按结构需求的沥青路面上面层混合料配合比设计方法.pdf

本发明公开了一种按结构需求的沥青路面上面层混合料配合比设计方法，选用低温劈裂试验作为上面层沥青混合料按结构需求设计方法，并采用其破坏拉应变作为上面层沥青混合料按结构需求设计指标。本发明提供的设计方法是针对材料结构所处位置承受的力学状态和功能需求指标进行的，突出了指标最优的设计理念，从而保证材料在工作中的良好状态和寿命。以往的设计方法没有充分考虑路面结构层次的差别，配合比采用相同的设计方法，不能够保证材料的结构性能。

1.  按结构需求的沥青路面上面层混合料配合比设计方法，其特征在于所述方法步骤如下：
（1）根据工程设计图纸确定混合料级配；
（2）变换不同油量成型马歇尔试件；
（3）测定不同油量条件下的马歇尔试件体积指标；
（4）测定不同油量条件下的马歇尔试件破坏拉伸应变；
（5）根据《公路沥青路面施工技术规范》考虑体积指标要求，并综合考虑混合料的低温变形能力，确定出最佳沥青用量及混合料级配；
（6）在混合料的最佳状态下对其性能进行验证，包括车辙试验、低温弯曲试验、水稳定性验证、抗滑性能验证；
（7）若上述性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》要求，则可确定出材料最佳配合比；若不满足，则应调整级配和沥青用量，重复上述步骤直至混合料性能满足相应规范要求。

2.  根据权利要求1所述的按结构需求的沥青路面上面层混合料配合比设计方法，其特征在于所述沥青混合料为AC-16和AC-13的级配中值，沥青为SBS改性沥青。

3.  根据权利要求1所述的按结构需求的沥青路面上面层混合料配合比设计方法，其特征在于所述马歇尔试件破坏拉伸应变的试验温度-10℃±0.5℃，加载速度1mm/min。

4.  根据权利要求1所述的按结构需求的沥青路面上面层混合料配合比设计方法，其特征在于所述步骤（6）中，在混合料的最佳状态下对车辙试验、低温弯曲试验、水稳定性、抗滑性能性能进行验证。

按结构需求的沥青路面上面层混合料配合比设计方法
技术领域
本发明涉及一种沥青路面材料的设计方法。
背景技术
我国公路路面建设的质量要求越来越高，道路建设者和社会更关注路面的使用寿命。沥青路面的寿命与材料设计息息相关，材料性能对于整个结构的使用耐久性和使用性能至关重要。保证路面良好的使用功能、保证结构功能特性是提高路面服役寿命的根本。
沥青路面使用期开裂是寒冷地区普遍存在的问题，低温缩裂主要发生在沥青路面的上面层，因此选择恰当的试验方法评价沥青混合料的低温抗裂性能，进行有针对性的配合比功能指标设计，对于减少寒冷地区沥青路面开裂具有重要意义。
现行的方法中低温条件下的劈裂试验和小梁弯曲试验评价指标都考虑了沥青混合料的强度特性或变形能力，且应力水平和应变水平均会影响沥青混合料低温抗裂性能。但在沥青混合料的材料设计过程中，并未使用这两种方法所得到的指标进行材料的设计，未能突出指标的重要性，仅采用其中的某一指标对沥青混合料的性能进行验证。
发明内容
综合考虑试验方法的理论优越性、操作方便性以及在我国的使用范围，本发明提供了一种按结构需求的沥青路面上面层混合料配合比设计方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种按结构需求的沥青路面上面层混合料配合比设计方法，选用低温劈裂试验作为上面层沥青混合料按结构需求设计方法，并采用其破坏拉应变作为上面层沥青混合料按结构需求设计指标，具体步骤如下：
（1）根据工程设计图纸确定混合料级配；
（2）变换不同油量成型马歇尔试件；
（3）测定不同油量条件下的马歇尔试件体积指标；
（4）测定不同油量条件下的马歇尔试件劈裂破坏拉伸应变（试验温度-10℃±0.5℃，加载速度1mm/min）；
（5）根据《公路沥青路面施工技术规范》考虑体积指标要求，并综合考虑混合料的低温变形能力，确定出最佳沥青用量及混合料级配；
（6）在混合料的最佳状态下对其性能进行验证，包括车辙试验、低温弯曲试验、水稳定性验证、抗滑性能验证；
（7）若上述性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》要求，则可确定出材料最佳配合比；若不满足，则应调整级配和沥青用量，重复上述步骤直至混合料性能满足相应规范要求。
本发明提供的设计方法是针对材料结构所处位置承受的力学状态和功能需求指标进行的，突出了指标最优的设计理念，从而保证材料在工作中的良好状态和寿命。以往的设计方法没有充分考虑路面结构层次的差别，配合比采用相同的设计方法，不能够保证材料的结构性能。
附图说明
图1为AC-16沥青混合料油石比与劈裂强度关系（-10℃）；
图2为AC-16沥青混合料油石比与劈裂极限弯拉应变关系（-10℃）；
图3为AC-13沥青混合料油石比与劈裂强度关系（-10℃）；
图4为AC-13沥青混合料油石比与劈裂极限弯拉应变关系（-10℃）；
图5为劈裂强度与冻断温度相关性分析；
图6为破坏拉伸应变与冻断温度相关性分析；
图7为AC-13沥青混合料油石比与毛体积相对密度关系；
图8为AC-13沥青混合料油石比与空隙率关系；
图9为AC-13沥青混合料油石比与饱和度关系；
图10为AC-13沥青混合料油石比与毛矿料间隙率关系；
图11为AC-13沥青混合料油石比与流值关系；
图12为AC-13沥青混合料油石比与稳定度关系；
图13为AC-13沥青混合料最佳沥青用量分析图；
图14为AC-13沥青混合料油石比与劈裂强度关系；
图15为AC-13沥青混合料油石比与劈裂破坏拉伸应变关系；
图16为设计流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种按结构需求的沥青路面上面层混合料配合比设计方法，具体内容如下：
一、试验方法
沥青混合料约束试件温度应力试验（TSRST）是美国SHRP计划推荐使用的沥青混合料低温抗裂性能的试验方法。然而，该方法对于我国沥青混合料常用级配及沥青品种的敏感性还有待进一步研究。研发的沥青混合料低温性能评价综合试验系统进行约束试件温度应力试验（又称冻断试验）通过设定初始温度和降温速率来研究在相应的温度条件下沥青混合料的低温抗裂性能。
沥青混合料约束试件温度应力试验（TSRST）得到的冻断温度可以很好的区分出不同沥青品种及不同级配类型沥青混合料的低温抗裂性能，但该方法并未在国内大面积推广应用，因此有必要选择一种适合我国国情的沥青混合料低温性能的设计指标。
目前，我国用于评价沥青混合料低温抗裂性能的方法主要有沥青混合料劈裂试验和沥青混合料小梁弯曲试验两种方法。从试验操作的方便性以及试验效率等方面考虑，沥青混合料劈裂试验要比沥青混合料小梁弯曲试验更具优势。因此本部分将针对沥青混合料劈裂试验开展研究，通过分析沥青混合料劈裂试验对沥青混合料品种及沥青用量的敏感性，以及由此试验得到的评价指标与沥青混合料冻断温度指标的相关性最终确定选取何种指标作为沥青混合料低温抗裂性能的设计指标。
本发明所用沥青混合料为AC-16和AC-13的级配中值，沥青为SBS改性沥青。对上述两种沥青混合料在-10℃条件下进行劈裂试验。试验操作依据JTG E20 2011 T0716进行。试验结果如图1-4所示。
分析图1-4可以发现，在本研究的油量范围内，随着油量的增加，沥青混合料的劈裂强度逐渐增大，而其破坏拉伸应变则是随着测量的增加先升高，当油量达到一定值时，其破坏拉伸应变开始下降。
产生上述现象的原因由于沥青混合料的劈裂强度主要由集料间嵌挤力与内摩阻力和沥青与集料交互作用而产生的粘聚力组成。嵌挤力和内摩阻力的大小主要取决于矿质集料的尺寸、均匀度、颗粒形状和表面粗糙度，此外沥青膜对摩阻力也有影响。沥青混合料的粘聚力主要取决于下列两个因素：一是沥青与集料之间的相互作用力；二是沥青材料本身的粘结力，其与沥青的性质、矿料的性质以及沥青含量等有关。
在较低温度下，沥青胶结料由粘-弹性体向弹性体转化，沥青的劲度模量增加，沥青混合料的劈裂强度除了依赖沥青粘度和由沥青与集料的相互作用而产生的作用力外，还有自由沥青所提供的粘结力。随着沥青用量的增加，自由沥青的粘聚力的贡献率逐渐增大，所以出现了劈裂强度随油石比的增大而增大的现象。
而对于其破坏拉伸应变随着油量的增加先增加，当油量到达一定程度后开始下降是因为：当油量较少时，增加沥青用量可以增加其结构沥青，从而提高混合料的变形能力；当沥青量进一步增加时，沥青混合料内部出现自由沥青，并且随着油量的增加，自由沥青的数量也随之增大。虽然自由沥青内部的粘聚力可以增大沥青混合料的劈裂强度，但由于自由沥青的变形能力不及结构沥青，从而导致当沥青用量达到一定值后，混合料的破坏拉伸应变减小的现象。
综上可知，沥青混合料劈裂试验结果均随着油量的变化而发生显著变化；并且不同级配沥青混合料的力学指标也明显不同，因此可以使用沥青混合料劈裂试验评价不同油量条件下沥青混合料的力学特征。
二、上面层低温性能设计指标
1）试验材料
本部分所用的试验材料如表1所示。各沥青混合料的级配均为规范推荐级配范围的中值。
表1 试验材料情况表

实验结果分析：
各沥青混合料的劈裂试验结果及约束试件温度应力试验结果汇总见表2。
表2 试验结果汇总表

通过对上表的数据分析可以发现，破坏拉伸应变对不同沥青品种沥青混合料的低温抗裂性能有很高的敏感性，因此可以选择破坏拉伸应变评价沥青混合料的低温抗裂性能。
为了进一步分析各指标的优劣，对劈裂强度、破坏拉伸应变和冻断温度进行相关性分析，结果如图5-6所示。
分析图5-6的数据可以发现，冻断温度越低，混合料的劈裂强度越小、破坏拉伸应变越大。从上图还可以发现，由劈裂试验得到的劈裂强度和破坏拉伸应变均与冻断温度有良好的相关性，但破坏拉伸应变与冻断温度的相关性更高（0.92），因此本研究选用破坏拉伸应变作为沥青混合料低温抗裂的设计指标。破坏拉伸应变越大，沥青混合料低温抗裂性能越好。
三、沥青路面上面层配合比按结构需求设计方法
为了验证前文所提出的设计方法可以更好的满足沥青路面上面层的功能需求，本部分选用两种上面层常用级配类型对上述设计方法进行验证。
以AC-13沥青混合料最佳油石比的确定为例：
根据所选定的级配曲线，以4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%五组油石比进行马歇尔击实试验，测定各沥青混合料体积指标及力学指标，结果如图7-13所示。
根据规范方法，确定出最佳油石比为5.5%。
对上述五种油量条件下的沥青混合料进行低温（-10℃）劈裂试验，结果如图14-15所示。
分析图14-15可以发现，当油石比大于5.0%时，混合料的破坏拉伸应变增长变得缓慢，随着后开始下降。基于规范方法所确定的最佳油石比为5.5%，当使用此油量时，混合料的破坏拉伸应变较其峰值已有明显下降。
综合考虑沥青混合料体积指标等参数，基于路面性能的上面层沥青混合料设计方法，最终确定此沥青混合料最佳油石比为5.2%。
四、上面层沥青混合料按结构需求设计方法的实施
根据上面层的路用性能要求，对上面层沥青混合料的设计指标增加了其低温条件下的变形能力的考察。即在进行混合料设计时，不但要求混合料的体积指标满足现有规范标准要求，同时也要满足其低温变形能力的要求。综合考虑指标的敏感性以及试验操作的方便性，选用低温劈裂试验作为上面层沥青混合料按结构需求设计方法，并采用其破坏拉应变作为上面层沥青混合料按结构需求设计指标。综合考虑前文试验结果，提出上面层沥青混合料的破坏拉应变应大于4000με作为设计标准。
根据上文研究，提出基于路面性能的上面层沥青混合料设计体系如下：
（1）根据工程实际需求并参考已建工程确定几种不同混合料级配；
（2）变换不同油量成型马歇尔试件；
（3）测定不同油量条件下的马歇尔试件体积指标；
（4）测定不同油量条件下的马歇尔试件破坏拉伸应变（-10℃±0.5℃，1mm/min）；
（5）根据《公路沥青路面施工技术规范》考虑体积指标要求，并综合考虑混合料的低温变形能力，确定出最佳沥青用量及混合料级配；
（6）在混合料的最佳状态下对其性能进行验证，包括车辙试验、低温弯曲试验、水稳定性验证、抗滑性能验证；
（7）若上述性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》要求，则可确定出材料最佳配合比；若不满足，则应调整级配和沥青用量，重复上述步骤直至混合料性能满足相应规范要求。
其设计流程如图16所示。
五、测试方法的应用说明：
1、上述步骤“一”为实验方法和实验设计分析方法的说明。
2、上述步骤“二”为实验设计指标及其分析的说明。
3、上述步骤“三“为实验指标分析过程和方法。
4、上述步骤“四“为设计方法的实施程序。
5、对于一个具体工程的“上面层最佳油石比（或沥青用量的确定）”，可结合实际需要确定测试的温度条件，以及评价指标的权重。整个过程参照说明，按照：实验—分析—确定的过程进行即可。