按結構需求的瀝青路面上面層混合料配合比設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種瀝青路面材料的設計方法。
【背景技術】
[0002] 我國公路路面建設的質量要求越來越高，道路建設者和社會更關注路面的使用壽 命。瀝青路面的壽命與材料設計息息相關，材料性能對于整個結構的使用耐久性和使用性 能至關重要。保證路面良好的使用功能、保證結構功能特性是提高路面服役壽命的根本。
[0003] 瀝青路面使用期開裂是寒冷地區(qū)普遍存在的問題，低溫縮裂主要發(fā)生在瀝青路面 的上面層，因此選擇恰當?shù)脑囼灧椒ㄔu價瀝青混合料的低溫抗裂性能，進行有針對性的配 合比功能指標設計，對于減少寒冷地區(qū)瀝青路面開裂具有重要意義。
[0004] 現(xiàn)行的方法中低溫條件下的劈裂試驗和小梁彎曲試驗評價指標都考慮了瀝青混 合料的強度特性或變形能力，且應力水平和應變水平均會影響瀝青混合料低溫抗裂性能。 但在瀝青混合料的材料設計過程中，并未使用這兩種方法所得到的指標進行材料的設計， 未能突出指標的重要性，僅采用其中的某一指標對瀝青混合料的性能進行驗證。

【發(fā)明內容】

[0005]綜合考慮試驗方法的理論優(yōu)越性、操作方便性以及在我國的使用范圍，本發(fā)明提 供了一種按結構需求的瀝青路面上面層混合料配合比設計方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的： 一種按結構需求的瀝青路面上面層混合料配合比設計方法，選用低溫劈裂試驗作為上 面層瀝青混合料按結構需求設計方法，并采用其破壞拉應變作為上面層瀝青混合料按結構 需求設計指標，具體步驟如下： (1) 根據(jù)工程設計圖紙確定混合料級配； (2) 變換不同油量成型馬歇爾試件； (3) 測定不同油量條件下的馬歇爾試件體積指標； (4) 測定不同油量條件下的馬歇爾試件劈裂破壞拉伸應變(試驗溫度-10°C±0. 5°C， 加載速度lmm/min); (5) 根據(jù)《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》考慮體積指標要求，并綜合考慮混合料的低溫 變形能力，確定出最佳瀝青用量及混合料級配； (6) 在混合料的最佳狀態(tài)下對其性能進行驗證，包括車轍試驗、低溫彎曲試驗、水穩(wěn)定 性驗證、抗滑性能驗證； (7) 若上述性能均滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》要求，則可確定出材料最佳配 合比；若不滿足，則應調整級配和瀝青用量，重復上述步驟直至混合料性能滿足相應規(guī)范要 求。
[0007] 本發(fā)明提供的設計方法是針對材料結構所處位置承受的力學狀態(tài)和功能需求指 標進行的，突出了指標最優(yōu)的設計理念，從而保證材料在工作中的良好狀態(tài)和壽命。以往的 設計方法沒有充分考慮路面結構層次的差別，配合比采用相同的設計方法，不能夠保證材 料的結構性能。
【附圖說明】
[0008] 圖1為AC-16瀝青混合料油石比與劈裂強度關系（@-10°C); 圖2為AC-16瀝青混合料油石比與劈裂極限彎拉應變關系（@-10°C); 圖3為AC-13瀝青混合料油石比與劈裂強度關系（@-10°C); 圖4為AC-13瀝青混合料油石比與劈裂極限彎拉應變關系（@-10°C); 圖5為劈裂強度與凍斷溫度相關性分析； 圖6為破壞拉伸應變與凍斷溫度相關性分析； 圖7為AC-13瀝青混合料油石比與毛體積相對密度關系； 圖8為AC-13瀝青混合料油石比與空隙率關系； 圖9為AC-13瀝青混合料油石比與飽和度關系； 圖10為AC-13瀝青混合料油石比與毛礦料間隙率關系； 圖11為AC-13瀝青混合料油石比與流值關系； 圖12為AC-13瀝青混合料油石比與穩(wěn)定度關系； 圖13為AC-13瀝青混合料最佳瀝青用量分析圖； 圖14為AC-13瀝青混合料油石比與劈裂強度關系； 圖15為AC-13瀝青混合料油石比與劈裂破壞拉伸應變關系； 圖16為設計流程圖。
【具體實施方式】
[0009] 下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發(fā)明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋 在本發(fā)明的保護范圍中。
[0010] 本發(fā)明提供了一種按結構需求的瀝青路面上面層混合料配合比設計方法，具體內 容如下： 一、試驗方法 瀝青混合料約束試件溫度應力試驗（TSRST)是美國SHRP計劃推薦使用的瀝青混合料 低溫抗裂性能的試驗方法。然而，該方法對于我國瀝青混合料常用級配及瀝青品種的敏感 性還有待進一步研宄。研發(fā)的瀝青混合料低溫性能評價綜合試驗系統(tǒng)進行約束試件溫度應 力試驗(又稱凍斷試驗）通過設定初始溫度和降溫速率來研宄在相應的溫度條件下瀝青混 合料的低溫抗裂性能。
[0011] 瀝青混合料約束試件溫度應力試驗（TSRST)得到的凍斷溫度可以很好的區(qū)分出不 同瀝青品種及不同級配類型瀝青混合料的低溫抗裂性能，但該方法并未在國內大面積推廣 應用，因此有必要選擇一種適合我國國情的瀝青混合料低溫性能的設計指標。
[0012] 目前，我國用于評價瀝青混合料低溫抗裂性能的方法主要有瀝青混合料劈裂試驗 和瀝青混合料小梁彎曲試驗兩種方法。從試驗操作的方便性以及試驗效率等方面考慮，瀝 青混合料劈裂試驗要比瀝青混合料小梁彎曲試驗更具優(yōu)勢。因此本部分將針對瀝青混合 料劈裂試驗開展研宄，通過分析瀝青混合料劈裂試驗對瀝青混合料品種及瀝青用量的敏感 性，以及由此試驗得到的評價指標與瀝青混合料凍斷溫度指標的相關性最終確定選取何種 指標作為瀝青混合料低溫抗裂性能的設計指標。
[0013] 本發(fā)明所用瀝青混合料為AC-16和AC-13的級配中值，瀝青為SBS改性瀝青。對 上述兩種瀝青混合料在-10°c條件下進行劈裂試驗。試驗操作依據(jù)JTGE20 2011T0716進 行。試驗結果如圖1-4所示。
[0014] 分析圖1-4可以發(fā)現(xiàn)，在本研宄的油量范圍內，隨著油量的增加，瀝青混合料的劈 裂強度逐漸增大，而其破壞拉伸應變則是隨著測量的增加先升高，當油量達到一定值時，其 破壞拉伸應變開始下降。
[0015] 產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因由于瀝青混合料的劈裂強度主要由集料間嵌擠力與內摩阻 力和瀝青與集料交互作用而產(chǎn)生的粘聚力組成。嵌擠力和內摩阻力的大小主要取決于礦質 集料的尺寸、均勻度、顆粒形狀和表面粗糙度，此外瀝青膜對摩阻力也有影響。瀝青混合料 的粘聚力主要取決于下列兩個因素：一是瀝青與集料之間的相互作用力；二是瀝青材料本 身的粘結力，其與瀝青的性質、礦料的性質以及瀝青含量等有關。
[0016] 在較低溫度下，瀝青膠結料由粘-彈性體向彈性體轉化，瀝青的勁度模量增加，瀝 青混合料的劈裂強度除了依賴瀝青粘度和由瀝青與集料的相互作用而產(chǎn)生的作用力外，還 有自由瀝青所提供的粘結力。隨著瀝青用量的增加，自由瀝青的粘聚力的貢獻率逐漸增大， 所以出現(xiàn)了劈裂強度隨油石比的增大而增大的現(xiàn)象。
[0017] 而對于其破壞拉伸應變隨著油量的增加先增加，當油量到達一定程度后開始下降 是因為：當油量較少時，增加瀝青用量可以增加其結構瀝青，從而提高混合料的變形能力； 當瀝青量進一步增加時，瀝青混合料內部出現(xiàn)自由瀝青，并且隨著油量的增加，自由瀝青的 數(shù)量也隨之增大。雖然自由瀝青內部的粘聚力可以增大瀝青混合料的劈裂強度，但由于自 由瀝青的變形能力不及結構瀝青，從而導致當瀝青用量達到一定值后，混合料的破壞拉伸 應變減小的現(xiàn)象。
[0018] 綜上可知，瀝青混合料劈裂試驗結果均隨著油量的變化而發(fā)生顯著變化；并且不 同級配瀝青混合料的力學指標也明顯不同，因此可以使用瀝青混合料劈裂試驗評價不同油 量條件下瀝青混合料的力學特征。
[0019] 二、上面層低溫性能設計指標 1)試驗材料 本部分所用的試驗材料如表1所示。各瀝青混合料的級配均為規(guī)范推薦級配范圍的中 值。
[0020] 表1試驗材料情況表
【主權項】
1. 按結構需求的瀝青路面上面層混合料配合比設計方法，其特征在于所述方法步驟如 下： (1) 根據(jù)工程設計圖紙確定混合料級配； (2) 變換不同油量成型馬歇爾試件； (3) 測定不同油量條件下的馬歇爾試件體積指標； (4) 測定不同油量條件下的馬歇爾試件破壞拉伸應變； (5) 根據(jù)《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》考慮體積指標要求，并綜合考慮混合料的低溫 變形能力，確定出最佳瀝青用量及混合料級配； (6) 在混合料的最佳狀態(tài)下對其性能進行驗證，包括車轍試驗、低溫彎曲試驗、水穩(wěn)定 性驗證、抗滑性能驗證； (7) 若上述性能均滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》要求，則可確定出材料最佳配 合比；若不滿足，則應調整級配和瀝青用量，重復上述步驟直至混合料性能滿足相應規(guī)范要 求。
2. 根據(jù)權利要求1所述的按結構需求的瀝青路面上面層混合料配合比設計方法，其特 征在于所述瀝青混合料為AC-16和AC-13的級配中值，瀝青為SBS改性瀝青。
3. 根據(jù)權利要求1所述的按結構需求的瀝青路面上面層混合料配合比設計方法，其特 征在于所述馬歇爾試件破壞拉伸應變的試驗溫度-l〇°C ±0. 5°C，加載速度lmm/min。
4. 根據(jù)權利要求1所述的按結構需求的瀝青路面上面層混合料配合比設計方法，其特 征在于所述步驟（6)中，在混合料的最佳狀態(tài)下對車轍試驗、低溫彎曲試驗、水穩(wěn)定性、抗滑 性能性能進行驗證。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種按結構需求的瀝青路面上面層混合料配合比設計方法，選用低溫劈裂試驗作為上面層瀝青混合料按結構需求設計方法，并采用其破壞拉應變作為上面層瀝青混合料按結構需求設計指標。本發(fā)明提供的設計方法是針對材料結構所處位置承受的力學狀態(tài)和功能需求指標進行的，突出了指標最優(yōu)的設計理念，從而保證材料在工作中的良好狀態(tài)和壽命。以往的設計方法沒有充分考慮路面結構層次的差別，配合比采用相同的設計方法，不能夠保證材料的結構性能。
【IPC分類】E01C7-18
【公開號】CN104805747
【申請?zhí)枴緾N201510200514
【發(fā)明人】紀倫, 張磊, 王廣磊, 李云良
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月26日