一种道路设计方法及拌和方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于道路建筑材料的组成设计领域，具体涉及在常温条件下由搅拌方式获 取的半柔性沥青混合料的配合比设计方法和拌和工艺。
【背景技术】
[0002] 路面按面层所采用材料的不同可以分为沥青路面、水泥混凝土路面、砂石路面、块 料路面等，其中沥青路面和水泥混凝土路面均采用强度较大、耐久性和稳定性较好的面层 材料，能够保证车辆快速、安全、全天候的通行，它们在世界各国都得到了十分广泛的应用。 在我国，目前这两种路面形式也已成为高等级公路路面的主要形式。
[0003] 尽管沥青路面和水泥混凝土路面应用的越来越广泛，但这两种路面形式的缺陷也 不容忽视。对于沥青路面，由于沥青是一种有机物，其具有温度敏感性、老化等固有的属性， 尤其是随着我国经济的快速发展，各等级公路呈现交通量增加快，车辆大型化、重型化等特 点，导致部分沥青路面在达到使用寿命前即出现了包括车辙、裂缝、松散、坑槽等在内的各 种损坏现象，影响了车辆的安全通行，增加了路面养护维修费用。至于水泥混凝土路面，由 于混凝土刚度较大，且受温度变化引起的胀缩和翘曲显著，通常需要设置各类横向和纵向 接缝，接缝的存在不但降低了混凝土面板的整体性，影响行车舒适性，而且接缝也是唧泥、 挤碎、拱起等损坏出现的主要位置。
[0004] 为了适应道路工程的发展要求，克服上述两种路面形式的不足，半柔性路面这种 新型路面结构形式应运而生。半柔性路面通常是指路面的刚度介于沥青路面与水泥混凝土 路面之间，即具有高于水泥混凝土路面的柔性和高于沥青路面的刚性。这种路面形式综合 了沥青路面和混凝土路面的优点，并有效的避免了这两种路面形式的缺点，表现为：半柔性 路面不仅具有比沥青路面更好的高温稳定性、低温抗裂性和耐久性，同时还比水泥混凝土 路面具有更好的行车舒适性，可有效减少混凝土路面常见的断板、开裂、脱空等病害。
[0005] 我国对半柔性路面的研宄，已经取得了一些初步成果。1986年，同济大学林绣贤教 授主持的国家自然科学基金《新型路面的复合材料一特种沥青混合料的研宄》，对分别使用 拌和法和灌浆法掺加水泥砂浆后的特种沥青混合料，进行了各种物理力学试验，比较了高 低温条件下的力学性质，其部分研宄成果已应用到高速公路路面建设中，并于1986年底， 在广东省惠深线上修建了试验路，两年后的观测发现使用效果良好。
[0006] 1990年，湖北宜昌地区公路总段在总结国内外经验的基础上，把水泥加入到沥青 混凝土中，形成了水泥沥青混凝土，并通过试验路的铺筑，初步分析了水泥沥青混凝土路面 的技术性能和施工方法。华南理工大学张肖宁教授（原为哈尔滨建筑大学教授）曾于1997 年与吉林省交通厅合作研宄《半柔性路面设计方法与应用技术的研宄》的课题，提出了适合 寒冷地区使用的半柔性混合料配合比、半柔性路面材料设计与性能评价方法和指标，探索 了半柔性路面施工工艺与机械设备以及使用的施工平面尺寸，初步论证了该技术的可行性 与优越性。
[0007] 2005年，重庆交通大学和武孝高速公路建设指挥部共同在武汉至孝感的高速公路 上，把水灰比较大的水泥浆灌注到已经铺筑完成的大空隙沥青路面上，修建了长达3. 3km 的半柔性复合路面，研宄了大空隙沥青混合料配合比和水泥胶浆的配合比，对半柔性混合 料的路用性能及其强度形成机理的研宄也取得了一定成果，并提供了较合理的施工工艺。
[0008] 2006年，武汉至英山高速公路选择了 1km路段作为试验段，试验段采用4cm排水防 滑降噪沥青磨耗层+l〇cm灌注式半柔性结构层的面层结构。现场施工时，半柔性结构层的 基体沥青混合料目标空隙率为30%，在基体沥青混凝土施工结束后，采用人工辅助必要小 型机械的方式灌注水泥浆，再清除多余水泥浆，并经养生完成半柔性结构层的铺筑。
[0009] 综上所述，目前半柔性路面施工普遍采用灌注水泥浆的方式，即首先铺筑具有高 连通大空隙的沥青面层，再在高连通空隙基体沥青混合料（连通空隙率高达20 %~30% ) 中灌入特殊性能的水泥基灌浆材料，经表面处理后，获得半柔性路面。这种方式存在的弊端 主要有：①施工工序较多，不能一次施工完毕，需首先铺筑具有连通大空隙的沥青混凝土面 层，再对大空隙混凝土面层进行水泥浆的灌注，最后还需要表面处理和养生。②后续的灌浆 主要由人工操作，浆体的灌注效果难以把握，质量难以控制。③灌浆后需要进行必要的表面 处理，通常以水冲的方式清扫多需的浆体，这些浆体往往会对施工现场的周围水体和土壤 造成污染。④为了便于水泥砂（胶）浆的灌注，保证灌注效率，水泥砂（胶）浆的水灰比通 常较大，有时甚至超过1.0。具有如此大水灰比的水泥砂浆在硬化凝结后往往会产生较多的 干缩裂纹，从而造成半柔性路面的破坏，而降低水灰比势必影响水泥砂浆的灌注效果。为了 克服灌注式半柔性路面的上述缺陷，能否在沥青混合料的拌和站对构成半柔性沥青混合料 的各种原材料（包括水泥、水、沥青、粗细矿料等）进行适当的配比设计，并根据合理的拌和 工艺采用一次搅拌的方式直接获得半柔性沥青混合料（大空隙的沥青混合料为基体、水泥 浆填充于基体的空隙），并经摊铺、碾压形成半柔性路面面层尚未见报道。
【发明内容】
[0010] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种在常温条件下通过 直接搅拌方式获取半柔性沥青混合料的拌和方法及其配合比设计方法。
[0011] 术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的直拌式半柔性常温沥青混合料的配 合比设计方法，
[0012] 本发明中，直拌式半柔性常温沥青混合料的结构包括构成骨架结构的集料、裹覆 在集料表面的乳化沥青、分散在骨架结构内部的水泥浆体和混合料内部的空隙四个部分， 其中集料和沥青构成了大空隙沥青混合料的基体，直拌式半柔性沥青混合料的配合比设计 包括基体的集料级配设计、裹覆集料所需的最佳沥青用量的确定、水泥浆体用量的确定等 三个方面。
[0013] 通过上述原理，设计步骤包括如下：
[0014] (1)大空隙沥青混合料基体的配合比设计：
[0015] (1. 1)矿料级配的设计：
[0016] 选择若干组不同筛孔通过率的矿料作为初选级配，计算每一级配集料的表面积A， 并计算沥青的用量P b;
[0017] (1. 2)最佳沥青用量的确定：
[0018] 通过上述若干组初选级配和对应的沥青用量制作相应的马歇尔试件，测定试件的 空隙率，并绘筛孔通过率与空隙率的关系曲线，通过关系曲线和目标空隙率^#反推到相应 筛孔通过率，并确定混合料的级配，再次用相同方法计算得到最佳沥青用量1% ;
[0019] (1. 3)最佳乳化沥青用量的确定：
[0020] 与OGFC -样，半柔性材料中大空隙混合料基体的沥青主要起到粘结矿料的作用， 因此可以根据半柔性材料中混合料基体的矿料级配，计算所有矿料的总表面积，考虑集料 表面裹覆的沥青膜厚度之后，计算最佳沥青用量，上述沥青用量只是乳化沥青中沥青的用 量，并不是乳化沥青的用量，因此需根据乳化沥青的固含量计算最佳的乳化沥青用量。
[0021] 通过上述原理，在获得了最佳沥青用量1%之后，根据改性乳化沥青的固含量g，计 算得到乳化沥青质量百分率为1% /g，以确定的基体混合料级配和乳化沥青质量百分率，成 型马歇尔试件，称取圆柱体试件的质量mi，并由量取的圆柱体试件高度计算得到体积Vi，以 ml/vl作为单位体积半柔性材料中基体混合料的质量；
[0022] (2)水泥浆配合比设计：
[0023] 水泥浆体占据了除去集料、沥青和空隙体积之外所有体积，但是考虑到配合比设 计是各种材料之间的质量比例，因此，需要首先测定水泥浆体的密度，在半柔性材料中扣除 所有集料体积、沥青体积和空隙体积后，或者由基体空隙的体积扣除空隙体积之后获得水 泥浆体的体积，并根据其密度得到水泥浆体的质量。
[0024] 以水灰比N成型水泥浆试件，测试水泥凝结硬化前水泥浆的密度P x，根据心= (V# -va ) P $计算单位体积半柔性材料中水泥浆质量，其中，为直拌式半柔性沥青混 合料设定的最终空隙率；按照NAN+l)!^得出单位体积半柔性材料内水的总用量；1AN+1) %计算得出单位体积半柔性材料内的水泥质量。
[0025] 进一步地，所述步骤（1. 1)中，选取若干组不同2. 36mm筛孔通过率的矿料作为初 选级配，对每一级配由式（1)计算集料的表面积A :
[0026] A = (2+0. 02a+0. 04b+0. 08c+0. 14d+0. 3e+0. 6f+l. 6g)/48. 74 (1)
[0027] 式（1)中，a, b, c, d, e, f, g 分别为 4. 75mm、2. 36mm、1. 18mm.0. 6mm、0. 3mm、0. 15mm、 0? 075mm筛孔通过率（％)。
[0028] 进一步地，所述步骤（1. 1)中，根据式（2)计算沥青用量Pb:
[0029] Pb= 14A (2)
[0030] 优选地，水泥浆的配比应综合考虑以下三方面因素：第一，水泥浆应具有较好的可 拌和性；第二，水泥浆体与基体混合料之间应具有较好的粘结性；第三，硬化干燥收缩量不 能过大。为了满足这些要求，本发明通过大量试验得出：水灰比0.45时，水泥浆与基体混合 料的可拌和性较好，成型时水泥浆不致流动，所以，本发明中的水灰比N最优为0. 45。
[0031] 优选地，直拌式半柔性沥青混合料中的大空隙沥青混合料基体与大空隙排水性沥 青混合料（OGFC)的结构组成是一致的，都具有骨架结构和较多的连通空隙。所不同的是， 大多数排水性沥青混合料所采用的空隙率为20%左右，而对于半柔性材料而言，考虑到空 隙率过大，水泥浆体体积过多会引起半柔性材料刚性较大，直拌式半柔性沥青混合料中基 体空隙率以15%为宜