CN118116492A - 一种基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法，涉及树脂聚合物混合料道面材料技术领域，本申请基于机场不停航施工特点，选择能够在2‑3h内完成初步固化的树脂类胶结料，提出采用飞散试验和析漏试验来确定出树脂类胶结料用量范围，通过劈裂强度、空隙率和毛体积密度来确定最佳胶结料用量，并通过机场不停航施工的特性对飞散试验和劈裂试验进行了改进。所选用的指标不仅与树脂类混合料自身特性相匹配，且测试这些指标的试件的制备及试验的操作都较为简便，设计成本低，实际工程可复现性强。
Description
技术领域
本申请涉及树脂聚合物混合料道面材料技术领域，尤其涉及一种基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法。
背景技术
考虑到机场旧水泥混凝土道面已达到设计使用年限，西安咸阳国际机场于2014年对北飞行区道面进行了罩面补强，在旧水泥混凝土道面上加铺沥青面层。
但是经罩面后的机场道面，特别是滑行道停止等待线附近，在飞行器荷载及夏季高温(极端最高气温42℃)等因素的作用下常产生轮辙等病害，影响机场道面的正常运行，危害航空器运行安全。而目前常用的解决轮辙问题的方法如在沥青中掺加抗轮辙剂、高模量剂或优化级配的方法，由于沥青胶结料具有热塑性的特点，在实际的日常运营过程中道面依旧会产生轮辙问题。
聚氨酯、聚脲等树脂类胶结料因其优异的力学性能、良好的抗老化性能、较强可塑性，同时还具备较好的化学稳定性和耐化学腐蚀等特点，目前在道路工程等领域已经有了广泛的应用，某些树脂类胶结料还具有热固性的特征，受温度的影响较小。因此有必要将树脂类胶结料代替沥青胶结料来做为机场道面混合料的胶结料，以期在一定程度上缓解机场道面频发的轮辙问题。此外为了不影响西安咸阳国际机场的日常运营，在处理存在轮辙问题的道面时采用的是夜间不停航施工，施工时间有限留给胶结料固化较短，因此所优选的树脂类胶结料应能在较短的时间内完成初步固化形成强度。
沥青混合料的配合比设计方法主要包括：维姆设计法、马歇尔设计法、GTM设计法、Superpave设计法等。其中马歇尔设计法由于试验操作简单、易于推广等因素来国内有较为广泛的应用。树脂类混合料没有形成一套标准的配合比设计方法，在进行混合料设计会直接套用马歇尔设计法或提出一些基于路用性能的指标来进行配合比设计。此外，马歇尔设计法中的设计指标马歇尔稳定度是用来评价沥青混合料在60℃的抗变形性能，不适合评价本身具有热固性受温度影响较小的树脂类混合料。而且配合比设计所选用的设计参数和得出此参数需进行的试件成型及试验方法应简单易行，才能在实际工程中得到广泛的应用。
因此，本申请考虑咸阳机场不停航施工特点、树脂类胶结料自身特性及配合比设计应具有的简便性等因素，发明了一种基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法，先通过计算得出树脂胶结料最小值，之后通过采用飞散试验和析漏试验确定出树脂类胶结料的用量范围，再通过劈裂强度、空隙率和毛体积密度来确定出树脂类混合料的最佳胶结料用量。
本申请所提供的一种基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法，其按照先后顺序包括以下步骤：
S1：选择能够在2-3h内完成初步固化的树脂类胶结料；
S2：根据《民用机场沥青道面设计规范》(MH/T 5010-2017)中对集料性质的要求选定集料类型并确定级配类型及进行级配曲线设计；
S3：根据计算得出的树脂类胶结料用量并通过《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T 0702-2011成型混合料试件并根据T0732-2011、T 0733-2011进行析漏试验和飞散试验，确定出树脂类胶结料用量范围；
S4：根据所确定出的树脂类胶结料用量范围再次根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T 0702-2011成型混合料试件，通过此规范中的T 0603-2011、T 0705-2011、T0707-2011、T 0716-2011测试树脂类胶结料的相对密度、混合料试件的空隙率及毛体积密度并进行劈裂试验，以不同的树脂类胶结料胶结料用量为横坐标，空隙率、毛体积密度及劈裂强度为纵坐标形成胶结料用量性能坐标图，从而得出混合料试件的最佳胶结料用量；
S5：对所得出的树脂类胶结料的最佳胶结料用量根据《民用机场沥青道面设计规范》(MH/T 5010-2017)的要求成型试件进行路用性能检验，若满足要求，则判定此树脂类混合料配合比完成设计，若不满足要求，则返回步骤S1重新设计。
优选地，步骤S1中，机场道面夜间不停航施工时间有限，在摊铺、碾压等工序完成之后，留给道面固化的时间较短，大致为2～3h，因此所优选的树脂类胶结料因能在2～3h内完成初步固化。
优选地，步骤S2中，树脂类混合料的级配类型选为SMA-13，在进行级配曲线设计时，大于2.36mm筛的分计筛余总量应达到整体用量的75％以上，4.75mm筛孔的分计筛余应大于35％。
优选地，步骤S2中，所设计的级配曲线中0.075mm筛的通过率为0，即不需要矿粉，并将级配曲线名称更改为PM-13。因为树脂类胶结料与沥青胶结料不同，常规沥青胶结料需要与矿粉形成沥青胶浆来增加结构内部的结构沥青数量从而提高自身的黏结性能，而树脂类胶结料本身黏结性能较好且由于矿粉自身的比表面积较大，在实际的操作过程中会导致拌和后的混合料结块，难以压实，影响施工。
优选地，步骤S2中，级配粗集料部分选择为玄武岩、细集料部分选择为石灰岩。
优选地，步骤S3中，树脂类胶结料初始最低用量确定公式如下：
SA＝∑(Pi×FAi) (1)
式中：
SA——集料的比表面积，m2/kg；
Pi——各种集料的通过率，％；
FAi——相应于各档粒径集料的表面积系数；
DA——胶结料膜的有效厚度，μm；
Pbe——胶结料用量，％；
γb——胶结料的相对密度(25℃)。
优选地，步骤S3中，树脂类胶结料最低胶结料用量间隔为2％。
优选地，步骤S3中，确定树脂类胶结料胶结料用量范围时，树脂类胶结料用量拟定五种类型。
优选地，步骤S3中，不同类型胶结料用量所成型的混合料试件的飞散损失率应小于10％，考虑级配曲线及树脂类胶结料的特点及工程经济性的要求，析漏损失率应小于0.3％。
优选地，步骤S3中，考虑到机场不停航施工特点，在树脂类混合料成型完毕后3h直接进行飞散试验，不做浸水处理，模拟机场道面夜间不停航施工完毕后开放交通时树脂类混合料的黏结性能是否满足要求。
优选地，步骤S3中，在混合料成型完毕后，在25℃烘箱中通风固化3h。
优选地，步骤S4中，树脂类胶结料胶结料用量间隔为0.5％。
优选地，步骤S4中，确定树脂类胶结料最佳胶结料用量时，树脂类胶结料用量拟定五种类型。
优选地，步骤S4中，考虑到机场不停航施工特点，在树脂类混合料成型完毕后3h直接进行干劈裂试验，不做浸水处理，模拟机场道面夜间不停航施工完毕后开放交通时树脂类混合料的劈裂强度范围。
优选地，步骤S4中，在混合料成型完毕后，在25℃烘箱中通风固化3h。
优选地，步骤S4中，树脂类胶结料最佳胶结料用量的确定过程具体为：
式中：
OPA—树脂类胶结料最佳胶结料用量，％；
P1—树脂类胶结料不同胶结料用量所对应的混合料干劈裂强度最大值，％；
P2—树脂类胶结料不同胶结料用量所对应的混合料空隙率中值，％；
P3—树脂类胶结料不同胶结料用量所对应的混合料毛体积密度最大值，无量纲。
本申请相比较于现有技术的有益效果是：
本申请提出采用飞散试验和析漏试验来确定出树脂类胶结料用量范围，通过劈裂强度、空隙率和毛体积密度来确定最佳胶结料用量，并通过机场不停航施工的特性对飞散试验和劈裂试验进行了改进。所选用的指标不仅与树脂类混合料自身特性相匹配，且测试这些指标的试件的制备及试验的操作都较为简便，客观实践的过程中可重复性强，能够促进树脂类混合料在工程中的应用。
其中飞散试验能够表征胶结料与集料之间的黏结性能从而得出胶结料用量下限，析漏试验来确保不会造成胶结料的浪费；树脂类混合料弹性较好，在受到压力的作用下会产生变形且压力消失时变形会恢复，抗压性能不能用于评价树脂类混合料的强度，而采用抗拉强度来评价树脂类混合料的强度。整个配合比设计流程所设计的试件都可通过《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T 0702-2011进行，整个设计流程及混合料试件成型方法简单，设计成本低，实际工程可复现性强。
且本申请中应用在机场不停航施工中的树脂类胶结料的拌和及施工温度均为常温，相较于常规的热拌沥青混合料在施工过程中产生的能源消耗，有效节约能源、降低成本、绿色环保。
附图说明
图1是本申请的配合比设计流程图；
图2是本申请实施例中所设计的级配曲线PM-13图；
图3是本申请实施例中不同胶结料用量范围飞散试验结果；
图4是本申请实施例中不同胶结料用量范围析漏试验结果；
图5是本申请实施例中不同胶结料用量范围毛体积密度试验结果；
图6是本申请实施例中不同胶结料用量范围空隙率试验结果；
图7是本申请实施例中不同胶结料用量范围劈裂强度试验结果；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请进行详细说明，本实施例以本申请技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本申请的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
在一个具体的实施例中，提供的基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法的设计流程如图1所示。
具体步骤为：
首先根据机场道面不停航施工的特点优选出能够在2～3h内完成初步固化的树脂类胶结料，所优选的树脂类胶结料为购自成都本邦路桥新材料有限公司生产的冷拌聚脲胶结料BR-PUA，其基本性能如表1所示。
表1 BR-PUA聚脲材料基本性能指标
将所选的集料根据《民用机场沥青道面设计规范》(MH/T 5010-2017)中对集料性质的要求进行试验，性能指标应满足要求，粗集料选取为玄武岩、细集料为石灰岩。将这些集料根据<0.075mm、0.075～0.15mm、0.15～0.3mm、0.3～0.6mm、0.6～1.18mm、1.18～2.36mm、2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm、13.2～16.0mm这11个不同的筛孔进行筛分并分开摆放。
根据西安咸阳机场对道面抗轮辙性能的要求来设计级配曲线，大于2.36mm筛的分计筛余总量应达到整体用量的75％以上，4.75mm筛孔的分计筛余应大于35％。
根据前期预试验发现，级配中存在的矿粉导致混合料拌和后结块难以压实，又考虑到树脂类胶结料不需与矿粉形成胶浆结构因此在级配曲线设计中去掉矿粉并将矿粉所占的重量比均匀地分配到其它筛孔中。
先将干燥的集料(不包括0.075～0.15mm、0.15～0.3mm、0.3～0.6mm这三档集料)倒进拌锅中搅拌90s，将优选的聚脲胶结料按照厂家提供的比例混合并搅拌均匀后倒进拌锅中，再将0.075～0.15mm、0.15～0.3mm、0.3～0.6mm这三档集料倒进拌锅搅拌90s得到冷拌聚脲混合料。
其中，树脂类胶结料初始最低用量确定公式如下：
SA＝∑(Pi×FAi) (1)
式中：
SA——集料的比表面积，m2/kg；
Pi——各种集料的通过率，％；
FAi——相应于各档粒径集料的表面积系数；
DA——胶结料膜的有效厚度，μm；
Pbe——胶结料用量，％；
γb——胶结料的相对密度(25℃)。
在确定树脂类胶结料胶结料用量范围时，将树脂类胶结料用量拟定五种类型，并且所述树脂类胶结料最低胶结料用量间隔为2％。
在马歇尔试件模具底部放上一层隔离物(直径10cm硅油纸)，将拌和好的聚脲混合料按照一定的质量倒进马歇尔试件模具中，装料完毕后在模具顶部再放上一层隔离物(直径10cm硅油纸)，双面各击实50次后完成试件成型过程。
将成型好的马歇尔试件在25℃烘箱中常温固化3h后脱模取出试件进行飞散试验，析漏试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T 0732-2011进行，根据飞散损失率不大于10％、析漏损失率不大于0.3％来确定胶结料用量的下限和上限。
将胶结料以0.5％为间隔设立5个胶结料用量，成型不同胶结料用量混合料并测试其干劈裂强度、空隙率和毛体积密度，根据干劈裂强度最大值、毛体积密度最大值、空隙率中值得出最佳胶结料用量。
根据所得出的最佳胶结料用量进行最佳胶结料用量条件下的路用性能验证，主要包括抗轮辙性能、低温抗裂性能及水稳定性。如不合格，应退回步骤1重新进行树脂类胶结料的筛选并重新进行混合料配合比设计。
下面结合实施例对本申请做进一步说明，但并不因此而限制本申请。
实施例：
根据上述实施方式的具体步骤将粗集料、细集料筛分为0.075～0.15mm、0.15～0.3mm、0.3～0.6mm、0.6～1.18mm、1.18～2.36mm、2.36～4.75mm、4.75～9.5mm、9.5～13.2mm、13.2～16.0mm十档料，并测试其密度指标，为后续计算做准备，集料密度如表2所示，改进后的合成级配PM-13如表3所示，级配曲线图如图2所示。
表2粗细集料密度指标
表3PM-13合成级配
表4PM-13比表面积计算结果
根据冷拌聚脲胶结料BR-PUA及所设计的级配曲线特性，将所设计的混合料膜最小厚度确定为15μm，通过公式(1)、(2)及表1、表4计算出所对应的胶结料用量为4.9％，取最低用量为4％，取2％为用量间隔设置5个用量，即4％、6％、8％、10％、12％。
根据《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0732-2011、T0733-2011进行析漏试验和飞散试验，其中进行飞散试验时，混合料成型后在25℃烘箱中通风固化3h后直接脱模进行试验，飞散试验和析漏试验结果如表5所示，曲线如图3、图4所示。
表5不同胶结料用量下聚脲混合料飞散及析漏试验结果汇总
根据飞散损失率小于10％、析漏损失率小于0.3％的要求，将冷拌聚脲胶结料的胶结料用量范围确定为6％～8％。
根据得出的胶结料用量范围，以0.5％为间隔，设立五个胶结料用量范围，即6％、6.5％、7％、7.5％、8％。以此胶结料用量来成型混合料试件按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T 0705-2011、T0707-2011、T 0716-2011测试试件的空隙率、毛体积密度及干劈裂强度。
在进行劈裂试验时，混合料试件成型后在25℃烘箱中通风3h后直接脱模进行试验。
不同胶结料掺量成型的聚脲混合料的毛体积密度、空隙率和劈裂强度试验结果如图5、6、7所示。P1、P2、P3分别为6％、7％和7.5％，计算出的
最终采用6.8％作为所设计的聚脲混合料的最佳胶石比，参考《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T 0719、T 0715和T 0733分别测试最佳胶石比掺量下聚脲混合料的动稳定度、最大弯拉应变和浸水48h并室温放置24h后试件的飞散损失率来评价混合料的高温性能、低温性能和水稳定性。结果如表6所示，可以发现所开发的这套配合比设计方法所得到的最佳胶石比所成型的聚脲混合料的性能满足规范《民用机场沥青道面设计规范》(MH/T 5010-2017)中对混合料性能的要求。
表6 6.8％掺量下聚脲混合料性能试验结果
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，根据本申请的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：选择能够在2-3h内完成初步固化的树脂类胶结料；
S2：根据《民用机场沥青道面设计规范》(MH/T 5010-2017)中对集料性质的要求选定集料类型并确定级配类型及进行级配曲线设计；
S3：根据计算得出的树脂类胶结料用量并通过《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T 0702-2011成型混合料试件并根据T 0732-2011、T 0733-2011进行析漏试验和飞散试验，确定出树脂类胶结料用量范围；
S4：根据所确定出的树脂类胶结料用量范围再次根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T 0702-2011成型混合料试件，通过此规范中的T 0603-2011、T 0705-2011、T0707-2011、T 0716-2011测试树脂类胶结料的相对密度、混合料试件的空隙率及毛体积密度并进行劈裂试验，以不同的树脂类胶结料胶结料用量为横坐标，空隙率、毛体积密度及劈裂强度为纵坐标形成胶结料用量性能坐标图，从而得出混合料试件的最佳胶结料用量；
S5：对所得出的树脂类胶结料的最佳胶结料用量根据《民用机场沥青道面设计规范》(MH/T 5010-2017)的要求成型试件进行路用性能检验，若满足要求，则判定此树脂类混合料配合比完成设计，若不满足要求，则返回步骤S1重新设计。
2.根据权利要求1所述的一种基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法，其特征在于，所述步骤S2中所选用集料的级配类型为SMA-13，在进行级配曲线设计时，大于2.36mm筛的分计筛余总量应达到整体用量的75％以上，4.75mm筛孔的分计筛余应大于35％。
3.根据权利要求2所述的一种基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法，其特征在于，所设计的级配曲线中0.075mm筛的通过率为0，即不需要矿粉，并将级配曲线名称更改为PM-13。
4.根据权利要求1所述的一种基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法，其特征在于，所述集料中粗集料部分选择为玄武岩，细集料部分选择为石灰岩。
5.根据权利要求1所述的一种基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，树脂类胶结料初始最低用量确定公式如下：
SA＝∑(Pi×FAi) (1)
式中：
SA——集料的比表面积，m2/kg；
Pi——各种集料的通过率，％；
FAi——相应于各档粒径集料的表面积系数；
DA——胶结料膜的有效厚度，μm；
Pbe——胶结料用量，％；
γb——胶结料的相对密度(25℃)。
6.根据权利要求5所述的一种基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，在确定树脂类胶结料胶结料用量范围时，将树脂类胶结料用量拟定五种类型，并且所述树脂类胶结料最低胶结料用量间隔为2％。
7.根据权利要求6所述的一种基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，不同类型的树脂类胶结料用量所成型的混合料试件的飞散损失率应小于10％，析漏损失率应小于0.3％。
8.根据权利要求1所述的一种基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，树脂类胶结料最佳胶结料用量的确定公式具体为：
式中：
OPA—树脂类胶结料最佳胶结料用量，％；
P1—树脂类胶结料不同胶结料用量所对应的混合料干劈裂强度最大值，％；
P2—树脂类胶结料不同胶结料用量所对应的混合料空隙率中值，％；
P3—树脂类胶结料不同胶结料用量所对应的混合料毛体积密度最大值，无量纲。
9.根据权利要求8所述的一种基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，确定树脂类胶结料最佳胶结料用量时，将树脂类胶结料用量拟定五种类型，并且树脂类胶结料的胶结料用量间隔为0.5％。
10.根据权利要求1所述的一种基于机场道面不停航施工的高弹树脂类混合料配合比设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述树脂类混合料成型完毕后经25℃通风固化3h直接进行飞散试验，不做浸水处理，以模拟机场道面夜间不停航施工完毕后开放交通时树脂类混合料的黏结性能是否满足要求；
在所述步骤S4中，所述树脂类混合料成型完毕后经25℃通风固化3h直接进行干劈裂试验，不做浸水处理，以模拟机场道面夜间不停航施工完毕后开放交通时树脂类混合料的劈裂强度范围。
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|---|---|---|---|
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