CN110261248A - 一种多孔弹性路面混合料设计优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔弹性路面混合料设计优化方法,属于道路工程技术领域,包括根据开级配推荐范围选取若干组设计级配,以等体积置换原则,将级配中的细集料置换为等体积同粒径的橡胶颗粒,添加一定质量份数的聚氨酯,根据剪切试验测得的内摩擦角确定材料最佳级配;选取若干组聚氨酯用量,成型所需空隙率的试件并浸水养生试件,利用弯曲试验得出的弯曲应力确定最佳聚氨酯用量;根据以上最佳聚氨酯用量以及最佳集料级配确定多孔弹性混合料配合比,并进行水稳定性检验。本设计优化方法基于混合料的抗剪切性能和抗弯曲性能,重点考虑了多孔弹性路面混合料的水损坏,以解决多孔弹性路面混合料设计优化无章可循的问题,同时提高混合料的使用性能。
Description
技术领域
本发明属于道路工程技术领域,具体涉及一种多孔弹性路面混合料设计优化方法。
背景技术
多孔弹性路面不但具有很高的空隙率,而且具有良好的弹性,是一种优良的降噪路面结构形式。大量实测表明,与密级配沥青路面相比,多孔弹性路面可降噪10dB以上;与排水沥青路面相比,多孔弹性路面仍可降噪3dB以上。
但是,目前并无明确的多孔弹性路面混合料配合比优化设计方法,表现在没有根据多孔弹性路面混合料受力特点,提出明确的设计指标,导致混合料设计优化无章可循;同时多孔弹性混合料易产生水损害,导致耐久性不足,限制了多孔弹性路面的推广应用。
发明内容
发明目的:为了解决多孔弹性路面混合料配合比设计优化无章可循的问题,本发明提出一种多孔弹性路面混合料设计优化方法,在设计中基于多孔弹性路面混合料的抗剪切和抗弯曲性能,重点考虑了抗水损性能,使得多孔弹性路面混合料设计优化有章可循,同时提高混合料的使用性能。
技术方案:为了实现上述发明目的,本发明采用如下技术方案:
一种多孔弹性路面混合料设计优化方法,包括以下步骤:
a)根据开级配推荐级配范围,选取若干组集料级配,利用等体积置换原则将细集料置换为等体积的同粒径橡胶颗粒,掺加聚氨酯并养生后进行剪切试验,基于最大内摩擦角确定最佳集料级配;
b)利用步骤a)的最佳集料级配,选用若干组聚氨酯用量,在目标空隙的轮碾条件下成型试件,浸水养生完成后进行弯曲试验,基于最大弯曲应力选取最佳聚氨酯用量;
c)将步骤a)与步骤b)的最佳集料级配与最佳聚氨酯用量组合,进行混合料水稳定性能检测,完成混合料配合比优化设计。
进一步地,步骤a)中,所述的掺加聚氨酯并养生后进行剪切试验是将材料洗净烘干后加入聚氨酯成型试件,养生后进行剪切试验,分别测得每组集料级配的内摩擦角。
进一步地,所述的步骤a)中,根据开级配推荐级配范围选取2~3组设计级配,以等体积置换原则,将级配中的某档或某几档细集料置换为等体积同粒径的橡胶颗粒,添加质量分数4%-5%的聚氨酯,然后根据直剪试验测得的内摩擦角确定最佳集料级配。
进一步地,所述的步骤b)是在轮碾试验确定的目标空隙率条件下成型试件,浸水养生后立即进行弯曲试验,测定各试件的弯曲应力值,选取最大弯曲应力值对应的聚氨酯用量作为最佳聚氨酯用量。
进一步地,所述的步骤b)中,选取3~4组不同的聚氨酯用量,利用轮碾试验确定目标空隙率下的轮碾次数,成型所需要空隙率的试件并浸水养生,利用三点弯曲试验得出的弯曲应力确定最佳聚氨酯用量。
进一步地,所述的步骤b)中,所述的目标空隙率根据降噪排水需求和耐久性要求确定为20%~25%。
进一步地,所述的步骤c)是采用步骤a)中的最佳集料级配与步骤b)中的最佳聚氨酯用量,测试并检验混合料浸水马歇尔残留稳定度是否满足不低于85%的水稳定性要求。
进一步地,如果满足所述的水稳定性要求,完成多孔弹性混合料的配合比优化设计;如果不满足所述的水稳定性要求,则按步骤a)和步骤b)重新确定最佳集料级配和最佳聚氨酯用量,重新进行水稳定性检验,直到满足所述的水稳定性要求为止。
发明原理:多孔弹性路面混合料由于具有不小于20%的空隙率和20%的橡胶颗粒,在车轮荷载的作用下,容易产生较大的压缩变形;当车轮荷载卸除后,绝大多数被压缩变形将立即得到恢复。在变形压缩-恢复过程中,多孔弹性路面混合料内部将承受频繁的剪切、弯曲作用,这些作用将在混合料局部(如空隙边缘)诱发微小裂纹,随着变形压缩-恢复过程的增加,微小裂纹将逐步演变为宏观裂纹,严重影响混合料的性能发挥。同时由于多孔弹性路面混合料多采用聚氨酯作为胶结料,某些聚氨酯易在水的作用下发生水解反应,导致混合料发生松散现象。因此,本发明着眼于多孔弹性路面混合料的抗剪切和抗弯曲性能,着重考虑混合料的抗水损害性能,以此优化混合料的配合比设计,同时提高混合料的使用性能。
有益效果:与现有技术相比,本发明的一种多孔弹性路面混合料设计优化方法,在级配选择中以内摩擦角为指标;在聚氨酯用量选择中以浸水养生后的弯曲应力为指标。因此,本发明可以解决多孔弹性路面混合料配合比设计优化无章可循的问题,同时提供更好的路面使用性能。
附图说明
图1为多孔弹性路面混合料配合比设计优化方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。
一种多孔弹性路面混合料设计优化方法,包括以下步骤:
a)根据开级配推荐级配范围,选取若干组集料级配,利用等体积置换原则将细集料置换为等体积的同粒径橡胶颗粒,掺加一定质量份数聚氨酯并养生后进行剪切试验,基于最大内摩擦角确定最佳集料级配;
b)利用步骤a)的最佳集料级配,选用若干组聚氨酯用量,在目标空隙的轮碾条件下成型试件,浸水养生完成后进行弯曲试验,基于最大弯曲应力选取最佳聚氨酯用量;
c)将步骤a)与步骤b)的最佳集料级配与最佳聚氨酯用量组合,进行混合料水稳定性能检测,完成混合料配合比优化设计。
步骤a)的具体方法:根据开级配推荐级配选取若干组级配设计,利用等体积置换原则将某档或某几档细集料置换为等体积的同粒径橡胶颗粒,将材料洗净烘干后加入聚氨酯成型试件,养生后进行剪切试验,分别测得每组级配的内摩擦角,选取内摩擦角最大的一组级配作为最佳集料级配。
步骤b)的具体方法:利用已获取的最佳集料级配,选取若干组不同聚氨酯用量,在轮碾试验确定的目标空隙率条件下成型试件,浸水养生后立即进行弯曲试验,测定各试件的弯曲应力值,选取最大弯曲应力值对应的聚氨酯用量作为最佳聚氨酯用量。
步骤c)的具体方法:采用步骤a)中的最佳集料级配与步骤b)中的最佳聚氨酯用量,测试并检验混合料浸水马歇尔残留稳定度是否满足不低于85%的技术要求。
如果满足要求,完成多孔弹性混合料的配合比优化设计;如果不满足要求,则按步骤a)和步骤b)重新确定最佳集料级配和最佳聚氨酯用量,重新进行水稳定性检验,直到满足要求为止。
一种多孔弹性路面混合料设计优化方法,包括根据开级配推荐级配范围选取2~3组设计级配,以等体积置换原则,将级配中的细集料置换为等体积同粒径的橡胶颗粒,添加质量分数4%-5%的聚氨酯,然后根据直剪试验测得的内摩擦角确定最佳集料级配;选取3~4组不同的聚氨酯用量,利用轮碾试验确定目标空隙率下的轮碾次数,成型所需空隙率的试件并浸水养生,利用三点弯曲试验得出的弯曲应力确定最佳聚氨酯用量;根据以上最佳集料级配和聚氨酯用量确定多孔弹性路面混合料配合比,并进行水稳定性检验。
为了确保设计出的混合料抗剪切性能,利用直剪试验对2~3组不同级配设计进行初步筛选。
为确保多孔弹性路面混合料满足目标空隙率,依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20--2011)T0703-2011确定目标空隙率下的轮碾次数,并在该轮碾次数以及最佳集料级配条件下成型多孔弹性路面混合料三点弯曲试验试件。
为了确保多孔弹性路面混合料的抗弯曲性能和抗水损害性能,将试件浸水养生后,进行三点弯曲试验,以三点弯曲试验所得弯曲应力值为参考指标,选取弯曲应力值最大的聚氨酯用量作为最佳聚氨酯用量。
目前针对多孔弹性路面混合料并无明确的性能要求指标,结合多孔弹性路面混合料主要的损伤类型:水损害,要求设计出的多孔弹性路面混合料浸水马歇尔残留稳定度应不低于85%。若不符合要求,则应重新确定集料最佳级配和最佳聚氨酯用量,重新进行水稳定性检验,直到满足要求为止。
结合图1,说明多孔弹性路面混合料设计方法的设计过程。
步骤一:基于直剪试验获得的最大内摩擦角确定最佳级配
根据开级配推荐的级配范围,选取3组不同级配,然后根据等体积置换原则将某档或某两档细集料置换为等体积的同粒径橡胶颗粒。添加质量分数为5%的聚氨酯成型直剪试验试件,60℃养生72h后,采用直剪试验分别测试不同级配设计的内摩擦角值。选取内摩擦角值最大的一组级配作为最佳集料级配。
步骤二:基于三点弯曲试验确定的浸水弯曲应力选取最佳聚氨酯用量
选取4组不同的聚氨酯用量,利用轮碾试验确定目标空隙率下的轮碾次数。采用适当的模具,在目标空隙率下成型三点弯曲试验试件。试件经过60℃恒温箱中养生72h后置于20℃水中养生24h。试件尺寸可以参考表1中数值。将经过养生的试件取出擦干后立即进行20℃三点弯曲试验,得出不同聚氨酯用量下试件弯曲应力值。选取弯曲应力值最大的一组聚氨酯用量作为最佳用量。
表1三点弯曲试验试件参考尺寸
名称 | 长(mm) | 宽(mm) | 高(mm) |
三点弯曲试验试件 | 300 | 30 | 35 |
步骤三:将前两步获取的最佳级配与最佳聚氨酯用量组合形成混合料设计优化方案
选用步骤一中的最佳集料级配与步骤二中的最佳聚氨酯用量,组合形成多孔弹性路面混合料优化设计方案。要求设计出的多孔弹性路面混合料浸水马歇尔残留稳定度应不低于85%。若检测值不符合要求,则应退回至步骤一重新确定最佳集料级配,按照步骤二重新确定最佳的聚氨酯用量,直至设计结果满足浸水马歇尔残留稳定度要求。
实施例:
多孔弹性路面混合料试件采用25%橡胶颗粒(即替换4.75mm以下的所有细集料),20%的空隙率,选取的三种级配、等体积置换橡胶颗粒前后的摩擦角值(混合料中聚氨酯含量5%)如表2。根据表2的结果,选取级配三为最佳集料级配。
选取聚氨酯含量4%、4.5%、5%、5.5%,选用集料级配三,利用轮碾试验确定20%空隙率下的轮碾次数为24次,成型三点弯曲试验试件,经过60℃恒温箱中养生72h后置于20℃水中养生24h,进行三点弯曲试验,试验结果如表3。
表2三种多孔弹性混合料集料级配及摩擦角
表3四种聚氨酯含量及相应的三点弯曲试验结果
聚氨酯含量(%) | 弯曲应力(MPa) |
4 | 1.89 |
4.5 | 2.44 |
5 | 3.73 |
5.5 | 2.86 |
根据表3试验结果,最佳聚氨酯用量选取5%,结合级配三的级配,进行浸水马歇尔试验,并与聚氨酯含量5%,采用级配一及级配二的浸水马歇尔试验结果进行对比,试验结果如表4。
表4浸水马歇尔试验结果对比
集料级配 | 浸水马歇尔残留稳定度(%) |
级配一 | 77 |
级配二 | 81 |
级配三 | 86 |
由表4可知,本设计(即集料级配三、聚氨酯含量5%)的性能试验结果优于其他设计,证明本专利的可用性,为多孔弹性路面混合料的配比设计优化奠定基础。
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 (8)
1.一种多孔弹性路面混合料设计优化方法,其特征在于:包括以下步骤:
a)根据开级配推荐级配范围,选取若干组集料级配,利用等体积置换原则将细集料置换为等体积的同粒径橡胶颗粒,掺加聚氨酯并养生后进行剪切试验,基于最大内摩擦角确定最佳集料级配;
b)利用步骤a)的最佳集料级配,选用若干组聚氨酯用量,在目标空隙的轮碾条件下成型试件,浸水养生完成后进行弯曲试验,基于最大弯曲应力选取最佳聚氨酯用量;
c)将步骤a)与步骤b)的最佳集料级配与最佳聚氨酯用量组合,进行混合料水稳定性能检测,完成混合料配合比优化设计。
2.根据权利要求1所述的一种多孔弹性路面混合料设计优化方法,其特征在于:步骤a)中,所述的掺加聚氨酯并养生后进行剪切试验是将材料洗净烘干后加入聚氨酯成型试件,养生后进行剪切试验,分别测得每组集料级配的内摩擦角。
3.根据权利要求2所述的一种多孔弹性路面混合料设计优化方法,其特征在于:所述的步骤a)中,根据开级配推荐级配范围选取2~3组设计级配,以等体积置换原则,将级配中的某档或某几档细集料置换为等体积同粒径的橡胶颗粒,添加质量分数4%-5%的聚氨酯,然后根据直剪试验测得的内摩擦角确定最佳集料级配。
4.根据权利要求1所述的一种多孔弹性路面混合料设计优化方法,其特征在于:所述的步骤b)是在轮碾试验确定的目标空隙率条件下成型试件,浸水养生后立即进行弯曲试验,测定各试件的弯曲应力值,选取最大弯曲应力值对应的聚氨酯用量作为最佳聚氨酯用量。
5.根据权利要求4所述的一种多孔弹性路面混合料设计优化方法,其特征在于:所述的步骤b)中,选取3~4组不同的聚氨酯用量,利用轮碾试验确定目标空隙率下的轮碾次数,成型所需要空隙率的试件并浸水养生,利用三点弯曲试验得出的弯曲应力确定最佳聚氨酯用量。
6.根据权利要求4所述的一种多孔弹性路面混合料设计优化方法,其特征在于:所述的步骤b)中,所述的目标空隙率根据降噪排水需求和耐久性要求确定为20%~25%。
7.根据权利要求1所述的一种多孔弹性路面混合料设计优化方法,其特征在于:所述的步骤c)是采用步骤a)中的最佳集料级配与步骤b)中的最佳聚氨酯用量,测试并检验混合料浸水马歇尔残留稳定度是否满足不低于85%的水稳定性要求。
8.根据权利要求7所述的一种多孔弹性路面混合料设计优化方法,其特征在于:如果满足所述的水稳定性要求,完成多孔弹性混合料的配合比优化设计;如果不满足所述的水稳定性要求,则按步骤a)和步骤b)重新确定最佳集料级配和最佳聚氨酯用量,重新进行水稳定性检验,直到满足所述的水稳定性要求为止。
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