一种骨架密实超薄罩面沥青混合料级配设计方法与流程

1.本发明属于沥青混合料配制技术领域，具体涉及一种骨架密实超薄罩面沥青混合料级配设计方法。


背景技术：

2.目前，我国公路建设模式逐渐由建设阶段向养护阶段转变，对于养护措施选取则采用预防性养护为主，修复性养护为辅的形式。由于我国重载车辆较多，大部分地区公路沥青路面易发生早期病害，病害种类较多且破坏严重，部分病害不能完全根治，存在反复处治维修情况。综合来看，主要病害类型为路面裂缝及重交通下的路面车辙。因此，如何有效的提高结合料与集料间的粘结力及沥青混合料抗变形能力，成为能否解决主要病害的关键。同时，高耐久性、低经济性的养护技术方案是高速公路养护的迫切需求，因此，设计符合需求的养护技术方案对于提升路面使用性能、延长路面使用寿命、保障高速公路畅通有重要的意义。
3.沥青混合料可分为骨架空隙型、骨架密实型和悬浮密实型三种级配结构。骨架空隙型结构中粗集料颗粒形成嵌挤，细集料与填料没有完全填充粗集料间隙；骨架密实型级配中细集料与填料恰当的填充了粗集料颗粒空隙(除空隙率外)。悬浮密实结构级配中细集料与填料将粗集料骨架撑开，使粗集料颗粒悬浮于细集料颗粒与填料之间。理论分析与大量试验表明，三种级配结构中，骨架密实型沥青混合料具有最好的力学强度与高温稳定性。因此，其级配设计方法成为研究的重点。
4.传统的高速公路轻微车辙、裂缝预防养护方法采用的是骨架密实型级配或者以单一粒径为主，如微表处、novachip超薄磨耗层、薄层罩面等。但这些养护方式或多或少存在局限性，依据我国规范，以上各级配设计方法基本为在给定的级配范围内，选择级配类型，得出初始级配曲线，通过室内性能试验，得到需满足各性能指标的级配比例，并选择符合要求的级配作为设计级配。这种设计方法存在的问题是，拟定初始级配曲线所基于的理论基础不强，以经验为主，没有级配优化的设计思想。同时，若选取级配不合适，调整级配后无法预知结果是否满足要求，需重复所有试验过程，造成试验工作量大，耗费时间长且级配设计不成功的可能。即使设计出了合格的级配，也无法保证就是骨架密实型。
5.此外，各养护方法也存在不同程度的缺点。如：微表处虽然有较长的应用时间及经验，级配及施工工艺成熟，但噪声大，掉粒、抗反射性能差导致其使用寿命短，经济效益差。novachip超薄磨耗层技术使用较多，但由于目前还没有室内试验方法可以模拟现场超薄的使用情况，因此该种混合料的设计主要依赖经验。而且，施工需要采用特定的摊铺设备，施工过程需要从原材料选择、配合比设计、施工控制每一个细节着手考虑和预控，成本较高。薄层罩面虽采用骨架密实型结构，需在配合比设计时需投入大量时间进行试验，且施工配合比得到的混合料也未必形成骨架结构，摊铺厚度一般在2.5～4cm，对于原路面表面层只存在轻微病害处治厚度过大，造成了不必要的浪费。
6.鉴于上述现有的预防性养护措施沥青混合料配合比设计及使用过程中存在的缺
陷，亟需寻求一种骨架密实型超薄罩面沥青混合料，既能减少路面高温车辙，又能抵抗路面低温开裂，有效延长路面使用寿命。


技术实现要素：

7.为解决现有技术存在的上述不足，本发明提供一种骨架密实型超薄罩面沥青混合料级配设计方法及制备方法。
8.本发明所述的骨架密实型超薄罩面沥青混合料由93-95质量份集料、5.5-5.8质量份橡胶改性沥青、5-7质量份填料组成；所述填料为矿粉；所述集料为玄武岩，集料组成采用密级配，最大公称粒径4.75mm；所述罩面厚度为0.8-1.5cm。
9.所述的骨架密实型超薄罩面沥青混合料的制备方法为：
10.(1)190-200℃预热集料；185-190℃预热橡胶改性沥青；
11.(2)将预热后的集料和橡胶改性沥青混合，然后加入矿粉，185-190℃拌和均匀；
12.(3)将步骤(2)得到的混合料进行马歇尔击实成型，175-180℃下双面击实75次，形成直径为101.6mm，高度为63.5
±
1.3mm的圆柱形试件。
13.本发明所述的骨架密实型超薄罩面沥青混合料级配设计方法为：
14.(1)设计空隙率为4-8％；
15.(2)最大粒径分界筛孔为7.1mm，最大粒径分界筛孔通过率为100％；
16.(3)粗细集料分界粒径为2.36mm；关键筛孔2.36mm通过率为24-27％；最小筛孔0.075mm的通过率为5-7％；
17.(4)通过最大粒径筛孔d
max
，关键筛孔d
2.36
的通过率，计算粗集料系数a1，b1，根据下式计算得到粗集料各筛孔di通过率p
di
：
[0018][0019]
(5)通过关键筛孔d
2.36
、最小筛孔d
0.075
的通过率，计算细集料系数a2，b2，根据下式计算得到细集料各筛孔di通过率p
di
：
[0020][0021]
(6)根据下式计算得到各筛孔di比例m
di
，m
′
di
为大于计算筛孔粒径的集料比例之和：
[0022]mdi
＝100-p
di-m
′
di
[0023]
(7)通过下式计算混合料中粗集料比例m
ca
，细集料比例m
fa
，填料比例m
fi
：
[0024]mca
＝m
7.1
m
4.75
m
2.36
[0025]mfa
＝m
1.18
m
0.6
m
0.3
m
0.15
m
0.075
[0026]mfi
＝100-m
ca-m
fa
[0027]
(8)分别测定粗集料的毛体积密度γ
b,ca
，细集料的毛体积密度γ
b,fa
，填料的视密度γ
a,fi
，粗集料的干捣实密度ρ；通过下式计算粗集料捣实骨架间隙率vca
drc
：
[0028]
[0029]
(9)采用预估油石比pb，测定沥青密度γb，结合步骤(7)和(8)得到的结果，分别计算下式左右两侧结果：
[0030][0031]
若计算值左侧大于右侧，说明混合料内部空隙率要大于设计空隙率；反之，说明混合料内部空隙率要小于设计空隙率；通过重复步骤(4)-(7)，在规定关键筛孔及最小筛孔级配范围内，调整粗集料、细集料或沥青比例，使上式两侧差值小于0.05，从而得到符合条件的骨架密实型级配；
[0032]
(10)按照马歇尔设计方法进行骨架密实型超薄罩面沥青混合料配比成型。
[0033]
上述制备的骨架密实型超薄罩面沥青混合料作为路面预防养护、桥面预防养护表面功能层的应用。
[0034]
本发明制备的骨架密实型超薄罩面沥青混合料具有高温抗车辙性、低温抗开裂性优异、抗水损害性能高、使用寿命长等特点，铺筑成的超薄沥青路面同时较原路面噪音降低2-3分贝；该混合料可广泛应用于沥青路面、桥面快速养护工程中，可延长路面使用寿命，增强路面整体功能和提高行车舒适性。
具体实施方式
[0035]
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，对依据本发明提出的骨架密实型超薄罩面沥青混合料的设计方法、制备方法具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。
[0036]
由于本发明材料针对超薄罩面结构层设计，且集料的最大公称粒径为4.75mm，因此本发明骨架密实型超薄罩面沥青混合料命名为sac-5。本发明中确定了骨架密实型超薄罩面沥青混合料关键筛孔通过率，见表1。
[0037]
表1 sac-5关键筛孔通过率
[0038]
筛孔/mm7.14.752.361.180.60.30.150.075通过率/％100-24～27
‑‑‑‑
5～7
[0039]
本发明采用的级配设计方法为：
[0040]
(1)设计空隙率为4-8％；
[0041]
(2)最大粒径分界筛孔为7.1mm，最大粒径分界筛孔通过率为100％；
[0042]
(3)粗细集料分界粒径为2.36mm；关键筛孔2.36mm通过率为24-27％；最小筛孔0.075mm的通过率为5-7％；
[0043]
(4)通过最大粒径筛孔d
max
，关键筛孔d
2.36
的通过率，计算粗集料系数a1，b1，根据下式计算得到粗集料各筛孔di通过率p
di
：
[0044][0045]
(5)通过关键筛孔d
2.36
、最小筛孔d
0.075
的通过率，计算细集料系数a2，b2，根据下式计算得到细集料各筛孔di通过率p
di
：
[0046][0047]
(6)根据下式计算得到各筛孔di比例m
di
，m
′
di
为大于计算筛孔粒径的集料比例之和：
[0048]mdi
＝100-p
di-m
′
di
[0049]
(7)通过下式计算混合料中粗集料比例m
ca
，细集料比例m
fa
，填料比例m
fi
：
[0050]mca
＝m
7.1
m
4.75
m
2.36
[0051]mfa
＝m
1.18
m
0.6
m
0.3
m
0.15
m
0.075
[0052]mfi
＝100-m
ca-m
fa
[0053]
(8)分别测定粗集料的毛体积密度γ
b,ca
，细集料的毛体积密度γ
b,f
a，填料的视密度γ
a,fi
，粗集料的干捣实密度ρ；通过下式计算粗集料捣实骨架间隙率vcadrc：
[0054][0055]
(9)采用预估油石比pb，测定沥青密度γb，结合步骤(7)和(8)得到的结果，分别计算下式左右两侧结果：
[0056][0057]
若计算值左侧大于右侧，说明混合料内部空隙率要大于设计空隙率；反之，说明混合料内部空隙率要小于设计空隙率；通过重复步骤(4)-(7)，在规定关键筛孔及最小筛孔级配范围内，调整粗集料、细集料或沥青比例，使上式两侧差值小于0.05，从而得到符合条件的骨架密实型级配；
[0058]
(10)按照马歇尔设计方法进行骨架密实型超薄罩面沥青混合料配比成型。
[0059]
实施例1
[0060]
本实施例采用的集料为玄武岩，填料为石灰石矿粉，具体计算过程如下：
[0061]
(1)初设设计空隙率va＝4％；
[0062]
(2)最大粒径分界筛孔7.1mm通过率p
7.1
＝100％；
[0063]
(3)关键筛孔2.36mm通过率p
2.36
＝25％；最小筛孔0.075mm通过率p
0.075
＝5.5％；
[0064]
(4)通过最大粒径筛孔d
max
、关键筛孔d
2.36
的通过率，根据下式计算得到粗集料系数a1、b1，从而得到粗集料各筛孔di通过率p
di
；
[0065][0066]
从而得到粗集料筛孔4.75mm通过率为60.3％。
[0067][0068]
(5)通过关键筛孔d
2.36
、最小筛孔d
0.075
的通过率，计算得到细集料系数a2、b2，从而
得到细集料各筛孔di通过率p
di
；
[0069][0070]
从而得到细集料筛孔1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm通过率分别为18.4％、13.7％、10.1％、7.5％。因此，可得到各筛孔初始通过率见表2，从而计算各档比例。
[0071][0072][0073][0074][0075]
(6)根据下式计算得到各筛孔di比例m
di
，m
′
di
为大于计算筛孔粒径的集料比例之和。
[0076]m4.75
＝100-p
4.75-m
′
4.75
＝100-60.3％-0％＝39.7％
[0077]m2.36
＝100-p
2.36-m
′
2.36
＝100-25％-39.7％-0％＝35.3％
[0078]
其余类同计算，可得各筛孔初始通过率和比例见表2。
[0079]
表2各筛孔初始通过率
[0080]
筛孔/mm7.14.752.361.180.60.30.150.075通过率/％10060.325.018.413.710.17.55.5比例/％0.039.735.36.64.73.62.62.0
[0081]
(7)通过下式计算混合料中粗集料比例m
ca
，细集料比例m
fa
，填料比例m
fi
。
[0082]mca
＝a
7.1
a
4.75
a
2.36
＝0％ 39.7％ 35.3％＝75％
[0083]mfa
＝a
1.18
a
0.6
a
0.3
a
0.15
a
0.075
＝6.6％ 4.7％ 3.6％ 2.6％ 2.0％＝19.5％
[0084]mfi
＝100-m
ca-m
fa
＝100％-75％-19.5％＝5.5％
[0085]
(8)测得粗集料的毛体积密度γ
b,ca
＝2.73g/cm3，细集料的毛体积密度γ
b,fa
＝2.49g/cm3，填料的视密度γ
a,fi
＝2.75g/cm3，粗集料的干捣实密度ρ＝1.64g/cm3；结果代入下式计算粗集料捣实骨架间隙率vca
drc
：
[0086][0087]
(9)设定预估油石比pb＝6.2％，测得沥青密度γb＝1.12g/cm3，结合步骤(7～8)得到的各筛孔通过率，分别计算下式左右两侧结果：
[0088]
[0089][0090]
若计算值左侧大于右侧，增加细集料比例m
fa
＝21.2％，填料比例m
fi
＝5.4％，通过重复步骤(4～7)，调整后，使上式两侧差值小于0.05，从而得到符合条件的骨架密实型级配；
[0091]
(10)按照马歇尔设计方法进行骨架密实型超薄罩面沥青混合料配比成型。
[0092]
sac-5的各档集料最终比例如表3所示：
[0093]
表3各筛孔最终比例
[0094]
筛孔/mm7.14.752.361.180.60.30.150.075矿粉比例10038.335.17.35.23.92.82.05.4
[0095]
橡胶改性沥青的加热温度为185℃，橡胶改性沥青与集料的质量比，即油石比为5.8％，在拌合温度185℃的条件下搅拌3min，然后在击实温度175℃下进行马歇尔击实成型，双面击实75次，形成直径为101.6mm，高度为63.5mm的圆柱形试件。
[0096]
骨架密实型超薄罩面沥青混合料的评价方法，采用60℃动稳定度、残留强度比、-10℃弯曲破坏应变、构造深度对混合料性能进行评价，评价标准包括：60℃动稳定度≥5500次/mm、残留强度比≥90％、-10℃弯曲破坏应变≥3000、构造深度≥0.6。经测试，结果如下：
[0097]
表4 sac-5性能测试结果
[0098]
检测项目试验结果技术指标要求构造深度(mm)0.91≥0.6渗水系数(ml/min)0≤8060℃动稳定度(次/mm)7125≥5500浸水残留稳定度(％)88.4≥85残留强度比tsr(％)86.6≥80低温破坏应变(με)3500≥2800
[0099]
本发明的骨架密实型超薄罩面沥青混合料具有低温抗变形能力强、抗水损害能力强等良好的特点。本发明优选实施方式的沥青混合料在60℃下的动稳定度能达到7000次/mm以上，-10℃下的低温最大弯拉应变达到3000με以上，抗水损害性能方面，冻融劈裂残留强度比达到88％以上，均超过行业标准《公路沥青路面施工技术规范》(jtg f40-2004)中性能指标要求。
[0100]
以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明申请保护的范围。在不脱离本发明的精神和原则的前提下，本发明还会有各种修改、替换以及改进等，这些变化均应包含在本发明的保护范围内。