值变化
Figure BDA0001925266060000041
由以下三个公式可得到AC-13和SMA-13关键筛孔为2.36mm、0.6mm和 0.15mm。
PPCS＝0.22NMPS
PSCS＝0.22PPCS
PTCS＝0.22PSCS
步骤二：分析沥青混合料从骨架悬浮型结构转变到骨架密实型结构后，级配中值的上升或下降的百分比。其变化规律为：沥青混合料由密实悬浮型结构转变到骨架密实型结构时，PCS(第一关键筛孔通过率)下降47％，SCS(第二关键筛孔通过率)下降15％，TCS(第三关键筛孔通过率)上升15％。同理，可计算出 ATSM-30的三个关键筛孔为9.5mm、1.18mm和0.3mm。
利用相同的方法，得到关键筛孔的级配中值变化规律。9.5mm筛孔通过率下降15.3％，1.18mm筛孔通过率下降28％。参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)规范中给出的密级配骨架悬浮型沥青稳定碎石ATB-30 的各档集料的级配中值加以变化从而得到ATSM-30的初步级配中值。结果如下表 2。
表2 ATB-30与ATSM-30级配中值
Figure BDA0001925266060000042
Figure BDA0001925266060000051
步骤三：利用贝雷法提出的三个参数来验证ATSM的级配，并且对关键筛孔的比例进行修改，得到ATSM的级配。通过计算贝雷法三个参数得到 0.4＜CA＝0.44＜0.8、FAc＝0.34＜0.35、FAf＝0.83＞0.5，说明粗集料已形成嵌挤结构，但是细集料的未能完全填充粗集料所产生的空隙设计，同时导致ATSM-30沥青混合料压实性能不好。FAf比值过大表明最细一档集料未形成嵌挤结构。对上表的ATSM-30级配数据进行调整，并且加入各档合成集料的筛分数据，最终得到ATSM-30的设计级配。结果如下表3。
表3 ATSM-30级配设计表
Figure BDA0001925266060000052
通过计算得到0.4＜CA＝0.67＜0.8、0.35＜FAc＝0.4＜0.5、 FAf＝0.41＜0.5，三个关键参数均合格，说明ATSM-30的级配中粗集料嵌挤，细集料填充空隙，因此级配设计合格，满足贝雷法的要求，得到ATSM-30的级配设计曲线。结果如图1所示。
二、最佳沥青用量的确定
步骤四：根据ATSM的级配的级配与已知的ATB的经验油石比成型出5组ATSM-30 大马歇尔试件。根据试验规范要求，对沥青混合料进行配合比设计，因ATB-30的经验油石比为3.2％左右，故以2.4％、2.8％、3.2％、3.6％和4.0％五种油石比分别与上述配合比例的合成集料成型出ATSM-30大马歇尔试件。
(1)称取5组集料、质量比为8％的矿粉及相应的沥青，每组(平行试件5个)集料10800g，矿粉9036g。
(2)沥青混合料在拌和时，集料加热温度约180℃，沥青加热温度约170℃，拌合温度约170℃，大粒径骨架密实型沥青混合料ATSM-30试件两面各击实75次后，满足试件高度为95.3±2.5mm的条件下，每个试件混合料质量约为3780g时较为合适，成型后在试模内自然冷却至次日脱模。
(3)按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中规定的方法测定油石比为2.4％、2.8％、3.2％、3.6％和4.0％相应大马歇尔试件的毛体积密度，最大理论相对密度，并按照相关公式计算其体积参数，包括空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA，计算所得试验结果如表4所示。
表4大马歇尔试件体积参数
Figure BDA0001925266060000061
步骤五：测定五组不同油石比对应下的大马歇尔试件的毛体积密度，最大理论相对密度，并按照相关公式计算其体积参数，包括空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA；
根据以上试验结果计算得出沥青混合料的最佳油石比，并绘制马歇尔试件的油石比与其体积参数的关系曲线图，如图2-图7所示，其中空隙率VV、矿料间隙率VMA以及沥青饱和度VFA数据由以下公式计算得出。
Figure BDA0001925266060000071
Figure BDA0001925266060000072
Figure BDA0001925266060000073
通过《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中相关方法测定沥青混合料的毛体积相对密度γf、最大理论相对密度γt。代入数据得到沥青混合料的 VV值、VMA值和VFA值。
步骤六：进行马歇尔稳定度试验，测定大马歇尔试件稳定度及流值。在60℃水浴环境下浸泡60min后进行大马歇尔试件稳定度及流值的测定，测试结果如表5表示。
表5大马歇尔试件稳定度及流值
Figure BDA0001925266060000074
取最大密度、最大稳定度、空隙率中值和沥青饱和度中值的平均值来作为OAC1＝(a1+ a2+a3+a4)/4，但是由于试验范围内中的密度曲线没有出现峰值，因此根据规定取目标空隙率的中值所对应的油石比为OAC1，即OAC1＝3.3％。
以不包括VMA的各项指标的油石比范围的OACmin～OACmax的平均值作为OAC2。
沥青混合料的最佳油石比OAC＝(OAC1+OAC2)/2＝3.3％。
步骤七：根据步骤一至步骤六的试验结果计算混合料的最佳沥青用量即油石比。
以上结果，可确定大粒径骨架密实型沥青混合料ATSM-30的最佳沥青用量即油石比为3.3％。
本发明提供的设计方法以贝雷法为基础，考虑了粗、细集料的划分界限，从装填特性出发合理设计粗、细集料的比例，使粗集料形成多级嵌挤骨架，细集料充分填充粗集料形成的空隙，从而使设计出的级配为骨架密实型，具有良好的高温抗车辙性、密水性和耐久性。
实施例2：
以AC-16和SAM-16做对比分析，结果如下表6，其他的方法同实施例1。
表6 AC-16与SMA-16级配中值变化
Figure BDA0001925266060000081
由上表分析可得到AC-16和SMA-16关键筛孔为4.75mm、0.6mm和0.15mm。其变化规律为：沥青混合料由密实悬浮型结构转变到骨架密实型结构时，PCS下降41％， SCS下降18％，TCS上升11％。
实施例3：
以AC-20和SAM-20做对比分析，结果如下表7，其他的方法同实施例1。
表7 AC-20与SMA-20级配中值变化
Figure BDA0001925266060000082
Figure BDA0001925266060000091
由上表分析可得到AC-20和SMA-20关键筛孔为4.75mm、1.18mm和0.3mm。其变化规律为：沥青混合料由密实悬浮型结构转变到骨架密实型结构时，PCS下降41％， SCS下降30％，TCS无变化。
性能测试试验：
以实施例1的设计方法得到的混合料对其进行性能测试，包括车辙试验，低温试验，浸水马歇尔试验，疲劳试验，抗压回弹模量试验。同时将实施例1所得混合料于ATB系列进行了对比测试，实验结果如表8-表12所示。
表8 ATSM-30混合料车辙试验结果
Figure BDA0001925266060000092
表9 ATSM-30混合料低温试验结果
Figure BDA0001925266060000093
表10 ATSM-30混合料的浸水马歇尔试验结果
Figure BDA0001925266060000094
Figure BDA0001925266060000101
表11 ATSM-30疲劳试验结果
Figure BDA0001925266060000102
表12 ATSM-30抗压回弹模量(MPa)
Figure BDA0001925266060000103
表8的试验结果表明，ATSM-30的抗车辙性明显优于ATB-30；表9的试验结果表明ATSM-30低温弯拉应变优于ATB-30；表10的试验结果表明，ATSM-30马歇尔残留稳定度高于ATB-30,说明ATSM-30密水性优于ATB-30；表11的疲劳试验以及表12抗压回弹模量试验结果表明ATSM-30的耐久性优于ATB-30。
以上性能测试试验充分说明基于贝雷法为基础的密级配骨架密实型沥青稳定碎石混合料配合比设计的设计方法设计的混合料，使粗集料形成多级嵌挤骨架，细集料充分填充粗集料形成的空隙，从而使设计出的级配为骨架密实型，具有良好的高温抗车辙性、密水性和耐久性。

Claims (8)

1.基于贝雷法的密级配骨架密实型沥青稳定碎石混合料配合比设计的设计方法，包括如下步骤：
步骤一：对比密级配骨架悬浮型的沥青混合料AC以及密级配骨架密实型的沥青混合料SMA的各档集料的级配中值，依据贝雷法中提出三个关键筛孔PCS、SCS、TCS来分析沥青混合料从骨架悬浮型结构转变到骨架密实型结构关键筛孔中值的上升或下降的百分比；
步骤二：根据不同的密级配骨架悬浮型沥青稳定碎石ATB的各档集料的级配中值，依据已有的ATB的设计级配，采用同步骤一中相同的方法得到关键筛孔的级配中值变化规律，其余筛孔变化取平均值，进行相应的调整，从而得到密级配骨架密实型沥青稳定碎石ATSM的初步设计级配；
步骤三：利用贝雷法提出的三个参数来验证ATSM的级配，并且对关键筛孔的比例进行修改，得到满足贝雷法的要求ATSM的级配；
步骤四：根据ATSM的级配与已知的ATB的经验油石比成型出5组ATSM大马歇尔试件；
步骤五：测定五组不同油石比对应下的大马歇尔试件的毛体积密度，最大理论相对密度，并按照相关公式计算其体积参数，包括空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA；
步骤六：进行马歇尔稳定度试验，测定大马歇尔试件稳定度及流值；
步骤七：根据步骤一至步骤六的试验结果计算混合料的最佳沥青用量即油石比。
2.如权利要求1所述的基于贝雷法的密级配骨架密实型沥青稳定碎石混合料配合比设计的设计方法，其特征在于:贝雷法引入三个参数CA比、FAC比、FAf比，当设计级配通过计算满足上述三个参数的要求时，认为级配中粗集料嵌挤，细集料填充空隙，级配设计合格，满足贝雷法的要求。
3.如权利要求2所述的基于贝雷法的密级配骨架密实型沥青稳定碎石混合料配合比设计的设计方法，其特征在于:参照已有的ATB的经验油石比，提出五种参照油石比从而通过马歇尔实验确定ATSM的最佳沥青用量。
4.如权利要求3所述的基于贝雷法的密级配骨架密实型沥青稳定碎石混合料配合比设计的设计方法，其特征在于:步骤一中沥青混合料选用的是AC-13与SMA-13。
5.如权利要求3所述的基于贝雷法的密级配骨架密实型沥青稳定碎石混合料配合比设计的设计方法，其特征在于:步骤一中沥青混合料选用的是AC-16与SMA-16。
6.如权利要求3所述的基于贝雷法的密级配骨架密实型沥青稳定碎石混合料配合比设计的设计方法，其特征在于:步骤一中沥青混合料选用的是AC-20与SMA-20。
7.如权利要求3所述的基于贝雷法的密级配骨架密实型沥青稳定碎石混合料配合比设计的设计方法，其特征在于:不同的密级配骨架悬浮型沥青稳定碎石为ATB-25、ATB-30以及ATB-40中的一种。
8.如权利要求3所述的基于贝雷法的密级配骨架密实型沥青稳定碎石混合料配合比设计的设计方法，其特征在于:密级配骨架密实型沥青稳定碎石ATSM为ATSM-25、ATSM-30以及ATSM-40中的一种。
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