CN114032730A - 一种超薄沥青面层集料分档方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超薄沥青面层集料分档方法。该方法通过更精细的分档，获得的石料生产出的沥青混合料性能更加稳定。解决了目前集料分档较为粗糙的问题，通过配合比的设计，可获得满足不同技术需求的沥青混合料。UTAC技术的难点在于控制集料品质的稳定性，现行规范对规格料粒径的要求不够精细，使用常用的规格料生产的UTAC混合料性能容易出现偏差，因此本发明提出了一种集料的分档方法，通过增加控制筛孔，能够减少集料的级配失控现象，获得粒径稳定的集料，也便于保证沥青混合料的性能稳定。
Description
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种超薄沥青面层集料分档方法及其级配设计。
背景技术
近年来，路网加密与路面使用性能下降的情况同时发生，公路养护资金日趋紧张，加铺超薄沥青面层是解决路表存在的功能性问题的较好养护技术方案，目前的超薄面层有Novachip、OGFC、UTAC技术等，Novachip与OGFC性能虽然优良，但材料设备昂贵、施工工艺复杂，难以作为一种大众技术推广应用。
本发明中相关的名词如下：
粗集料：在沥青混合料中，指粒径大于2.36mm的碎石、破碎砾石、筛选砾石和矿渣等。
细集料：在沥青混合料中，指粒径小于2.36mm的天然砂、人工砂(包括机制砂)及石屑。
标准筛：对颗粒性材料进行筛分试验用的符合标准形状和尺寸规格要求的系列样品筛。标准筛筛孔为正方形(方孔筛)，筛孔尺寸依次为75mm、63mm、53mm、37.5mm、26.5mm、19mm、16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm。
集料最大粒径：指集料的100％都要求通过的最小的标准筛筛孔尺寸。
集料公称最大粒径：指集料可能全部通过或允许有少量不通过(一般容许筛余不超过10％)的最小标准筛筛孔尺寸。通常比集料最大粒径小一个粒级。
Novachip：美国科氏公司研发的断级配超薄磨耗层罩面技术，性能优良。
UTAC(Ultra-thin Asphalt Concrete，超薄沥青混合料)：一种基于断级配设计理念的骨架型密级配沥青混合料，具有优良的抗滑、密水、抗车辙等路用性能。铺筑厚度为1-3cm，根据工程环境及路用性能需求，UTAC分为3个型号：
UTAC-5，最小结构厚度1.2cm，适合于桥面等路段的功能性加铺。最大粒径4.75mm(通过率为100％)，公称最大粒径为2.36mm。
UTAC-8，最小结构厚度2cm，适合于路基、桥面等路段加铺。最大粒径8mm(通过率为100％)，公称最大粒径为4.75mm。
UTAC-10，最小结构厚度2.5cm，适合于路基段、隧道和桥面等路段加铺。最大粒径9.5mm(通过率为100％)，公称最大粒径为8mm。
OGFC(open-graded asphalt friction course，开级配沥青磨耗层)：是一种采用开级配，且必须选用性能优良的高粘度改性沥青作为结合料的沥青混合料薄层技术，铺筑厚度为1.5-2cm。
UTAC作为一种厚度为1-3cm的加铺技术，加铺的沥青面层具有多功能(抗滑、排水、降噪等)与高性能(耐高温、抗低温、耐疲劳等)的优点。在材料方面，其采用普通抗滑层用的石料与改性沥青，在设备方面，使用常规的沥青混合料施工技术即可铺筑。
UTAC技术的难点在于严格的集料的加工特性，需确保集料颗粒的粒径稳定、形态方正、棱角丰富。然而目前使用的集料规格料难以确保粒径稳定，用于生产UTAC沥青混合料时亦无法保证混合料的性能稳定。
现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中表4.8.3(沥青混合料用粗集料规格)和表4.9.4(沥青混合料用机制砂或石屑规格)对沥青混合料集料的规格要求不够精细，满足该规格的某档集料在级配组成上仍然可能存在较大差异，以5-10mm碎石为例，规范中的要求的筛孔尺寸为13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、0.6mm，但4.75mm与9.5mm之间存在较大断档，仅控制这两个筛孔的通过百分率难以保证集料粒径的稳定，实际的集料会存在偏粗或偏细的情况，对沥青混合料的性能影响较大。
JTG F40-2004中表4.8.3沥青混合料用粗集料规格
JTG F40-2004中表4.9.4沥青混合料用机制砂或石屑规格
发明内容
本发明提出了一种针对UTAC的集料分档方法，通过更精细的分档，获得的石料生产出的沥青混合料性能更加稳定。解决了目前集料分档较为粗糙的问题，通过配合比的设计，可获得满足不同技术需求的沥青混合料。
本发明技术方案如下：
一种超薄沥青面层(UTAC)集料分档方法，包括如下步骤：
(1)将控制筛孔尺寸和相应的规格料粒径范围调整为：
| 控制筛孔尺寸(mm) | 规格料粒径范围(mm) |
| 8 | 8～10 |
| 6 | 6～8 |
| 4 | 4～6 |
| 2 | 2～4 |
| 1.18 | 0～2 |
| 0.6 | |
| 0.3 | |
| 0.15 | |
| 0.075 |
(2)对采用该分档的集料进行级配组成设计，包括如下步骤：
1.根据公路等级、工程性质、气候条件、交通条件、材料品种因素选择需要使用混合料的类型；
2.在筛孔尺寸通过百分率的上下限值内初选工程设计级配范围，计算1～3组粗细不同的配合比，绘制设计级配曲线；
3.根据实践经验选择适宜的沥青用量，分别制作几种级配的马歇尔试件，选择一组满足设计要求的级配作为设计级配。
进一步地，本发明更加精细化的集料分档解决了UTAC对集料品质要求较高的问题，所使用粗集料的粒径离散性更小，便于保证沥青混合料的性能稳定。
进一步地，根据工程环境及路用性能需求，UTAC分为3个型号，分别如下：
UTAC-5，最小结构厚度1.2cm，适合于桥面等路段的功能性加铺。最大粒径4.75mm(通过率为100％)，公称最大粒径为2.36mm。
UTAC-8，最小结构厚度2cm，适合于路基、桥面等路段加铺。最大粒径8mm(通过率为100％)，公称最大粒径为4.75mm。
UTAC-10，最小结构厚度2.5cm，适合于路基段、隧道和桥面等路段加铺。最大粒径9.5mm(通过率为100％)，公称最大粒径为8mm。
进一步地，对于UTAC-5混合料，设计了三种级配，分别为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。
进一步地，Ⅰ型中矿粉6.5份、水泥1.5份、0～2mm机制砂16份、2～4mm碎石20份、4～6mm碎石56份。
进一步地，Ⅱ型中矿粉6.5份、水泥1.5份、0～2mm机制砂16份、2～4mm碎石8份、4～6mm碎石68份。
进一步地，Ⅲ型中矿粉6.5份、水泥1.5份、0～2mm机制砂15份、2～4mm碎石77份。
进一步地，对于UTAC-8混合料，设计的级配为：矿粉8份、0～2mm机制砂17份、4～6mm碎石15份、6～8mm碎石60份。
进一步地，对于UTAC-10混合料，设计的级配为：矿粉5.5份、水泥1.5份、0～2mm机制砂18份、4～6mm碎石15份、6～8mm碎石50份、8～10mm碎石10份。
进一步地，该集料分档方法同样适用于开级配沥青磨耗层(OGFC)，本发明对OGFC-8设计了一种级配，设计的级配为：矿粉2份、水泥1.5份、0～2mm机制砂12.5份、2～4mm碎石8份、4～6mm碎石14份、6～8mm碎石62份。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
UTAC技术的难点在于控制集料品质的稳定性，现行规范对规格料粒径的要求不够精细，使用常用的规格料生产的UTAC混合料性能容易出现偏差，因此本发明提出了一种集料的分档方法，通过增加控制筛孔，能够减少集料的级配失控现象，获得粒径稳定的集料，也便于保证沥青混合料的性能稳定。
附图说明
图1为Ⅰ型UTAC-5矿料级配曲线图；
图2为Ⅱ型UTAC-5矿料级配曲线图；
图3为Ⅲ型UTAC-5矿料级配曲线图；
图4为UTAC-8矿料级配曲线图；
图5为UTAC-10矿料级配曲线图；
图6为OGFC-8矿料级配曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
针对UTAC技术，对现有规范中的集料控制筛孔做更精细的分档，如表1所示。
表1 控制筛孔尺寸对比(mm)
由于UTAC使用的集料公称最大粒径为8mm，因此本发明的筛孔尺寸将现有规范的筛孔尺寸更改为8mm、6mm、4mm、2mm，粒径在2mm以下的不做更改。相应的，需要对规格料的粒径范围做更改，如表2所示。
表2 规格料对比(mm)
按照本发明的集料分档，对UTAC做集料的级配设计，同时由于控制筛孔的划分相较于规范的控制筛孔要更精细，每两个控制筛孔之间的粒径范围变小了，集料的粒径稳定性更好，有利于沥青混合料组成结构的形成，并保证粗集料形成的骨架结构的稳定与可靠。
该集料的分档不仅适用于UTAC，对于AC、SMA、OGFC同样适用，生产获得的沥青混合料除具有各自原本的优点外，性能也更加稳定可控。以下将以三种UTAC-5的级配方案和一种OGFC-8的级配方案为例，说明各自的级配组成与性能特征。
1.UTAC-5(Ⅰ型)
表3 Ⅰ型UTAC-5矿料级配表
由于该级配设计使用的筛孔尺寸和规格料均有所更改，因此需重新定义合成级配通过百分率的上下限值，如表3中所示。
从附图1可见，该型级配的级配曲线除4mm筛孔通过率超出中值7.7％，其余筛孔通过率只是略大于中值，各颗粒含量适中，粗集料以悬浮状态位于细集料之中，形成悬浮密实结构，以该级配生产的UTAC沥青混合料具有较高的密实度，耐久性较好，但高温稳定性较差，在干燥地区的高等级公路上，可作为路面表面层设计使用。
2.UTAC-5(Ⅱ型，少用2-4)
表4 Ⅱ型UTAC-5矿料级配表
从附图2可见，该型级配的级配曲线在1.18mm及以下筛孔的通过率略高于中值，2mm及以上筛孔则略低于中值，整体上最为接近中值，但使用较少的2～4mm碎石和较多的4～6mm碎石，粗集料互相嵌挤形成骨架，细集料不足以充分填充空隙而形成骨架空隙结构，因此空隙率较大，采用该级配铺筑的路面表面层具有较好的排水和降噪能力，还具有较好的表面构造，车辆行驶时不易滑移。
3.UTAC-5(Ⅲ型，只用2-4)
表5 Ⅲ型UTAC-5矿料级配表
从附图3可见，该型级配由于间断4～6mm碎石，为形成良好的骨架需增大2～4mm碎石用量，因此级配曲线中2mm筛孔通过率接近上限，其余筛孔通过率略高于中值。该级配为骨架密实结构，同时由于粗集料只采用2～4mm碎石，形成的骨架可使得细集料充分填充空隙，获得密实的骨架嵌挤结构，因此，这种结构的沥青混合料的密实度、强度和稳定性都较好。
4.UTAC-8
表6 UTAC-8矿料级配表
从附图4可见，该型级配间断2～4mm碎石，因此级配曲线中2mm及以下筛孔通过率略高于中值，而4mm和6mm筛孔通过率低于中值。该级配为骨架空隙结构，其路用性能与Ⅱ型UTAC-5相似，具有良好的表面构造和排水降噪能力，多在路面高程受限不大的路基段工程中设计使用。
5.UTAC-10
表7 UTAC-8矿料级配表
从附图5可见，该型级配间断2～4mm碎石，因此级配曲线中2mm及以下筛孔通过率略高于中值，而4mm及以上筛孔通过率低于中值。该级配为骨架空隙结构，与UTAC-8混合料相比，由于增加了8～10mm碎石，粗骨料的平均粒径增大，混合料的空隙率进一步增大，可适用于地区降水频繁，对排水要求较高的路面工程中。
6.OGFC-8
表8 OGFC-8矿料级配表
表6为使用本发明的集料分档设计的OGFC-8级配方案，从附图4的级配曲线中可见仅0.3mm和4mm的筛孔通过率略低于中值，其余筛孔通过率略高于中值，矿料级配主要由粗集料嵌挤形成，采用的细集料较少，矿粉水泥填料也较少，为开级配，这种结构使得沥青混凝土具有大孔隙，能够快速从内部排走路表的雨水，防止路表水膜的产生，减少车辆在雨天行驶时的漂滑和溅水情况，保障雨天行车的安全。大孔隙与小粒径集料的存在在降低路面噪音方面也有突出贡献。
从上述的六种级配方案可以看到，相较于使用常规的规格料(细集料0-3mm,粗集料3-5mm、5-10mm)生产的沥青混合料，本发明的集料分档方法在保证超薄沥青面层性能稳定方面具有较大作用，有利于UTAC技术的推广应用。
Claims (10)
1.一种超薄沥青面层集料分档方法，其特征在于，
(1)将控制筛孔尺寸和相应的规格料粒径范围调整为：
(2)对采用该分档的超薄沥青面层集料进行级配组成设计，包括如下步骤：
1)根据公路等级、工程性质、气候条件、交通条件、材料品种因素选择需要使用混合料的类型；
2)在筛孔尺寸通过百分率的上下限值内初选工程设计级配范围，计算1～3组粗细不同的配合比，绘制设计级配曲线；
3)选择沥青用量，分别制作几种级配的马歇尔试件，选择一组满足设计要求的级配作为设计级配。
2.根据权利要求1所述超薄沥青面层集料分档方法，其特征在于，根据工程环境及路用性能需求，超薄沥青混合料UTAC最小厚度为1.2cm～2.5cm；最大粒径为4.75mm～9.5mm；公称最大粒径为2.36mm～8mm。
3.根据权利要求1所述超薄沥青面层集料分档方法，其特征在于，根据工程环境及路用性能需求，超薄沥青混合料UTAC分为3个型号，分别如下：
UTAC-5，最小结构厚度1.2cm，最大粒径4.75mm，公称最大粒径为2.36mm；
UTAC-8，最小结构厚度2cm，最大粒径8mm，公称最大粒径为4.75mm；
UTAC-10，最小结构厚度2.5cm，最大粒径9.5mm，公称最大粒径为8mm。
4.根据权利要求3所述超薄沥青面层集料分档方法，其特征在于，对于UTAC-5混合料，设计了三种级配，包括Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。
5.根据权利要求4所述超薄沥青面层集料分档方法，其特征在于，Ⅰ型中矿粉6.5份、水泥1.5份、0～2mm机制砂16份、2～4mm碎石20份、4～6mm碎石56份。
6.根据权利要求4所述超薄沥青面层集料分档方法，其特征在于，Ⅱ型中矿粉6.5份、水泥1.5份、0～2mm机制砂16份、2～4mm碎石68份、4～6mm碎石18份。
7.根据权利要求4所述超薄沥青面层集料分档方法，其特征在于，Ⅲ型中矿粉6.5份、水泥1.5份、0～2mm机制砂15份、2～4mm碎石77份。
8.根据权利要求3所述超薄沥青面层集料分档方法，其特征在于，对于UTAC-8混合料，设计的级配为：矿粉8份、0～2mm机制砂17份、4～6mm碎石15份、6～8mm碎石60份。
9.根据权利要求3所述超薄沥青面层集料分档方法，其特征在于，对于UTAC-10混合料，设计的级配为：矿粉5.5份、水泥1.5份、0～2mm机制砂18份、4～6mm碎石15份、6～8mm碎石50份、8～10mm碎石10份。
10.根据权利要求1所述超薄沥青面层集料分档方法，其特征在于，该集料分档方法同样适用于开级配沥青磨耗层，设计的级配为：矿粉2份、水泥1.5份、0～2mm机制砂12.5份、2～4mm碎石8份、4～6mm碎石14份、6～8mm碎石62份。
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