CN113754348A - 一种抗低温开裂的sma型机场沥青混合料配合比设计方法 - Google Patents

一种抗低温开裂的sma型机场沥青混合料配合比设计方法 Download PDF

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Abstract

一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法，它涉及一种SMA型机场沥青混合料配合比设计方法。本发明的目的是要解决现有方法无法实现通过沥青混合料的配合比设计来针对性控制道面低温开裂的目标的问题。方法：步骤一、选择原材料；步骤二、设计矿料级配；步骤三、确定最佳级配；步骤四、选择试验沥青用量；步骤五：确定最佳沥青用量；步骤六、性能验证。本发明采用的间接拉伸试验仅需要马歇尔试件，且在后期不需要进行低温性能检验，从而缩短了设计周期与试验量，提高了工程效率。本发明可获得一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法。

Description

一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法
技术领域
本发明涉及一种SMA型机场沥青混合料配合比设计方法。
背景技术
沥青混凝土道面具有表面平整度高、行驶过程振动小、维修养护便捷等优点，从而逐渐成为民航领域主要的机场道面结构形式，其中道面上面层普遍采用沥青玛蹄脂碎石(Stone Matrix Asphalt,SMA)。目前，上面层温缩裂缝是最常见的沥青道面开裂破坏形式，其是由于温度骤降时，曝露在大气中的沥青道面表面发生着剧烈的热对流现象，诱发道表产生收缩，这种变形会受到相邻结构层的约束作用，导致沥青道面面层产生温度应力，当温度应力超过了沥青混凝土的极限抗拉强度时，沥青道面将发生开裂，进而产生温度收缩裂缝。温缩裂缝不仅影响道面结构的使用性能，而且在荷载与水等因素的持续作用下将诱发严重的次生病害导致道面发生结构性破坏。因此，上面层SMA混合料的抗低温开裂性能对于道面结构整体的耐久性至关重要。
然而，当前SMA混合料配合比设计采用的马歇尔试验并没有考虑材料的低温性能。该方法主要通过矿料间隙率VMA、空隙率VV等体积指标进行级配选择与沥青用量计算，性能指标则仅考虑马歇尔稳定度和流值，但这两个指标均属于高温条件下的力学指标，无法反映沥青混合料的抗低温开裂特性。而在配合比设计结束之后，才会使用小梁弯曲试验对混合料低温性能进行检验。因此，该方法无法实现通过沥青混合料的配合比设计来针对性控制道面低温开裂的目标。
发明内容
本发明的目的是要解决现有方法无法实现通过沥青混合料的配合比设计来针对性控制道面低温开裂的目标的问题，而提供一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法。
一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法，包括以下步骤：
步骤一、选择原材料：选择原材料，所述的原材料包括粗集料、细集料、矿粉、沥青、纤维和外加剂，其中粗集料根据粒径进行分档；
步骤二、设计矿料级配：采用步骤一中选择的粗集料、细集料和矿粉，调整矿料中粗集料、细集料和矿粉的比例，设计3条不同粗细的合成级配，合成级配应满足两个条件：①、粗集料骨架分界筛孔的通过率应处于级配范围的(中值+3)％至(中值-5)％的区间内；②、矿粉的质量与粗集料、细集料和矿粉的总质量比为(7～11):100；
步骤三、确定最佳级配：结合已建类似工程的SMA型沥青混合料的标准沥青用量，在沥青用量为5.5％～6.1％的范围内选择初试沥青用量，并采用步骤二中设计的3条合成级配分别成型马歇尔试件，然后测试体积指标以及低温拉伸应变，其试验方法为间接拉伸试验；级配选择方法为：以低温拉伸应变最大的级配作为最佳级配，同时最佳级配应满足骨架间隙率VCAmix＜松装间隙率VCADRC，且矿料间隙率VMA≥16.5％的要求；
步骤四、选择试验沥青用量：以步骤三中选择的初试沥青用量为中值，并以0.3％为间隔向两边各取2个沥青用量，以此得到5个试验沥青用量；
步骤五：确定最佳沥青用量：根据步骤四中选择的沥青用量，并结合步骤三中确定的最佳级配，分别成型5组马歇尔试件，测试体积指标以及低温拉伸应变，依据测试出的5个空隙率，在3％～4.5％范围内选择一定值作为目标空隙率，保证目标空隙率上下至少各有2个空隙率；然后根据试验指标随沥青用量的变化情况按照以下方法计算最佳沥青用量：
(1)情况一：在选定的5个沥青用量下，若低温拉伸应变出现峰值，找到峰值所对应的沥青用量w1，然后找到目标空隙率对应的沥青用量w2，通过以下公式计算最佳沥青用量OAC：
OAC＝(w1×0.5)+(w2×0.5)；
(2)情况二：在选定的5个沥青用量下，若低温拉伸应变没有出现峰值，则找到最大值所对应的沥青用量w3，然后找到目标空隙率对应的沥青用量w2，通过以下公式计算最佳沥青用量OAC：
OAC＝(w3×0.3)+(w2×0.7)；
根据计算的最佳沥青用量，并结合步骤三中确定的最佳级配，成型马歇尔试件，检查相应于最佳沥青用量下试件的各项指标是否满足技术要求，所述技术要求为：空隙率VV为3％～4.5％、矿料间隙率VMA≥16.5％、沥青饱和度VFA为75％～85％；低温拉伸应变则根据工程所在地的气候分区确定，若处于冬严寒区或冬寒区，则大于5500με，若处于冬冷区或冬温区，则大于5000με；如设计结果不满足上述技术要求，则返回至步骤一重新选择原材料或步骤二重新设计矿料级配，然后再依次按步骤进行操作；
步骤六、性能验证：根据步骤五计算的最佳沥青用量，并结合步骤三中确定的最佳级配，成型试件，进行高温稳定性和水稳定性验证以及沥青用量合适性检验；高温稳定性通过车辙试验检验，指标为动稳定度，水稳定性通过冻融劈裂试验检验，指标为残留强度比，沥青用量合适性检验通过谢伦堡沥青析漏试验和肯塔堡飞散试验进行，指标分别为析漏损失和飞散损失，如果验证结果满足技术要求，则完成配合比设计，否则返回至步骤一重新选择原材料或步骤二重新设计矿料级配，然后再依次按步骤进行操作；所述技术要求为：残留强度比≥85％，析漏损失≤0.1％，飞散损失≤10％，动稳定度见下表；
Figure BDA0003272463800000031
表中所述夏炎热区为最热月的日最高气温的平均值＞30℃，夏热区为最热月的日最高气温的平均值在20～30℃之间，夏凉热区为最热月的日最高气温的平均值≤20℃，重交通为单条跑道设计年限内C类及以上机型的年平均起飞架次≥50000次，中交通为单条跑道设计年限内C类及以上机型的年平均起飞架次在15000～50000次之间，轻交通为单条跑道设计年限内C类及以上机型的年平均起飞架次≤15000次，抗高温性能增强区为沥青道面结构Ⅰ区和其他需要高温性能增强的场内区域。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)、本发明采用间接拉伸试验替代现有技术中的马歇尔试验，以混合料的体积参数和能够准确表征沥青混合料低温性能的低温拉伸应变作为设计指标，并提出了以低温性能为主的最佳级配与最佳沥青用量的设计方法，从而在材料配比设计中针对性考虑SMA混合料的低温抗开裂性，以实现对道面开裂的有效控制；
(2)、现有技术在配合比设计结束之后需要对设计结果进行低温性能检验，采用的是小梁弯曲试验，其梁式试件的制备需要先成型板式试件然后切割成固定尺寸的梁式试件，并且需风干才能用于试验；整个过程周期长，且梁式试件尺寸难控制，导致试验误差较大；本发明采用的间接拉伸试验仅需要马歇尔试件，且在后期不需要进行低温性能检验，从而缩短了设计周期与试验量，提高了工程效率。
本发明可获得一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法。
本发明中矿料包括两档粗集料、细集料和矿粉；沥青用量指的是沥青占沥青混合料的质量百分比，其中沥青混合料包括沥青和矿料；试件包括沥青、矿料、纤维和外加剂。
附图说明
图1为本发明所述的一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法的流程图；
图2为实施例1中毛体积密度随沥青用量的变化曲线；
图3为实施例1中空隙率VV随沥青用量的变化曲线；
图4为实施例1中沥青饱和度VFA随沥青用量的变化曲线；
图5为实施例1中矿料间隙率VMA随沥青用量的变化曲线；
图6为实施例1中低温拉伸应变随沥青用量的变化曲线；
图7为实施例2中毛体积密度随沥青用量的变化曲线；
图8为实施例2中空隙率VV随沥青用量的变化曲线；
图9为实施例2中沥青饱和度VFA随沥青用量的变化曲线；
图10为实施例2中矿料间隙率VMA随沥青用量的变化曲线；
图11为实施例2中低温拉伸应变随沥青用量的变化曲线。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
具体实施方式一：本实施方式一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法，包括以下步骤：
步骤一、选择原材料：选择原材料，所述的原材料包括粗集料、细集料、矿粉、沥青、纤维和外加剂，其中粗集料根据粒径进行分档；
步骤二、设计矿料级配：采用步骤一中选择的粗集料、细集料和矿粉，调整矿料中粗集料、细集料和矿粉的比例，设计3条不同粗细的合成级配，合成级配应满足两个条件：①、粗集料骨架分界筛孔的通过率应处于级配范围的(中值+3)％至(中值-5)％的区间内；②、矿粉的质量与粗集料、细集料和矿粉的总质量比为(7～11):100；
步骤三、确定最佳级配：结合已建类似工程的SMA型沥青混合料的标准沥青用量，在沥青用量为5.5％～6.1％的范围内选择初试沥青用量，并采用步骤二中设计的3条合成级配分别成型马歇尔试件，然后测试体积指标以及低温拉伸应变，其试验方法为间接拉伸试验；级配选择方法为：以低温拉伸应变最大的级配作为最佳级配，同时最佳级配应满足骨架间隙率VCAmix＜松装间隙率VCADRC，且矿料间隙率VMA≥16.5％的要求；
步骤四、选择试验沥青用量：以步骤三中选择的初试沥青用量为中值，并以0.3％为间隔向两边各取2个沥青用量，以此得到5个试验沥青用量；
步骤五：确定最佳沥青用量：根据步骤四中选择的沥青用量，并结合步骤三中确定的最佳级配，分别成型5组马歇尔试件，测试体积指标以及低温拉伸应变，依据测试出的5个空隙率，在3％～4.5％范围内选择一定值作为目标空隙率，保证目标空隙率上下至少各有2个空隙率；然后根据试验指标随沥青用量的变化情况按照以下方法计算最佳沥青用量：
(1)情况一：在选定的5个沥青用量下，若低温拉伸应变出现峰值，找到峰值所对应的沥青用量w1，然后找到目标空隙率对应的沥青用量w2，通过以下公式计算最佳沥青用量OAC：
OAC＝(w1×0.5)+(w2×0.5)；
(2)情况二：在选定的5个沥青用量下，若低温拉伸应变没有出现峰值，则找到最大值所对应的沥青用量w3，然后找到目标空隙率对应的沥青用量w2，通过以下公式计算最佳沥青用量OAC：
OAC＝(w3×0.3)+(w2×0.7)；
根据计算的最佳沥青用量，并结合步骤三中确定的最佳级配，成型马歇尔试件，检查相应于最佳沥青用量下试件的各项指标是否满足技术要求，所述技术要求为：空隙率VV为3％～4.5％、矿料间隙率VMA≥16.5％、沥青饱和度VFA为75％～85％；低温拉伸应变则根据工程所在地的气候分区确定，若处于冬严寒区或冬寒区，则大于5500με，若处于冬冷区或冬温区，则大于5000με；如设计结果不满足上述技术要求，则返回至步骤一重新选择原材料或步骤二重新设计矿料级配，然后再依次按步骤进行操作；
步骤六、性能验证：根据步骤五计算的最佳沥青用量，并结合步骤三中确定的最佳级配，成型试件，进行高温稳定性和水稳定性验证以及沥青用量合适性检验；高温稳定性通过车辙试验检验，指标为动稳定度，水稳定性通过冻融劈裂试验检验，指标为残留强度比，沥青用量合适性检验通过谢伦堡沥青析漏试验和肯塔堡飞散试验进行，指标分别为析漏损失和飞散损失，如果验证结果满足技术要求，则完成配合比设计，否则返回至步骤一重新选择原材料或步骤二重新设计矿料级配，然后再依次按步骤进行操作；所述技术要求为：残留强度比≥85％，析漏损失≤0.1％，飞散损失≤10％，动稳定度见下表；
Figure BDA0003272463800000051
Figure BDA0003272463800000061
表中所述夏炎热区为最热月的日最高气温的平均值＞30℃，夏热区为最热月的日最高气温的平均值在20～30℃之间，夏凉热区为最热月的日最高气温的平均值≤20℃，重交通为单条跑道设计年限内C类及以上机型的年平均起飞架次≥50000次，中交通为单条跑道设计年限内C类及以上机型的年平均起飞架次在15000～50000次之间，轻交通为单条跑道设计年限内C类及以上机型的年平均起飞架次≤15000次，抗高温性能增强区为沥青道面结构Ⅰ区和其他需要高温性能增强的场内区域。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述的纤维为聚酯纤维、聚丙烯腈纤维或木质素纤维。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述的外加剂为抗车辙剂、高模量剂和高粘剂中的一种或其中几种的混合物。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述的粗集料按照粒径分为两档，分别为5～10mm和10～15mm。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二②中矿粉的质量与粗集料、细集料和矿粉的总质量比为(10～11):100。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤二②中矿粉的质量与粗集料、细集料和矿粉的总质量比为11:100。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤三中所述的间接拉伸试验的试验温度为-10℃，加载速率为1mm/min。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤五中所述的冬严寒区为99％可靠度下冬季极端日最低气温≤-37℃；所述的冬寒区为99％可靠度下冬季极端日最低气温在-37℃～-21.5℃之间；所述的冬冷区为99％可靠度下冬季极端日最低气温在-21.5℃～-9℃之间；所述的冬温区为99％可靠度下冬季极端日最低气温＞-9℃。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤三、步骤五和步骤六中所述的试件中的纤维占沥青混合料的质量分数为0.3％～0.5％，外加剂占沥青混合料的质量分数为0.3％～1％。其它步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤三、步骤五和步骤六中所述的试件中的纤维占沥青混合料的质量分数为0.4％，外加剂占沥青混合料的质量分数为0.5％～0.8％。其它步骤与具体实施方式一至九相同。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1：一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、选择原材料：选择原材料，所述的原材料包括玄武岩粗集料、石灰岩细集料、石灰岩矿粉、SBS改性沥青、聚酯纤维、抗车辙剂作为原材料，其中粗集料根据粒径进行分档；
步骤一中所述的粗集料按照粒径分为两档，分别为5～10mm和10～15mm；
原材料的技术指标与相应的技术规范要求值如表1至表6所示；
步骤二、设计矿料级配：采用步骤一中选择的粗集料、细集料和矿粉，调整矿料中粗集料、细集料和矿粉的比例，设计3条不同粗细的SMA-13级配，各类矿料的比例以及相应的合成级配如表7和表8所示；
步骤三、确定最佳级配：结合已建类似工程的SMA型沥青混合料的标准沥青用量，在沥青用量为5.5％～6.1％的范围内选择5.7％作为初试沥青用量，并采用步骤二中设计的3条合成级配分别成型马歇尔试件，然后测试体积指标以及低温拉伸应变，其试验方法为间接拉伸试验；级配选择方法为：以低温拉伸应变最大的级配作为最佳级配，同时最佳级配应满足骨架间隙率VCAmix＜松装间隙率VCADRC，且矿料间隙率VMA≥16.5％的要求；
试验结果如表9所示；根据级配选择方法，级配三不满足体积指标要求，级配一和级配二满足，根据低温拉伸应变结果，确定以级配一作为最佳级配；
步骤四、选择试验沥青用量：以步骤三中选择的初试沥青用量5.7％为中值，并以0.3％为间隔向两边各取2个沥青用量，以此得到5.1％、5.4％、5.7％、6.0％、6.3％作为试验沥青用量；
步骤五：确定最佳沥青用量：根据步骤四中选择的沥青用量，并结合步骤三中确定的最佳级配，分别成型5组马歇尔试件，测试体积指标以及低温拉伸应变，结果如图2至图6所示，并选择以3.75％作为目标空隙率；然后根据试验指标随沥青用量的变化情况按照以下方法计算最佳沥青用量：
由图可知，在选择的5个沥青用量对应的空隙率中，2个处于目标空隙率下侧，3个处于目标空隙率上侧，目标空隙率对应的沥青用量为5.75％，低温拉伸应变没有出现峰值，最大值对应的沥青用量为6.3％，根据最佳沥青用量计算方法，即在选定的5个沥青用量下，低温拉伸应变没有出现峰值，则找到最大值所对应的沥青用量w3，然后找到目标空隙率对应的沥青用量w2，通过以下公式计算最佳沥青用量OAC：
OAC＝(w3×0.3)+(w2×0.7)；
经过计算，该沥青混合料的最佳沥青用量确定为5.92％；然后采用该最佳沥青用量，并结合步骤三中确定的最佳级配，即级配一，成型马歇尔试件，测试体积指标以及低温拉伸应变，结果如表10所示，工程所在地按冬冷区考虑(所述的冬冷区为99％可靠度下冬季极端日最低气温在-21.5℃～-9℃之间)，通过与技术要求比较，各项指标均满足要求；
步骤六、性能验证：根据步骤五计算的最佳沥青用量(最佳沥青用量确定为质量分数为5.92％)，并结合步骤三中确定的最佳级配，成型SMA-13试件，然后进行高温稳定性和水稳定性验证以及沥青用量合适性检验，结果如表11所示；
通过表11可知，本实施例的SMA-13沥青混合料的各项性能验证均满足《民用机场沥青道面施工技术规范》(MH/T 5011-2019)的技术要求，说明其高温稳定性和水稳定性较好，且沥青用量合适。因此，配合比设计完成。
《民用机场沥青道面施工技术规范》(MH/T 5011-2019)的技术要求为：残留强度比≥85％，析漏损失≤0.1％，飞散损失≤10％，动稳定度见下表；
Figure BDA0003272463800000081
表中所述夏炎热区为最热月的日最高气温的平均值＞30℃，夏热区为最热月的日最高气温的平均值在20～30℃之间，夏凉热区为最热月的日最高气温的平均值≤20℃，重交通为单条跑道设计年限内C类及以上机型的年平均起飞架次≥50000次，中交通为单条跑道设计年限内C类及以上机型的年平均起飞架次在15000～50000次之间，轻交通为单条跑道设计年限内C类及以上机型的年平均起飞架次≤15000次，抗高温性能增强区为沥青道面结构Ⅰ区和其他需要高温性能增强的场内区域。
表1粗集料技术指标及要求值
Figure BDA0003272463800000091
表2细集料技术指标及要求值
技术指标 测试结果 要求值
表观相对密度 2.773 ≥2.5
坚固性(大于0.3mm部分)(％) 8.2 ≤12
砂当量(％) 68 ≥60
亚甲蓝值(g/kg) 0.6 ≤2.5
棱角性(流动时间)(s) 43 ≥30
表3矿粉技术指标及要求值
Figure BDA0003272463800000101
表4SBS改性沥青技术指标及要求值
Figure BDA0003272463800000102
表5聚酯纤维技术指标及要求值
试验指标 测试结果 技术要求
纤维长度(mm) 6 6±1.5
纤维平均直径(mm) 0.015 0.014～0.020
抗拉强度(MPa) 855 ≥600
最大拉伸率(％) 9 8～12
含水率(以质量计)(％) 4 ≤5
耐热性(210℃，2h) 颜色、体积基本无变化 颜色、体积基本无变化
表6抗车辙剂技术指标及要求值
Figure BDA0003272463800000103
Figure BDA0003272463800000111
表7矿料级配配比
Figure BDA0003272463800000112
表8合成级配及规范限制值
Figure BDA0003272463800000113
表9候选级配混合料的技术指标及要求值
技术指标 级配一 级配二 级配三 要求值
矿料间隙率VMA(％) 17.2 16.8 16.4 ＞16.5
骨架间隙率VCA<sub>mix</sub>(％) 36.6 38.8 41.0 ＜VCA<sub>DRC</sub>
松装间隙率VCA<sub>DRC</sub>(％) 40.1 40.4 40.5 —
低温拉伸应变(με) 5540 5468 5394 ＞5000
表10最佳沥青用量下各指标试验结果及要求值
技术指标 测试结果 要求值
空隙率VV(％) 3.5 3～4.5
矿料间隙率VMA(％) 16.9 ≥16.5
沥青饱和度VFA(％) 79.1 75～85
低温拉伸应变(με) 5590 ＞5000
表11性能验证试验结果及要求值
技术指标 测试结果 要求值
动稳定度(次/mm) 13125 ≥10000
残留强度比(％) 91 ≥85
析漏损失(％) 0.04 ≤0.1
飞散损失(％) 2.4 ≤10
实施例1步骤三、步骤五和步骤六中所述的试件中的聚酯纤维占沥青混合料的质量分数为0.4％，抗车辙剂占沥青混合料的质量分数为0.5％。
实施例1中矿料包括两档粗集料、细集料和矿粉；沥青用量指的是沥青占沥青混合料的质量百分比，其中沥青混合料包括沥青和矿料；试件包括沥青、矿料、纤维和外加剂。
实施例2
步骤一、选择原材料：选择玄武岩粗集料、石灰岩细集料、石灰岩矿粉、SBS/湖沥青复合改性沥青、聚丙烯腈纤维、抗车辙剂、高粘剂作为原材料，其中将粗集料按照粒径分为两档，即5～10mm和10～15mm；粗集料、细集料、矿粉、抗车辙的技术指标与实施例1相同，具体见表1、表2、表3、表6；SBS/湖沥青复合改性沥青、聚丙烯腈纤维、高粘剂的技术指标与相应的技术规范要求值如表12至表14所示；
步骤二、设计矿料级配：采用步骤一中选择的粗集料、细集料和矿粉，调整矿料中粗集料、细集料和矿粉的比例，设计3条不同粗细的SMA-13级配，各类矿料的比例以及相应的合成级配如表15和表16所示；
步骤三、确定最佳级配：结合已建类似工程的SMA型沥青混合料的标准沥青用量，在沥青的质量分数为5.5％～6.1％的范围内选择5.7％作为初试沥青用量，并采用步骤二中设计的3条合成级配分别成型马歇尔试件，然后测试体积指标以及低温拉伸应变，其试验方法为间接拉伸试验；级配选择方法为：以低温拉伸应变最大的级配作为最佳级配，同时最佳级配应满足骨架间隙率VCAmix＜松装间隙率VCADRC，且矿料间隙率VMA≥16.5％的要求；
试验结果如表17所示；根据级配选择方法，级配三不满足体积指标要求，级配一和级配二满足，根据低温拉伸应变结果，确定以级配一作为最佳级配；
步骤四、选择试验沥青用量：以步骤三中选择的初试沥青用量5.7％为中值，并以0.3％为间隔向两边各取2个沥青用量，以此得到5.1％、5.4％、5.7％、6.0％、6.3％作为试验沥青用量；
步骤五：确定最佳沥青用量：根据步骤四中选择的沥青用量，并结合步骤三中确定的最佳级配，分别成型5组马歇尔试件，测试体积指标以及低温拉伸应变，结果如图7至图11所示，并选择以3.75％作为目标空隙率；然后根据试验指标随沥青用量的变化情况按照以下方法计算最佳沥青用量：
由图可知，在选择的5个沥青用量对应的空隙率中，2个处于目标空隙率下侧，3个处于目标空隙率上侧，目标空隙对应的沥青用量为5.9％，低温拉伸应变出现峰值，峰值对应的沥青用量为6.0％，根据最佳沥青用量计算方法，即在选定的5个沥青用量下，若低温拉伸应变出现峰值，找到峰值所对应的沥青用量w1，然后找到目标空隙率对应的沥青用量w2，通过以下公式计算最佳沥青用量OAC：
OAC＝(w1×0.5)+(w2×0.5)；
经过计算，该沥青混合料的最佳沥青用量确定为5.95％；然后采用该最佳沥青用量，并结合步骤三中确定的最佳级配，即级配一，成型马歇尔试件，测试体积指标以及低温拉伸应变，结果如表18所示，工程所在地按冬寒区考虑(所述的冬寒区为99％可靠度下冬季极端日最低气温在-37℃～-21.5℃之间)，通过与技术要求比较，各项指标均满足要求；
步骤六、性能验证：根据步骤五中计算的最佳沥青用量(最佳沥青用量确定为质量分数为5.95％)，并结合步骤三中确定的最佳级配，成型SMA-13试件，然后进行高温稳定性和水稳定性验证以及沥青用量合适性检验，结果如表19所示。
通过表19可知，本实施例的SMA-13沥青混合料的各项性能验证均满足《民用机场沥青道面施工技术规范》(MH/T 5011-2019)的技术要求，说明其高温稳定性和水稳定性较好，且沥青用量合适。因此，配合比设计完成；
《民用机场沥青道面施工技术规范》(MH/T 5011-2019)的技术要求为：残留强度比≥85％，析漏损失≤0.1％，飞散损失≤10％，动稳定度见下表；
Figure BDA0003272463800000131
表中所述夏炎热区为最热月的日最高气温的平均值＞30℃，夏热区为最热月的日最高气温的平均值在20～30℃之间，夏凉热区为最热月的日最高气温的平均值≤20℃，重交通为单条跑道设计年限内C类及以上机型的年平均起飞架次≥50000次，中交通为单条跑道设计年限内C类及以上机型的年平均起飞架次在15000～50000次之间，轻交通为单条跑道设计年限内C类及以上机型的年平均起飞架次≤15000次，抗高温性能增强区为沥青道面结构Ⅰ区和其他需要高温性能增强的场内区域。
表12SBS/湖沥青复合改性沥青技术指标及要求值
技术指标 测试指标 要求值
25℃针入度(0.1mm) 39 30～50
软化点(℃) 88.5 ≥80
延度(5cm/min,5℃)(cm) 18.5 ≥15
弹性恢复(％) 98 ≥80
表13聚丙烯腈纤维技术指标及要求值
试验指标 测试结果 技术要求
纤维长度(mm) 6 6±1.5
纤维平均直径(mm) 0.013 0.010～0.025
熔点(℃) 245 ≥220
含水率(％) 3 ≤5
耐热性(210℃，2h) 颜色、体积基本无变化 颜色、体积基本无变化
表14高粘剂技术指标及要求值
试验指标 测试结果 技术要求
单位颗粒质量(g) 0.027 ≤0.03
密度(g/cm<sup>3</sup>) 0.9 ≤1
熔融指数(g/10min) 2.71 ≥2
灰分含量(％) 0.3 ≤1
表15矿料级配配比
Figure BDA0003272463800000141
Figure BDA0003272463800000151
表16合成级配及规范限制值
Figure BDA0003272463800000152
表17候选级配混合料的技术指标及要求值
技术指标 级配一 级配二 级配三 要求值
矿料间隙率VMA(％) 17.0 16.6 16.3 ＞16.5
骨架间隙率VCA<sub>mix</sub>(％) 36.8 38.9 41.2 ＜VCA<sub>DRC</sub>
松装间隙率VCA<sub>DRC</sub>(％) 39.6 40.1 40.4 —
低温拉伸应变(με) 5778 5702 5540 ＞5500
表18最佳沥青用量下各指标试验结果及要求值
技术指标 测试结果 要求值
空隙率VV(％) 3.7 3～4.5
矿料间隙率VMA(％) 16.8 ≥16.5
沥青饱和度VFA(％) 78.1 75～85
低温拉伸应变(με) 5863 ＞5500
表19性能验证试验结果及要求值
技术指标 测试结果 要求值
动稳定度(次/mm) 14318 ≥10000
残留强度比(％) 92 ≥85
析漏损失(％) 0.03 ≤0.1
飞散损失(％) 1.8 ≤10
实施例2步骤三、步骤五和步骤六中所述的试件中的聚丙烯腈纤维占沥青混合料的质量分数为0.4％，抗车辙剂占沥青混合料的质量分数为0.5％，高粘剂占沥青混合料的质量分数为0.3％。
实施例2中矿料包括两档粗集料、细集料和矿粉；沥青用量指的是沥青占沥青混合料的质量百分比，其中沥青混合料包括沥青和矿料；试件包括沥青、矿料、纤维和外加剂。

Claims (10)

1.一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、选择原材料：选择原材料，所述的原材料包括粗集料、细集料、矿粉、沥青、纤维和外加剂，其中粗集料根据粒径进行分档；
步骤二、设计矿料级配：采用步骤一中选择的粗集料、细集料和矿粉，调整矿料中粗集料、细集料和矿粉的比例，设计3条不同粗细的合成级配，合成级配应满足两个条件：①、粗集料骨架分界筛孔的通过率应处于级配范围的(中值+3)％至(中值-5)％的区间内；②、矿粉的质量与粗集料、细集料和矿粉的总质量比为(7～11):100；
步骤三、确定最佳级配：结合已建类似工程的SMA型沥青混合料的标准沥青用量，在沥青用量为5.5％～6.1％的范围内选择初试沥青用量，并采用步骤二中设计的3条合成级配分别成型马歇尔试件，然后测试体积指标以及低温拉伸应变，其试验方法为间接拉伸试验；级配选择方法为：以低温拉伸应变最大的级配作为最佳级配，同时最佳级配应满足骨架间隙率VCAmix＜松装间隙率VCADRC，且矿料间隙率VMA≥16.5％的要求；
步骤四、选择试验沥青用量：以步骤三中选择的初试沥青用量为中值，并以0.3％为间隔向两边各取2个沥青用量，以此得到5个试验沥青用量；
步骤五：确定最佳沥青用量：根据步骤四中选择的沥青用量，并结合步骤三中确定的最佳级配，分别成型5组马歇尔试件，测试体积指标以及低温拉伸应变，依据测试出的5个空隙率，在3％～4.5％范围内选择一定值作为目标空隙率，保证目标空隙率上下至少各有2个空隙率；然后根据试验指标随沥青用量的变化情况按照以下方法计算最佳沥青用量：
(1)情况一：在选定的5个沥青用量下，若低温拉伸应变出现峰值，找到峰值所对应的沥青用量w1，然后找到目标空隙率对应的沥青用量w2，通过以下公式计算最佳沥青用量OAC：
OAC＝(w1×0.5)+(w2×0.5)；
(2)情况二：在选定的5个沥青用量下，若低温拉伸应变没有出现峰值，则找到最大值所对应的沥青用量w3，然后找到目标空隙率对应的沥青用量w2，通过以下公式计算最佳沥青用量OAC：
OAC＝(w3×0.3)+(w2×0.7)；
根据计算的最佳沥青用量，并结合步骤三中确定的最佳级配，成型马歇尔试件，检查相应于最佳沥青用量下试件的各项指标是否满足技术要求，所述技术要求为：空隙率VV为3％～4.5％、矿料间隙率VMA≥16.5％、沥青饱和度VFA为75％～85％；低温拉伸应变则根据工程所在地的气候分区确定，若处于冬严寒区或冬寒区，则大于5500με，若处于冬冷区或冬温区，则大于5000με；如设计结果不满足上述技术要求，则返回至步骤一重新选择原材料或步骤二重新设计矿料级配，然后再依次按步骤进行操作；
步骤六、性能验证：根据步骤五计算的最佳沥青用量，并结合步骤三中确定的最佳级配，成型试件，进行高温稳定性和水稳定性验证以及沥青用量合适性检验；高温稳定性通过车辙试验检验，指标为动稳定度，水稳定性通过冻融劈裂试验检验，指标为残留强度比，沥青用量合适性检验通过谢伦堡沥青析漏试验和肯塔堡飞散试验进行，指标分别为析漏损失和飞散损失，如果验证结果满足技术要求，则完成配合比设计，否则返回至步骤一重新选择原材料或步骤二重新设计矿料级配，然后再依次按步骤进行操作；所述技术要求为：残留强度比≥85％，析漏损失≤0.1％，飞散损失≤10％，动稳定度见下表；
Figure FDA0003272463790000021
表中所述夏炎热区为最热月的日最高气温的平均值＞30℃，夏热区为最热月的日最高气温的平均值在20～30℃之间，夏凉热区为最热月的日最高气温的平均值≤20℃，重交通为单条跑道设计年限内C类及以上机型的年平均起飞架次≥50000次，中交通为单条跑道设计年限内C类及以上机型的年平均起飞架次在15000～50000次之间，轻交通为单条跑道设计年限内C类及以上机型的年平均起飞架次≤15000次，抗高温性能增强区为沥青道面结构Ⅰ区和其他需要高温性能增强的场内区域。
2.根据权利要求1所述的一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法，其特征在于所述的纤维为聚酯纤维、聚丙烯腈纤维或木质素纤维。
3.根据权利要求1所述的一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法，其特征在于所述的外加剂为抗车辙剂、高模量剂和高粘剂中的一种或其中几种的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法，其特征在于所述的粗集料按照粒径分为两档，分别为5～10mm和10～15mm。
5.根据权利要求1所述的一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法，其特征在于步骤二②中矿粉的质量与粗集料、细集料和矿粉的总质量比为(10～11):100。
6.根据权利要求5所述的一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法，其特征在于步骤二②中矿粉的质量与粗集料、细集料和矿粉的总质量比为11:100。
7.根据权利要求1所述的一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法，其特征在于步骤三中所述的间接拉伸试验的试验温度为-10℃，加载速率为1mm/min。
8.根据权利要求1所述的一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法，其特征在于步骤五中所述的冬严寒区为99％可靠度下冬季极端日最低气温≤-37℃；所述的冬寒区为99％可靠度下冬季极端日最低气温在-37℃～-21.5℃之间；所述的冬冷区为99％可靠度下冬季极端日最低气温在-21.5℃～-9℃之间；所述的冬温区为99％可靠度下冬季极端日最低气温＞-9℃。
9.根据权利要求1所述的一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法，其特征在于步骤三、步骤五和步骤六中所述的试件中的纤维占沥青混合料的质量分数为0.3％～0.5％，外加剂占沥青混合料的质量分数为0.3％～1％。
10.根据权利要求9所述的一种抗低温开裂的SMA型机场沥青混合料配合比设计方法，其特征在于步骤三、步骤五和步骤六中所述的试件中的纤维占沥青混合料的质量分数为0.4％，外加剂占沥青混合料的质量分数为0.5％～0.8％。
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