基于均衡设计法的薄层罩面路用性能研究.pdf
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1、为优化薄层罩面沥青混合料的矿料级配,提高薄层罩面的路用性能,采用均衡设计方法合理调控粗集料构成比例,实现沥青混合料密实度与紧密度的平衡,并基于汉堡车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和低温小梁弯曲试验,研究分析了沥青混合料均衡设计法的应用效果。结果表明:1)13.2 mm9.5 mm 与 9.5 mm4.75 mm 两档粗集料的构成比例为 3 1 时,沥青混合料达到最佳紧密状态;2)基于混合料干密度(d)、矿料间隙率(VMA)和粗集料间隙率(VCAmix)等体积参数的状态平衡,求得最佳油石比为 5.819%;3)应用沥青混合料均衡设计方法,可大幅提高薄层罩面的路用性能,相较于级配均值,均衡设
2、计级配的动稳定度和弯曲破坏应变分别提升了 1.36 倍和 1.17倍,浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂残留强度比分别提高了 3.96%和 6.98%。关键词:薄层罩面;沥青混合料;均衡设计法;路用性能文章编号:1009-6477(2023)03-0008-07 中图分类号:U414 文献标识码:AStudy on Pavement Performance of Thin Overlay Based on the Balanced Design MethodXING Peiying1,XU Feng2,SHI Qianqian3(1.Guangdong Provincial Highway Con
3、struction Co.,Ltd.,Guangzhou 510000;2.China Merchants Chongqing Communications Technology Research&Design Institute Co.,Ltd.,Chongqing 400067;3.Xinjiang Agricultural Vocational Technical College,Changji 831100)Abstract:To optimize the mineral aggregate gradation of thin-layer overlay asphalt mix
4、ture and improve the road performance of thin-layer overlay,the equilibrium design method is used to reasonably adjust the proportion of coarse aggregate,and the balance between compactness and tightness of asphalt mixture is realized.Based on Hamburg rutting test,immersion Marshall test,freeze-thaw
5、 splitting test and low temperature trabecular bending test,the application effect of asphalt mixture equilibrium design method is studied and analyzed.The results show that the asphalt mixture reaches the best compact state when the composition ratio of 13.2 9.5 mm and 9.5 4.75 mm coarse aggregate
6、is 3 1.Based on the state balance of volume parameters such as dry density(d),mineral aggregate gap rate(VMA)and coarse aggregate gap rate(VCAmix),the optimum asphalt aggregate ratio is 5.819%.In addition,the application of the balanced design method of asphalt mixture can greatly improve the road p
7、erformance of the thin overlay.Compared with the average gradation,the dynamic stability and bending failure strain of the balanced design gradation are increased by 1.36 times and 1.17 times,respectively.Whats more,the immersion Marshall residual stability and freeze-thaw splitting residual strengt
8、h ratio are increased by 3.96%and 6.98%,respectively.Keywords:thin overlay;asphalt mixture;the balanced design method;pavement performance 截至 2022 年底,我国高速公路里程已达 17.7万 km,公路总里程 535 万 km,公路养护里程超过530 万 km,占公路总里程比重的 99%以上,公路养护任务繁重而紧迫,沥青混凝土薄层罩面作为预防性养护的重要技术手段,可有效修复路面破损、改善行驶质量、提高安全特性,对延长路面服役寿命和降低养护成本,具有十分重
9、要的意义1-2。高质量的沥青混合料配合比是影响薄层罩面使用性能的关键因素3。张四恒等4基于矿料级配和沥青胶结料 2 方面开展薄层罩面路用性能研究,优选出整体性能良好的 SMA-10 橡胶薄层罩面沥青混合料;李微等5建立了以粗集料内摩阻角 和骨架间隙率双指标控制的粗集料级配设计体系,并提出了强骨架细粒式橡胶薄层沥青混合料的粗骨料配比;祝斯月等6基于逐级填充试验,分析了超薄层沥青混凝土骨架密实性及骨架强度,优化了各档粗集料含量范围;Hajj 等7利用汉堡车辙试验和三轮抛光试验,研究了美国薄层罩面 6 种沥青混合料的骨架特性,结果表明,9.5 mm 和 4.75 mm 的间断级配具有良好的薄层罩面适
10、用性。除矿料级配外,性能优良的原材料也是影响薄层罩面使用寿命的重要因素,王兆仑等8开发了一种新型的高粘度封装薄层材料,通过与沥青面层协同作用,综合提高了路面长效抗滑能力;孔令绅等9开展了超黏精罩面的配合比设计,并选用超黏韧沥青来改善混合料的黏韧性;刘丽10研究了宽温域下薄层罩面沥青混合料性能,结果表明杂化纤维及高模量复合改性沥青混合料薄层罩面具有优良的路用性能和抗疲劳耐久性。基于上述分析可知,矿料级配和材料性能是制约薄层罩面功能性的主要因素11,其中粗集料是关键作用12,这是由于粗集料相互嵌挤组成骨架结构,是抵挡和传递外力作用的关键载体,粗集料的骨架特性直接影响罩面结构的整体性能13。为此,本
11、文从优化矿料级配角度对薄层罩面路用性能进行研究,采用沥青混合料均衡设计方法获取骨架嵌挤型的薄层罩面结构,通过汉堡车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和小梁弯曲试验等,分析基于均衡设计方法的薄层罩面混合料路用性能,为薄层罩面技术在沥青路面养护工程中的应用提供理论基础。1 材料1.1 高黏沥青薄层罩面是直接承受行车荷载和环境(紫外线辐射、水、热、冰等)劣化的路表功能层,质地优良的原材料是确保其路用性能和长寿命服役的重要因素14。为此,本文选用高黏沥青为胶结材料,其高强的黏结能力可保证路面结构具有足够的耐久性,主要技术指标性质如表 1 所示。表 1 高黏沥青主要技术指标的试验结果Table 1 T
12、est results of main technical indexes of high viscosity asphalt技术指标试验结果技术要求针入度(25)/(0.1mm)47.86080软化点/95.555延度(5,5 cm/min)/cm4240软化点差/1.32.5弹性恢复率(25)/%89.675闪点/246230135 布式旋转黏度/(Pa s)1.323.01.2 集料粗集料为表面洁净、干燥、有棱角的玄武岩碎石,细集料为石灰岩机制砂,技术指标均符合公路沥青路面施工技术规范(JTG F402004)的规定,主要技术性质如表 2 和表 3 所示。2 基于沥青混合料均衡设计法的配
13、合比优化2.1 沥青混合料均衡设计方法沥青混合料均衡设计是通过控制混合料毛体积密度(Gm)、干密度(d)、矿料间隙率(VMA)、粗集料间隙率(VCAmix)、沥青饱和度(VFA)和空隙率(VV)6个宏观参数,将级配设计与最佳沥青用量联系起来,实现混合料密实度与紧密度的平衡,设计流程如图1 所示。当试验条件一定时,上述指标和油石比(Pa)存在特定的函数关系,如式(1)所示:9 第 3 期 邢培营,等:基于均衡设计法的薄层罩面路用性能研究表 2 粗集料性能与技术要求Table 2 Performance and technical requirements of coarse aggregate技
14、术指标试验结果技术要求试验方法压碎值/%18.728.0T 03162005洛杉矶磨耗值/%16.530.0T 03172005表观相对密度/mm13.22.7852.500T 030420059.52.7982.500T 030420054.752.7832.500T 03042005吸水率/%0.493.0T 03042005针片状含量/%7.215.0T 03122005水洗法0.075 mm 颗粒/%0.371.00T 03102005表 3 细集料性能与技术要求Table 3 Performance and technical requirements of fine aggrega
15、te技术指标试验结果技术要求试验方法表观相对密度/(g cm-3)2.7362.500T 03282005砂当量/%81.260T 03342005坚固性/%2.4212T 03402005含泥量/%0.913T 03332000图 1 基于沥青混合料均衡设计法的配合比设计流程Fig.1 Process of mix ratio design based on asphalt mixture equilibrium design methodVMA,VCAmix,d=f(Gm,Pa)(1)毛体积密度和油石比是衡量沥青混合料紧密状态的关键指标,研究表明15,式(1)中的参数关系与二次函数模型具有
16、较高的拟合度,可通过二次函数极值求解,获取体积指标达到最优值时(沥青混合料的最紧密状态)对应的最佳油石比(opt),opt 计算如式(2)所示:opt=Average d(opt),VCA(opt),VMA(opt)(2)式中:opt 为最佳 油 石 比;d(opt)、VCA(opt)和VMA(opt)分别为沥青混合料干密度达到最大值、粗集料间隙率和矿料间隙率达到最小值所对应的油石比。2.2 薄层罩面沥青混合料的配合比设计1)确定粗集料构成比例沥青混合料均衡设计方法的目标是粗集料相互嵌挤构成骨架,细集料充分填充骨架间隙,形成稳定的骨架密实型沥青混合料。由于粗集料特性(含量、性质、组成等)是决定
17、混合料骨架形成的关键因素,因此,本文主要从粗集料组成探讨薄层罩面沥青混合料的配合比设计,采用 SMA-13 为基准级配,以4.75 mm 为间断点,通过优化粗集料组成使沥青混合料达到紧密状态的最佳比例,细集料采用级配中值,13.2 mm9.5 mm 与 9.5 mm4.75 mm 两档粗集料的组成比例分别为 2 1(级配 2)、3 1(级配3)和 4 1(级配 4),确定各组级配混合料的配合比如表 4 所示。01公 路 交 通 技 术 第 39 卷表 4 薄层罩面混合料各档集料筛分通过百分率Table 4 Percentage of aggregate screening pass of th
18、in overlay mixture级配类型通过下列筛孔(mm)的质量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075级配上限1001007534262420161512级配下限1009050201514121098级配 1(中值)1009562.52720.51916131210级配 2(2 1)1009549.72720.51916131210级配 3(3 1)10095442720.51916131210级配 4(4 1)1009540.62720.51916131210 选择 5.5%为初试油石比,纤维掺量为 0.3%(占混合料质量),按照表 1 的集
19、料配比成型马歇尔试件,测定、计算沥青混合料的体积参数,如表 5 所示。表 5 4 种级配沥青混合料的体积参数Table 5 Volume parameters of four graded asphalt mixtures级配类型毛体积密度 f/(g cm-3)空隙率VV/%矿料间隙率VMA/%沥青饱和度VFA/%干密度 d/(g cm-3)粗集料间隙率VCAmix/%级配 1(中值)2.5794.2818.1376.392.44735.79级配 2(2 1)2.5913.6317.8679.682.46235.62级配 3(3 1)2.6212.9116.7382.612.48635.13级
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