CN115304309A - 一种基于力学性能参数的沥青混合料沥青用量的确定方法 - Google Patents

一种基于力学性能参数的沥青混合料沥青用量的确定方法 Download PDF

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    • C04B2111/00198—Characterisation or quantities of the compositions or their ingredients expressed as mathematical formulae or equations

Abstract

本发明公开了一种基于力学性能参数的沥青混合料沥青用量的确定方法，包括以下步骤：一、选定材料和级配；二、选定沥青用量范围和其他影响因素的取值；三、在取值范围内建立不同力学参数与沥青用量的相关性模型；四、通过相关性模型确定最佳沥青用量；五、模型性能检测及评估。本发明考虑到沥青路面破坏与结构荷载的力学作用直接相关，因此本发明将基于强度、模量及泊松比等关键力学参数的最优值来综合确定沥青混合料的沥青用量，本发明所提供的沥青用量确定方法不同于基于体积参数的马歇尔试验确定方法，可以快速、准确的确定沥青混合料中的最佳沥青添加量，有效避免了资源的浪费和路面使用性能不足，提高路面的耐久性。

Description

一种基于力学性能参数的沥青混合料沥青用量的确定方法
技术领域
本发明涉及道路工程领域，具体提供一种基于力学性能参数的沥青混合料沥青用量的确定方法
背景技术
以沥青路面作为主要的高速公路路面类型在国内外得到广泛认可。沥青混合料作为路面结构目前广泛采用的面层材料，因沥青的存在其具有明显的黏弹特性，而沥青 用量的多少则影响沥青混合料的力学性能进而影响沥青路面的使用性能。现行路面设 计中均以马歇尔试验中最佳沥青用量(油石比)作为实际施工中沥青用量的确定依据，基 于沥青混合料体积参数的变化关系并以最优值所对应的沥青用量确定为最佳沥青用量， 但是沥青混合料常作为沥青路面面层材料使用，直接承受车辆荷载作用，沥青面层在 使用过程中将受到不同作用形态的应力，以体积参数评价沥青混合料的最佳沥青用量 一定程度上忽略了沥青混合料受所到的应力作用，确定的最佳沥青用量和沥青混合料 的力学性能不能很好地匹配，进而导致沥青路面的力学使用性能不佳，最终在荷载作 用下产生路面破坏而很难达到设计使用年限，所以亟需一种基于材料力学参数指标最 优值的确定最佳沥青用量的确定方法，以实现设计的路面结构及材料具有最优的力学 性能，达到延长路面使用寿命的目的。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于力学性能参数最优值的沥青混合料沥青用量确定方法，该方法基于沥青混合料中各力学参数与沥青用量的 相关性，根据各力学参数对于沥青混合料综合性能权重贡献的不同，确定最佳沥青用 量。该方法结构简单，预测准确，相关数据易于获取，且全面的评价了沥青用量与沥 青混合料力学性能之间的相关性，对于沥青路面的设计和施工均具有指导意义。
为实现上述技术目的，本发明提供了一种基于力学性能参数的沥青混合料中沥青用量的确定方法，包括以下步骤：
1)选择沥青混合料的原料组分和级配类别；
2)根据沥青混合料的原料组分和级配类别确定沥青混合料的特征参数取值范围；
3)根据特征参数取值范围建立沥青混合料力学参数与沥青用量的相关性模型；
4)根据所述相关性模型确定最佳沥青用量；
5)模型性能检测及评估。
本发明将沥青用量与力学参数联系起来，建立起二者的相关性模型，全面考虑了沥青混合料作为路面面层在使用过程中在不同受力状态下所受的应力作用，相比于传 统的体积参数，力学参数作为评价指标更符合路面设计的准则，通过本发明所提供的 相关性模型，可以快速、准确的确定沥青混合料中的最佳沥青添加量，有效避免了资 源的浪费和路面使用性能不足。
作为一项优选的方案，所述沥青混合料的原料组分包括：沥青、粗骨料、细骨料 和矿粉；所述级配类别为连续级配、间断级配和连续开级配中的至少一种。
作为一项优选的方案，所述沥青混合料的特征参数包括：沥青用量，温度和加载速率。
作为一项优选的方案，所述沥青混合料中沥青用量的取值范围按总沥青混合料质量百分比计算为3～6％，温度范围为0～30℃，加载速率为0.01～0.3MPa/s。
作为一项优选的方案，所述沥青混合料力学参数包括：压缩强度，拉伸强度，压 缩模量，拉伸模量和泊松比。
所述沥青混合料力学参数与沥青用量的相关性模型的建立过程包括：
i)通过MTS实验分别计算沥青混合料的压缩、拉伸强度，计算过程为：
式1：
Figure BDA0003706767840000021
式2：
Figure BDA0003706767840000022
式1和式2中：R(c/t)为单轴压缩或直接拉伸强度，量纲MPa；P(c/t)为试件破坏对应的荷载峰值，量纲N；d为圆柱体试件的直径，量纲mm；b、h分别为梁式试件破坏截 面的边长，量纲mm；
ii)采用原点修正法计算单轴压缩与直接拉伸模量，以0.5Pm下的回弹应变计算单轴压缩和直接拉伸泊松比，计算过程为：
式3：
Figure BDA0003706767840000031
式4：
Figure BDA0003706767840000032
式5：
Figure BDA0003706767840000033
式3～5中：E(c/t)为单轴压缩或直接拉伸模量，量纲MPa；P′(c/t)为每级压拉荷载，量纲N；εh(c/t)为单轴压缩或直接拉伸竖向回弹应变，无量纲；εv(c/t)为单轴压缩或直接拉伸 横向回弹应变，无量纲；μ(c/t)为单轴压缩或直接拉伸泊松比，无量纲；
iii)采用一元二次函数拟合沥青用量与沥青混合料力学参数，拟合结果为：
式6：
Figure BDA0003706767840000034
式7：
Figure BDA0003706767840000035
式8：
Figure BDA0003706767840000036
式6～8中：
Figure BDA0003706767840000037
为拟合参数， 无量纲；C为沥青用量，量纲为％。
本发明所提供的沥青混合料力学参数与沥青用量的相关性模型中，采用一元二次函数作为拟合函数，所得表达式连续且可导，简化了后续最佳沥青用量的确定。
作为一项优选的方案，所述最佳沥青用量的确定过程为：所述式6～8所得沥青混合料力学参数与沥青用量的相关性模型对沥青用量求极值，再根据各力学参数权重比 例，加权平均法确定最佳沥青用量，即得。
在本发明中，当强度和模量取最大值时其所对应的沥青用量即为该力学参数所对应的最佳沥青用量，而泊松比则相反，沥青用量关于强度和模量的一元二次函数为凸 函数，其极值即为沥青用量范围内的最大值，而沥青用量关于泊松比的一元二次函数 为凹函数，其极值即为沥青用量范围内的最小值。如前所述，本发明之所以选择一元 二次函数作为拟合函数，其中之一就是因为所得表达式在沥青用量的取值范围内连续 且可导，因此，力学参数所对应的最值点即函数极值点，极值点出对应的沥青用量即 为该力学参数对应的最佳沥青用量。应当注意的是，当求出的极值点不在沥青用量的 取值范围内时，要根据实际情况进行调整，若偏差小于10％，则将沥青用量取值范围 的端点扩充至该极值点；若偏差大于10％，则舍去改组数据。
进一步的，各力学参数权重的需根据实际工程要求进行设置，综合考虑交通载荷和不同层位等各方面因素，进而确定不同力学参数权重占比。
作为一项优选的方案，所述模型性能检测及评估的主要过程包括：i)根据所得最佳沥青用量配比沥青混合料，测试其力学性能；ii)根据马歇尔实验所得的沥青用量配 比沥青混合料，测试其力学性能；iii)比较两种不同沥青用量配比所得沥青混合料的 力学性能，即得。
本发明中，两种沥青用量所得的沥青混合料级配类别相同，检测方法及标准均参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)。由于马歇尔实验过程中需 要逐点确定沥青用量，因此，在原有沥青用量取值范围内分别选取：3.5％、4％、4.5％、 5％、5.5％。
相对现有技术，本发明技术方案带来的有益技术效果为：
1)本发明所提供的技术方案中，将沥青用量与力学参数联系起来，从沥青路面在实际使用过程中的受力状态出发，全面的评价了沥青用量对于沥青混合料力学性能的 影响，更符合真实路面工况。
2)本发明所提供的沥青用量确定方法，通过建立沥青混合料力学参数与沥青用量的相关性模型，可以定量的求出不同级配比例下的最佳沥青用量，该方法简单方便， 预测准确，相关数据易于获取，对于沥青生产和施工具有指导意义。
附图说明
图1为AC-16型密级配型沥青混合料级配曲线。
图2为实施例1中沥青混合料单轴压缩和直接拉伸强度、单轴压缩和直接拉伸模量与 沥青用量的一元二次函数关系模型。
图3为实施例1中沥青混合料单轴压缩和直接拉伸泊松比与沥青用量的一元二次函数 关系模型。
图4为实施例2中沥青混合料单轴压缩和直接拉伸强度、单轴压缩和直接拉伸模量与 沥青用量的一元二次函数关系模型。
图5为实施例2中沥青混合料单轴压缩和直接拉伸泊松比与沥青用量的一元二次函数 关系模型。
图6为实施例3中沥青混合料单轴压缩和直接拉伸强度、单轴压缩和直接拉伸模量与 沥青用量的一元二次函数关系模型。
图7为实施例3中沥青混合料单轴压缩和直接拉伸泊松比与沥青用量的一元二次函数 关系模型。
图8为沥青混合料的马歇尔试验结果。
具体实施方式
参照说明书附图以具体实施例对本发明的基于力学参数的最佳沥青用量确定方法 作以下详细地说明。
步骤一、选定材料种类和级配类型：
根据工程实际要求，选用湖南宝利沥青有限公司生产的SBS(I-D)改性沥青，试验集料和矿粉采用湖南云中科技公司生产的石灰岩，采用AC-16型密级配型沥青混合料， 级配曲线如图1所示。
步骤二、选定沥青用量范围和其他影响因素的取值：
根据工程实际要求选定试验温度和加载速率，为了增加说服力，本专利选定三种试验温度和加载速度，分别为试验温度20℃和加载速率0.1MPa/s、试验温度15℃和加 载速率0.05MPa/s，试验温度5℃和加载速率0.02MPa/s。
步骤三、通过试验得到力学参数并建立其与沥青用量之间的变化关系模型；
试验方法：压缩和拉伸状态下的强度、模量和泊松比试验。模量试验时，采用七 级加卸载，每级荷载大小分别为最大破坏荷载的0.1Pm、0.2Pm、0.3Pm、…、0.7Pm，采 用原点修正法计算单轴压缩与直接拉伸模量，以0.5Pm下的回弹应变计算单轴压缩和直 接拉伸泊松比；
得到关系图并使用式(6)～(8)进行回归进而得到关系模型；
Figure BDA0003706767840000051
Figure BDA0003706767840000052
Figure BDA0003706767840000053
步骤四、根据步骤3)所述模型确定沥青的最佳用量；
步骤五、通过马歇尔实验数据检测模型的准确性。
根据一般马歇尔试验的沥青用量范围，沥青用量选取分别为：3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％。
实施例1
试验温度20℃和加载速率0.1MPa/s的沥青混合料力学参数与沥青用量关系图如图 2～图3所示，可以看出沥青用量范围内存在最值，关系模型如下所示：
Rc＝-11.62+7.98C-0.84C2
Rt＝-1.42+0.92C-0.09C2
Ec＝-2557.14+2281.31C-238.11C2
Et＝-953.3+1160.1C-124.6C2
μc＝0.863－0.225C+0.024C2
μt＝0.617－0.175C+0.019C2
对沥青混合料力学参数与沥青用量关系模型中的自变量沥青用量进行求导，如下式所示：
R′c＝7.98-1.68C
Rt′＝0.92-0.18C
Ec′＝2281.31-476.22C
Et′＝1160.1-249.8C
μ′c＝0.048C－0.225
μ′t＝0.038C－0.175
求得极值点，得到最佳沥青用量分别为4.75％、5.11％、4.79％、4.66％、4.69％和4.61％，均在设计的沥青用量范围内。在沥青路面使用过程中，沥青路面的破坏形式往 往表现为受拉破坏，所以普遍认为沥青混合料的抗拉力学参数比抗压力学参数重要， 同时认为强度、模量和泊松比一样重要，所以设置六个力学参数占比分别为0.15、0.18、 0.15、0.19、0.15和0.18，采用加权平均法综合得到最佳沥青用量如下所示：
4.75％×0.15+5.11％×0.18+4.79％×0.15+4.66％×0.19+4.69％×0.15+4.61％×0.18≈4.8％。
实施例2
试验温度15℃和加载速率0.05MPa/s的沥青混合料力学参数与沥青用量关系图如图4～图5所示，可以看出沥青用量范围内存在最值，关系模型如下所示。
Rc＝-19.88+11.57C-1.18C2
Rt＝-3.2+1.85C-0.19C2
Ec＝-3266.85+2640.27C-278.14C2
Et＝-782.53+1130.39C-119.74C2
μc＝0.429－0.049C+0.005C2
μt＝0.446－0.101C+0.01C2；
对沥青混合料力学参数与沥青用量关系模型中的自变量沥青用量进行求导，如下式所示：
R′c＝11.57-2.36C
Rt′＝1.85-0.38C
Ec′＝2640.27-556.28C
Et′＝1130.39-239.48C
μ′c＝0.01C－0.049
μ′t＝0.02C－0.101；
求得极值点，得到最佳沥青用量分别为4.90％、4.87％、4.75％、4.72％、4.90％和5.05％，均在设计的沥青用量范围内。在沥青路面使用过程中，沥青路面的破坏形式往 往表现为受拉破坏，所以普遍认为沥青混合料的抗拉力学参数比抗压力学参数重要， 同时认为强度、模量和泊松比一样重要，所以设置六个力学参数占比分别为0.15、0.18、 0.15、0.19、0.15和0.18，采用加权平均法综合得到最佳沥青用量如下所示：
4.90％×0.15+4.87％×0.18+4.75％×0.15+4.72％×0.19+4.90％×0.15+5.05％×0.18≈4.9％。
实施例3
试验温度5℃和加载速率0.02MPa/s的沥青混合料力学参数与沥青用量关系图如图 6～图7所示，可以看出沥青用量范围内存在最值，关系模型如下所示：
Rc＝-10.98+8.83C-0.89C2
Rt＝-2.15+1.63C-0.17C2
Ec＝-6172.29+4207.17C-432.74C2
Et＝-2526.22+2106.07C-216.48C2
μc＝0.477－0.080C+0.008C2
μt＝0.322－0.053C+0.005C2；
对沥青混合料力学参数与沥青用量关系模型中的自变量沥青用量进行求导，如下式所示：
R′c＝8.83-1.78C
Rt′＝1.63-0.34C
Ec′＝4207.17-865.48C
Et′＝2106.07-432.96C
μ′c＝0.016C－0.080
μ′t＝0.01C－0.053
求得极值点，得到最佳沥青用量分别为4.96％、4.79％、4.86％、4.86％、5.00％和5.30％，均在设计的沥青用量范围内。在沥青路面使用过程中，沥青路面的破坏形式往 往表现为受拉破坏，所以普遍认为沥青混合料的抗拉力学参数比抗压力学参数重要， 同时认为强度、模量和泊松比一样重要，所以设置六个力学参数占比分别为0.15、0.18、 0.15、0.19、0.15和0.18，采用加权平均法综合得到最佳沥青用量如下所示：
4.96％×0.15+4.79％×0.18+4.86％×0.15+4.86％×0.19+5.00％×0.15+5.30％×0.18≈5.0％。
马歇尔试验结果如图8所示，依照马歇尔方法确定的最佳沥青用量为4.5％，将按照最优力学性能参数值得与按照马歇尔方法分别进行配合比设计，得到力学性能参数 并进行对比，如表1所示，可以看出按照最优力学性能参数值进行配合比设计的沥青 混合料力学性能优于按照马歇尔试验设计的沥青混合料力学性能。
表1按照最优力学性能参数值与马歇尔试验进行配合比设计的沥青混合料力学性能参数对比表
Figure BDA0003706767840000091

Claims (7)

1.一种基于力学性能参数的沥青混合料中沥青用量的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选择沥青混合料的原料组分和级配类别；
2)根据沥青混合料的原料组分和级配类别确定沥青混合料的特征参数取值范围；
3)根据特征参数取值范围建立沥青混合料力学参数与沥青用量的相关性模型；
4)根据所述相关性模型确定最佳沥青用量；
5)模型性能检测及评估。
2.根据权利要求1所述的一种基于力学性能参数的沥青混合料中沥青用量的确定方法，其特征在于：所述沥青混合料的原料组分包括：沥青、粗骨料、细骨料和矿粉；所述沥青混合料的级配类别为连续级配、间断级配和连续开级配中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于力学性能参数最优值的沥青混合料中沥青用量的确定方法，其特征在于：所述沥青混合料的特征参数包括：沥青用量，温度和加载速率。
4.根据权利要求1所述的一种基于力学性能参数最优值的沥青混合料中沥青用量的确定方法，其特征在于：所述沥青混合料中沥青用量的取值范围按总沥青混合料质量百分比计算为3～6％，温度范围为0～30℃，加载速率为0.01～0.3MPa/s。
5.根据权利要求1所述的一种基于力学性能参数的沥青混合料中沥青用量的确定方法，其特征在于：所述沥青混合料力学参数包括：压缩强度，拉伸强度，压缩模量，拉伸模量和泊松比；
所述沥青混合料力学参数与沥青用量的相关性模型的建立过程包括：
i)通过MTS实验分别计算沥青混合料的压缩、拉伸强度，计算过程为：
式1：
Figure FDA0003706767830000011
式2：
Figure FDA0003706767830000012
式1和式2中：R(c/t)为单轴压缩或直接拉伸强度，量纲MPa；P(c/t)为试件破坏对应的荷载峰值，量纲N；d为圆柱体试件的直径，量纲mm；b、h分别为梁式试件破坏截面的边长，量纲mm；
ii)采用原点修正法计算单轴压缩与直接拉伸模量，以0.5Pm下的回弹应变计算单轴压缩和直接拉伸泊松比，计算过程为：
式3：
Figure FDA0003706767830000021
式4：
Figure FDA0003706767830000022
式5：
Figure FDA0003706767830000023
式3～5中：E(c/t)为单轴压缩或直接拉伸模量，量纲MPa；P′(c/t)为每级压拉荷载，量纲N；εh(c/t)为单轴压缩或直接拉伸竖向回弹应变，无量纲；εv(c/t)为单轴压缩或直接拉伸横向回弹应变，无量纲；μ(c/t)为单轴压缩或直接拉伸泊松比，无量纲；
iii)采用一元二次函数拟合沥青用量与沥青混合料力学参数，拟合结果为：
式6：
Figure FDA0003706767830000024
式7：
Figure FDA0003706767830000025
式8：
Figure FDA0003706767830000026
式6～8中：
Figure FDA0003706767830000027
为拟合参数，无量纲；C为沥青用量，量纲为％。
6.根据权利要求1或4所述的一种基于力学性能参数的沥青混合料中沥青用量的确定方法，其特征在于：所述最佳沥青用量的确定过程为：权利要求4所得沥青混合料力学参数与沥青用量的相关性模型对沥青用量求极值，再根据各力学参数权重比例，加权平均法确定沥青用量极值，即得。
7.根据权利要求1所述的一种基于力学性能参数的沥青混合料中沥青用量的确定方法，其特征在于：所述模型性能检测及评估的主要过程包括：i)根据所得最佳沥青用量配比沥青混合料，测试其力学性能；ii)根据马歇尔实验所得的沥青用量配比沥青混合料，测试其力学性能；iii)比较两种不同沥青用量配比所得沥青混合料的力学性能，即得。
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