CN114707320A - 用于沙漠地区高温环境道路沥青混合料配合比的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于沙漠地区高温干旱环境道路沥青混合料配合比的设计方法，步骤1，根据气候资料确定沥青胶结料的PG分级与性能试验；步骤2，矿物集料的选型和试验；步骤3，通过矿料筛分、SAC法关键筛孔计算、贝雷法级配检测确定初试级配与各档集料比例；步骤4，采用Superpave法设计沥青混合料性能指标进行检测；步骤5，目标配合比性能分析；步骤6，现场生产性试验，目标配合比验证，进行沥青混合料进行汉堡车辙试验和湿敏性评价，以及现场取芯试件集料抽提验证沥青混合料的目标配合比，完成沥青混合料的配合比设计。该设计对沙漠地区高温环境下的车辙病害有较强的针对性，可以起到预防早期车辙病害发生的作用，并且对沥青混合料设计对所设计出的沥青混合料配合比进行了论证。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，具体为一种用于沙漠地区极端高温环境道路沥青混合料配合比的设计方法。
背景技术
近年来随着经济的发展，人们对旅游、自然资源的开发需求增加，促进了对交通基础设施大规模的建设，这也意味着在沙漠地区建设公路的需求在增加，但由于沙漠地区特殊的自然气候影响，在的建设过程中必然会遇到一系列问题。
沙漠地区沥青路面的主要问题表现为：夏天高气温和长时间的日照，使面层沥青混合料温度升高幅度很大，从而有可能引发高温稳定性不足，在车辆作用下易产生车辙，由于高温天气下黑色沥青对太阳辐射的吸收作用,沙漠地区路面温度将高出地面温度很多。
发明内容
本发明提供了一种用于沙漠地区高温环境道路沥青混合料配合比的设计方法，应用Superpave沥青混合料设计方法重点解决沙漠地区沥青路面高温车辙病害问题，同时深入研究Superpave沥青混合料配合比设计方法，优化出适用于沙漠地区的Superpave矿料级配组成，为沙漠地区高速公路应用Superpave沥青混合料设计方法提供可借鉴的经验。
本发明的技术方案是，一种用于沙漠地区高温环境道路沥青混合料配合比的设计方法，包括以下步骤：
步骤1a、根据路面温度场温度预估模型分别计算路面各结构层的特征最高温度与最低温度，并按照PG高温与低温性能等级进行选择和调整；
步骤1b、根据步骤1a确定的高温等级和底温等级，对沥青胶结料进行性能检测；
步骤2、选择矿物集料，将集料根据粒径进行分档，对集料的性能进行检测；
步骤3、对选定的集料进行筛分，确定各档集料的通过率，通过规划求解初步确定各档集料的比例，采用SAC法计算关键筛孔通过率，确定出设计级配；采用贝雷法对设计级配结构进行检测，优化调整出级配和用料比例；
步骤4a、根据步骤2、步骤3的试验结果，采用Superpave法进行初选沥青胶结料用量的预估，确定初试级配沥青用量；
步骤4b、根据初试级配和预估沥青胶结料结果，采用预估沥青用量按0.5％的间距取5个不同沥青用量分别进行矿料拌合，在设计旋转压实次数条件下产生4％空隙率的沥青用量，根据Superpave的设计要求，至少选择四种胶结料含量进行最佳沥青用量的确定，然后对成型试件进行相关试验，测试试件的％Gmm@Ndes、VFA、VMA、％Gmm@Nini以及粉胶比，根据实测的试验数据和标准要求确定最佳沥青用量；
步骤4c、根据步骤4b中得到的不同沥青用量下沥青混合料的各项指标与沥青用量的关系，绘制出关系图；由沥青用量与孔隙率关系图可得到孔隙率为4％时的沥青用量，然后根据得到的沥青用量在各关系图中确定在该沥青用量下的％Gmm@Ndes、VFA、VMA、％Gmm@Nini以及粉胶比的值，检测所得各项指标是否符合规范，若均满足则该沥青用量为最佳沥青用量；
步骤5a、根据确定的初试级配和最佳沥青用量，对沥青混合料进行拌和，用Superpave法的旋转压实法，成型两组试件，一组采用设计压实次数Ndes进行压实，另一组采用最大压实次数Nmax进行压实。
步骤5b、根据旋转压实法得到的试件进行检测，沥青混合料的％Gmm@Nmax<98％；间接拉伸试验抗拉强度比(TSR)>80％，则混合料满足设计要求；
步骤6、在目标配合比下的沥青混合料各项技术指标合格后进行试验段铺筑，然后进行沥青路面取芯，再进行沥青混合料汉堡车辙试验和湿敏性评价，分析验证路用性能指标，完成配合比设计。
进一步地，路面温度场温度预估模型计算公式分别采用以下公式：
SHRP高温模型：
式中T(surf)为路表面最高设计温度；T(air)为最高空气温度；Lat为项目所在地纬度
低温模型采用加拿大修正公式：T(min)＝0.859T(air)+1.7
式中T(min)——低温路面设计温度；T(air)——最低的空气温度。
进一步地，沥青胶结料高温等级高于SHRP高温模型计算的T(surf)；沥青胶结料的低温等级低于加拿大修正公式计算的T(min)。
进一步地，步骤1b中沥青胶结料的性能包括原样沥青胶结料的密度、闪点值、135℃的旋转粘度以及高温等级对应的动态剪切流变值；RTFO残留物的质量变化、高温等级下的动态剪切流变值、不可回复蠕变柔量、蠕变回复率、不可回复蠕变柔量应力敏感性指标；PAV残渣的动态剪切流变值、底温等级下的劲度和m值。
进一步地，步骤2中集料包括粗集料、细集料和填料；测试所有集料的坚固性，另外粗集料还检测扁平和细长颗粒含量、磨损损失、骨料压碎值和断裂颗粒的百分比；细集料和填料检测塑性指数、酸溶性氯化物、硫酸盐和有机杂质含量。
进一步地，步骤3中矿料筛分时选择的筛网依次为37.5mm、25.0mm、19.0mm、12.5mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm；对选定的集料进行筛分，确定各档集料的通过率。
进一步地，步骤3中规划求解时，根据集料筛分结果，借助Office Excel软件的规划求解方法，对38mm～22mm、22mm～12mm、12mm～4mm、4mm～0mm、填料五档集料进行掺配比例计算，通过控制各筛孔合成级配与级配中值的方差之和为最小值进行优化求解得到一条规划求解级配；接着运用SAC法计算出各筛孔通过率，此时得到了两条级配曲线参数，将目标级配的范围缩小到两条级配曲线之间，选择一组与两条级配拟合度较好的级配作为设计级配；采用贝雷法三参数CA比、FAc比、FAf比对选定的设计级配结构进行评价和调整，优化出合理的设计级配和集料比例；通过优化调整得到集料级配和用量比例。
进一步地，步骤4a中需要确定合成集料的有效相对密度Gse、被集料吸去的沥青体积与石油比Qba、有效沥青体积与有效沥青石油比Qbe以及最佳初始石油比Qb。
进一步地，4b中成型试件试验时，测试其空隙率、密度、饱和度和矿料间隙率、沥青填隙率和粉胶比指标。
进一步地，步骤5b中的检测包括空隙率、饱和度和矿料间隙率、沥青填隙率和粉胶比指标。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用的Superpave设计方法，相对于传统的马歇尔方法所得沥青混合料在性能上更贴近实际，所述沥青混合料设计对沙漠地区高温环境常见的车辙病害有较强的针对性，可以起到预防早起车辙病害发生的作用；所述沥青混合料设计对所设计出的沥青混合料配合比进行论证，克服传统设计忽视目标配合比论证的不足。
在以往的混合料级配结构设计中，级配曲线的确定往往存在依靠经验、重复试验或取规范中值等情况，具有一定的随机性，且不能保证级配结构的合理性。本发明通过Office Excel软件规划求解确定出混合料的初选级配和比例关系，接着运用SAC法计算出各筛孔通过率，得到了两条级配曲线参数，将目标级配的范围缩小到两条级配曲线之间，选择一组与两条级配拟合度较好的级配作为设计级配；采用贝雷法三参数CA比、FAc比、FAf比对选定的设计级配结构进行评价和调整，优化出合理的设计级配和集料比例；最后通过Superpave混合料设计方法中的相关性能试验对混合料的性能指标进行检测。这种方法能够快速确定出一组合理的级配结构，同时可将传统的对三组选定级配进行试验减少为一组，有效减少了试验量，通过室内试验和室外试验段道路的性能检测论证了方法的可行性，设计出的混合料具有良好的高温稳定性和抗水损害性，符合预期的性能需求。
附图说明
图1是本发明的一种适用于沙漠地区高温环境道路沥青混合料配合比的设计方法的流程图。
图2是本发明实施案例中混合料级配曲线图。
图3是本发明实施案例中5个不同沥青用量与空隙率Va的关系曲线图。
图4是本发明实施案例中5个不同沥青用量与Gmm@Ndes关系曲线图。
图5是本发明实施案例中5个不同沥青用量与饱和度VFA关系曲线图。
图6是本发明实施案例中5个不同沥青用量与矿料间隙率VMA的关系曲线图。
图7是本发明实施案例中5个不同沥青用量与％Gmm@Nini的关系曲线图。
图8是本发明实施案例中5个不同沥青用量与粉胶比DP关系曲线图。。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。
图1所示为本发明一种适用于沙漠地区高温环境道路沥青混合料配合比的设计方法的流程图。
实施例1：
本实施例包括以下步骤：
步骤1a：沥青胶结料PG分级需要根据路面温度场温度预估模型分别计算路面各结构层的特征最高温度与最低温度，并按照PG高温与低温性能等级进行选择；根据设计车辆轴次、交通速度调整PG性能高低温等级。
具体地，路面温度场温度预估模型计算公式分别采用以下公式：
SHRP高温模型：
式中T(surf)为路表面最高设计温度；T(air)为最高空气温度；Lat为项目所在地纬度。低温模型采用加拿大修正公式：T(min)＝0.859T(air)+1.7
式中T(min)——低温路面设计温度；T(air)——最低的空气温度。
沥青胶结料高温等级必须高于按气候资料计算的路面高温设计温度T(surf)；而所需要的沥青胶结料低温等级必须低于按气候资料计算的路面低温设计温度T(min)。
本实施例根据面温度场温度预估模型计算所得PG等级为PG76-10。
步骤1b:沥青胶结料的性能试验根据PG76-10所确定出的沥青混合料的高温等级和底温等级，对选取的SBS改性沥青胶结料进行各项性能指标进行检测。表中“-”表示该项指标需要实测。
表1 本发明例中SBS改性沥青的性能检测指标
步骤2：设计所述一种适用于沙漠地区高温环境道路沥青混合料所需矿物集料的选型和试验。
进一步的：选择矿物集料，将集料根据粒径进行分档，对集料的性能进行检测。矿物集料选用辉长岩，集料分档为粗集料：38mm-22mm、22mm-12mm、12mm-4mm三档；细集料4-0mm、填料。
表2本发明实施例中粗集料的技术指标及要求
表2-1
表2-2
表2-3
表2-4
表2-5
表3本发明实施例中细集料和填料的技术指标及要求
表3-1
表3-2
步骤3：由步骤2检测通过的集料，采用矿料筛分确定初试级配，选用筛孔尺寸分为37.5mm、25.0mm、19.0mm、12.5mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm，对选定的集料进行筛分，确定各档集料的通过率，得到初试级配，再通过规划求解确定各档集料的比例。
进一步的，由集料筛分结果，借助Office Excel软件的规划求解方法，对38mm～22mm、22mm～12mm、12mm～4mm、4mm～0mm、填料五档集料进行掺配比例计算，通过控制各筛孔合成级配与级配中值的方差之和为最小值进行优化求解。
进一步的，通过优化调整得到本发明实施例的集料级配和用量比例。根据计算，得到了沥青混合料集料的理论合成级配以及各档集料的比例关系，如上表，由理论合成级配以及规范要求，可初步拟定出3组混合料级配，如下表4所示：
表4 集料设计级配表
在集料筛分阶段初步确定最大公称粒径筛孔、关键筛孔、0.075mm筛孔通过率，考虑融合SAC方法的设计理念，对所得混合料集料结构进行计算。SAC基本方程：
式中：di——某筛孔尺寸(mm)；
Dmax——集料的实际最大粒径(mm)；
Pdi——筛孔di的通过率(％)；
A、B——待定系数；
表5 集料设计级配对比表
根据Office Excel软件的规划求解所得级配与SAC方法所得级配见表5，为保证设计出的集料级配有更优的性能，通过对比初步拟定的3组级配，其中级配1的各个筛孔通过率与规划求解出的级配和SAC计算级配的吻合度最好，其他两组级配均出现不同程度的偏离，初步选用级配1作为设计级配，为了保证级配有良好的结构性能，在研究过程中还考虑对级配结构的合理性进行评价。
贝雷法一改以往传统的沥青混合料级配设计思路：组成设计试配—修正—试配的经验法，使广大公路工程师从单一级配评价工具——0.45次方级配曲线中解脱出来，采用贝雷法三参数CA比、FAc比、FAf比对混合料级配进行评价，保证设计出混合料具有优良的体积特性和施工性能，从而使混合料达到骨架密实，兼具良好的高温抗车辙能力和耐久性。
由设计级配结果分析，本次设计的混合料集料结构的CA＝0.459，表明粗集料能够保证矿料间隙率和很好的压实性；FAc＝0.436，表明级配中细集料中较粗的部分在合理范围，集料空隙能够得到有效填充以及不易出现软弱区，且在施工过程中宜压实；而FAf＝0.529，超出了合理范围，将会导致矿料间隙率和孔隙率超出合理范围。因此在设计过程中拟将尺寸为0.3mm的筛孔通过率控制在8％，降低细集料的用量，此时FAf＝0.47，可使其混合料级配结构有良好的骨架结构。
表6 本发明实施例中集料级配和用量比例
步骤4a：预估沥青胶结料用量，采用Superpave法进行初选沥青胶结料用量的预估，确定初试级配沥青用量。
进一步的，步骤4a中需要确定合成集料的有效相对密度Gse：
合成集料有效相对密度Gse的计算方法如下:Gse＝Gsb+C(Gsa-Gsb)＝2.941；
式中:Gsb、Gsa分别为合成集料的毛体积相对密度和表观相对密度，C为集料吸入沥青体积系数。用集料的面干吸水率予以确定，相关关系式为:C＝10-0.1474W-0.0244＝Clg(-0.1474W-0.0244)(r＝0.999)
其中：W为集料面干吸水率(％)：W＝(1/Gsb-1/Gsa)×100
合成集料毛体积相对密度Gsb的计算方法如下：
式中：P1，P2，…，Pn.各类集料占总集料的重量百分比；Gsb1，Gsb2，…，Gsbn.各集料的毛体积相对密度。
合成集料表观相对密度Gsa的计算方法如下：
进一步的，步骤4a中需要估算最佳初始沥青用量，首先要确定被集料吸去的沥青体积与石油比(Qba)、有效沥青体积与有效沥青石油比(Qbe)以及最佳初始石油比Qb
被集料吸去的沥青体积与石油比(Qba)：
在本发明实施例中
式中：Vba为集料吸入沥青的体积：
Gmw是单位沥青混合料中的集料质量：Gmw＝(1-0.01VMA)Gsb，VMA为矿料间隙率；
有效沥青体积与有效沥青石油比(Qbe)：
在本发明实施例中
Vbe为有效沥青体积等于集料间隙率VMA减去设计要求空隙率：Vbe＝(VMA-V)/100
最佳初始石油比Qb＝Qba+Qbe
最佳初始沥青用量(Pb)：
在本发明实施例中
步骤4b：初试级配沥青混合料的试拌以及成型试件的试验：根据初试级配和预估沥青胶结料结果，采用预估沥青用量按0.5％的间距取5个不同沥青用量分别为3％、3.5％、4％、4.5％、5％剂量进行矿料拌合，采用旋转压实方法进行试件成型，在压实试件过程中，记录Nini(8次)和Ndes(100次)的压实数据；然后对成型试件进行相关试验，测试其空隙率、密度、饱和度和矿料间隙率等指标，根据实测的试验数据和标准要求确定最佳沥青用量。
表7 本发明实施例中初试沥青混合料成型试件检测数据表
步骤4c：确定最佳沥青用量，根据步骤4b中得到的不同沥青用量下沥青混合料的各项指标与沥青用量的关系，绘制出沥青用量与各项指标的关系图；由沥青用量与孔隙率关系图，见附图2可得到孔隙率为4％时的沥青用量为3.9％，然后根据得到的沥青用量在附图3、4、5、6、7、8中可以确定出在沥青用量为3.9％时对应的VFA、VMA、％Gmm@Nini以及粉胶比DP的值，检测所得各项指标是否符合规范，若均满足则该沥青用量为最佳沥青用量。
表8 本发明实施例中沥青用量为3.9％时沥青混合料成型试件各项指标汇总表
根据表8数据，知在沥青用量为3.9％时混凝土试件各项指标均符合规范要求，可确定本发明实施例的最佳沥青用量为3.9％。
步骤5a：目标配合比的确定，根据确定的初试级配和最佳沥青用量，对沥青混合料进行拌和，用Superpave法的旋转压实法，分别成型2个试件进行设计压实次数Ndes(100次)和最大压实次数Nmax(160次)下的试件成型。
步骤5b：成型试件的性能检测，根据旋转压实得到的试件进行检测，包括空隙率、饱和度和矿料间隙率等指标，根据Superpave法规定，沥青混合料的％Gmm@Nmax<98％；间接拉伸试验抗拉强度比(TSR)>80％，则混合料满足设计要求进一步的，根据实验室的压实结果得沥青混合料的％Gmm@Nmax＝96.9％<98％，抗拉强度比为83.9％，均满足Superpave设计要求。
步骤6、目标配合比验证：在目标配合比下的沥青混合料各项技术指标合格后进行试验段铺筑，进行沥青路面取芯，进行沥青混合料进行湿敏性评价、汉堡车辙试验以及沥青路面混合料中沥青提取和机械粒度分析，各项性能指标均满足设计要求。
综上所述，本发明实施例Sup-25沥青混合料配合比为粗集料(38-22mm)：粗集料(22-12mm)：粗集料(12-4mm)：细集料(0-4mm)：填料＝21:20.5:21:35:2.5，最佳沥青用量3.9％。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、同等替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于沙漠地区高温环境道路沥青混合料配合比的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1a、根据路面温度场温度预估模型分别计算路面各结构层的特征最高温度与最低温度，并按照PG高温与低温性能等级进行选择和调整；
步骤1b、根据步骤1a确定的高温等级和底温等级，对沥青胶结料进行性能检测；
步骤2、选择矿物集料，将集料根据粒径进行分档，对集料的性能进行检测；
步骤3、对选定的集料进行筛分，确定各档集料的通过率，通过规划求解初步确定各档集料的比例，采用SAC法计算关键筛孔通过率，确定出设计级配；采用贝雷法对设计级配结构进行检测，优化调整出级配和用料比例；
步骤4a、根据步骤2、步骤3的试验结果，采用Superpave法进行初选沥青胶结料用量的预估，确定初试级配沥青用量；
步骤4b、根据初试级配和预估沥青胶结料结果，采用预估沥青用量按0.5％的间距取5个不同沥青用量分别进行矿料拌合，在设计旋转压实次数条件下产生4％空隙率的沥青用量，根据Superpave的设计要求，至少选择四种胶结料含量进行最佳沥青用量的确定，然后对成型试件进行相关试验，测试试件的％Gmm@Ndes、VFA、VMA、％Gmm@Nini以及粉胶比，根据实测的试验数据和标准要求确定最佳沥青用量；
步骤4c、根据步骤4b中得到的不同沥青用量下沥青混合料的各项指标与沥青用量的关系，绘制出关系图；由沥青用量与孔隙率关系图可得到孔隙率为4％时的沥青用量，然后根据得到的沥青用量在各关系图中确定出该沥青用量下的％Gmm@Ndes、VFA、VMA、％Gmm@Nini以及粉胶比的值，检测各项指标是否符合规范，若均满足则选用该沥青用量为最佳沥青用量；
步骤5a、根据确定的初试级配和最佳沥青用量，对沥青混合料进行拌和，用Superpave法的旋转压实法进行压实，成型两组试件，一组采用设计压实次数Ndes进行压实，另一组采用最大压实次数Nmax进行压实；
步骤5b、根据旋转压实得到的试件进行性能检测，若沥青混合料的％Gmm@Nmax<98％；且间接拉伸试验抗拉强度比(TSR)>80％，则混合料满足设计要求；
步骤6、在目标配合比下的沥青混合料各项技术指标合格后进行试验段铺筑，然后进行沥青路面取芯，再进行沥青混合料汉堡车辙试验和湿敏性评价，分析验证路用性能指标，完成配合比设计。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：路面温度场温度预估模型计算公式分别采用以下公式：
SHRP高温模型：
式中T(surf)为路表面最高设计温度；T(air)为最高空气温度；Lat为项目所在地纬度低温模型采用加拿大修正公式：T(min)＝0.859T(air)+1.7
式中T(min)——低温路面设计温度；T(air)——最低的空气温度。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于：沥青胶结料高温等级高于SHRP高温模型计算的T(surf)；沥青胶结料的低温等级低于加拿大修正公式计算的T(min)。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤1b中沥青胶结料的性能包括原样沥青胶结料的密度、闪点值、135℃的旋转粘度以及高温等级对应的动态剪切流变值；RTFO残留物的质量变化、高温等级下的动态剪切流变值、不可回复蠕变柔量、蠕变回复率、不可回复蠕变柔量应力敏感性指标；PAV残渣的动态剪切流变值、低温等级下的劲度和m值。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤2中集料包括粗集料、细集料和填料；测试所有集料的坚固性，另外粗集料还检测扁平和细长颗粒含量、磨损损失、骨料压碎值和断裂颗粒的百分比；细集料和填料检测塑性指数、酸溶性氯化物、硫酸盐和有机杂质含量。
6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤3中矿料筛分时选择的筛网依次为37.5mm、25.0mm、19.0mm、12.5mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.075mm；对选定的集料进行筛分，确定各档集料的通过率，得到初试级配。
7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于：步骤3中规划求解时，根据集料筛分结果，借助Office Excel软件的规划求解方法，对38mm～22mm、22mm～12mm、12mm～4mm、4mm～0mm、填料五档集料进行掺配比例计算，通过控制各筛孔合成级配与级配中值的方差之和为最小值进行优化求解得到一条规划求解级配；接着运用SAC法计算出各筛孔通过率，此时得到了两条级配曲线参数，将目标级配的范围缩小到两条级配曲线之间，选择一组与两条级配拟合度较好的级配作为设计级配；采用贝雷法三参数CA比、FAc比、FAf比对选定的设计级配结构进行评价和调整，优化出合理的设计级配和集料比例；通过优化调整得到集料级配和用量比例。
8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤4a中需要确定合成集料的有效相对密度Gse、被集料吸去的沥青体积与石油比Qba、有效沥青体积与有效沥青石油比Qbe以及最佳初始石油比Qb。
9.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：4b中成型试件试验时，测试其空隙率、密度、饱和度和矿料间隙率、沥青填隙率和粉胶比指标。
10.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤5b中的检测包括空隙率、饱和度和矿料间隙率、沥青填隙率和粉胶比指标。
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