CN112765782A - 高性能超薄沥青磨耗层的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高性能超薄沥青磨耗层的设计方法，涉及道路工程技术领域。本发明的设计方法，提出以宏观—细观为主要控制指标的高性能超薄沥青磨耗层双重设计原则。宏观指标为改进贝雷法参数[CA]比、[FAc]比、[FAf]范围，VCAmix≤VCADRC，细观指标为平均配位数≥1.3，在减少沥青混合料磨耗层厚度，降低工程造价的基础上，保证沥青路面的使用性能。本发明的设计方法得到的超薄沥青磨耗层，工程造价低，骨架密实，路面不透水，不会对环境造成污染，显著改善路面的骨架抗车辙性能、抗滑性能、密水性能和耐久性等磨耗层路用性能。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，特别是涉及一种高性能超薄沥青磨耗层(Highperformance ultra thin,HPUT-10)的设计方法。
背景技术
沥青路面磨耗层是直接与自然环境相接触的路面结构层，受到交通荷载、雨水和光照等反复作用，因此，沥青路面磨耗层要求具有良好的抗车辙、抗水损坏、抗疲劳裂缝和耐久性等路用性能，除此之外还必须具有良好的抗滑和耐磨性，部分特殊路段可能还需兼具噪音低、良好排水等性能。
目前，沥青路面使用过程中，最突出的早期病害往往表现为抗滑和抗车辙性能不足，导致路面在通车几年后需进行预防性养护或大修。常用的沥青磨耗层厚度一般为4～5cm，其寿命终期磨损率一般为1～2mm，远小于沥青路面磨耗层的厚度。路面养护过程中如铣刨厚度过小，加铺罩面后抬高了路面标高，特别是恒载受限的桥梁、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很大的应用局限性。若将磨耗层全部铣刨，又将导致铣刨厚度过大，不但增加工程造价，还造成资源的巨大浪费，不符合我国新时期节能减排和绿色公路的发展需求。
超薄磨耗层是一种厚度为1.5～2.5cm的路面结构层，比普通沥青路面厚度少1～2cm。路面厚度的减少不但可有效节省工程造价，同时抗滑、抗车辙、抗磨耗、抗水损坏和耐久性等路用性能甚至优于普通沥青混合料。但是，目前常用的超薄磨耗层如Novachip、OGFC、超高性能排水磨耗层UHPP等，基本上为排水路面，常见的问题是容易造成混合料内部空隙堵塞而污染环境，另外，为保证路面的耐久性，一般采用高粘沥青且沥青用量较多，工程费用高。
发明内容
基于此，有必要针对现有超薄磨耗层存在的问题，提供一种高性能超薄沥青磨耗层的设计方法，在减少沥青混合料磨耗层厚度，降低工程造价的基础上，保证沥青路面的使用性能。设计得到的超薄沥青磨耗层，工程造价低，骨架密实，路面不透水，不会对环境造成污染，显著改善路面的骨架抗车辙性能、抗滑性能、密水性能和耐久性等磨耗层路用性能。
一种高性能超薄沥青磨耗层设计方法，包括以下步骤：
S1：对原材料进行技术性能指标检测，选择符合规定的原材料；
S2：根据Superpave级配设计方法，以公称最大尺寸、关键筛孔通过率为控制指标选择至少三组初试级配曲线；
S3：检验每组初试级配曲线的贝雷法参数[CA]比、[FAc]比、[FAf]比是否满足设计要求，如果不满足则返回至步骤S2重新调整级配曲线；
S4：以贝雷法主控筛孔为粗细集料分界，测定初试级配的粗集料骨架松装间隙率VCADRC；
S5：选择初试油石比，对所述步骤S4中得到的沥青混合料进行骨架判定，当VCAmix≤VCADRC时判定为合格，反之则判定为不合格；合格则进入下一步测试，不合格则返回至步骤S2进行重新设计；
S6：对各级配马歇尔试件进行数字图像分析，获取骨架的细观评价指标，即平均配位数，定量评价各级配沥青混合料的骨架性能，平均配位数应≥1.3，选择其中最佳的级配曲线；
S7：对最佳的级配进行马歇尔试验，测定马歇尔试验各参数；
S8：对所述步骤S7中得到的合格沥青混合料进行路用性能验证，如参数不合格则返回至步骤S2进行重新设计，直至得到合格的沥青混合料。
上述设计方法，提出以宏观—细观为主要控制指标的高性能超薄沥青磨耗层双重设计原则，宏观指标为改进贝雷法参数[CA]比、[FAc]比、[FAf]比的范围，以及设置VCAmix≤VCADRC，细观指标为平均配位数≥1.3，使得到的超薄沥青磨耗层的路用性能更优异。
在其中一个实施例中，所述步骤S1中，所述原材料包括集料、沥青和添加剂，所述添加剂包括矿粉和纤维。
在其中一个实施例中，所述步骤S1中，所述集料按照《公路工程集料试验规程》JTGE42-2005的要求和方法进行测试，所述集料和沥青应满足《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40-2004规定的I-D类及PG76-28的技术要求。
在其中一个实施例中，所述步骤S2中，公称最大尺寸为9.5mm，级配控制范围如表1所示：
表1 HPUT-10级配控制范围
在其中一个实施例中，所述步骤S3中，贝雷法参数[CA]比、[FAc]比、[FAf]比的定义分别如式(1)～式(3)所示：
其中，PD/2为公称最大粒径1/2集料的通过率，％；PPCS为第一控制筛孔通过率，％；PSCS为第二控制筛孔通过率，％；PTCS为第三控制筛孔通过率，％；
满足设计要求的贝雷参数范围如表2所示：
表2贝雷法各参数范围
在其中一个实施例中，所述步骤S4中，所述贝雷法主控筛孔通过如下所示的式(4)～式(6)计算得到：
[PCS]＝0.22[NMPS] 式(4)
[SCS]＝0.22[PCS] 式(5)
[TCS]＝0.22[SCS] 式(6)
其中，[NMPS]为公称最大粒径，mm；所述粗集料骨架松装间隙率VCADRC通过捣实法测定。根据式(4)、式(5)、式(6)计算得到贝雷法第一控制筛孔尺寸[PCS]、第二控制筛孔尺寸[SCS]、第三控制筛孔尺寸[TCS]分别为2.09mm、0.46mm、0.10mm。因此，本发明的主控筛孔取机械筛孔与计算筛孔的最近值，分别为2.36mm、0.6mm、0.15mm。
在其中一个实施例中，所述步骤S5中，VCAmix按如下所示的式(7)计算得到：
其中，VCAmix为压实沥青混合料的粗集料骨架间隙率；VCADRC为捣实状态下的粗集料松装间隙率；γf为由表干法测定的沥青混合料试件毛体积相对密度；γca为矿料中所有粗集料的合成毛体积密度；Pca为矿料中所有粗集料质量占沥青混合料总质量的百分率。
在其中一个实施例中，所述步骤S6中，数字图像分析包括：切割马歇尔试件获取切片图像、对图像进行二值化处理、接触分析；
平均配位数定义为颗粒体系内部颗粒的平均接触数目，平均配位数越大，则主骨架结构越紧密，荷载作用下混合料的稳定性也会越好；其计算方式如式(8)所示：
在其中一个实施例中，其中，
为沥青混合料的平均配位数；N为沥青混合料内粗集料总数量；
表示粗集料i的配位数。
如附图1，无规则形状的图形表示粗集料，黑色圆点表示粗集料间的接触点。图1中粗集料共有11颗，接触点有14处，根据式(8)计算可知，平均配位数为1.27。
在其中一个实施例中，所述步骤S6中，每种级配应至少获得8张沥青混合料切片图像，平均配位数应大于1.3。
在其中一个实施例中，所述步骤S7中，通过马歇尔试验确定油石比，油石比为6.0～7.0％，目标空隙率为3～4％。
在其中一个实施例中，所述步骤S8中，路用性能验证时，合格的参数指标应满足以下条件：
表3 HPUT-10路用性能指标
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HPUT-10磨耗层设计的最终配比。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的设计方法，提出以宏观—细观为主要控制指标的高性能超薄沥青磨耗层双重设计原则，宏观指标为改进贝雷法参数[CA]比、[FAc]比、[FAf]比的范围，以及设置VCAmix≤VCADRC，细观指标为平均配位数≥1.3，使得到的超薄沥青磨耗层的路用性能更优异。
采用上述方法设计得到的HPUT-10磨耗层具有以下优势：
1、HPUT-10磨耗层的厚度可达到1.5～2.5cm，比普通沥青路面厚度少1～2cm，路面厚度的减少可有效节省工程造价，同时抗滑、抗车辙、抗磨耗、抗水损坏和耐久性等路用性能甚至优于普通沥青混合料。
2、HPUT-10磨耗层的原材料中可不采用高粘沥青，通过掺入纤维保证混合料的抗疲劳性能，一般情况下沥青用量比常规的超薄磨耗层低，在保证混合料抗疲劳性能的同时节省工程造价。
3、HPUT-10磨耗层与目前常用的超薄磨耗层如Novachip、OGFC、超高性能排水磨耗层UHPP等相比，HPUT-10为骨架密实结构，路面不透水，不会堵塞路面内部空隙而对环境造成污染，同时具有良好的耐久性。
4、HPUT-10磨耗层施工时不需同步摊铺，对设备要求低，采用普通路面施工机械设备即可施工，设备费用少，经济效果好。
附图说明
图1为本发明中平均配位数示意图；
图2为本发明的设计流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，以下将给出较佳实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
设计一种用于一般道路的HPUT-10磨耗层，厚度为2cm，主要步骤如下，流程图如图2所示：
S1：原材料性能检测
沥青配合比设计使用高粘高弹改性沥青，其技术指标见表4，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)规定的I-D类及PG76-28的技术要求。
表4高粘高弹改性沥青测试结果
沥青配合比设计使用粗集料的粒径规格分别为5～10mm、3～5mm；细集料为0～3mm石屑，集料试验严格按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2005)的要求和方法进行测试，集料密度详见表5，集料筛分详见表6。
表5集料密度检测结果
表6集料筛分检测结果
沥青配合比设计使用的填料为矿粉，掺量为10％；木质素纤维掺量为沥青混合料质量的0.3％，密度1.2g/cm3。
S2：选择初试级配
选择甲、已、丙三组级配，三组级配的矿料配合比见表7，级配组成见表8，根据室内试验结果选择最优方案。
表7 HPUT-10矿料配合比
表8 HPUT-10合成级配
S3：检验初试级配的贝雷参数
根据公式(1)～(6)，计算贝雷参数，符合表2技术要求，如下：
甲：[CA]比、[FAc]比、[FAf]比分别为0.121、0.738、0.727；
乙：[CA]比、[FAc]比、[FAf]比分别为0.132、0.717、0.703；
丙：[CA]比、[FAc]比、[FAf]比分别为0.145、0.698、0.670。
S4：测定粗集料骨架松装间隙率
以贝雷法主控筛孔为粗细集料分界(2.36mm)，通过捣实法测定三组级配的粗集料骨架松装间隙率，如表9所示。
表9三种级配的VCADRC
S5：骨架判定
选择6.5％作为初试油石比，进行马歇尔试验。试件击实次数为双面各击75次，成型温度为170～175℃，符合VCAmix≤VCADRC的设计要求，结果见表10。
表10三种级配在相同油石比下的马歇尔试验结果
S6：细观结构参数分析
对三种级配马歇尔试件进行切割，获取至少8张沥青混合料切片图像，然后对图像进行处理和接触分析，取8张切片图像的平均值作为平均配位数。通过分析，甲、乙、丙三种级配的平均配位数分别为1.61、1.53、1.39。因此，优选级配甲作为设计级配进行下一步试验。
S7：马歇尔试验
选用甲级配，以油石比6.2％、6.5％、6.8％、成型马歇尔试件进行试验，以确定最佳油石比，结果见表11。配合比设计木质纤维的掺量为沥青混合料质量的0.3％。
表11 HPUT-10马歇尔试验结果
对马歇尔试验结果分析，选取6.5％作为最佳油石比进行路用性能验证。
S8：沥青混合料路用性能验证
选择优选的级配甲，以最佳油石比6.5％，进行路用性能验证试验，设计的HPUT-10各项路用性能验证的平行试验结果如下：
(1)谢伦堡沥青析漏试验：析漏损失为0.08％；
(2)肯塔堡飞散试验：飞散损失为1.01％；
(3)残留马歇尔稳定度试验：残留稳定度为99.1％；
(4)劈裂试验：劈裂抗拉强度为1.75MPa；
(5)冻融劈裂试验：劈裂抗拉强度比为94.9％；
(7)车辙试验：动稳定度7779次/mm；
(8)渗水试验：不渗水；
(9)构造深度检验：构造深度为1.22mm。
上述检验均同时满足设计要求，可将此合成级配作为本次级配设计的最终优选级配，最佳沥青油石比为6.5％。
实施例2
设计一种用于隧道路面和桥面铺装的HPUT-10磨耗层，厚度为2cm，主要步骤如下：
S1：原材料性能检测
沥青主要采用壳牌SBS(I-D)改性沥青，检验结果如表12所示。
表12 SBS(I-D)改性沥青测试结果
粗集料、细集料均采用辉绿岩；矿粉为石灰岩；抗剥落剂采用1.5％P.O.42.5水泥改善沥青与集料的黏附性；掺入絮状木质纤维和阻燃剂。集料试验结果如表13所示。
表13集料试验结果
S2：选择初试级配
本次选择一条级配曲线，如设计过程中某项技术指标不符合要求，则返回本步骤对应调整，集料筛分结果见表14，合成级配见表15。
表14集料筛分检测结果
表15 HPUT-10合成级配
S3：检验初试级配的贝雷参数
根据公式(1)～(6)，计算贝雷参数参数[CA]比、[FAc]比、[FAf]比分别为0.061、0.604、0.793，符合表2设计要求。
S4：测定粗集料骨架松装间隙率
以贝雷法主控筛孔为粗细集料分界(2.36mm)，通过捣实法测定初试级配的粗集料骨架松装间隙率VCADRC为41.1。
S5：骨架判定
选择6.3％作为初试油石比，进行马歇尔试验。试件击实次数为双面各击75次，成型温度为170～175℃，经计算VCAmix为39.1，符合VCAmix≤VCADRC的设计要求。
S6：细观结构参数分析
以6.3％为油石比制作马歇尔试件并进行切割，获取8张沥青混合料切片图像，对图像进行处理和分析，得到平均配位数为1.74，符合要求。
S7：马歇尔试验
选用初定最佳油石比6.3％±0.3％，分别对油石比6.0％、6.3％、6.6％进行马歇尔试验，采用每面各击实次数为75次成型试件。木质纤维的掺量为沥青混合料质量的0.3％，沥青阻燃剂的掺量为沥青重量的6％，马歇尔试验结果见表16。经过计算，确定最佳油石比为6.3％。
表16马歇尔试验结果
S8：沥青混合料路用性能验证
以最佳油石比6.3％进行路用性能验证试验，设计的HPUT-10各项路用性能验证的平行试验结果如下：
(1)谢伦堡沥青析漏试验：析漏损失为0.07％；
(2)肯塔堡飞散试验：飞散损失为1.20％；
(3)残留马歇尔稳定度试验：残留稳定度为95.3％；
(4)劈裂试验：劈裂抗拉强度为1.84MPa；
(5)冻融劈裂试验：劈裂抗拉强度比为95.2％；
(7)车辙试验：动稳定度7958次/mm；
(8)渗水试验：不渗水；
(9)构造深度检验：构造深度为0.87mm。
上述检验均同时满足设计要求，可将此合成级配作为本次级配设计的最终优选级配，木质纤维的掺量为沥青混合料质量的0.3％，沥青阻燃剂的掺量为沥青重量的6％，最佳油石比为6.3％。
由以上实施例可知，和现有的设计方法相比，本发明提出了以宏观—细观为主要控制指标的高性能超薄沥青磨耗层双重设计原则，宏观指标为改进贝雷法参数[CA]比、[FAc]比、[FAf]比范围，VCAmix≤VCADRC，细观指标为平均配位数≥1.3。主要内容包括优化了贝雷法参数[CA]比、[FAc]比、[FAf]比取值范围，提出了细观指标为平均配位数≥1.3。以VCAmix≤VCADRC为现行骨架密实型沥青混合料设计指标，按照现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2019)检测相关参数。
本发明的混合料参数特点主要包括：可不采用高粘沥青，通过掺入纤维保证混合料的抗疲劳性能，隧道沥青路面同时掺加沥青阻燃剂；油膜厚度不作为控制指标，但需满足析漏试验、《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2019)关于膜厚度的指标要求；由于掺入纤维与加筋作用，沥青动力粘度指标要求比常规低，本发明提出60℃动力粘度控制指标不小于200000Pa.s；沥青含量比现有常规超薄沥青磨耗层设计方法少0.5～1.0％，动稳定度指标更高，须大于6000次/mm。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种高性能超薄沥青磨耗层的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对原材料进行技术性能指标检测，选择符合规定的原材料；
S2：根据Superpave级配设计方法，以公称最大尺寸、关键筛孔通过率为控制指标选择至少三组初试级配曲线；
S3：检验每组初试级配曲线的贝雷法参数[CA]比、[FAc]比、[FAf]比是否满足设计要求，如果不满足则返回至步骤S2重新调整级配曲线；
S4：以贝雷法主控筛孔为粗细集料分界，测定初试级配的粗集料骨架松装间隙率VCADRC；
S5：选择初试油石比，对所述步骤S4中得到的沥青混合料进行骨架判定，当VCAmix≤VCADRC时判定为合格，反之则判定为不合格；合格则进入下一步测试，不合格则返回至步骤S2进行重新设计；
S6：对各级配马歇尔试件进行数字图像分析，获取骨架的细观评价指标，即平均配位数，定量评价各级配沥青混合料的骨架性能，平均配位数应≥1.3，选择其中最佳的级配曲线；
S7：对最佳的级配进行马歇尔试验，测定马歇尔试验各参数；
S8：对所述步骤S7中得到的合格沥青混合料进行路用性能验证，如参数不合格则返回至步骤S2进行重新设计，直至得到合格的沥青混合料。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述原材料包括集料、沥青和添加剂，所述添加剂包括矿粉和纤维。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述集料按照《公路工程集料试验规程》JTG E42-2005的要求和方法进行测试，所述集料和沥青应满足《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004规定的I-D类及PG76-28的技术要求。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，公称最大尺寸为9.5mm，级配控制类型和范围为：
13.2mm筛孔通过率100％，9.5mm筛孔通过率100％，4.75mm筛孔通过率40～85％，2.36mm筛孔通过率15～35％，1.18mm筛孔通过率8～25％，0.6mm筛孔通过率6～20％，0.3mm筛孔通过率5～15％，0.15mm筛孔通过率4～12％，0.075mm筛孔通过率3～8％。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，贝雷法参数[CA]比、[FAc]比、[FAf]比的定义分别如式(1)～式(3)所示：
其中，PD/2为公称最大粒径1/2集料的通过率，％；PPCS为第一控制筛孔通过率，％；PSCS为第二控制筛孔通过率，％；PTCS为第三控制筛孔通过率，％；
满足设计要求的贝雷参数范围：[CA]比为0.05～0.15、[FAc]比为0.60～0.75、[FAf]比为0.65～0.80。
6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述贝雷法主控筛孔通过如下所示的式(4)～式(6)计算得到：
[PCS]＝0.22[NMPS] 式(4)
[SCS]＝0.22[PCS] 式(5)
[TCS]＝0.22[SCS] 式(6)
其中，[NMPS]为公称最大粒径，mm；[PCS]为第一控制筛孔尺寸，[SCS]为第二控制筛孔尺寸，[TCS]为第三控制筛孔尺寸；
所述粗集料骨架松装间隙率VCADRC通过捣实法测定。
7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S5中，VCAmix按如下所示的式(7)计算得到：
其中，VCAmix为压实沥青混合料的粗集料骨架间隙率；VCADRC为捣实状态下的粗集料松装间隙率；γf为由表干法测定的沥青混合料试件毛体积相对密度；γca为矿料中所有粗集料的合成毛体积密度；Pca为矿料中所有粗集料质量占沥青混合料总质量的百分率。
8.根据权利要求1～7任一项所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S6中，数字图像分析包括：切割马歇尔试件获取切片图像、对图像进行二值化处理、接触分析；每种级配至少获得8张沥青混合料切片图像；
平均配位数定义为颗粒体系内部颗粒的平均接触数目，其计算方式如式(8)所示：
其中，
为沥青混合料的平均配位数；N为沥青混合料内粗集料总数量；
表示粗集料i的配位数。
9.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S7中，通过马歇尔试验确定油石比，油石比为6.0～7.0％，目标空隙率为3～4％。
10.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述步骤S8中，路用性能验证时，合格的参数指标应满足以下条件：
油石比≤7.0％，空隙率为3～5％，矿料间隙率VMA≥17.0，粗集料骨架间隙率VCAmix≤VCADRC，60℃车辙动稳定度≥6000次/mm，肯塔堡飞散试验损失≤8％，谢伦堡析漏试验结合料损失≤0.3％，浸水马歇尔试验残留稳定度≥85％，冻融劈裂试验残留强度比≥80％，渗水系数≤80mL/min，表面构造深度≥0.7mm。
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