CN114371072A - 基于荷载迁移试验的沥青混合料最佳沥青用量确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及道路工程领域,具体为基于荷载迁移试验的沥青混合料最佳沥青用量确定方法,包括以下步骤:1)设计矿料级配,并预估最佳沥青用量,然后以预估的最佳沥青用量为中值,按照沥青用量间隔变化值为间隔变化,形成多组不同沥青用量的矿料级配;2)对多组不同沥青用量的矿料级配分别成型马歇尔试件,并检测每个马歇尔试件的物理指标;3)绘制沥青用量和物理指标的关系曲线图,根据物理指标与沥青用量的对应关系,求得最佳沥青用量。本发明基于荷载迁移试验,引入最大滑移剪应力指标,能有效确定沥青混合料的最佳沥青用量,相比于普通马歇尔法更加节省沥青成本。

Description

基于荷载迁移试验的沥青混合料最佳沥青用量确定方法
技术领域
本发明涉及道路工程领域,具体为基于荷载迁移试验的沥青混合料最佳沥青用量确定方法。
背景技术
当前我国道路工程主要应用马歇尔法进行沥青混合料的设计,然而随着我国交通量的日益增长和过载现象的频繁发生,沥青路面早期破损现象日益突出,因此采用马歇尔法设计的沥青混合料显然已经达不到我国道路工程质量标准的要求。
有关研究表明,马歇尔设计法中应用的设计参数马歇尔稳定度MS和流值属于经验性参数,不能反映沥青路面的破坏机制及病害发展过程,此外马歇尔设计法均采用的是物理评价指标,而沥青混合料的路用性能主要通过力学参数去表征。美国Superpave对于级配设计虽然提出了“限制区”的概念,但属于定性的描述,且还有很多争议,也没有量化的标准;Superpave和GTM方法,在确定最佳沥青用量过程中尽管进行了引入力学参数的探索,但仍处于验证阶段,未得到广泛认可,而且对试验设备要求太高,推广困难。
基于此,本发明创造性的提出在沥青混合料设计中引入力学参数,将最大滑移剪应力代替稳定度和流值,从而将沥青混合料组成设计和沥青路面高温稳定性建立直接联系。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明提供了一种基于荷载迁移试验的沥青混合料最佳沥青用量确定方法。
本发明通过以下技术方案实现:
基于荷载迁移试验的沥青混合料最佳沥青用量确定方法,包括以下步骤:
步骤1,设计矿料级配,并预估矿料级配的最佳沥青用量;确定沥青用量间隔变化值,然后以预估的最佳沥青用量为中值,并按照所述沥青用量间隔变化值为间隔变化,形成多组不同沥青用量的矿料级配;
步骤2,对多组不同沥青用量的矿料级配分别成型马歇尔试件,然后测试每个马歇尔试件的物理指标;所述物理指标包括毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度和最大滑移剪应力;
步骤3,绘制沥青用量和物理指标的关系曲线图,得到第一沥青用量OAC1、最大沥青用量OACmax、最小沥青用量OACmin、第二沥青用量OAC2和最佳沥青用量OAC;
其中,所述沥青用量和物理指标的关系曲线图,包含:沥青用量和毛体积密度的关系曲线图、沥青用量和空隙率的关系曲线图、沥青用量和矿料间隙率的关系曲线图、沥青用量和沥青饱和度的关系曲线图,以及沥青用量和最大滑移剪应力的关系曲线图;
在沥青用量和毛体积密度的关系曲线图中,选择纵坐标的最大值对应横坐标的值,作为最大毛体积密度对应的沥青用量的值a1
选择设计空隙率,在沥青用量和空隙率的关系曲线图中,纵坐标的设计空隙率的值对应的横坐标的值,作为设计空隙率对应的沥青用量的值a2
在沥青用量和沥青饱和度的关系曲线图中,确定纵坐标的沥青饱和度区间中值,则沥青饱和度区间中值对应横坐标的值,作为沥青饱和度区间中值对应的沥青用量的值为a3
在沥青用量和最大滑移剪应力的关系曲线图中,选择纵坐标的最大滑移剪应力最大值对应横坐标的值,作为最大滑移剪应力最大值对应的沥青用量的值a4
所述第一沥青用量OAC1通过式(1)计算:
Figure BDA0003350984420000021
式(1)中:
a1为最大毛体积密度对应的沥青用量的值;
a2为设计空隙率对应的沥青用量的值;
a3为沥青饱和度区间中值对应的沥青用量的值;
a4为最大滑移剪应力最大值对应的沥青用量的值;
所述最大沥青用量OACmax和最小沥青用量OACmin的值通过沥青饱和度和空隙率确定;
所述第二沥青用量OAC2为最大沥青用量OACmax与最小沥青用量OACmin和的平均值;
所述最佳沥青用量OAC通过式(2)计算:
Figure BDA0003350984420000031
式(2)中:
OAC1为第一沥青用量;
OAC2为第二沥青用量;
通过以上步骤,得到最佳沥青用量OAC的值。
进一步的,步骤1中,选择佳沥青用量4%作为预估的最佳沥青用量。
进一步的,步骤1中,选择0.5%作为所述沥青用量间隔变化值。
进一步的,步骤2中,所述最大滑移剪应力通过荷载迁移试验确定。
进一步的,所述荷载迁移试验使用局部荷载贯穿迁移试验仪开展试验,具体的,采用MTS进行局部加载,选择加载速率为5mm/min,选择加载温度为60℃。
进一步的,步骤3中,所述最大沥青用量OACmax和最小沥青用量OACmin的值通过空隙率和沥青饱和度确定,具体的,在空隙率和沥青饱和度同时满足公路沥青路面施工技术规范JTGF40-2004的沥青用量范围规定时,最大沥青用量OACmax取空隙率和沥青饱和度范围的最大值中的小值,最小沥青用量OACmin取空隙率和沥青饱和度范围的最小值的大值。
与现有技术相比,本发明具有以下的技术效果:
(1)本发明提供的一种基于荷载迁移试验的沥青混合料最佳沥青用量确定方法,采用荷载迁移试验测量了沥青混合料的最大滑移剪应力,以替代现有技术中的经验性参数;最大滑移剪应力可以表征沥青混合料的微细观力学特性,充分反映路面实际受力状态;
(2)本发明提供的一种基于荷载迁移试验的沥青混合料最佳沥青用量确定方法,将沥青混合料组成设计和沥青路面高温稳定性之间建立了直接联系,更加完善了沥青混合料的组成设计方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图信息获得其他的附图。
图1为本发明沥青用量和毛体积密度的关系曲线示意图;
图2为本发明沥青用量和空隙率的关系曲线示意图;
图3为本发明沥青用量和沥青饱和度的关系曲线示意图;
图4为本发明沥青用量和最大滑移剪应力的关系曲线示意图。
图5为本发明沥青用量和矿料间隙率的关系曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,以下是对本发明的解释而非限定。
实施例
基于荷载迁移试验的沥青混合料最佳沥青用量确定方法,包括以下步骤:
步骤1,根据公路沥青路面施工技术规范JTGF40-2004,选择AC16级配类型,以下表1所示AC-16级配的通过率,设计一种矿料级配,所述矿料级配记为级配1:
表1级配1范围取值
Figure BDA0003350984420000041
预估级配1的最佳沥青用量为4%,并确定沥青用量间隔变化值为0.5%;以4%为中值,按照0.5%为间隔变化,形成5组不同沥青用量的级配1,分别为:3%沥青用量的级配1、3.5%沥青用量的级配1、4%沥青用量的级配1、4.5%沥青用量的级配1和5%沥青用量的级配1;
步骤2,根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程,分别对3%沥青用量的级配1、3.5%沥青用量的级配1、4%沥青用量的级配1、4.5%沥青用量的级配1和5%沥青用量的级配1分别成型马歇尔试件,分别记为第一试件、第二试件、第三试件、第四试件和第五试件;
分别测试所述第一试件、第二试件、第三试件、第四试件和第五试件的毛体积密度γf、空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA,测试结果如下表2所示:
表2不同马歇尔试件的物理及力学指标
Figure BDA0003350984420000051
使用局部荷载贯穿迁移试验仪,分别对第一试件、第二试件、第三试件、第四试件和第五试件开展荷载迁移试验,得到第一试件、第二试件、第三试件、第四试件和第五试件的最大滑移剪应力τsl;具体的,采用MTS进行局部加载,加载速率为5mm/min,加载温度为60℃;所得第一试件、第二试件、第三试件、第四试件和第五试件的最大滑移剪应力τsl如下表所示:
表3不同马歇尔试件的最大滑移剪应力τsl
Figure BDA0003350984420000052
步骤3,根据上述表2和表3,绘制沥青用量与毛体积密度γf、空隙率VV、沥青饱和度VFA、最大滑移剪应力τsl和矿料间隙率VMA的关系曲线图,分别如图1、图2、图3、图4和图5所示,选择设计空隙率为4%,可以得出:
图1中,最大毛体积密度对应的沥青用量a1的值为4.15%;
图2中,设计空隙率为4%所对应的沥青用量a2的值为3.72%;
图3中,沥青饱和度区间中值对应的沥青用量a3的值为3.71%;
图4中,最大滑移剪应力最大值对应的沥青用量a4的值为3.75%;
根据第一沥青用量OAC1的计算公式:
Figure BDA0003350984420000061
得到第一沥青用量OAC1为3.83%;
根据上述曲线关系确定毛体积密度γf、空隙率VV、沥青饱和度VFA、最大滑移剪应力τsl和矿料间隙率VMA指标均符合公路沥青路面施工技术规范JTGF40-2004要求的沥青用量范围,其中,空隙率对应沥青用量的范围为3.52%~3.95%,沥青饱和度对应沥青用量的范围为3.55%~3.9%,最大沥青用量OACmax取空隙率和饱和度范围的最大值中的小值,最小沥青用量OACmin取空隙率和饱和度范围的最小值的大值,即取得最大沥青用量OACmax为3.9%,最小沥青用量OACmin为3.55%;
第二沥青用量OAC2为最大沥青用量OACmax和最小沥青用量OACmix的平均值,取得第二沥青用量OAC2为3.73%;
根据最佳沥青用量OAC的计算公式:
Figure BDA0003350984420000062
得到最佳沥青用量OAC为3.78%;
本实施例中,最佳青用量OAC的值所对应的矿料间隙率VMA符合公路沥青路面施工技术规范JTGF40-2004范围最低值要求,且位于最低矿料间隙率VMA对应油量的左侧贫油范围内。
综上,得到级配1沥青混合料的最佳沥青用量为3.78%。
下面是对本发明实施例的验证:
对最佳沥青用量为3.78%成型的级配1沥青混合料试件分别进行高温性能试验、低温性能试验和水稳定性试验,以进一步证实实施例的有效性。
使用马歇尔法确定的最佳沥青用量为4.0%和本发明确定的最佳沥青用量为3.78%的级配1沥青混合料试件,其中,高温性能试验采用车辙试验和界面剪切滑移试验,低温性能试验采用低温弯曲试验,水稳性试验采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验;试验结果如下表4、表5和表6所示:
表4最佳沥青用量级配1的高温性能试验结果
Figure BDA0003350984420000071
表5最佳沥青用量级配1的低温性能试验结果
Figure BDA0003350984420000072
表6最佳沥青用量级配1的水稳性试验结果
Figure BDA0003350984420000073
通过表4、表5和表6可知,沥青用量为4.0%和3.78%的级配1沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳性能均满足要求,并对比4.0%和3.78%两个沥青用量下级配1沥青混合料的性能可看出,沥青用量为3.78%时,级配1沥青混合料的高温性能优于沥青用量为4%时级配1沥青混合料的高温性能;因此,在沥青用量为3.78%时,级配1沥青混合料具有较好的高温性能;进一步证明采用荷载迁移试验和最大滑移剪应力指标,能有效确定沥青混合料的最佳沥青用量,且相比普通马歇尔法更加节省沥青成本。
虽然,本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域普通技术人员是显而易见的。因此,在不偏离本发明的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.基于荷载迁移试验的沥青混合料最佳沥青用量确定方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,设计矿料级配,并预估矿料级配的最佳沥青用量;确定沥青用量间隔变化值,然后以预估的最佳沥青用量为中值,并按照所述沥青用量间隔变化值为间隔变化,形成多组不同沥青用量的矿料级配;
步骤2,对多组不同沥青用量的矿料级配分别成型马歇尔试件,然后测试每个马歇尔试件的物理指标;所述物理指标包括毛体积密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度和最大滑移剪应力;
步骤3,绘制沥青用量和物理指标的关系曲线图,得到第一沥青用量OAC1、最大沥青用量OACmax、最小沥青用量OACmin、第二沥青用量OAC2和最佳沥青用量OAC;
其中,所述沥青用量和物理指标的关系曲线图,包含:沥青用量和毛体积密度的关系曲线图、沥青用量和空隙率的关系曲线图、沥青用量和矿料间隙率的关系曲线图、沥青用量和沥青饱和度的关系曲线图,以及沥青用量和最大滑移剪应力的关系曲线图;
在沥青用量和毛体积密度的关系曲线图中,选择纵坐标的最大值对应横坐标的值,作为最大毛体积密度对应的沥青用量的值a1
选择设计空隙率,在沥青用量和空隙率的关系曲线图中,纵坐标的设计空隙率的值对应的横坐标的值,作为设计空隙率对应的沥青用量的值a2
在沥青用量和沥青饱和度的关系曲线图中,确定纵坐标的沥青饱和度区间中值,则沥青饱和度区间中值对应横坐标的值,作为沥青饱和度区间中值对应的沥青用量的值为a3
在沥青用量和最大滑移剪应力的关系曲线图中,选择纵坐标的最大滑移剪应力最大值对应横坐标的值,作为最大滑移剪应力最大值对应的沥青用量的值a4
所述第一沥青用量OAC1通过式(1)计算:
Figure FDA0003350984410000011
式(1)中:
a1为最大毛体积密度对应的沥青用量的值;
a2为设计空隙率对应的沥青用量的值;
a3为沥青饱和度区间中值对应的沥青用量的值;
a4为最大滑移剪应力最大值对应的沥青用量的值;
所述最大沥青用量OACmax和最小沥青用量OACmin的值通过沥青饱和度和空隙率确定;
所述第二沥青用量OAC2为最大沥青用量OACmax与最小沥青用量OACmin和的平均值;
所述最佳沥青用量OAC通过式(2)计算:
Figure FDA0003350984410000021
式(2)中:
OAC1为第一沥青用量;
OAC2为第二沥青用量;
通过以上步骤,得到最佳沥青用量OAC的值。
2.根据权利要求1所述的基于荷载迁移试验的沥青混合料最佳沥青用量确定方法,其特征在于,步骤1中,选择佳沥青用量4%作为预估的最佳沥青用量。
3.根据权利要求1所述的基于荷载迁移试验的沥青混合料最佳沥青用量确定方法,其特征在于,步骤1中,选择0.5%作为所述沥青用量间隔变化值。
4.根据权利要求1所述的基于荷载迁移试验的沥青混合料最佳沥青用量确定方法,其特征在于,步骤2中,所述最大滑移剪应力通过荷载迁移试验确定。
5.根据权利要求3所述的基于荷载迁移试验的沥青混合料最佳沥青用量确定方法,其特征在于,所述荷载迁移试验使用局部荷载贯穿迁移试验仪开展试验,具体的,采用MTS进行局部加载,选择加载速率为5mm/min,选择加载温度为60℃。
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