一种骨架稳定和抗离析的沥青混合料级配设计方法

1.本发明涉及道路工程领域，具体为一种骨架稳定和抗离析的沥青混合料级配设计方法。


背景技术：

2.关于沥青混合料的设计方法，目前具有代表性的有马歇尔设计法、superpave法、gtm法和贝雷法等。马歇尔试件击实成型方式与真实沥青路面在压实过程和行车荷载作用下的碾压、揉搓作用存在较大差异。superpave法是美国shrp公路研究战略计划中的一部分，是一种沥青混合料设计的综合体系。沥青混合料的级配控制是通过控制点和限制区域，限制区域是为了防止级配设计中天然砂的含量过多。
3.沥青结合料是根据路面的使用温度来选择的，并采用新型试验方法dsr将不同性能的沥青结合料进行pg分级。gtm法为沥青混合料旋转压实成型方法，是美国工程兵团为了军事需求而研发的。基本原理是基于压实过程的压实平衡参数，来确定沥青混合料密度和最佳油石比。该项技术证实能更加接近于实际沥青路面施工压实和行车荷载的过程模拟，并得到了国内外研究学者的一致认可；贝雷法适用于密级配沥青混合料及sma的设计。
4.国内张肖宁提出了一种沥青混合料主骨料填充密实方法cavf，该方法将4.75mm粒径作为粗细集料的分界点，并通过4.75mm以上粗集料的表观密度和紧装密度来计算粗集料空隙率，在此空隙范围内保证设计空隙要求，其余空隙通过细集料、矿粉和沥青填充。19世纪80年代，沙庆林提出了sac矿料级配设计法，其设计原则是保证粗集料形成骨架嵌挤结构，根据粗集料间隙率大小，用细集料和沥青进行填充，使混合料达到最大密实状态，空隙小，水稳定性好，又增强了其高温抗变形能力。
5.有较多研究者针对沥青混合料马歇尔设计方法的不足，试图对其进行了优化，优化时考虑了沥青混合料的高温性能、力学性能及均匀性等，通过提出的评价指标，与马歇尔体积指标共同确定最佳沥青用量及矿料级配。然均未从矿料颗粒特性和颗粒接触滑移特性等方面进行混合料的设计和优化。
6.国际上普遍采用的沥青混合料马歇尔设计方法属于经验性设计方法；在级配设计阶段，主要是根据经验在规范中进行粗放式初选，无法与力学性能以及离析行为、压实特性建立对应关系。
7.然而，沥青路面的早期病害和耐久性不足等问题依然存在，沥青混合料的级配设计和施工质量控制决定了路面的耐久性；沥青混合料属于多级多相颗粒性材料，具有非均质、非连续及随机性等特点，仅采用传统的设计方法和参数难以准确分析和控制沥青混合料在生产阶段的离析行为，也难以准确反映在服役阶段的骨架强度，使得沥青混合料级配设计与质量控制顾此失彼。基于此，本发明提出了一种骨架稳定和抗离析的沥青混合料级配设计方法。


技术实现要素：

8.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种骨架稳定和抗离析的沥青混合料级配设计方法。
9.本发明通过以下技术方案予以实现：
10.方案一：确定沥青混合料级配骨架稳定性的关键指标复合棱角指数ci
ga
：
11.根据公路沥青路面施工技术规范jtgf40-2004，计算了ac-13上限、ac-13中值、ac-13下限、ac-16中值和ac-20中值5个级配的复合几何指标；
12.所述复合几何指标包括复合形状指数ci
sp
、复合纹理指数ci
tx
和复合棱角指数ci
ga
；然后开展矿料接触滑移试验，并测量了5个级配的最大滑移作用力fm；复合形状指数ci
sp
、复合纹理指数ci
tx
和复合棱角指数ci
ga
与最大滑移作用力fm之间的关系如图1所示。
13.最大滑移作用力fm表征接触最剧烈、骨架结构处于最稳定状态时级配矿料系统的接触特性；由图1可知，复合棱角指数ci
ga
与最大滑移作用力fm呈较好的线性关系，相关系数高达0.963；这说明复合棱角指数ci
ga
是影响颗粒接触状态的主要因素，因此本发明选择复合棱角指数ci
ga
作为沥青混合料级配骨架稳定性的关键指标。
14.方案二：一种骨架稳定和抗离析的沥青混合料级配设计方法，包括以下步骤：
15.步骤1，建立复合棱角指数ci
ga
与离析倾向性指数sti的关系；所述抗离析级配的标准以离析倾向性指数sti来确定，如式(1)所示：
[0016][0017]
式(1)中：
[0018]
sti为离析倾向性指数；
[0019]
ci
ga
为复合棱角指数；
[0020]
ci
max
为复合棱角指数的最大值；
[0021]
步骤2，根据公路沥青路面施工技术规范，设计多个矿料级配；
[0022]
步骤3，计算每个矿料级配的复合棱角指数ci
ga
，然后计算每个矿料级配的离析倾向性指数sti；
[0023]
步骤4，根据每个矿料级配的复合棱角指数ci
ga
的值和离析倾向性指数sti的值，选择最优矿料级配；
[0024]
首先，对每个矿料级配的离析倾向性指数sti根据如下标准进行归类，并确定最优的混合料集料离析程度对应的矿料级配，具体如下：
[0025]
sti的值在0.6～0.7时，矿料级配的沥青混合料集料离析程度为无离析；
[0026]
sti的值在0.7～0.8时，矿料级配的沥青混合料集料离析程度为粗集料轻度离析；
[0027]
sti的值在0.8～0.9时，矿料级配的沥青混合料集料离析程度为粗集料中度离析；
[0028]
每个矿料级配的离析倾向性指数sti对应一种沥青混合料集料离析程度，矿料级配的沥青混合料集料离析程度从最优到次优依次为：无离析、粗集料轻度离析和粗集料中度离析；
[0029]
对于有多个矿料级配是最优的混合料集料离析程度的情况，将进行第二次选择；具体为，根据每个矿料级配的复合棱角指数ci
ga
的值，选择多个矿料级配中，复合棱角指数ci
ga
最大的矿料级配作为最优矿料级配。
[0030]
进一步的，步骤1中的ci
ga
复合棱角指数的计算方法如式(2)所示；
[0031][0032]
式(2)中：
[0033]ai
为级配设计中第i级集料分计筛余百分比；
[0034]
n为级配设计中所有集料的粒径挡数；
[0035]
m为级配设计中所用粗集料的粒径档数；
[0036]gi
为第i级集料的体积相对密度；
[0037]di
为第i级集料的平均粒径，其中p
i 1
为第i 1集的筛孔尺寸；
[0038]vwi
为集料颗粒形状的加权体积，v
wi
＝v
ci
×spi
v
si
×
(1-spi)，其中，立方体体积：球体体积：
[0039]
gai为第i级集料的棱角梯度；
[0040]
m为矿质集料的总质量。
[0041]
进一步的，选择复合棱角指数ci
ga
作为优选骨架稳定性好的指标，在相同的离析倾向性指数sti范围内，复合棱角指数ci
ga
越大，相应地沥青混合料骨架嵌挤强度越高，相应地沥青混合料的骨架稳定性越高。
[0042]
进一步的，步骤1中，沥青混合料的复合棱角指数的最大值ci
max
，具体的，沥青混合料的复合棱角指数最大值ci
max
为40008.2752815776。
[0043]
与现有技术相比，本发明具有以下的技术效果：
[0044]
(1)本发明提供的一种骨架稳定和抗离析的沥青混合料级配设计方法，采用复合棱角指数检验矿料级配的骨架稳定性，通过计算集料倾向性指数对拌和、摊铺、压实成型后沥青路面的离析情况进行预判，保证了矿料接触及骨架效应；
[0045]
(2)本发明提供的一种骨架稳定和抗离析的沥青混合料级配设计方法，采用复合棱角指数检验矿料级配的骨架稳定性，通过计算集料倾向性指数对拌和、摊铺、压实成型后沥青路面的离析情况进行预判，很大程度上降低了离析发生的可能性，可以有效提升沥青混合料的摊铺均匀性及力学性能。
附图说明
[0046]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0047]
图1为复合形状指数ci
sp
、复合纹理指数ci
tx
和复合棱角指数ci
ga
与最大滑移作用力fm之间的关系示意图；
具体实施方式
[0048]
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
[0049]
一种骨架稳定和抗离析的沥青混合料级配设计方法，包括以下步骤：
[0050]
步骤1，建立复合几何指标与离析倾向性指数sti的关系，以确定优选骨架稳定级配的指标和抗离析级配的标准；所述抗离析级配的标准以离析倾向性指数sti来确定，如式(1)所示；
[0051][0052]
式(1)中
[0053]
sti为离析倾向性指数；
[0054]
ci
ga
为复合棱角指数；
[0055]
ci
max
为复合棱角指数的最大值；
[0056]
具体的，ci
max
的值为40008.2752815776；
[0057]
具体的，沥青混合料的复合棱角指数ci
ga
如式(2)所示：
[0058][0059]
式(2)中：
[0060]ai
为级配设计中第i级集料分计筛余百分比；
[0061]
n为级配设计中所有集料的粒径挡数；
[0062]
m为级配设计中所用粗集料的粒径档数；
[0063]gi
为第i级集料的体积相对密度；
[0064]di
为第i级集料的平均粒径，其中p
i 1
为第i 1集的筛孔尺寸；
[0065]vwi
为集料颗粒形状的加权体积，v
wi
＝v
ci
×
spi v
si
×
(1-spi)，其中，立方体体积：球体体积：
[0066]
gai为第i级集料的棱角梯度；
[0067]
m为矿质集料的总质量。
[0068]
步骤2，根据公路沥青路面施工技术规范jtgf40-2004，以sma-16级配为例，在sma-16级配范围内设计了级配1、级配2和级配3，如下表1所示：
[0069]
表1 sma16设计级配及级配范围取值
[0070][0071][0072]
步骤3，根据表1，计算级配1、级配2和级配3的复合棱角指数ci
ga
，然后计算级配1、级配2和级配3的离析倾向指数sti，具体如下：
[0073]
(1)根据步骤1计算级配1、级配2和级配3的复合棱角指数ci
ga
，计算结果如下表2所示；然后计算级配1、级配2和级配3的离析倾向指数sti，计算结果如下表3所示：
[0074]
表2各矿料级配复合棱角指数ci
ga
[0075]
设计级配级配1级配2级配3ci
ga
29211.8527427.8728336.39
[0076]
表3各矿料级配离析倾向指数
[0077]
设计级配级配1级配2级配3ci
ga
29211.8527427.8728336.39sti0.8104610.7609660.786172
[0078]
步骤4，根据表3中级配1、级配2和级配3的复合棱角指数ci
ga
的值和离析倾向性指数sti的值，选择最优矿料级配；
[0079]
首先，对级配1、级配2和级配3所对应的倾向性指数sti根据如下标准进行归类，并确定最优的混合料集料离析程度对应的矿料级配，具体如下：
[0080]
sti的值在0.6～0.7时，矿料级配的沥青混合料集料离析程度为无离析；
[0081]
sti的值在0.7～0.8时，矿料级配的沥青混合料集料离析程度为粗集料轻度离析；
[0082]
sti的值在0.8～0.9时，矿料级配的沥青混合料集料离析程度为粗集料中度离析；
[0083]
对应地，级配2和级配3的沥青混合料集料离析程度均为粗集料轻度离析；
[0084]
级配1的沥青混合料集料离析程度为粗集料中度离析；
[0085]
由于矿料级配的沥青混合料集料离析程度从最优到次优依次为：无离析、粗集料轻度离析和粗集料中度离析；从而选择级配2和级配3为最优沥青混合料集料离析程度对应的矿料级配；
[0086]
对级配2和级配3进行第二次选择，如表2所示，由于级配3的复合棱角指数ci
ga
大于级配2的复合棱角指数ci
ga
，最终选择级配3为最优矿料级配。
[0087]
下面结合试验对本发明的效果做进一步说明：
[0088]
(1)级配1、级配2和级配3的骨架稳定性试验
[0089]
按照普通的马歇尔法对sma-16进行级配优选，具体过程为选择初始沥青用量，并测得各级配沥青混合料的物理指标，如毛体积密度、空隙率、vma和vca
mix
。在各物理指标均满足要求的级配中，再选择vma较大、空隙率适中的级配作为最佳级配；试验测得级配1、级配2和级配3的物理指标如表4所示：
[0090]
表4所设计级配的物理指标
[0091]
级配最大理论密度毛体积密度空隙率/％vma/％vcamin/％vca
drc
/％级配12.6412.5423.8318.8733.7045.06级配22.6322.5562.9417.9239.1641.93级配32.6372.5483.4618.4236.1243.35
[0092]
根据沥青路面施工技术规范jtc f40-2004，采用所述规范中推荐的sma16沥青混合料的设计空隙率范围要求为3％～4％，可看出级配2不符合要求，级配1和级配3符合要求；由表4可知，级配1和级配3的vma指标均符合vma＞17％的要求，且各级配的vcamin均满足vcamin≤vca
drc
的要求，通过比较，但级配3的空隙率适中，因此选择级配3为最佳级配；这说明采用本发明设计的级配可靠性较高。
[0093]
对级配3成型的沥青混合料进行车辙试验试验动稳定度，结果如表5所示：
[0094]
表5级配3沥青混合料进行车辙试验对应的动稳定度
[0095][0096]
沥青混合料的动稳定度是骨架稳定性的宏观表现，通过表5可看出，级配3成型的沥青混合料的动稳定度远远高于技术要求的3000(次/mm)以上，体现了级配3具有较高的骨架稳定性。
[0097]
综上，本发明选择级配3为优选矿料级配。
[0098]
(2)对级配3基于pqi的路面非均匀性试验
[0099]
依托江西省石城至吉安高速公路段(简称石.吉高速)，采用本研究推荐的级配3型沥青混合料铺筑试验路；
[0100]
所述铺筑试验路中，沥青混合料的拌合温度为170℃，初压温度为150℃，复压温度为135℃，铺筑方式采用全幅式摊铺方式；
[0101]
借助pqi的快速无损、大样本的检测优势，在摊铺离析的基础上，针对路面施工中的集料离析、温度离析以及压实不均产生的路面密度的变异性，采用统计学方法定量评价施工中的离析程度；如下，表6为中面层路面pqi检测数据，取样间隔为横断面间距1.5m，距边0.75cm，纵断面间距2m。
[0102]
表6pqi检测路面密度数据
[0103][0104][0105]
采用级配3成型的沥青混合料，其对应的理论最大相对密度为2637kg/m3，对各检测点的压实度进行计算，并进行压实度参数统计分析，压实度计算和分析结果如下表7和表8所示：
[0106]
表7不同检测点压实度数据(％)
[0107]
桩号横断面1横断面2横断面3横断面4横断面5横断面6横断面7k71 91595.3595.4795.5996.2795.8796.7195.11k71 91796.3195.2795.4796.3196.3597.1994.83k71 91995.9195.2395.3995.8795.9596.2394.99k71 92195.2795.5596.1195.6395.9995.9195.55k71 92395.5995.9596.7596.0395.6396.3595.3lk71 92594.6795.5996.2796.2395.5596.9594.18k71 92795.1995.6396.7195.9995.7195.7594.62k71 92994.3496.1996.8395.5996.2796.2394.75k71 93194.4696.2796.0395.1195.9195.6394.71k71 93395.2796.0795.8395.6795.8395.9994.14
[0108]
表8压实度参数统计分析
[0109]
统计量平均值(％)标准差(％)变异系数(％)数据95.710.650.67
[0110]
由表7和表8可知，各测点压实度在94％～97％之间，变异系数为0.67％，即小于1％，这表明采用级配3所铺筑沥青路面，其压实质量和均匀性良好。
[0111]
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员是显而易见的，因此，在不偏离本发明的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。