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沥青混合料级配设计的研究
发布时间:2015-02-01 09:00:00 点击浏览:

    ⒈前言沥青混合料配合比设计中级配的选择是一个至关重要的内容,直接决定着沥青路面的使用性能。

      我国在进行沥青混合料马歇尔设计时没有一个级配选择的概念,一旦混合料类型确定,在进行配合比设计时,千方百计地将级配进行调整,使合成级配尽可能符合规范规定的中值。这种方法的优点是简单易行,但缺乏灵活性,特别是集料的特性发生变化时,无法进行有效的调整。现有的情况表明用级配中值设计的混合料不一定是最佳的沥青混合料。这就需要对现有的级配选择方法进行改进。在现今美国实行的Superpave设计体系中,其精华之一就是集料组成。它不仅引进了限制区和控制点的概念,更重要的是打破了中值级配的传统思想,提出了设计中级配选择的方法。Superpave体系要求级配首先要满足Superpave集料级配范围标准,然后初选三种级配结构,进行压实特性和体积特性的评价,最后确定设计级配。本次研究的目的是通过对传统马歇尔设计体系和Superpave设计体系在级配确定过程的研究,借鉴Superpave混合料设计体系的精华,对我国现行的级配进行调整,找到更适用于我国的沥青混合料级配。

     ⒉研究方法 基于对现行的马歇尔设计体系中级配选择方法进行改进的想法,我们在比较马歇尔设计体系和美国Superpave设计体系确定级配时,采用在符合现有规范的级配范围内选择符合美国Superpave设计体系要求的粗,中,细三种级配,结合我国实行的以级配中值为所选定的设计级配的方法,分析这些级配在美国Superpave设计体系和在传统的马歇尔设计体系中表现出的优劣性,并结合它们的路用性能选取最强的级配作为我们改进后的马歇尔设计级配。本文是以AC-20I级配类型为研究级配,进行一系列的试验。其级配组成见表1,其中级配1是现行AC-20I的中值级配;级配2是在AC-20I范围内符合Superpave-19要求的Superpave-19中级配;级配3是在AC-20I范围内符合Superpave-19要求的Superpave-19细级配,同时也是避开禁区的AC-20I的中值级配变形形式;级配4是在AC-20I范围内符合Superpave-19要求的Superpave-19粗级配。表1 AC-20I范围内4种级配组成 通过下列筛孔尺寸(mm)的矿料重量百分率(%) 0.075 0.15 0.3 0.6 1.18 2.36 4.75 9.5 13.2 16 19 26.5 1 6 10 15 21 27 37 48 62 71 82.5 97.5 100 2 5 9 13 16.5 22 33 45 56 67 80 96 100 3 6 11 15.5 22 29 37 48 62 71 82.5 97.5 100 4 4 6 10 15 20 29 42.5 52 62 75 95 100

      ⒊AC-20I级配类型的Superpave设计和马歇尔设计比较 3.1 试验级配的沥青混合料Superpave设计根据集料的性质(密度)来计算出初选的四个级配的初始用油量,然后用初始用油量成型试件,根据试验结果,计算出这四个级配的沥青混合料在空隙率为4%时所需的沥青用量及相应的沥青混合料其它性质。将所得的沥青混合料的压实特性和体积特性的评价与Superpave规范要求进行比较,最后确定设计集料级配。

     3.1.1 按照Superpave经验公式估算沥青用量,其结果见表2。表2 估计试验沥青胶结料用量结果汇总表级配 Pb Gb (g/cm3) Ps Va Vba Vbe Ws(g) Pbi (%) 1 0.045 1.035 0.955 0.04 0.009 0.095 2.283 4.496 2 0.045 1.035 0.955 0.04 0.010 0.095 2.286 4.512 3 0.045 1.035 0.955 0.04 0.009 0.095 2.282 4.498 4 0.045 1.035 0.955 0.04 0.010 0.095 2.286 4.535 注:Pb、Gb、Ps、Vba、Vbe、Ws、Pbi分别代表沥青胶结料质量百分率、沥青胶结料比重、集料质量百分率、被吸收的沥青胶结料体积百分率、有效沥青胶结料的体积百分率、集料质量和初始试验沥青含量。

    3.1.2 用求出的各级配的估算沥青用量成型试件,沥青混合料的拌和温度和压实温度依据沥青试验中的粘温曲线,采用旋转压实仪成型试件,设定旋转压实仪的单位压力为600Kpa,根据一般高速公路工程的要求,选择压实次数Ndes=109次、Nini=8次、Nmax=174次。估算出的沥青用量各级配旋转压实试验结果见表3。 表3 试验级配沥青混合料压实特性汇总表级配 Gmm %[email protected] %[email protected] %[email protected] 1 2.489 96.4 88.6 97.7 2 2.493 95.8 86.7 96.7 3 2.490 96.0 87.9 97.5 4 2.493 94.1 85.9 94.2 注:Gmm表示最大理论相对密度;Ndes、Nini、Nmax分别表示设计旋转压实次数、初始压实次数和最大压实次数。

     3.1.3 根据配旋转压实试验结果,运用公式计算出这四个级配的沥青混合料在空隙率为4%时所需的沥青用量及相应的沥青混合料其他性质,具体见表4。表4 试验级配沥青混合料体积特性汇总表 级配 VMA Pb估算 VMA估算 VFA估算 Ps Pbe 粉胶比 1 13.1 4.4 13.0 69.2 95.6 4.01 1.50 2 13.6 4.6 13.5 70.4 95.4 4.18 1.20 3 13.5 4.5 13.4 70.1 95.5 4.01 1.46 4 15.1 5.3 14.8 73.0 94.7 4.86 0.82 Superpave规范要求 > 13.0 65~75 0.8~1.6 注:VMA表示集料空隙率;VFA估算表示沥青填隙率;Ps 表示集料含量;Pbe表示有效沥青胶结料的质量百分比。

   3.1.4 试验分析 ⑴级配3比级配1更适合Superpave规范要求,说明避开禁区后的级配性能更好; ⑵级配4的粉胶比是0.82和Superpave规范要求0.8~1.6的下限0.8很接近,不利于实际工地上的利用; ⑶级配1的VMA估算值是13.0,不合Superpave规范要求; ⑷级配2和级配3均符合Superpave规范要求,相比之下级配2与级配3对Superpave规范要求的符合性比级配3更好。

   ⒊.2试验级配沥青混合料的马歇尔设计对于初选的四个级配,统一采用油石比为4.5%进行物理和力学指标的测定。根据测定结果,将所得的沥青混合料的物理和力学指标与马歇尔标准进行比较,确定四个级配的优劣。

    3.2.1测定马歇尔试验物理-力学指标,其结果见表5。 表5 马歇尔试验物理-力学指标汇总表级 配 油石比 (%) 视 密 度ρs(g/cm) 空 隙 率 VV (%) 矿料间隙率 VMA (%) 沥青饱和度 VFA (%) 稳 定 度 MS (KN) 流 值 FL (0.1mm) 1 4.5 2.386 4.186 14.27 70.27 14.4 35.2 2 4.5 2.394 3.970 14.92 78.45 15.4 34.9 3 4.5 2.391 3.945 14.88 75.47 14.8 36.5 4 4.5 2.389 4.179 15.42 74.89 13.5 35.4 马 歇 尔 标 准 3~6 >14 70~85 >7.5 20~40 3.2.2试验分析 ⑴各级配均能满足马歇尔标准; ⑵级配1的沥青饱和度非常接近马歇尔规范要求的下限70,不利于实际工地上的利用; ⑶级配3与级配1相比,对马歇尔规范要求的符合性更好,说明避开禁区后的级配性能更好; ⑷级配2与其它级配相比在对马歇尔规范要求的符合性上更好。

    3.3 总结通过进行试验级配的Superpave设计和马歇尔设计,在两种设计中对于这四个级配进行了比较。可以看出在级配2在Superpave设计过程中,对规范要求的适应性强于其它3种级配。在传统的马歇尔设计中,级配2的沥青混合料物理和力学指标对于马歇尔标准的符合性也强于其它三种级配。同时,证明了级配避开禁区后其性能更好。

    ⒋.AC-20I级配类型路用性能的比较通常所说的沥青混合料的路用性能主要是指:⑴高温稳定性⑵低温抗裂性能⑶水稳定性能⑷抗疲劳性能⑸抗老化性能限于论文篇幅和研究时间,笔者不可能对五种沥青混合料的所有性能做一个全面的比较。只能针对目前沥青路面发生早期破坏的主要原因:水稳定性差和高温稳定性不足,对这两个关键性的指标作一个细致的比较。 4.1试验级配的沥青混合料水稳定性能比较沥青混合料的水稳定性能作为沥青混合料最重要的路用性能之一,长期以来各国形成了各种不同的评价方法。本研究参照我国传统的浸水马歇尔试验和美国AASHTO283方法来评价沥青混合料的水稳定性。

    4.1.1沥青混合料浸水马歇尔试验 ⒈试验过程 各个级配均采用油石比为4.5 %制备试件,由马歇尔击实仪成型试件。将试件分两组,其中一组采用非条件试验,另一组采用条件试验。非条件试验是将试件放入60℃水浴中保持30min后进行试验。条件试验是先将试件在60℃水浴中保持48h后进行试验。试验结果见表6。 表6 浸水马歇尔试验结果汇总表级 配 1 2 3 4 马歇尔标准浸水残留稳定度(%) 85 96 93 88 >75 ⒉试验分析 ⑴级配3 与级配1相比,浸水残留稳定度有明显的提高,说明避开禁区后的级配水稳定性更好; ⑵级配2 与其它级配相比浸水残留稳定度最大,其水稳定性最好。

    4.1.2沥青混合料的AASHTO283试验 ⒈试验过程 各个级配均采用油石比为4.5 %,由旋转压实仪成型试件,试件的空隙率控制在7+1%以内。将试件分两组,其中一组采用非条件试验,另一组采用条件试验。非条件试验是将试件放在塑料袋里封好,放入25℃水浴中至少两小时后进行试验。条件试验是先将试件在真空饱水15min,在-18℃下冷冻16h,再在60℃下保持24h,最后在25℃水浴中保持2h后进行试验。试验结果见表7。 表7 AASHTO283试验结果汇总表级 配 1 2 3 4 标 准辟裂强度比 TSR(%) 83.2 92.4 85 73.9 >70 ⒉试验分析 ⑴级配3 与级配1相比,沥青混合料冻融辟裂强度比有明显的提高,说明避开禁区后的级配水稳定性更好; ⑵级配2 与其它级配相比冻融辟裂强度比有明显的提高,其水稳定性最好。

    4.1.3总结通过浸水马歇尔试验和AASHTO283试验可知在水稳定性上,级配2优于其它级配。同时,在避开禁区后级配的水稳定性得到了提高,说明避开禁区对于改善混合料的水稳定性是有成效的。 4.2试验级配的沥青混合料高温稳定性能比较 ⒈试验过程 各个级配均采用油石比为4.5 %制备试件, 在试验温度T为60℃,试验轮压0.7 Mpa,不浸水的试验条件下进行车辙试验。试验结果见表8。表8 车辙试验结果汇总表级 配 1 2 3 4 马歇尔标准动稳定度DS (次/mm) 947 1384 1105 1554 >800 ⒉试验分析 ⑴级配3 与级配1相比,动稳定度有明显的提高,说明避开禁区后的级配高温稳定性更好; ⑵级配2 与其它级配相比动稳定度最大,其高温稳定性最好。 ⒊总结通过车辙试验可知在高温稳定性上,级配2优于其它级配。同时,在避开禁区后级配的高温稳定性得到了提高,表明避开禁区对于改善混合料的高温稳定性是有成效的。

     ⒌结论 ⑴通过对Superpave设计和马歇尔设计两种设计方法的试验比较,以及水稳定性和高温稳定性两个关键路用性能指标的比较,发现AC-20I中四个试验级配中最好的是级配2。 ⑵考虑到级配2在各方面性能强于现行的AC-20I的中值级配,可以在以后的级配设计中,以级配2替代现行的AC-20I的中值级配。 ⑶级配在避开禁区后其各项性能得到了提高,表明避开禁区对于改善混合料的性能是有效的。

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