CN109657421A - 一种高韧超薄沥青磨耗层混合料的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高韧超薄沥青磨耗层混合料的设计方法，属于道路工程技术领域。本发明提出了全新的VCA_mix≤VCA_DRC和沥青膜厚度≥15μm的双重设计原则，结合粗骨架体积分配法，结合路用性能验证并指导设计修正，使高韧超薄沥青磨耗层混合料设计更具有目的性、规范性与灵活性，通过控制VCA_mix≤VCA_DRC和沥青膜厚度≥15μm，强调骨架嵌挤稳定作用与高沥青油膜的强抗裂效应，确保混合料具有良好的抗车辙变形、抗疲劳开裂，抗剪切变形的结构性能，以及能显著改善路面的抗滑性能、降噪性能、密水性能与平整度等功能属性。

Description

一种高韧超薄沥青磨耗层混合料的设计方法

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，具体涉及一种高韧超薄沥青磨耗层混合料的设计方法。

背景技术

表面磨耗层作为直接与通行车辆和自然环境接触的结构层，在荷载、日照、降水和温度变化的影响下，其耐久性往往无法得到保证，通常每隔5～10年就需要进行定期更换。而且，对于常规4～5cm厚度的沥青磨耗层如AC-13、AC-16、SMA-13等而言，其寿命终期磨损率(1～2mm)将远远小于结构层本身的厚度，被铣刨后将造成优质石料与沥青胶结料资源的巨大浪费。同时，由于其修筑结构较厚，在道路养护过程中经常无法满足应用需求，如在恒载受限的桥梁、净空受限的隧道、附属设施标高固定的路面养护工程中存在应用局限性。

目前，针对表面磨耗层，国内外普遍采用的沥青混合料设计方法是马歇尔设计法、Superpave设计法与GTM(美国工程兵旋转压实剪切试验)设计法等，均属于沥青混合料平衡设计法，而非针对不同结构层位力学性能或功能属性要求的专项设计方法。此类设计方法缺乏设计针对性与灵活性，无法突出表面磨耗层的抗裂性能、耐久性与功能属性(平整度、抗滑、密水与降噪性能等)，与高韧超薄沥青磨耗层的设计理念存在不匹配性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高韧超薄沥青磨耗层混合料的设计方法，以解决目前现有的常规沥青混合料设计方法无法与高韧超薄沥青磨耗层的设计理念相匹配的问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种高韧超薄沥青磨耗层混合料的设计方法，其中混合料包括沥青和矿料，所述矿料包括粗集料、细集料和矿粉，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据粗集料中各档的掺配比例确定粗集料的骨架间隙率；

(2)根据沥青用量、矿粉用量和目标空隙率以及所述步骤(1)中粗集料的骨架间隙率，利用粗骨架体积分配法确定粗集料与细集料的用量比；

(3)根据所述步骤(2)中粗集料与细集料的用量比，结合粗集料、细集料和矿粉的级配组成，合成矿料级配；

(4)根据合成的矿料级配得到沥青混合料，测定沥青混合料中的粗集料骨架间隙率、沥青膜厚度，合格则进入下一步测试，不合格则返回至步骤(1)或步骤(2)进行重新设计；所述沥青混合料中的粗集料骨架间隙率合格的判断标准为≤粗集料的骨架间隙率，沥青膜厚度合格的判断标准为≥15μm；

(5)对所述步骤(4)中得到的合格沥青混合料进行析漏损失率测定，合格则进入下一步测试，不合格则返回至步骤(2)进行重新设计；所述析漏损失率合格的判断标准为＜0.3％；

(6)对所述步骤(5)中得到的合格沥青混合料进行路用性能测试，合格则将该合成矿料级配与沥青用量作为高韧沥青超薄磨耗层混合料设计的最终配比，不合格则返回至步骤(1)或步骤(2)进行修正。

优选的，所述步骤(1)中确定粗集料的骨架间隙率的步骤包括：根据所述粗集料中各档的掺配比例对粗集料进行掺配，利用干捣法测试掺配后粗集料的紧装密度，并根据式1计算粗集料的骨架间隙率，

式1中，VCA_DRC为粗集料的骨架间隙率，％；γ_CA为粗集料的表观密度，g/cm³；γ_s为粗集料骨架的紧装密度，g/cm³。

优选的，所述步骤(2)中的沥青用量通过油石比确定，所述油石比不小于7.2％，矿粉用量为矿料质量的2～6％，目标空隙率为3～5％。

优选的，所述步骤(2)中利用粗骨架体积分配法确定粗集料与细集料的用量比的方法包括：按细集料体积、矿粉体积、沥青体积和沥青混合料目标空隙体积的总和等于粗骨架的空隙体积，得出粗集料与细集料的用量比，计算过程满足式2和式3方程：

p_c+p_x+p_k＝100 式2

式2和式3中：p_c、p_x、p_k、p_l分别为粗集料、细集料、矿粉和沥青占矿料的质量百分数，％；VAC_DRC为粗集料的骨架间隙率，％；V_V为目标空隙率，％；γ_x、γ_k分别为细集料和矿粉的表观密度，g/cm³；γ_l为沥青的密度，g/cm³；γ_s为粗集料骨架的紧装密度，g/cm³。

优选的，所述步骤(4)中的沥青混合料中的粗集料骨架间隙率根据式4计算得到：

式4中，VCA_mix为沥青混合料中的粗集料骨架间隙率，％；γ_ca为粗集料骨架部分的平均毛体积相对密度，无量纲；γ_f为沥青混合料试件的毛体积相对密度，无量纲；P_CA为沥青混合料中粗集料的比例，％；

所述沥青膜厚度根据式5计算得到：

式5中，DA为沥青膜厚度，μm；P_be为有效沥青用量，％；SA为矿料的比表面积，m²/kg；γ_b为沥青的相对密度(25℃)，无量纲。

优选的，在进行所述步骤(4)之前，需要结合高韧超薄沥青磨耗层的级配范围对合成的矿料级配进行验证，合格则进入下一步，不合格则返回至步骤(1)进行重新设计；

所述矿料级配合格的判断标准为落在所述高韧超薄沥青磨耗层的级配范围内，所述高韧超薄沥青磨耗层的级配范围如表1所示：

表1高韧超薄沥青磨耗层矿料级配范围

优选的，所述步骤(4)中，

当所述沥青混合料中的粗集料骨架间隙率不合格时，返回至步骤(1)，增大粗集料中较大颗粒档的掺配比例，或返回至步骤(2)，降低矿粉用量进行重新设计；

当所述沥青膜厚度不合格时，返回至步骤(2)，增大沥青用量进行重新设计。

优选的，所述步骤(5)中，当析漏损失率不合格时，返回至步骤(2)，减小沥青用量进行重新设计。

优选的，所述步骤(6)中合格的判断标准为沥青混合料应同时满足以下路用性能：

1)60℃车辙动稳定度不小于3000次/mm；

2)沥青混合料表面构造深度不小于0.8mm；

3)15℃、1000με试验条件下，四点弯曲疲劳寿命不小于20万次；

5)肯塔堡飞散损失率不大于8％。

优选的，所述步骤(6)中，当构造深度与车辙动稳定度任意一项不满足路用性能要求时，应增加所述步骤(1)中粗骨料中较大颗粒档的掺配比例进行修正，或降低所述步骤(2)中的矿粉用量进行修正；

当疲劳寿命与飞散损失率任意一项不满足路用性能要求时，应增加所述步骤(2)的沥青用量对配合比设计进行修正。

本发明提供了一种高韧超薄沥青磨耗层混合料的设计方法，其中混合料包括沥青和矿料，所述矿料包括粗集料、细集料和矿粉，包括以下步骤：(1)根据粗集料中各档的掺配比例确定粗集料的骨架间隙率；(2)根据沥青用量、矿粉用量和目标空隙率以及所述步骤(1)中粗集料的骨架间隙率，利用粗骨架体积分配法确定粗集料与细集料的用量比；(3)根据所述步骤(2)中粗集料与细集料的用量比，结合粗集料、细集料和矿粉的级配组成，合成矿料级配；(4)根据合成的矿料级配得到沥青混合料，测定沥青混合料中的粗集料骨架间隙率、沥青膜厚度，合格则进入下一步测试，不合格则返回至步骤(1)或步骤(2)进行重新设计；所述沥青混合料中的粗集料骨架间隙率合格的判断标准为≤粗集料的骨架间隙率，沥青膜厚度合格的判断标准为≥15μm；(5)对所述步骤(4)中得到的合格沥青混合料进行析漏损失率测定，合格则进入下一步测试，不合格则返回至步骤(2)进行重新设计；所述析漏损失率合格的判断标准为＜0.3％；(6)对所述步骤(5)中得到的合格沥青混合料进行路用性能测试，合格则将该合成矿料级配与沥青用量作为高韧沥青超薄磨耗层混合料设计的最终配比，不合格则返回至步骤(1)或步骤(2)进行修正。

本发明提出了全新的VCA_mix≤VCA_DRC和沥青膜厚度≥15μm的双重设计原则，结合粗骨架体积分配法，并采用路用性能验证并指导设计修正，使高韧超薄沥青磨耗层混合料设计更具有目的性、规范性与灵活性，通过控制VCA_mix≤VCA_DRC和沥青膜厚度≥15μm，强调骨架嵌挤稳定作用与高沥青油膜的强抗裂效应，确保混合料具有良好的抗车辙变形、抗疲劳开裂和抗剪切变形的结构性能，以及能显著改善路面的抗滑性能、降噪性能、密水性能与平整度等功能属性。

此外，本发明的设计方法不仅能为高性能薄层结构的开发应用提供技术支持，而且可以作为完善其它沥青混合料设计方法尤其是表面磨耗层设计方法的参考依据。

附图说明

图1为本发明高韧超薄沥青磨耗层混合料的设计方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种高韧超薄沥青磨耗层混合料的设计方法，其中混合料包括沥青和矿料，所述矿料包括粗集料、细集料和矿粉，所述设计方法包括以下步骤：

(1)根据粗集料中各档的掺配比例确定粗集料的骨架间隙率；

(2)根据沥青用量、矿粉用量和目标空隙率以及所述步骤(1)中粗集料的骨架间隙率，利用粗骨架体积分配法确定粗集料与细集料的用量比；

(3)根据所述步骤(2)中粗集料与细集料的用量比，结合粗集料、细集料和矿粉的级配组成，合成矿料级配；

(4)根据合成的矿料级配得到沥青混合料，测定所述沥青混合料的沥青混合料中的粗集料骨架间隙率、沥青膜厚度，合格则进入下一步测试，不合格则返回至步骤(1)或步骤(2)进行重新设计；所述沥青混合料中的粗集料骨架间隙率合格的判断标准为≤粗集料的骨架间隙率，沥青膜厚度合格的判断标准为≥15μm；

(5)对所述步骤(4)中得到的合格沥青混合料进行析漏损失率测定，合格则进入下一步测试，不合格则返回至步骤(2)进行重新设计；所述析漏损失率合格的判断标准为＜0.3％；

(6)对所述步骤(5)中得到的合格沥青混合料进行路用性能测试，合格则将该合成矿料级配与沥青用量作为高韧沥青超薄磨耗层混合料设计的最终配比，不合格则返回至步骤(1)或步骤(2)进行修正。

本发明提供的高韧超薄沥青磨耗层混合料的设计方法，其中混合料包括沥青和矿料，所述矿料包括粗集料、细集料和矿粉。在本发明中，所述沥青的性能优选满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的各项要求；所述粗集料、细集料和矿粉优选满足公路工程集料试验规程(JTG E42-2005))中表面层沥青混合料用的矿料质量技术要求。在本发明中，所述矿料优选为玄武岩或辉绿岩。在本发明中，所述粗集料指的是平均粒径大于2.36mm的碎石；所述细集料指的是平均粒径在0.075～2.36mm的机制砂，所述矿粉指的是粒径小于0.075mm的石粉。本发明对所述各原料的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知来源的沥青和矿料即可。

本发明根据粗集料中各档的掺配比例确定粗集料的骨架间隙率VCA_DRC。

在本发明中，所述粗集料各档的掺配比例的确定方法优选包括：当粗集料选定1档时，该档粗集料即占粗集料的100％；当粗集料选定5～8mm与3～5mm两档时，所述5～8mm档与3～5mm档的掺配比例为(2.5～3.5):1；当粗集料的分档超过两档时，应设置多组掺配比例，测定其紧装密度并选择紧装密度较大的一组作为粗集料各档的掺配比例。本发明对粗集料各档的选定没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的选档方法即可。

在本发明中，所述确定粗集料的骨架间隙率VCA_DRC的步骤优选包括：根据所述粗集料各档的掺配比例对粗集料进行掺配，利用干捣法测试掺配后粗集料的紧装密度，并根据式1计算粗集料的骨架间隙率VCA_DRC，

式1中，γ_CA为粗集料的表观密度，g/cm³；γ_s为粗集料骨架的紧装密度，g/cm³。

得到粗骨料的骨架间隙率之后，本发明根据沥青用量、矿粉用量和目标空隙率以及粗集料的骨架间隙率，利用粗骨架体积分配法确定粗集料与细集料的用量比。

在本发明中，所述沥青用量优选通过油石比确定，所述油石比优选不小于7.2％，进一步优选为7.2～8.5％；矿粉用量优选为矿料质量的2～6％，目标空隙率优选为3～5％，所述目标空隙率指混合料的空隙率。本发明优选结合气候特点对混合料的目标空隙率、沥青用量与矿粉用量进行控制。炎热地区，优选在上述用量范围内，适当采用低沥青用量与低矿粉用量，在满足压实度要求下适当增大空隙率；严寒地区，可适当采用高沥青用量与高矿粉用量，在满足压实度要求下适当减少空隙率。

得到粗集料的骨架间隙率VCA_DRC、沥青用量、矿粉用量及目标空隙率后，本发明根据所述粗集料的骨架间隙率、沥青用量、矿粉用量和目标空隙率，利用粗骨架体积分配法确定粗集料与细集料的用量比。

在本发明中，利用粗骨架体积分配法确定粗集料与细集料的用量比的方法优选包括：按细集料体积、矿粉体积、沥青体积和沥青混合料目标空隙体积的总和等于粗骨架的空隙体积，得出粗集料与细集料的用量比，计算过程满足式2和式3方程：

p_c+p_x+p_k＝100 式2

式2和式3中：p_c、p_x、p_k、p_l分别为粗集料、细集料、矿粉和沥青占矿料的质量百分数，％；VAC_DRC为粗集料的骨架间隙率，％；V_V为目标空隙率，％；γ_x、γ_k分别为细集料和矿粉的表观密度，g/cm³；γ_l为沥青的密度，g/cm³；γ_s为粗集料紧装密度，g/cm³。

在本发明中，所述细集料和矿粉的表观密度以及沥青的密度均可以根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)和《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行测试与计算得到。

得到粗集料与细集料的用量比之后，本发明结合粗集料、细集料和矿粉的级配组成，合成矿料级配。

在本发明中，所述粗集料、细集料和矿粉的级配组成优选按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)筛分得到。本发明对所述合成矿料级配的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的合成方式即可。

合成矿料级配后，本发明优选结合高韧超薄沥青磨耗层的级配范围对合成的矿料级配进行验证，合格则进入下一步，不合格则返回至步骤(2)进行重新设计；所述矿料级配合格的判断标准为落在所述高韧超薄沥青磨耗层的级配范围内，所述高韧超薄沥青磨耗层的级配范围如表1所示：

表1高韧超薄沥青磨耗层矿料级配范围

若合成的矿料级配不合格，本发明优选返回至步骤(2)进行重新进行设计。重新设计的原则优选为：若合成矿料级配范围超出高韧超薄沥青磨耗层矿料级配范围，可适当微调所述步骤(2)中得到的粗、细集料的用量比；进一步的，若合成级配超出高韧超薄沥青磨耗层矿料级配范围上限，优选适当增加粗集料用量并减少细集料用量；反之亦然。

得到合格的矿料级配之后，本发明根据合成的合格矿料级配得到沥青混合料，测定沥青混合料中的粗集料骨架间隙率、沥青膜厚度，合格则进入下一步测试，不合格则返回至步骤(1)或步骤(2)进行重新设计；所述沥青混合料中的粗集料骨架间隙率合格的判断标准为≤粗集料的骨架间隙率，沥青膜厚度合格的判断标准为≥15μm。

本发明优选将沥青混合料成型为旋转压实试件，然后进行沥青膜厚度和沥青混合料中的粗集料骨架间隙率测试。本发明对所述沥青膜厚度和沥青混合料中的粗集料骨架间隙率的测试没有先后顺序之分，先测试沥青膜厚度或先测试沥青混合料中的粗集料骨架间隙率均可。

在本发明中，所述沥青混合料中的粗集料骨架间隙率VCA_mix优选根据式4计算得到：

式4中，VCA_mix为沥青混合料中的粗集料骨架间隙率，％；γ_ca为粗集料骨架部分的平均毛体积相对密度，g/cm³；γ_f为沥青混合料试件的毛体积相对密度，g/cm³；P_CA为沥青混合料中粗集料的比例，％；式4中各参数均可以根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行测试与计算得到。

所述沥青膜厚度优选根据式5计算得到：

式5中，DA为沥青膜厚度，μm；P_be为有效沥青用量，％；SA为矿料的比表面积，m²/kg；γ_b为沥青的相对密度(25℃)，无量纲。式5中各参数均可以根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行测试与计算得到。

本发明控制沥青混合料的VCA_mix≤VCA_DRC，以及沥青膜厚度≥15μm，强调了沥青混合料的骨架嵌挤稳定作用与高沥青油膜的强抗裂效应，使混合料具有良好的抗车辙变形、抗疲劳开裂，抗剪切变形的结构性能，确保后续沥青混合料的路用性能基本达标。

当所述VCA_mix不合格时，本发明优选返回至步骤(1)，增大粗集料中较大颗粒档的掺配比例，或返回至步骤(2)，降低矿粉用量进行重新设计；本发明进一步优选每次矿粉的减少量为0.5～1％，更优选为0.5％或1％。当所述粗集料为1档时，本发明优选直接返回至步骤(2)，降低矿粉用量进行重新设计，或可以适当微调所述步骤(2)中得到的粗、细集料的用量比，降低细集料用量，进行重新设计。

当所述沥青膜厚度不合格时，本发明优选返回至步骤(2)，增大沥青用量进行重新设计。本发明优选按照单次增加0.3～0.5％的油石比来增加沥青用量。

当沥青混合料同时满足VCA_mix≤VCA_DRC，以及沥青膜厚度≥15μm两个条件后，本发明对得到的合格沥青混合料进行析漏损失率测定，合格则进入下一步测试，不合格则返回至步骤(2)进行重新设计；所述析漏损失率合格的判断标准为＜0.3％。

本发明对所述析漏损失率的测定方法没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的检测标准测定即可。本发明通过测定析漏损失率能够确定沥青混合料的最大沥青用量，检验沥青用量是否处于该合成级配的适宜沥青用量范围以内。

若沥青混合料的析漏损失率不合格，本发明优选返回至步骤(2)进行重新设计；进一步优选为减小步骤(2)的沥青用量。本发明进一步优选按照单次减小0.3～0.5％的油石比来减少沥青用量。

当沥青混合料满足析漏损失率＜0.3％后，本发明对合格的沥青混合料进行路用性能测试，合格则将该合成级配与沥青用量作为高韧沥青超薄磨耗层混合料设计的最终配比，不合格则返回至步骤(1)或步骤(2)进行修正。

在本发明中，合格的判断标准为沥青混合料应同时满足以下路用性能：

1)60℃车辙动稳定度不小于3000次/mm；

2)沥青混合料表面构造深度不小于0.8mm；

3)15℃、1000με试验条件下，四点弯曲疲劳寿命不小于20万次；

4)肯塔堡飞散损失不大于8％。

若沥青混合料满足上述路用性能，则判断为合格，本发明将该合成矿料级配与沥青用量作为高韧沥青超薄磨耗层混合料设计的最终配比。

若沥青混合料的构造深度与车辙动稳定度任意一项不满足路用性能要求，本发明优选增加所述步骤(1)中粗骨料中较大颗粒档的掺配比例，或降低所述步骤(2)中矿粉的用量进行修正，然后按照各步骤的顺序重新设计与验证，至各步骤均满足相应的要求。在本发明中，所述降低矿粉的用量优选每次降低0.5～1％。

若沥青混合料的疲劳寿命与飞散损失率任意一项不满足路用性能要求，本发明优选增加所述步骤(2)中的沥青用量进行修正。本发明优选按照单次增加0.3～0.5％的油石比来增加沥青用量，然后按照步骤(2)～(6)的顺序重新进行设计与验证，直至各步骤均满足相应的要求。

本发明的构造深度与车辙动稳定度的组合指标用于确定骨架结构是否合理；疲劳寿命与飞散损失率的组合指标用于确定沥青用量是否低于设计下限。通过控制沥青混合料满足上述路用性能，能显著改善路面的抗滑性能、降噪性能、密水性能与平整度等功能属性。本发明对各项路用性能的测试没有时间先后顺序之分。

下面结合实施例对本发明提供的高韧超薄沥青磨耗层混合料的设计方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

高韧超薄沥青磨耗层GT-8级配设计过程的流程如图1所示，步骤如下：

1.对高粘高弹改性沥青进行常规沥青性能检测与流变学性能测试，试验结果如表2所示：

表2高粘高弹改性沥青性能测试结果及技术要求

本次级配设计中采用的辉绿岩的筛分结果如表3所示：

表3各规格矿料筛分结果

2.粗集料规格分档分别为3～5mm规格料与5～8mm规格料。调整两档粗集料之间的掺加比例为3～5：5～8＝1：3，利用干捣法测试得出粗集料紧装密度为1.79g/cm³，结合集料密度计算粗集料间隙率VCA_DRC。计算结果为VCA_DRC＝37.1％。

3.初步设定沥青用量为6.98％(即油石比为7.5％)，矿粉用量为矿料质量的4％，目标空隙率V_V为5％，结合上述计算所得的粗集料间隙率VCA_DRC＝37.1％，代入下列公式计算粗、细集料的用量比。其中根据原材料试验结果可知：粗集料紧装密度γ_s＝1.79g/cm³，细集料表观密度γ_x＝2.790g/cm³，沥青密度γ_l为1.030g/cm³，矿粉密度γ_k为2.722g/cm³。

p_c+p_x+p_k＝100

式中：p_c、p_x、p_k、p_l分别为粗集料、细集料、矿粉和沥青占矿料的质量百分数，％；VAC_DRC为干捣实状态下粗集料骨架间隙率，％；V_V为设计混合料的目标空隙率，％；γ_x、γ_k分别为细集料和矿粉的表观相对密度；γ_l为沥青的相对密度；γ_s为粗集料紧装密度。

通过粗骨架体积分配法计算得出粗集料：细集料为79:17。

4.根据各档规格料的级配组成与计算所得的粗、细集料掺配比例(79:16)，控制矿粉用量为4％，得出矿料合成级配，如表4所示。

表4矿料合成级配

5.按照合成级配成型试件，测定其体积指标并据此计算沥青混合料的沥青混合料中的粗集料骨架间隙率VCA_mix和沥青膜厚度DA。最终计算得到VCA_mix＝35.4％，小于VCA_DRC(37.1％)；沥青膜厚度DA＝16.51μm，大于15μm，均满足设计要求。

6.对该高韧超薄沥青磨耗层混合料进行谢伦堡析漏试验，三次平行试验结果的析漏损失率均值为0.1％。小于0.3％的技术规定。

7.对高韧超薄沥青磨耗层混合料进行路用性能验证试验，各项路用性能验证的平行试验结果为：

1)60℃动稳定度为6500次/mm，大于3000次/mm的技术规定；

2)沥青混合料表面构造深度为1.1mm，大于0.8mm的技术规定；

3)15℃、1000με试验条件下，四点弯曲疲劳寿命为92.2万次，大于20万次的技术规定；

4)肯塔堡飞散损失为5％，小于8％的技术规定。

8.上述检验均同时满足设计要求，可以将此合成级配作为本次级配设计的最终优选级配。

实施例2：

高韧超薄沥青磨耗层GT-5级配设计过程，步骤如下：

1.对高粘高弹改性沥青进行常规沥青性能检测与流变学性能测试，试验结果如表5所示：

表5高粘高弹改性沥青性能测试结果及技术要求

本次级配设计中采用的辉绿岩的筛分结果如表6所示：

表6各规格矿料筛分结果

2.利用干捣法测试得出粗集料紧装密度为1.81g/cm³，结合集料密度计算粗集料间隙率VCA_DRC。计算结果为VCA_DRC＝38.5％。

3.初步设定沥青用量为6.98％(即油石比为7.5％)，矿粉用量为矿料质量的4％，目标空隙率V_V为4％，结合上述计算所得的粗集料间隙率VCA_DRC＝38.5％，代入下列公式计算粗、细集料的用量。其中根据原材料试验结果可知：粗集料紧装密度γ_s＝1.81g/cm³，细集料表观密度γ_x＝2.932g/cm³，沥青密度γ_l为1.030g/cm³，矿粉密度γ_k为2.715g/cm³。

p_c+p_x+p_k＝100

式中：p_c、p_x、p_k、p_l分别为粗集料、细集料、矿粉和沥青的质量百分数，％；VAC_DRC为粗集料的骨架间隙率，％；V_V为目标空隙率，％；γ_x、γ_k分别为细集料和矿粉的表观相对密度；γ_l为沥青的相对密度；γ_s为粗集料紧装密度。

通过粗骨架体积分配法计算得出粗集料：细集料为78:18。

4.根据单档规格料的级配组成与计算所得的粗、细集料掺配比例(78:18)，控制矿粉用量为4％，得出矿料合成级配，如表7所示。

表7矿料合成级配

5.按照合成级配成型试件，测定其体积指标并据此计算沥青混合料的VCA_mix和沥青膜厚度DA。最终计算得到VCA_mix＝37.3％，小于VCA_DRC(38.5％)；沥青膜厚度DA＝15.94μm，大于15μm，均满足设计要求。

6.对该高韧超薄沥青磨耗层混合料进行谢伦堡析漏试验，三次平行试验结果的析漏损失率均值为0.1％。小于0.3％的技术规定。

7.对高韧超薄沥青磨耗层混合料进行路用性能验证试验，各项路用性能验证的平行试验结果为：

1)60℃动稳定度为7320次/mm，大于3000次/mm的技术规定；

2)沥青混合料表面构造深度为1.1mm，大于0.8mm的技术规定；

3)15℃、1000με试验条件下，四点弯曲疲劳寿命为76.5万次，大于20万次的技术规定；

4)肯塔堡飞散损失为9％，不满足小于8％的技术规定。

8.由于飞散损失率不满足设计要求，适当增加0.3％的油石比重新进行配合比设计：

9.即初步设定沥青用量为7.23％(即油石比为7.8％)，矿粉用量为矿料质量的4％，目标空隙率V_V为4％，结合上述计算所得的粗集料间隙率VCA_DRC＝38.5％，重新计算得到粗集料：细集料＝81:15。

10.根据单档规格料的级配组成与计算所得的粗、细集料掺配比例(81:15)，控制矿粉用量为4％，得出矿料合成级配，如表8所示。

表8矿料合成级配

11.按照合成级配成型试件，测定其体积指标并据此计算沥青混合料的VCA_mix和沥青膜厚度DA。最终计算得到VCA_mix＝36.8％，小于VCA_DRC(38.5％)；沥青膜厚度DA＝16.25μm，大于15μm，均满足设计要求。

12.对该高韧超薄沥青磨耗层混合料进行谢伦堡析漏试验，三次平行试验结果的析漏损失率均值为0.2％。小于0.3％的技术规定。

13.对高韧超薄沥青磨耗层混合料进行路用性能验证试验，各项路用性能验证的平行试验结果为：

1)60℃动稳定度为5640次/mm，大于3000次/mm的技术规定；

2)沥青混合料表面构造深度为1.0mm，大于0.8mm的技术规定；

3)15℃、1000με试验条件下，四点弯曲疲劳寿命为106.9万次，大于20万次的技术规定；

4)肯塔堡飞散损失为4％，不满足小于8％的技术规定。

14.上述检验均同时满足设计要求，可以将此合成级配作为本次级配设计的最终优选级配。

由以上实施例可知，本发明提供了一种高韧超薄沥青磨耗层混合料的设计方法，提出了全新的VCA_mix≤VCA_DRC和沥青膜厚度≥15μm的双重设计原则，结合粗骨架体积分配法，结合路用性能验证并指导设计修正，使高韧超薄沥青磨耗层混合料设计更具有目的性、规范性与灵活性，通过控制VCA_mix≤VCA_DRC和沥青膜厚度≥15μm，强调骨架嵌挤稳定作用与高沥青油膜的强抗裂效应，确保混合料具有良好的抗车辙变形、抗疲劳开裂，抗剪切变形的结构性能，以及能显著改善路面的抗滑性能、降噪性能、密水性能与平整度等功能属性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高韧超薄沥青磨耗层混合料的设计方法，其中混合料包括沥青和矿料，所述矿料包括粗集料、细集料和矿粉，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据粗集料中各档的掺配比例确定粗集料的骨架间隙率；

(2)根据沥青用量、矿粉用量和目标空隙率以及所述步骤(1)中粗集料的骨架间隙率，利用粗骨架体积分配法确定粗集料与细集料的用量比；

(3)根据所述步骤(2)中粗集料与细集料的用量比，结合粗集料、细集料和矿粉的级配组成，合成矿料级配；

(4)根据合成的矿料级配得到沥青混合料，测定沥青混合料中的粗集料骨架间隙率、沥青膜厚度，合格则进入下一步测试，不合格则返回至步骤(1)或步骤(2)进行重新设计；所述沥青混合料中的粗集料骨架间隙率合格的判断标准为≤粗集料的骨架间隙率，沥青膜厚度合格的判断标准为≥15μm；

(5)对所述步骤(4)中得到的合格沥青混合料进行析漏损失率测定，合格则进入下一步测试，不合格则返回至步骤(2)进行重新设计；所述析漏损失率合格的判断标准为＜0.3％；

(6)对所述步骤(5)中得到的合格沥青混合料进行路用性能测试，合格则将该合成矿料级配与沥青用量作为高韧沥青超薄磨耗层混合料设计的最终配比，不合格则返回至步骤(1)或步骤(2)进行修正。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中确定粗集料的骨架间隙率的步骤包括：根据所述粗集料中各档的掺配比例对粗集料进行掺配，利用干捣法测试掺配后粗集料的紧装密度，并根据式1计算粗集料的骨架间隙率，

式1中，VCA_DRC为粗集料的骨架间隙率，％；γ_CA为粗集料的表观密度，g/cm³；γ_s为粗集料骨架的紧装密度，g/cm³。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中的沥青用量通过油石比确定，所述油石比不小于7.2％，矿粉用量为矿料质量的2～6％，目标空隙率为3～5％。

4.根据权利要求1或3所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中利用粗骨架体积分配法确定粗集料与细集料的用量比的方法包括：按细集料体积、矿粉体积、沥青体积和沥青混合料目标空隙体积的总和等于粗骨架的空隙体积，得出粗集料与细集料的用量比，计算过程满足式2和式3方程：

p_c+p_x+p_k＝100 式2

式2和式3中：p_c、p_x、p_k、p_l分别为粗集料、细集料、矿粉和沥青占矿料的质量百分数，％；VAC_DRC为粗集料的骨架间隙率，％；V_V为目标空隙率，％；γ_x、γ_k分别为细集料和矿粉的表观密度，g/cm³；γ_l为沥青的密度，g/cm³；γ_s为粗集料骨架的紧装密度，g/cm³。

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中的沥青混合料中的粗集料骨架间隙率根据式4计算得到：

式4中，VCA_mix为沥青混合料中的粗集料骨架间隙率，％；γ_ca为粗集料骨架部分的平均毛体积相对密度，无量纲；γ_f为沥青混合料试件的毛体积相对密度，无量纲；P_CA为沥青混合料中粗集料的比例，％；

所述沥青膜厚度根据式5计算得到：

式5中，DA为沥青膜厚度，μm；P_be为有效沥青用量，％；SA为矿料的比表面积，m²/kg；γ_b为沥青的相对密度(25℃)，无量纲。

6.根据权利要求1或5所述的设计方法，其特征在于，在进行所述步骤(4)之前，需要结合高韧超薄沥青磨耗层的级配范围对合成的矿料级配进行验证，合格则进入下一步，不合格则返回至步骤(1)进行重新设计；

所述矿料级配合格的判断标准为落在所述高韧超薄沥青磨耗层的级配范围内，所述高韧超薄沥青磨耗层的级配范围如表1所示：

表1 高韧超薄沥青磨耗层矿料级配范围

7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中，

当所述沥青混合料中的粗集料骨架间隙率不合格时，返回至步骤(1)，增大粗集料中较大颗粒档的掺配比例，或返回至步骤(2)，降低矿粉用量进行重新设计；

当所述沥青膜厚度不合格时，返回至步骤(2)，增大沥青用量进行重新设计。

8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中，当析漏损失率不合格时，返回至步骤(2)，减小沥青用量进行重新设计。

9.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(6)中合格的判断标准为沥青混合料应同时满足以下路用性能：

1)60℃车辙动稳定度不小于3000次/mm；

2)沥青混合料表面构造深度不小于0.8mm；

3)15℃、1000με试验条件下，四点弯曲疲劳寿命不小于20万次；

4)肯塔堡飞散损失率不大于8％。

10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，所述步骤(6)中，

当构造深度与车辙动稳定度任意一项不满足路用性能要求时，应增加所述步骤(1)中粗骨料中较大颗粒档的掺配比例进行修正，或降低所述步骤(2)中的矿粉用量进行修正；

当疲劳寿命与飞散损失率任意一项不满足路用性能要求时，应增加所述步骤(2)的沥青用量对配合比设计进行修正。