一种考虑服役温度的沥青混合料多因素设计方法与流程

本发明涉及道面材料领域，具体涉及一种考虑服役温度的沥青混合料多因素设计方法。

背景技术：

1、沥青混合料的性能直接影响了沥青路面的长期服役表现，而沥青混合料的设计过程在其性能表现中则起到了决定性作用。因此，对沥青混合料设计方法的研究和完善自始至终都伴随着沥青路面发展的全过程。

2、沥青材料是一种典型的温度敏感性材料，温度的变化对其性能具有重要影响，不同类型的沥青材料或沥青混合料在相同温度下，同一项性能会表现出一致的规律，但这一规律随温度的变化并不是一成不变的，而是随着温度的变化也在随之变化。在空间上，不同地域和不同结构层位沥青路面受到的温度影响是不同的，在时间上，变化的温度对路面的影响始终伴随路面的整个服役期内。

3、传统设计方法，如马歇尔和superpave设计法等，均是以体积参数为控制指标的设计方法，其中包含大量通过长期经验积累的控制指标和标准。对于服役环境的考虑都略显不足，尤其是服役环境对沥青路面性能的影响。这样的设计过程可以有效保证沥青混合料性能的下限不致过低，但也在很大程度上限制了设计的灵活性，不利于发挥设计人员的主观能动性。在纷繁复杂的环境影响因素中，湿度和温度对沥青路面的影响最为显著。其中温度相较于湿度对沥青路面的性能影响更为直接和迅速。另外，由于沥青路面是分层设计的，每一层都具有一定的厚度，因此，不同层位受温度的影响也是不一样的。因此，混合料设计、性能评价以及现场需求三者脱节的现状，最终导致室内设计出的沥青混合料很难与现场需求形成良好的匹配关系。当前和沥青路面相关的新材料、新技术蓬勃发展，而传统方法在很大程度上依赖于经验的设计过程是否能很好地适应这些新材料、新技术也是值得关注的问题。

4、此外，从本质上分析，服役温度也属于沥青沥青路面众多使用性能的要求之一，服役温度的引入也可进一步加深和完善基于性能的设计方法。这二者不仅不是相互独立的，而且还是相互依存的关系。要最终完成基于性能的设计方法，路面服役温度的引入是解决途径之一，也是实现沥青路面按需设计和精细化设计的重要保障。

5、近年来，随着交通量、车速和轴载的迅速提高，路面损坏的时间提前，病害的种类也在增加。现实状况已迫切显示出需要寻求一种新的设计理念和方法以满足当下甚至未来的沥青路面服役需求。因此，开发一种新的综合考虑服役温度的沥青混合料设计方法，具有重要的现实意义与工程应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种考虑服役温度的沥青混合料多因素设计方法，将服役温度纳入对沥青混合料的设计考量，综合考虑了室外结构设计中的实际性能需求与室内材料组成设计，有效提升路面服役性能、减少路面病害。

2、本发明的另一目的在于提供所述的多因素设计方法在沥青混合料设计、制备中的应用。

3、本发明第一方面公开了一种考虑服役温度的沥青混合料多因素设计方法，包括下述步骤：

4、s1.计算服役温度 收集工程所在地一年内的气温和太阳辐射数据，将温度分为若干温度段，按下列公式对路面上、中、下面层的服役温度进行预估：

5、

6、式中，ω为t温度段的权重，%；为t温度段在整个温度范围内出现的次数，次；为整个温度段的总积累次数，次。

7、

8、式中，为贡献温度，℃；为所在温度段的中值，℃；a为温度段数。

9、

10、式中，为路面深度为

h时该层的服役温度，℃；a为温度段数。

11、

12、式中，为该面层的服役温度，℃；

h为路面深度，m。

13、s2.计算性能需求 分别计算上、中、下面层高温性能需求值与疲劳性能需求值：

14、以抗剪强度作为高温性能指标，通过下述公式计算高温性能需求值：

15、

16、式中：为服役温度下的抗剪强度，mpa；为高温性能服役温度，℃；为试验温度，℃；为温度下测量计算得到的混合料抗剪强度，mpa。

17、由于沥青混合料面层现场疲劳寿命须不小于当量累积轴次，那么可将当量累计轴次作为现场疲劳寿命最小值，采用路面结构疲劳方程求解室内沥青混合料疲劳寿命需求值。

18、以疲劳寿命作为指标，参照下述公式计算疲劳性能需求值：

19、

20、

21、式中 为疲劳性能的需求值；为累计轴载次数；为环境系数，其中为疲劳性能服役温度，

w为湿度；为室内外修正系数，取82.60；

k为材料系数，取3.35。

22、湿度、室内外修正系数、以及材料系数的取值依据为：湿度的计算来自教材《沥青路面结构行为学》；现有的研究（李伊博士论文）给出室内试验为间接拉伸疲劳试验时，室内疲劳寿命与现场疲劳寿命转换系数范围为 77.27-87.94，以此可作为室内外转换系数（即修正系数）取值范围，取中值 82.60；进行应变控制与应力控制模式下疲劳寿命的转化时，李伊博士论文中还给出了间接拉伸疲劳试验下 n应变与 n 应力比值（即材料系数）为 3.35。

23、s3.多因素设计 选取沥青标号、最大公称粒径、压实功、空隙率、油石比作为设计因素，以高温性能需求值、疲劳性能需求值作为标准，按下述公式筛选上、中、下面层的材料配比, 寻求函数值附近对应的因素组合方案：

24、

25、

26、式中：为抗剪强度，为疲劳寿命，

p为沥青标号，

nms为最大公称粒径，

c为压实功，为空隙率，

o为油石比。

27、选取同时满足两公式的材料配比作为沥青混合料的组合方案。

28、进一步地，所述高温性能需求值计算中的服役温度为高温性能服役温度，所述高温性能服役温度是代入25℃以上高温组计算得到；所述疲劳性能需求值计算中的服役温度为疲劳性能服役温度，所述疲劳性能服役温度是代入25℃以下的常温组计算得到。

29、优选地，所述步骤s2所述温度为60℃。

30、优选地，s1所述的温度段的分段方法为：将高于25℃设定为高温环境，根据预测的温度数据确定出一年内每一面层的最高温度，统计每一面层预测温度中高于25℃的总次数，再以5℃为间隔，取温度段直至包含最低温度，以小段温度区间的次数比高温区间的总次数作为权重与小段温度区间的中值乘积作为该小段温度区间的服役温度贡献值。

31、优选地，设计方法还包括步骤s4，按上、中、下面层符合条件的配比制备试件，对其低温性能、水稳定性能、上面层抗滑性能进行验证，选取符合规范的组合为最优配比。若试验结果满足要求，则完成沥青混合料组成设计；若不满足，则需重新调整因素组合。

32、进一步地，所述最优配比中，通过计算获得碾压组合方式和碾压组合遍数，便于后续施工中保证压实的准确性。

33、优选地，所述步骤s2中的是依据规范测量并计算得到的。

34、本发明第二方面公开了所述多因素设计方法在沥青混合料设计、制备中的应用。

35、本发明所提出的考虑服役温度的沥青混合料多因素设计方法，紧密联系了混合料设计、性能评价以及现场需求，将室外结构设计中的实际性能需求与室内材料组成设计进行有机结合，使室内设计的沥青混合料与现场需求形成良好匹配，实现了室内室外的协同优化。

36、设计中以抗剪强度和疲劳寿命作为直接性能设计指标，简化了设计过程，同时降低了经费与人力投入，实现了设计效率与经济成本的双重优化。通过本发明所述设计方法设计、施工，能有效延长道路服役寿命，减少车辙、裂缝、松散等早期病害，对于提升路面服役性能和减少路面病害都具有重要意义，可为道路工程的长期安全稳定运营提供坚实保障。

37、不仅使得基于性能的沥青混合料多因素设计方法得到了完善，同时也推进了沥青路面结构材料一体化设计的发展。