CN110838345A - 排水式沥青路面磨耗层的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了排水式沥青路面磨耗层的设计方法，该方法充分考虑沥青混合料的空隙率沿路面厚度分布的不均匀性，以及水分沿横向和竖向渗流的差异，将路面沿厚度分为2～3个子段，分别评估路面横向排水的效果，及其对沥青空隙率的要求，并以此作为大空隙沥青混合料设计的指标。通过上述方法，本发明能够有效降低大空隙沥青混合料的空隙率4～5个百分点，提高混合料路用性能20～30％，为降低原材料(集料和沥青)的技术要求和造价奠定了良好的基础和操作空间，有利于排水路面作为绿色铺装技术的推广应用。
Description
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，具体涉及排水式沥青路面磨耗层的设计方法。
背景技术
多空隙沥青混合料(Porous Asphalt Mixture，简称PAM)，是一种特殊类型的热拌沥青混合料(Hot Mixture Asphalt，简称HMA)。与密级配HMA相比，PAM具有较高的空隙率(Asphalt Voidage，简称AV)，一般为18％至25％。为了获得较高的空隙含量，需要降低细集料的掺量，通过粗集料颗粒间的石-石接触形成混合料的骨架，保证混合料的稳定性。这些特征使PAM混合料具备了良好的使用功能，即高渗透性(抗滑和安全)和降噪效果(生态环保)，以及抵抗永久变形能力。PAM混合料可以作为路面耐磨层，应用于高速公路和城市干线道路。PAM还具有过滤雨水和降低路面夜间眩光等效果。然而，目前PAM存在使用寿命短和造价高的问题。
随着海绵城市概念的提出，以及人们安全和环保意识的不断增强，透水(竖向渗流)或排水(横向渗流)式路面越来越多。为了获得路面排水需要的空隙，在设计PAM材料时降低了细集料的掺量，使得沥青混合料的强度形成原理由密实型变成嵌挤型，降低了集料颗粒的表面粘接或裹覆面积，降低了沥青混合料的使用性能，增加了路面早期损坏的风险。
为了规避路面早期损坏的风险，一些规范虽然规定了PAM要采用高粘改性沥青和硬质中性或碱性集料，但仍然无法避免出现以脱粒和坑槽为主的早期损坏。此外，使用高粘改性沥青和远运硬质集料会大幅度提高PAM的造价，限制这种安全环保型(绿色)沥青混合料的大范围推广应用。
现有技术中，尚无有效的方法能够在满足排水要求的前提下，降低PAM材料的空隙率，提高PAM材料的路用性能。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种排水式沥青路面磨耗层的设计方法，所述设计方法可以将PAM的空隙率降低4～5个百分点，提高PAM的路用性能20～30％(如飞散、冻融劈裂强度和车辙动稳定度等)。
根据本发明第一方面实施例的排水式沥青路面磨耗层的设计方法，所述设计方法为：将路面沿厚度方向分为若干子段，根据所述子段的渗透系数对所述子段的排水能力进行评估，确定PAM混合料的空隙率、级配和油石比。
根据本发明实施例的排水式沥青路面磨耗层的设计方法，至少具有如下技术效果：
实体工程效果检验发现，达到相同的横向排水效果，本发明实施例的排水式沥青路面磨耗层的设计方法可以将PAM的空隙率降低4～5个百分点，提高PAM的路用性能20～30％(如飞散、冻融劈裂强度和车辙动稳定度等)。同时，为降低原材料(集料和沥青)的技术要求和造价提供了操作空间，有利于排水路面作为绿色铺装技术的推广应用。
根据本发明的一些实施例，所述设计方法步骤包括：
S1：选择原材料，确定PAM材料的最大公称粒径和用于试配的级配曲线；
S2：根据所述级配曲线，制作标准试件；
S3：检测不同级配PAM混合料的体积参数；
S4：根据路面磨耗层的厚度，将所述标准试件沿厚度方向切割为若干子段，通过体积法分别检测每个子段的毛体积相对密度，计算每个子段的空隙率；
S5：计算渗透系数；
S6：根据渗透系数，确定PAM混合料的空隙率、级配和油石比，制作PAM混合料试件，进行路用性能评价。
在排水式沥青路面磨耗层的研究过程中发现，无论是室内成型的马歇尔试件还是实际路面取芯试件，其空隙率沿厚度的分布都是不均匀的，如图1和图2所示，上部或中上部的空隙率远远大于中部或中下部的空隙率。
造成这种空隙率沿厚度方向分布不均匀的主要原因与沥青混合料的级配和碾压方式有关。进一步的研究发现，沥青混合料横向渗透系数(Kxx或Kyy)大于竖向渗透系数(Kzz)，一般Kxx或Kyy＝2～3Kzz。据此认为，现行设计方法用试件的平均空隙率和试件的竖向渗透系数(Kzz)设计排水式路面(横向排水)的沥青混合料是不合理的，会导致沥青混合料上部空隙率偏大，增加早期损坏的风险。例如，试件的平均空隙率为22～25％时(这也是PAM通常的空隙率设计范围)，试件上部的空隙率可能会大于29～33％。显然，过大的表面空隙率极易导致沥青混合料损坏(脱粒、坑槽和老化)。为此，本发明提出一种排水式沥青路面磨耗层的设计方法，解决了排水式路面磨耗层早期损坏的问题。
根据本发明的一些实施例，所述级配曲线的数量为至少3组。
根据本发明的一些实施例，所述标准试件包括公称直径D为110mm的马歇尔试件和公称直径D为150mm的旋转压实试件中的一种。
根据本发明的一些实施例，所述体积参数包括油石比、毛体积相对密度、理论相对最大密度、空隙率、稳定度、沥青析漏质量损失率、混合料飞散质量损失率和沥青膜厚度。
根据本发明的一些实施例，所述子段的数量为2～3段。
根据本发明的一些实施例，步骤S5计算渗透系数的公式为：
式(1)中：k是中等饱和状态的渗透系数，
是回归常数，n是空隙率，μ是流体的粘度，γ是流体单位重量，Ds是集料的平均粒径，Gb是胶结料比重，Pba是被吸收的胶结料占集料重量的百分比，Pb是沥青含量，Gsb是集料的毛体积比重。
根据本发明的一些实施例，步骤S6所述评价内容包括：浸水残留稳定度、冻融劈裂强度、动稳定度和渗水系数。
根据本发明的一些实施例，步骤S2中，还包括使用取芯机切除标准试件侧表面，以消除侧面开口空隙对PAM混合料体积参数和渗透系数的影响。最终标准试件的直径为100mm。
附图说明
图1是马歇尔试件的空隙率分布示意图。
图2是路面取芯试件的空隙率分布示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本例提供了一种排水式沥青路面磨耗层的设计方法，所述设计方法为：将路面沿厚度方向分为若干子段，根据所述子段的渗透系数对所述子段的排水能力进行评估，确定PAM混合料的空隙率、级配和油石比。
实施例2
本例提供了一种排水式沥青路面磨耗层的设计方法，该设计方法步骤包括：
S1：选择原材料，确定PAM材料的最大公称粒径和用于试配的级配曲线；
S2：根据所述级配曲线，制作标准试件；
S3：检测不同级配PAM混合料的体积参数；
S4：根据路面磨耗层的厚度，将所述标准试件沿厚度方向切割为若干子段，通过体积法分别检测每个子段的毛体积相对密度，计算每个子段的空隙率；
S5：计算渗透系数；
S6：根据渗透系数，确定PAM混合料的空隙率、级配和油石比，制作PAM混合料试件，进行路用性能评价。
其中，级配曲线的数量为至少3组。
标准试件包括公称直径D为110mm的马歇尔试件和公称直径D为150mm的旋转压实试件中的一种。体积参数包括油石比、毛体积相对密度、理论相对最大密度、空隙率、稳定度、沥青析漏质量损失率、混合料飞散质量损失率和沥青膜厚度。
子段的数量为2～3段。
根据本发明的一些实施例，步骤S5计算渗透系数的公式为：
式(1)中：k是中等饱和状态的渗透系数，
是回归常数，n是空隙率，μ是流体的粘度，γ是流体单位重量，Ds是集料的平均粒径，Gb是胶结料比重，Pba是被吸收的胶结料占集料重量的百分比，Pb是沥青含量，Gsb是集料的毛体积比重。
步骤S6所述评价内容包括：浸水残留稳定度、冻融劈裂强度、动稳定度和渗水系数。
步骤S2中，还包括使用取芯机切除标准试件侧表面，以消除侧面开口空隙对PAM混合料体积参数和渗透系数的影响。最终标准试件的直径为100mm。
实施例3
本例设计了排水式沥青路面的磨耗层。
1.PAM-13材料配合比设计
PAM-13指最大公称粒径为13.2mm的多空隙沥青混合料。
首先给出试配试件平均空隙率分别为15％、18％和21％的合成级配，如表1所示，混合料设计结果示于表2。
从表2可以看出，体积参数对试件的强度(稳定度)有很大的影响，密度越大或空隙率越小试件的强度越高。即使是大空隙或透(排)水沥青混合料，在满足透(排)水要求的前提下，也要尽可能做到密实。
表1 PAM-13大空隙沥青混合料级配
表2 PAM-13大空隙沥青混合料设计结果
2.PAM材料的性能评价
2.1 PAM材料排水性能评价
应用改进版Kozeny-Carman方程预测PAM材料的渗透系数，如式(1)所示。
式(1)中：k是中等饱和状态的渗透系数，
是回归常数，n是空隙率，μ是流体的粘度，γ是流体单位重量，Ds是集料的平均粒径，Gb是胶结料比重，Pba是被吸收的胶结料占集料重量的百分比，Pb是沥青含量，Gsb是集料的毛体积比重。
本例利用实测数据对公式(1)进行了拟合分析，拟合分析的结果显示，公式(1)中的回归常数
将试件分成上下两个部分(对于较厚的试件可以分成上中下三部分)，分别计算试件上下部和试件整体的渗透系数，如表3所示。从表中计算结果可以看出，水分的横向迁移或流动主要发生在试件的上部，这是因为在这部分区域存在较大的空隙或连通空隙。PAM材料可以接受的最小渗透系数为：k＝0.116cm/s。比较表3中的数据可以看出，如果不考虑空隙率分布的不均匀性，则沥青混合料的最小空隙率为18％。如果考虑空隙率分布的不均匀性，则沥青混合料的最小空隙率为15％。因此，降低沥青混合料的空隙率水平，对于改性路用性能、延长使用寿命和降低造价是有益的。
表3不同类型试件渗透系数分布
2.2 PAM材料路用性能的评价
PAM材料的路用性能试验检测结果如表4所示。
表4PAM材料的路用性能试验检测结果
从表4可以看出，三组试件的各项路用性能指标均能满足规范的要求，随油石比的增加和空隙率的降低，PAM材料的各项指标均有改善。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.排水式沥青路面磨耗层的设计方法，其特征在于，所述设计方法为：将路面沿厚度方向分为若干子段，根据所述子段的渗透系数对所述子段的排水能力进行评估，确定PAM混合料的空隙率、级配和油石比。
2.根据权利要1所述排水式沥青路面磨耗层的设计方法，其特征在于，步骤包括：
S1：选择原材料，确定PAM材料的最大公称粒径和用于试配的级配曲线；
S2：根据所述级配曲线，制作标准试件；
S3：检测不同级配PAM混合料的体积参数；
S4：根据路面磨耗层的厚度，将所述标准试件沿厚度方向切割为若干子段，通过体积法分别检测每个子段的毛体积相对密度，计算每个子段的空隙率；
S5：计算渗透系数；
S6：根据渗透系数，确定PAM混合料的空隙率、级配和油石比，制作PAM混合料试件，进行路用性能评价。
3.根据权利要2所述排水式沥青路面磨耗层的设计方法，其特征在于，所述级配曲线的数量为至少3组。
4.根据权利要2所述排水式沥青路面磨耗层的设计方法，其特征在于，所述标准试件包括公称直径D为110mm的马歇尔试件和公称直径D为150mm的旋转压实试件中的一种。
5.根据权利要2所述排水式沥青路面磨耗层的设计方法，其特征在于，所述体积参数包括油石比、毛体积相对密度、理论相对最大密度、空隙率、稳定度、沥青析漏质量损失率、混合料飞散质量损失率和沥青膜厚度。
6.根据权利要2所述排水式沥青路面磨耗层的设计方法，其特征在于，所述子段的数量为2～3段。
7.根据权利要2所述排水式沥青路面磨耗层的设计方法，其特征在于，步骤S5计算渗透系数的公式为：
式(1)中：k是中等饱和状态的渗透系数，
是回归常数，n是空隙率，μ是流体的粘度，γ是流体单位重量，Ds是集料的平均粒径，Gb是胶结料比重，Pba是被吸收的胶结料占集料重量的百分比，Pb是沥青含量，Gsb是集料的毛体积比重。
8.根据权利要2所述排水式沥青路面磨耗层的设计方法，其特征在于，步骤S6所述路用性能评价指标包括：浸水残留稳定度、冻融劈裂强度、动稳定度和渗水系数。
9.根据权利要2所述排水式沥青路面磨耗层的设计方法，其特征在于，步骤S2中，还包括使用取芯机切除标准试件侧表面，以消除侧面开口空隙对PAM混合料体积参数和渗透系数的影响。
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