一种石灰岩用于双层排水路面下层结构的方法与流程

本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种石灰岩用于双层排水路面下层结构的方法。

背景技术：

双层排水路面具有良好的排水降噪性能，在我国多雨地区得到了逐步推广。由于采用了较大的空隙率(20％～25％)，双层排水混合料主要依赖集料之间的点接触来承受荷载，因而对集料的要求较高，常采用玄武岩或辉绿岩。玄武岩或辉绿岩在我国部分地区分布匮乏，需要远运材料，代价较高。

对于双层排水路面下层结构而言，全部采用玄武岩或辉绿岩作为集料，则其建造成本较常规的密实型沥青混合料高约20％～30％。

目前并无针对双层排水路面下层结构混合料中集料的替代方法。而常规的沥青混合料中集料替代方法，多数为用消石灰或水泥替代混合料中的矿粉(填料)，或者笼统地将混合料中的细集料由玄武岩替代为石灰岩。并没有根据混合料中各档集料的受力特性，进行针对性替换，其结果是要么替代率过小，没有起到有效降低建造成本的目的；要么替代不合理，造成混合料性能的大幅下降。

若能根据荷载在排水沥青路面中的分布，将那些不承受主要荷载的集料，用石灰岩替换玄武岩或辉绿岩，则可在不降低混合料性能的同时，有效降低排水混合料建造成本。

技术实现要素：

发明目的：本发明提出一种石灰岩用于双层排水路面下层结构的方法，将不承受主要荷载的集料替换为石灰岩，在不降低混合料性能的同时，有效降低排水混合料的建造成本。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种石灰岩用于双层排水路面下层结构的方法，包括如下步骤：

a)设计双层排水路面下层结构的集料级配、空隙率和厚度；

b)基于步骤a)采用离散元方法，构建多组双层排水路面结构的离散元数字模型，确定相关模型参数；

c)对所述的离散元数字模型施加边界条件和荷载，获得荷载在双层排水路面下层结构中的力链分布；

d)确定沿所述的力链分布路径且承受主要荷载的集料的平均粒径，并对应到最接近的标准筛孔区间；其中，所述的主要荷载大于等于双层排水路面下层结构混合料中所有集料表面所承受的最大压力的60％；

e)所述的标准筛孔区间的集料采用玄武岩或辉绿岩，其余筛孔区间的集料采用石灰岩，掺配改性沥青得到沥青混合料；

f)验证所述的沥青混合料性能是否满足规范技术要求。

进一步地，所述的步骤a)的具体方法：按照骨架空隙结构并与上层结构相匹配的原则，设计双层排水路面下层结构的集料级配、空隙率和厚度。

进一步地，所述的步骤b)的具体方法：按照a)步骤所得集料级配、空隙率和厚度，采用离散元方法，构建多组双层排水路面结构的离散元数字模型，确定集料、砂浆材料参数以及相互接触参数。

进一步地，步骤c)中，对所述的离散元数字模型施加位移边界条件和竖向荷载，计算获得荷载在双层排水路面下层结构中的力链分布。

进一步地，所述的步骤d)中采用荷载加权方法。

进一步地，所述的荷载加权方法是采用下式确定所述的集料的平均粒径：

d＝σ(pi×di)/σpi，其中pi≥60％p；

式中：d为集料的平均粒径，mm；di为i集料的粒径，mm；pi为i集料表面所承受的压力，mpa；p为双层排水路面下层结构混合料中所有集料表面所承受的最大压力，mpa。

进一步地，所述的对应到最接近的标准筛孔区间是当多次计算确定的承受主要荷载的集料平均粒径位于某相邻两档标准筛孔之间时，该平均粒径对应到该两档标准筛孔区间；当多次计算确定的集料平均粒径跨越某相邻两档及以上标准筛孔时，该平均粒径对应到由最小标准筛孔和最大标准筛孔确定的标准筛孔区间。

发明原理：目前并无针对双层排水路面下层结构混合料中集料的替代方法。而常规的混合料中集料替代方法，多数为用消石灰或水泥替代混合料中的矿粉(填料)，或者笼统地将混合料中的细集料由玄武岩替代为石灰岩。并没有根据混合料中各档集料的受力特性，进行针对性替换，其结果是要么替代率过小，没有起到有效降低建造成本的目的；要么替代不合理，造成混合料性能的大幅下降。本申请根据荷载在双层排水沥青路面中的分布，将那些不承受主要荷载的集料，用石灰岩替换玄武岩或辉绿岩，则可在不降低混合料性能的同时，有效降低排水混合料建造成本。

有益效果：与现有技术相比，本发明一种石灰岩用于双层排水路面下层结构的方法，根据双层排水路面下层结构混合料中集料的受力特性，保留承受主要荷载的集料为玄武岩或辉绿岩，而将其他集料替换为石灰岩，在不降低混合料性能的前提下，有效降低了混合料的建造成本，为玄武岩或辉绿岩匮乏地区铺筑双层排水路面提供了一条有效途径。

附图说明

图1为本发明的石灰岩用于双层排水路面下层结构的流程图；

图2为本发明的双层排水路面下层结构中的荷载力链分布；

附图标记：1-双层排水路面上层结构、2-双层排水路面下层结构、3-力链、4-荷载。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。

一种石灰岩用于双层排水路面下层结构的方法，包括如下步骤：

a)设计双层排水路面下层结构的集料级配、空隙率和厚度；

b)基于步骤a)采用离散元方法，构建多组双层排水路面结构的离散元数字模型，确定相关模型参数；

c)对离散元数字模型施加边界条件和荷载，获得荷载在双层排水路面下层结构中的力链分布；

d)确定沿力链分布路径且承受主要荷载的集料的平均粒径，并对应到最接近的标准筛孔区间；其中，主要荷载大于等于双层排水路面下层结构混合料中所有集料表面所承受的最大压力的60％；

e)标准筛孔区间的集料采用玄武岩或辉绿岩，其余筛孔区间的集料采用石灰岩，掺配改性沥青得到沥青混合料；

f)验证沥青混合料性能是否满足规范技术要求。

步骤a)的具体方法：按照骨架空隙结构并与上层结构相匹配的原则，设计双层排水路面下层结构的集料级配、空隙率和厚度。

步骤b)的具体方法：按照a)步骤所得集料级配、空隙率和厚度，采用离散元方法，构建多组双层排水路面结构的离散元数字模型，确定集料、砂浆材料参数以及相互接触参数。

步骤c)中，对离散元数字模型施加位移边界条件和竖向荷载，计算获得荷载在双层排水路面下层结构中的力链分布。

步骤d)中采用荷载加权方法。

荷载加权方法是采用下式确定集料的平均粒径：

d＝σ(pi×di)/σpi，其中pi≥60％p；

式中：d为集料的平均粒径，mm；di为i集料的粒径，mm；pi为i集料表面所承受的压力，mpa；p为双层排水路面下层结构混合料中所有集料表面所承受的最大压力，mpa。

对应到最接近的标准筛孔区间是当多次计算确定的承受主要荷载的集料平均粒径位于某相邻两档标准筛孔之间时，该平均粒径对应到该两档标准筛孔区间；当多次计算确定的集料平均粒径跨越某相邻两档及以上标准筛孔时，该平均粒径对应到由最小标准筛孔和最大标准筛孔确定的标准筛孔区间。

结合图1，说明一种石灰岩用于双层排水路面下层结构的方法。

步骤一：设计双层排水路面下层结构2的集料级配、空隙率和厚度

按照骨架空隙结构并与上层结构相匹配的原则，设计双层排水路面下层结构2的集料级配、空隙率和厚度。如果双层排水路面上层结构1采用pac-10混合料，则双层排水路面下层结构2采用pac-16混合料；如果双层排水路面上层结构1采用pac-13混合料，则双层排水路面下层结构2采用pac-20混合料。双层排水路面上层结构1、双层排水路面下层结构2的空隙率均为20％～25％。双层排水路面上层结构1厚度一般为25mm～40mm，双层排水路面下层结构2厚度则一般为40mm～60mm。

步骤二：构建双层排水路面结构离散元数字模型，确定相关模型参数

按照步骤一所得集料级配、空隙率和厚度，采用离散元方法，构建多组双层排水路面结构(包含上层结构1和下层结构2)的离散元数字模型；确定集料、砂浆材料参数以及相关接触参数。

步骤三：计算获得荷载在双层排水路面下层结构2中的力链分布

对步骤二中获得的模型施加位移边界条件和竖向荷载4，获得荷载在双层排水路面下层结构2中的力链3分布。若力链分布较分散，选取集料表面承受最大荷载的力链。

步骤四：确定承受主要荷载的集料平均粒径，对应到最接近的标准筛孔区间

按照步骤三所得荷载作用下的力链3分布，采用荷载加权方法，确定混合料中沿力链路径、并承受主要荷载的集料的平均粒径，并对应到最接近的标准筛孔区间。其中承受主要荷载指的是某一集料表面所受压力大于等于所有集料表面所受最大压力的60％。标准筛孔尺寸(从小到大)一般指0.075mm、0.15mm、0.3mm、0.6mm、1.18mm、2.36mm、4.75mm、9.5mm、13.2mm、16.0mm、19.0mm、26.5mm和31.5mm。如果多次计算所得集料的平均粒径为8.5mm，则对应为4.75mm～9.5mm筛孔区间。如果多次计算所得集料的平均粒径差异较大，则对应为由最小标准筛孔和最大标准筛孔确定的标准筛孔区间，如第一次计算为8.5mm，第二次计算为10.2mm，则对应为4.75mm～13.2mm的标准筛孔区间。

步骤五：将混合料中不承受主要荷载(即承受次要荷载)的集料替换为石灰岩

将步骤四所得的筛孔区间内承受主要荷载的集料，保持为玄武岩或辉绿岩集料；其余承受次要荷载的集料替换为石灰岩。

步骤六：验证混合采用这两种石料的沥青混合料性能

将步骤五所得的两种集料规格(一种为承受主要荷载的玄武岩或辉绿岩，另一种为承受次要荷载的石灰岩)，掺加适量的高黏改性沥青，成型满足空隙率要求的双层排水路面下层结构2混合料试件，检验沥青混合料的性能如动稳定度和冻融劈裂强度比等是否满足规范技术要求。

实施例：

步骤一：采用25mmpac-10+40mmpac-16双层排水路面结构(其中pac-16作为双层排水路面结构下层2)，上下层结构1、2空隙率均为20％。

步骤二：根据pac-10和pac-16混合料级配，采用离散元方法，构建多组双层排水路面结构的离散元数字模型，确定集料、砂浆材料参数以及相关接触参数。

步骤三：对上述离散元数字模型施加边界条件(底部位移全为零、两侧水平方向位移为零)和竖向荷载4，获得荷载4在双层排水路面下层结构2的pac-16中的力链3分布(图2)。

步骤四：采用荷载加权法，计算确定pac-16混合料中承受主要荷载的集料平均粒径为8.5mm，对应到4.75mm～9.5mm标准筛孔区间。

步骤五：将标准筛孔区间4.75mm～9.5mm的集料采用玄武岩(占总集料质量的45％)，其余粒径规格的集料采用石灰岩(占总集料质量的55％)。

步骤六：在由以上两种集料组成的矿料中，掺入4.4％的高黏改性沥青，成型pac-16沥青混合料试件，测得pac-16沥青混合料的性能如表1所示。

表1pac-16混合料性能测试结果

由表1可知，采用石灰岩替代pac-16中承受次要荷载的玄武岩后，动稳定度降低约2.2％，混合料抗高温变形的能力略有降低；低温弯曲应变和冻融劈裂强度比分别增加了2.5％和1.2％，得益于石灰岩集料与沥青较好的粘附能力(大于玄武岩集料与沥青的粘附能力)。这表明，采用石灰岩替代混合料中部分承受次要荷载的玄武岩集料后，混合料的性能仍能满足规范要求。而集料原材料成本约可降低20～30％，这为玄武岩或辉绿岩匮乏地区修建双层排水路面提供了一条经济有效的途径。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。