CN111983205B - 一种基于汉堡车辙试验的沥青混合料抗车辙设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种既具有较好的抗车辙性能又满足其它路用性能，可用于高温湿热地区的粗集料间断级配改性沥青混合料的配合比设计方法。首先确定路面所在地区的等效温度，然后根据地区等效温度、坡度及层位选择设计空隙率，根据体积填充法设计三种油石比沥青混合料级配，对三种油石比的级配成型试件进行路用性能对比试，最后根据汉堡车辙技术指标及《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40‑2004中的技术要求选择最终的油石比及级配。

Description

一种基于汉堡车辙试验的沥青混合料抗车辙设计方法

技术领域

本发明属于道路工程领域，具体涉及一种基于汉堡车辙试验的沥青混合料抗车辙设计方法。

背景技术

车辙是沥青路面主要病害之一，如果不及时处理将影响行车安全，对于大于15mm的车辙一般需要进行铣刨加铺处理，小于15mm的也需要加铺微表处等进行处理，车辙维修将耗费大量的养护经费，给国家带来经济上的损失，因此车辙的防治是沥青路面质量控制的关键。良好的沥青混合料配合比是可以显著的提升沥青路面的性能，目前我国现行《公路沥青路面设计规范JTG D-50-2017》的配合设计方法适用于全国各地地区，缺少针对湿热地区的抗车辙沥青混合料设计方法。

另外我国现行《公路沥青路面设计规范JTG D-50-2017》采用的是由英国运输与道路研究试验所(TRRL)开发的试验仪器，近年的使用过程中也出现室内车辙试验已经满足规范要求，但是现场实际路用性能不理想，车辙试验与路用实际相关性不好的情形。

国外研究表明汉堡车辙试验结果和现场实际的车辙相关性较好，但国内对汉堡车辙研究应用较少，还无法真正应用于工程实践，其主要原因是尚未建立实际路面车辙深度与芯样汉堡车辙深度的对应关系。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于汉堡车辙试验的沥青混合料抗车辙设计方法，该方法设计出来的沥青混合料具有较好的抗车辙性能，同时其它性能符合“规范”的技术要求。

本发明的技术方案：

提供一种基于汉堡车辙试验的沥青混合料抗车辙设计方法，设计步骤具体包括：

一、本设计方法所适用的粗集料压碎值≤20％，一般适用于中、上面层改性沥青混合料的配合比设计；

二、根据下面方法计算所在地区的等效温度：

①计算时温车辙因子

定义

为时温车辙因子，见下述式(1)：

式中，T_air为气温，℃；Δt为气温T_air(≧28℃)的持续时间，h；一般采用至少2年的温度数据，气温至少3小时记录一次；

②计算车辙等效温度

假定A市和X市的时温车辙因子、车辙等效温度分别为

T_ξ(A)和

T_ξ(X)，见下述式(2)：

根据现行《公路沥青路面设计规范JTG D-50-2017》中，A市的车辙等效温度为26.3℃，根据上述公式计算其他城市的车辙等效温度；

三、根据该地区的常用油石比、±0.3％油石比，选择3种油石比，并根据该地区的等效温度、层位、及坡度选择设计空隙率，见表1：

四、根据体积填充法设计三种油石比沥青混合料级配

为避免细集料对主骨架的干涉，采用间断级配；

按照这样的体积关系，粗集料、细集料、矿粉以及沥青用量的质量百分率q_c、q_f、q_p、q_a，主骨架紧装空隙率及沥青混合料设计目标空隙率VCA_DRC、V_vs之间具有如下的组成关系，见下述式(3)、式(4)：

q_c+q_f+q_p＝100

式中：ρ_sc为粗骨料紧装密度，ρ_tf、ρ_tp分别为细料、矿粉的表观密度，ρ_a为沥青的密度。通常，材料密度和VCA_DRC可以通过试验测定得到，可以在q_c、q_f、q_p、q_a和V_vs等5个变量中预先确定3个变量的设计值，利用上述式(3)、(4)计算得到其余2个变量的设计结果；

为方便计算，一般将粗、细集料质量百分率q_c、q_f作为未知变量进行设计；

五、对三种油石比的级配，成型试件进行路用性能对比试验，具体包括水稳定性、高温抗车辙性能。最后根据汉堡车辙技术指标及《公路沥青路面设计规范JTG D-50-2017》技术要求选择最终的油石比及级配；

六、进行汉堡车辙试验试件制作及试验方法。

其中步骤五的各项性能的技术要求，见表2：

设计混合料的高温抗车辙性能采用汉堡车辙试验确定并上述表格中的技术要求。

步骤六中进行汉堡车辙试验试件制作及试验方法具体为：

①汉堡车辙试件制作

采用国内轮碾仪成型300mm*300mm*62mm的方形试件，试件压实度控制在马歇尔击实标准密度的100％±1％，然后使用150mm的钻芯机钻芯取样，也可采用揉搓成型的方法但试样的压实度控制在马歇尔击实标准密度的100％±1％；

②汉堡车辙试验方法

试验环境：50℃恒温水浴；

加载方式：钢轮宽度47mm，荷重158LBS，轮压约0.7MPa；

加载速度：42次/min；

试验终止条件：碾压次数达到20000次或车辙深度达到12.5mm。

本发明的有益效果：

1、本发明人研究了等效温度新的计算方法，该方法和该地区的温度状况及路面状况较符合；

2、本发明人对已经通车10年左右的7条高速公路抽取了不同的典型路段进行现场测量车辙深度和钻芯，分析了车辙发生的原因，得出采用断级配的沥青混合料具有较好的抗车辙性能，并发现沥青混合料的抗车辙性能和路面残留空隙率有巨大的关系；

3、采用现场抽取的芯样进行了汉堡车辙试验，建立了室内汉堡车辙试验结果和现场车辙深度的关系，相关性达到了0.804，并发现等效温度及坡度对沥青路面的抗车辙性能有较大的影响，并根据等效温度及坡度制定了湿热地区的汉堡车辙技术标准。

具体实施方式

下面以AC-13混合料配合比设计为实施例对本发明作进一步的详细说明。需要说明的是，以下的实施例只是本发明较优的例子，并非对本发明作任何的限制。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

(1)配合比设计方法采用集料为辉绿岩集料，压碎值为8.9％，满足压碎值适用条件粗集料压碎值≤20％，本配合比为上面层改性沥青混合料的配合比设计。

(2)确定地区等效温度。

配合比设计使用地区主要在柳州周边地区，经计算该地区的等效温度为28.5℃。

(3)确定油石比及空隙率

柳州地区常用AC-13上面层沥青混合料油石比为4.8，所以选择4.5％，4.8％，及5.1％三种油石比作为初设油石比，柳州地区等效温度为28.5℃，该配合比使用段未有长大纵坡段，根据表1，选择4.7％的空隙率作为沥青混合料的目标空隙率。

(4)采用体积法进行三种油石比的级配设计

首先按照10-15mm：5-10mm的比例为50:50混和进行粗集料部分干捣试验，计算VCA_DRC，并检测集料及矿粉的表观相对密度及沥青的相对密度。已知油石比q_a分别为4.5％、4.8％、5.1％。空隙率V_vs为4.7％，假定矿粉用量q_p为4.0％，使用公式(3)、(4)求解粗集料q_c及细集料q_f，结果见表3，由于理论计算细集料用量偏差较小，实际配合比设计中油石比对细集料用量的影响要大于计算结果，因此应根据中间油石比计算出来的细集料用量至少减少或增加2％进行另外两种级配的调整。

表3初步计算后的粗、细集料用量

表4调整后的粗、细集料用量

最终根据调整后的掺配比例及集料筛分结果确定的级配见表5。

表5初试级配设计结果

进行马歇尔试验、汉堡车辙试验及“规范”要求的性能试验，结果见表6。

表6试验检测结果

由汉堡车辙试验结果、残留稳定度、冻融劈裂及低温弯曲试验结果，考虑经济性选择配合比2作为最终级配。

需要指出的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于汉堡车辙试验的沥青混合料抗车辙设计方法，其特征在于，

步骤包括：

一、本设计方法所适用的粗集料压碎值≤20％，适用于中、上面层改性沥青混合料的配合比设计；

二、根据下面方法计算所在地区的等效温度：

①计算时温车辙因子

定义

为时温车辙因子为：

式中，T_air为气温，℃；Δt为气温T_air(≧28℃)的持续时间，h；采用至少2年的温度数据，气温至少3小时记录一次；

②计算车辙等效温度

假定A市和X市的时温车辙因子、车辙等效温度分别为

T_ξ(A)和

T_ξ(X)：

根据现行《公路沥青路面设计规范JTGD-50-2017》中，A市的车辙等效温度为26.3℃，根据上述公式计算其他城市的车辙等效温度；

三、根据该地区的常用油石比、±0.3％油石比，选择3种油石比，并根据该地区的等效温度、层位、及坡度选择设计空隙率，见表：

四、根据体积填充法设计三种油石比沥青混合料级配

为避免细集料对主骨架的干涉，采用间断级配；

按照这样的体积关系，粗集料、细集料、矿粉以及沥青用量的质量百分率q_c、q_f、q_p、q_a，主骨架紧装空隙率及沥青混合料设计目标空隙率VCA_DRC、V_vs之间具有如下的组成关系：

q_c+q_f+q_p＝100

式中：ρ_sc为粗骨料紧装密度，ρ_tf、ρ_tp分别为细料、矿粉的表观密度，ρ_a为沥青的密度。材料密度和VCA_DRC通过试验测定得到，在q_c、q_f、q_p、q_a和V_vs这5个变量中预先确定3个变量的设计值，利用上述公式计算得到其余2个变量的设计结果；

为方便计算，将粗、细集料质量百分率q_c、q_f作为未知变量进行设计；

五、对三种油石比的级配，成型试件进行路用性能对比试验，最后根据汉堡车辙技术指标及《公路沥青路面设计规范JTG D-50-2017》技术要求选择最终的油石比及级配；

六、进行汉堡车辙试验试件制作及试验方法。

2.根据权利要求1所述的基于汉堡车辙试验的沥青混合料抗车辙设计方法，其特征在于，所述步骤五中成型试件进行路用性能对比试验，具体包括水稳定性、高温抗车辙性能。

3.根据权利要求1所述的基于汉堡车辙试验的沥青混合料抗车辙设计方法，其特征在于，所述步骤五中，各项性能的技术要求为：

设计混合料的高温抗车辙性能采用汉堡车辙试验确定并上述表格中的技术要求。

4.根据权利要求1所述的基于汉堡车辙试验的沥青混合料抗车辙设计方法，其特征在于，所述步骤六中进行汉堡车辙试验试件制作及试验方法具体为：

①汉堡车辙试件制作

采用国内轮碾仪成型300mm*300mm*62mm的方形试件，试件压实度控制在马歇尔击实标准密度的100％±1％，然后使用150mm的钻芯机钻芯取样，也可采用揉搓成型的方法但试样的压实度控制在马歇尔击实标准密度的100％±1％；

②汉堡车辙试验方法

试验环境：50℃恒温水浴；

加载方式：钢轮宽度47mm，荷重158LBS，轮压约0.7MPa；

加载速度：42次/min；

试验终止条件：碾压次数达到20000次或车辙深度达到12.5mm。