一种高摩阻薄层罩面沥青混合料组成设计方法与流程

本发明属于道路养护技术领域，涉及一种高摩阻薄层罩面沥青混合料组成设计方法。

背景技术：

我国公路行业已经由“建设为重”转向“建养管并重”，大量的沥青路面面临着养护维修任务。由于环境因素、结构设计、超载车辆、交通量等因素的影响，早期修筑的很多沥青路面虽然路面结构性完整，但路用性能已经大大降低，主要表现在路面破损(裂缝、坑槽、车辙等)、抗滑性能、平整度和行车舒适性等性能的降低。亟需一种既节约养护费用又能快速恢复道路表面功能的养护技术。

薄层沥青混凝土罩面作为一种养护技术，既可以用于新建公路的预防性养护又能够用于旧路病害的矫正性养护，并且还符合减薄面层厚度这种道路建设的可持续发展战略，是解决以上问题的良策，然而现有的薄层沥青混凝土罩面的高温稳定性、水稳定性及抗磨耗性能较差，因此需要开发一种高摩阻薄层罩面沥青混合料组成的设计方法，以提高薄层沥青混凝土罩面的高温稳定性、水稳定性及抗磨耗性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种高摩阻薄层罩面沥青混合料组成设计方法，该方法设计得到的沥青混合料能够有效的提高薄层沥青混凝土罩面的高温稳定性、水稳定性及抗磨耗性能。

为达到上述目的，本发明所述的高摩阻薄层罩面沥青混合料组成设计方法包括以下步骤：

1)获取原材料，所述原材料包括集料、填料及沥青，其中，集料包括粗集料及细集料；

2)确定集料、填料及沥青的密度，同时测量粗集料的体积填充率v0、理论级配v1、合成密度、紧密堆积密度ρs及间隙率vca，并且确定细集料的理论级配及合成密度、填料的理论级配及合成密度；

3)计算粗集料的用量、细集料的用量及油石比；

4)根据粗集料的用量、细集料的用量及油石比计算沥青混合料的级配，完成高摩阻薄层罩面沥青混合料组成设计。

所述填料由强基性岩石经磨细得到。

粗集料及沥青的密度通过网篮法进行测试；细集料及填料的密度通过比重瓶法进行测试。

粗集料的理论级配为：

其中，v0为粗集料单独填充时的填充率；d为粗集料的粒径，d为细集料的沥青。

通过马歇尔击实仪单面击实100次使粗集料达到紧密堆积状态，然后测量粗集料的密度ρs及间隙率vca。

粗集料的用量、细集料的用量及油石比分别为：

g+g＝100％(2)

其中，g为集料中粗集料的质量百分含量，g为集料中细集料的质量百分含量，ρg为粗集料与细集料混合后的密度，vma为沥青混合料的矿料间隙，pa为沥青混合料的油石比，ρa为沥青的密度，vv为沥青混合料的空隙率。

粗集料的粒径为2.36～9.5mm。

细集料的粒径为0.075～1.18mm。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的高摩阻薄层罩面沥青混合料组成设计方法在具体操作时，根据集料、填料及沥青的性能测试结果计算粗集料的用量、细集料的用量及油石比，然后根据粗集料的用量、细集料的用量及油石比计算沥青混合料的级配，经检测，通过该级配制备得到的薄层沥青混凝土罩面的高温稳定性、水稳定性及抗磨耗性能较为优良，设计较为合理。

附图说明

图1为不同粒径集料的压碎筛分试验结果图；

图2为不同粒径颗粒破碎生成的细颗粒的级配拟合图；

图3为不同级配的曲线图；

图4a为毛体积相对比密度随油石比与的变化图；

图4b为孔隙率随油石比与的变化图；

图4c为vma随油石比与的变化图；

图4d为vfa随油石比与的变化图；

图4e为稳定度随油石比与的变化图；

图4f为流值随油石比与的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的高摩阻薄层罩面沥青混合料组成设计方法包括以下步骤：

1)获取原材料，所述原材料包括集料、填料及沥青，其中，集料包括粗集料及细集料；粗集料的粒径为2.36～9.5mm；细集料的粒径为0.075～1.18mm。

2)确定集料、填料及沥青的密度，同时测量粗集料的体积填充率v0、理论级配v1、合成密度、紧密堆积密度ρs及间隙率vca，并且确定细集料的理论级配及合成密度、填料的理论级配及合成密度；

3)计算粗集料的用量、细集料的用量及油石比；

4)根据粗集料的用量、细集料的用量及油石比计算沥青混合料的级配，完成高摩阻薄层罩面沥青混合料组成设计。

其中，所述填料由强基性岩石经磨细得到；粗集料及沥青的密度通过网篮法进行测试；细集料及填料的密度通过比重瓶法进行测试。

粗集料的理论级配为：

其中，v0为粗集料单独填充时的填充率；d为粗集料的粒径，d为细集料的沥青。

通过马歇尔击实仪单面击实100次使粗集料达到紧密堆积状态，然后测量粗集料的密度ρs及间隙率vca。

粗集料的用量、细集料的用量及油石比分别为：

g+g＝100％(2)

其中，g为集料中粗集料的质量百分含量，g为集料中细集料的质量百分含量，ρg为粗集料与细集料混合后的密度，vma为沥青混合料的矿料间隙，pa为沥青混合料的油石比，ρa为沥青的密度，vv为沥青混合料的空隙率。

实施例一

本实施例选用公称最大粒径为7.1mm的陕西泾阳石灰岩集料，矿粉采用石灰岩经磨细得到，沥青选用陕西国创sbsⅰ-c改性沥青。

原料的密度如表1所示：

表1

粗集料的体积填充率v0为58.09％，粗集料的理论级配如表2所示：

表2

确定细集料及填料的理论级配及合成密度的具体操作为：

将3kg已经烘干的集料分三层捣实放入压碎值筒中，在400kn的荷载压力下进行压碎试验，然后得筛分压碎后的集料，在此选取与7.1mm相近的粒径范围，表3为粒径分别为2.36mm、4.75mm、7.1mm及9.5mm的石灰岩先压碎后筛分试验的试验结果，其为四次平行试验结果的平均值。

表3

由表3可以看出，各粒径集料经过压碎试验后，集料大面积破碎，并破碎成不同粒径大小的颗粒，将表3中试验结果绘成图1。从图1可以看出，这四种不同原始粒径的集料压碎筛分后，2.36～4.75mm的集料所占比例比1.18～2.36mm大很多。在较大的外力作用下，作为骨架的颗粒会破碎，而填充的颗粒不破碎。可见，小于2.36mm的集料破碎很少，只是起到填充作用。由此得到最大公称粒径为7.1mm的集料的分界筛孔为2.36mm。当沥青混合料最大公称粒径为7.1mm时，认为≥2.36的粗集料互相支撑组成混合料的骨架结构，而＜2.36mm的细集料及填料则填充在骨架结构的空隙中，从而组成整个体系，沥青混合料进一步填充于体系的间隙中，以致组成整个沥青混合料。

观察图1的压碎筛分曲线可以发现，不同粒径集料的压碎筛分曲线从1.18mm开始，该段曲线形式非常相似。虽然原始集料粒径相差较大，但经过压碎试验后，其破碎新生成的细颗粒级配却极为相似；将9.5mm、7.1mm、4.75mm及2.36mm的压碎筛分试验结果一起进行回归，发现通过百分率与筛孔尺寸有着明显的线性关系，相关系数很高，如图2所示。

粗集料在压力的作用下发生破碎，并随着压力的增大破碎生成的细小颗粒的总量也在增加，但是细小颗粒之间的比例关系始终保持不变。而集料破碎后细小颗粒形成的比例关系可以认为是一种级配，这也代表着集料的某种稳定状态。路面的宏观构造与细集料类型有关，采用上述线性细集料级配可以提高沥青混合料的空隙率，进而提高沥青路面的抗滑能力，而矿粉采用最大密实度理论公式计算。在此将上述细集料级配运用到高摩阻沥青混合料设计中。

为研究不同细集料级配对混合料性能的影响，尤其是抗滑性能，实验指数n分别取0.25、0.30及0.35，而为了更有针对性验证所设计的级配，细集料级配按照最大密实度理论，取n＝0.45，加入一种对照细集料级配，所有细集料的级配如表4所示。

表4

根据表4中的细集料的理论级配，可以计算出细集料和填料的合成密度，结果见表5。

表5

确定粗集料的紧密堆积密度ρs及间隙率vca的具体过程为：

将粗集料按表2中的相对比例合成，通过单面击实100次来实现粗集料的紧密堆积状态，并测定其密度ρs及间隙率vca，实测结果如下：ρs＝1.675(g/cm3)；vca＝(1-ρs/ρg)×100％＝(1-1.675/2.749)×100％＝39.07％。

再计算粗集料用量、细集料用量及油石比，其中，粗集料用量g＝74.47％，细集料用量g＝25.53％，油石比pa＝6.22％。

表6

根据表6计算得到的粗集料及细集料的用量，可将表2及表4中的理论级配换算为沥青混合料的级配；为方便表达，将n＝0.25、0.3、0.35及0.45所对应的高摩阻薄层罩面分别命名为hfc-1、hfc-2、hfc-3及hfc-4，具体级配组成如表7，所有合成级配曲线见图3。

表7

由图3可以看出，级配hfc-1、hfc-2、hfc-3和hfc-4的级配曲线在细集料范围稍有差异，粗集料范围几乎一致。与sma-5相比，hfc级配偏粗。

本发明还公开了一种最佳油石比的确定方法，具体包括以下步骤：

根据计算得到的油石比为6.2％，采用马歇尔试验确定最佳油石比，油石比范围为5.2％-7.2％，以0.5％为间隔，双面击实50次成型马歇尔试件，测得各级配马歇尔试件性能。

以hfc-3为例，将试验数据绘成图4a至图4f，以确定最佳油石比。

结合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)要求，根据图4a至图4f中油石比与各项指标的要求，可得hfc-3的最佳油石比为6.58％，同理可得hfc-1、hfc-2和hfc-4的最佳油石比分别为5.73％、6.18％和6.09。对于级配形式相同的hfc-1、hfc-2及hfc-3，随着n取值的增大，油石比也增大。这是因为n越大，混合料越粗，空隙率越大，为了满足目标空隙率的要求，需要更多的沥青来填充空隙，所以油石比增大。并且这三种相似级配的油石比分别大于、等于及小于理论计算得到的油石比，可见n取值是合理的，使级配更有对比性。

以车辙试验评价其高温稳定性，按规范成型30×30×5cm的标准试件并按照t0719-2011方法对这五种混合料进行车辙试验，试验结果如表8所示。

表8

其中，d1为45min累计变形；d2为60min累计变形。

由表8所知，这五种混合料的动稳定度均大于规范中夏炎热区重载路面2800的要求。对于hfc-1、hfc-2及hfc-3这三种设计级配，油石比逐渐增大，矿料表面的沥青膜增厚，在高温和荷载作用下流动变形也相应增加，并且级配逐渐变粗，空隙率逐渐增大，所以动稳定度减小，但车辙深度减小，说明骨架较好。而sma-5和hfc-4与前面三种级配相比，动稳定度较大，车辙深度也较大，说明骨架性能没有本发明设计的级配好。

采用真空饱水马歇尔试验、浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验(t029-2000)来评价这五种混合料的水稳定性。试验结果见表9。

表9

由表9可知，这五种级配的真空饱水残留稳定度、浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比都满足规范要求。hfc-3的以上指标最低，这是因为其细级配偏粗，空隙率较大，水分更容易进入混合料内部，造成水稳性较差，但还是能够满足路用水稳性能要求。

采用肯塔堡飞散试验(t0733-2011)来评价这五种混合料的抗磨耗性能，试验结果见下表10所示。

表10

试验结果表明，这五种级配的分散损失都远远满足规范要求。hfc-1、hfc-2及hfc-3的飞散损失依次减小，这是由于n越小，油石比越小，沥青胶浆与集料的粘结能力越弱，飞散损失越多；本发明设计的三种级配的飞散损失大于hfc-4及sma-5，是由于这三种混合料的空隙率较大，容易因撞击发生剥落，但还是能够满足路用抗磨耗性能要求。