專利名稱：：排水性瀝青混合料材料組成設計方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及瀝青路面材料，特別是涉及一種排水性瀝青混合料材料組成設計方法。技術背景排水性瀝青路面是一種骨架嵌擠多孔結構的瀝青路面。由于存在較高內(nèi)部空隙率，該路面能夠及時排走路表積水，并能夠降低行車噪音，提供足夠的表面粗糙度，提高路面駕駛的舒適性和安全性。國際上常用的排水路面材料組成設計方法不盡相同。例如，美國某些州采用表面常數(shù)Kc法確定排水路面的瀝青用量，但該方法沒有考慮細集料比表面積特性；1999年，Kandhal和Mallick發(fā)表了《新一代開級配磨耗層的設計》(見文獻《新一代開級配磨耗層的設計》，瀝青技術美國國家研究中心，報告No.99-3)，該設計方法規(guī)定瀝青含量在6.0%6.5%之間，但并不符合所有工程實際應用情況。我國《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTGF40-2004)借鑒了日本道路協(xié)會推薦方法，該法把空隙率作為級配選取的主要依據(jù)，沒有考慮骨架結構特性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種排水性瀝青混合料材料組成設計方法，以保證和提高排水性瀝青路面的功能性和耐久性。本發(fā)明解決其技術問題采用以下的技術方案本發(fā)明提供的排水性瀝青混合料材料組成設計方法，具體是依據(jù)消除動力水壓和提高排水性能的要求，確定所述排水性瀝青混合料材料的空隙率；通過計算法確定初試瀝青用量；以骨架嵌擠結構和空隙率作為選取原材料最終級配的根本依據(jù)；以瀝青析漏損失和空隙率作為在最佳瀝青用量確定的主要控制指標；在保證空隙率的基礎上，通過使用纖維增大瀝青用量，并且采用旋轉(zhuǎn)壓實成型試件工藝，以確保所述排水性瀝青混合料材料兼?zhèn)涔δ苄院湍途眯栽O計要求。本發(fā)明提供的上述排水性瀝青混合料材料組成設計方法，其在設計排水性瀝青混合料組成中使用。本發(fā)明提供了一種全面合理的排水性瀝青混合料材料組成設計方法，其涉及到排水性瀝青瀝青混合料的功能型和耐久性問題。因此，具有以下主要的優(yōu)點1.采用旋轉(zhuǎn)壓實設計方法成型排水性瀝青混合料，能較好的模擬路面對排水性瀝青混合料的壓實，傳統(tǒng)設計排水性瀝青混合料采用馬歇爾擊實方法，不能準確對排水性瀝青混合料進行材料組成設計。因此，本發(fā)明中排水性瀝青混合料的成型設計方法能保證材料的組成設計與實際路面較好的-致性。2.本發(fā)明中著重考慮到排水性瀝青混合料的骨架結構特性，能夠確保設計的排水性瀝青混合料成型后的骨架密實性能，有效地保證了排水性瀝青路面地高溫穩(wěn)定性能，同時能減緩排水性瀝青路面隨著使用年限增加而不斷密實的速度，改善排水性瀝青路面后期使用過程中的排水性功能。3.同時采用空隙率和析漏損失作為最佳瀝青用量設計的控制指標，一方面能夠保證空隙率的設計要求，確保排水性瀝青路面的功能性；另一方面能保證析漏損失的設計要求，有效確保排水性瀝青混合料在生產(chǎn)運輸過程中瀝青不會嚴重流淌?？障堵屎臀雎p失滿足條件下選取最大瀝青用量作為最佳瀝青用量的設計方法同時還能提高排水性瀝青混合料的耐久性。4.同時采用飛散損失、動穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比作為排水性瀝青混合料的性能評價指標，較傳統(tǒng)設計方法增加了飛散損失和凍融劈裂強度比作為排水性瀝青混合料性能的評價指標，由于排水性瀝青路面表面存在掉?，F(xiàn)象，且冰脹和凍融條件下排水性瀝青混合料同樣存在劈裂強度明顯下降趨勢，因此，采用飛散損失和凍融劈裂強度比能有效驗證和確保排水性瀝青混合料性能的優(yōu)良性。圖1是本發(fā)明提供的排水性瀝青混合料材料組成設計的流程圖。圖2是本發(fā)明提供的排水性瀝青混合料粗、中、細三種初級配曲線示意圖。圖3是旋轉(zhuǎn)次數(shù)與壓實度的關系曲線圖。圖4是空隙率、析漏損失與瀝青用量的關系示意圖。具體實施方式本發(fā)明提供的排水性瀝青混合料材料組成設計方法，具體是依據(jù)消除動力水壓和提高排水性能的要求，確定所述排水性瀝青混合料材料的空隙率；通過計算法確定初試瀝青用量；以骨架嵌擠結構和空隙率作為選取原材料最終級配的根本依據(jù)；以瀝青析漏損失和空隙率作為在最佳瀝青用量確定的主要控制指標；在保證空隙率的基礎上，通過使用纖維增人瀝青用量，并且采用旋轉(zhuǎn)壓實成型試件工藝，以確保所述排水性瀝青混合料材料兼?zhèn)涔δ苄院湍途眯栽O計要求。本發(fā)明提供的上述排水性瀝青混合料材料組成設計方法，具體是采用包括以下步驟的方法(參見圖1):(一)確定空隙率為消除動力水壓和提高排水性能，排水性瀝青混合料設計空隙率范圍定為18~22%。(二)選擇原材料按照所述排水性瀝青混合料材料的組成選擇原材料，其包括粗、細集料，由石灰?guī)r或強基性巖石料制得的礦粉，高粘度改性瀝青，以及吸油性強的木質(zhì)素纖維。所選粗、細集料物性指標見表K表2。礦粉采用石灰?guī)r或強基性巖石料制得礦粉。瀝青采用高粘度改性瀝青，性能見表3。采用吸油性強的木質(zhì)素纖維，技術指標見表4。(三)初選級配由于排水瀝青路面均采用中粒式或細粒式級配類型，關鍵性篩孔2.36mm。因此在初選級配過程中，采用我國《公路瀝青路面施工技術規(guī)范(JTGF40-2004)》推薦級配，通過改變2.36mm篩孔通過率，確定粗、中、細三種級配類型，作為各初選級配。1.各初選級配的初試瀝青用量按照以下公式計算NAxj(1)爿=(2+0.02a+0.046+0.08c+0.14of+0.3e+0.6/+1.6g)/48.74(2)公式(1)中P為初試瀝青用量P;A為瀝青膜厚，采用國際上經(jīng)驗值14pw;/1為公式(2)計算而得的集料的總表面積。公式(2)中a、b、c、d、e、f、g分別為4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3tnm、0.15mm、0.075mm篩孔通過率。2.在初選級配過程中，按照以下方法旋轉(zhuǎn)壓實成型試件將各初選級配采用的各自初試瀝青用量進行旋轉(zhuǎn)壓實成型試驗，按照工藝要求的壓實度進行多次旋轉(zhuǎn)壓實，使排水性瀝青混合料材料內(nèi)部骨架結構達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，即內(nèi)部嵌鎖程度達到最大。壓實度與旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)關系為對下述的壓實度與旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)關系公式(3)進行二次求導，定義首次連續(xù)出現(xiàn)兩組相同的兩位有效數(shù)字的二階導數(shù)(％6"^)-時，嵌鎖程度達到最大，此時所對應的旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)為成型該混合料所需次數(shù)；繼續(xù)增加壓實次數(shù)，內(nèi)部嵌鎖結構將被破壞。o/0Gnm=mxln(AO+w(3)(%Gmm)"=-^(4)上述公式中。/。G自為瀝青混合料壓實度，％;W為旋轉(zhuǎn)次數(shù)；W，rt為壓實參數(shù)。(四)判定骨架嵌擠結構；采用石-石接觸對骨架嵌擠結構進行驗證，即當瀝青混合料屮粗集料骨架間隙率小于粗集料骨架的松裝間隙率時，瀝青混合料達到石-石接觸。瀝青混合料中粗集料骨架間隙率和粗集料骨架的松裝間隙率按照以下計算公式確定匪臟=(卜5+…,.化)x100(5)J+J+......+J廳=(1-么)xlOCi(6)=巧+尸2么…化《》脂()J+J十……+J公式(5)中rC4^c為粗集料骨架的松裝間隙率，單位為％;^為粗集料骨架的松方毛體積相對密度；5、A、……^為粗集料骨架部分各集料在全部礦料級配混合料中的配合比；^、y2、……^為各種粗集料相應的毛體積相對密度。公式(6)中KF為空隙率，單位為％;^為瀝青混合料試件的毛體積相對密度，由體積法確定；y,為混合料的最大理論相對密度。公式(7)中FC4為瀝青混合料中粗集料骨架間隙率；尸c,為瀝青混合料中粗集料的比例，即大于2.36mm的顆粒含量，單位為％。(五)確定最終級配將具有石一石接觸和滿足設計范圍的最大空隙率級配作為最終級配。(六)確定最佳瀝青用量木質(zhì)素纖維的摻入使得最佳瀝青用量在初試瀝青用量的基礎上有所增加；瀝青用量以0.5%為增量，按照我國試驗規(guī)程T0732-2000進行析漏試驗，同時測定旋轉(zhuǎn)壓實試件的空隙率；以析漏損失小于0.3%和空隙率滿足設計要求為標準，選擇最佳瀝青用量。(七)性能評價；評價標準飛散損失^5%;動穩(wěn)定度SOOO次/mm;凍融劈裂強度比20%。(八)確定材料組成，即根據(jù)上述步驟(五)和(六)技術方案確定排水性瀝青混合料中的最終級配和最佳瀝青用量。木發(fā)明提供的上述排水性瀝青混合料材料組成設計方法，其在設計排水性瀝青路面所用材料中的應用。下面以湖北某高速公路排水性瀝青路面為例，采用本發(fā)明提供的排水性瀝青混合料材料組成設計方法，但不限定本發(fā)明。該公路地處亞熱帶季風氣候區(qū)域，雨量充沛，多集中在夏季，年平均雨量820-1200毫米，年最大達2331.9毫米。排水路面型號為PA-13(公稱最大粒徑13mm),厚度4cm。(1)設計空隙率為消除動力水壓和提高排水性能，排水性瀝青混合料設計空隙率范圍定為1822%。(2)選擇原材料所選粗、細集料均為玄武巖，物性指標見表5、表6;礦粉采用采用石灰石軋制的礦粉，視密度2.830g/cm3，主要的化學成分為51.5%的CaO和1.76%的Si02;瀝青采用高粘度TPS改性瀝青，性能見表7;采用吸油性強的木質(zhì)素纖維，用量占總瀝青混合料質(zhì)量的0.4%,技術指標見表8。(3)初選級配采用我國《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTGF40-2004)推薦級配，通過調(diào)整各檔集料，改變2.36mm篩孔通過率，確定粗、中、細三種級配類型，各篩孔通過率及級配曲線見表9和圖2。(4)計算初試瀝青用量采用公式(1)計算得各初選級配所需瀝青用量，見表ll。(5)旋轉(zhuǎn)壓實成型試件各初選級配分別采用各自初試瀝青用量進行旋轉(zhuǎn)壓實成型試驗。根據(jù)圖3得出某級配壓實度與旋轉(zhuǎn)次數(shù)的關系式。根據(jù)嵌鎖理論，計算出粗、中、細三種級配達到最大嵌鎖狀態(tài)所需旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)分別為42、45和45，見表12。各級配分別以對應的壓實次數(shù)進行旋轉(zhuǎn)壓實成型試件。(6)驗證骨架嵌擠結構由公式(5)、(6)、(7),計算得各級配空隙率參數(shù)，見表13。由表13可知，除細型級配外，粗、中型級配均存在石一石接觸，混合料達到嵌擠結構。(7)確定最終設計級配根據(jù)判斷標準，選取具有石—石接觸和滿足設計范圍的最大空隙率級配為最終級配。由表12可知，確定粗型級配為最終設計級配。(8)確定最佳瀝青用量圖4是在不同瀝青用量下混合料的空隙率及析漏損失。當瀝青用量在4.5%6.0%范圍內(nèi)，析漏損失滿足規(guī)范要求；瀝青用量在4.5%5.5%范圍內(nèi)，空隙率在設計空隙率范圍之內(nèi)。在保證設計空隙率的前題下，應盡量增加瀝青用量，以提高混合料的耐久性。因此，確定5.5%作為最佳瀝青用量。(9)性能評價表14為確定最終設計級配和最佳瀝青用量的條件下，即在本實例中選取粗型級配和5.5%的瀝青用量條件下排水性瀝青混合料的各項性能指標?？梢钥闯觯緦嵗O計的排水性瀝青混合料的飛散損失、動穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比(TSR)均能滿足路用性能要求。說明了所設計的排水性瀝青混合料的合理性和科學性。(10)確定材料組成通過排水性瀝青混合料的級配設計和最佳瀝青用量設計以及在設計級配和最佳瀝青用量條件下的排水性瀝青混合料的性能評價和驗證，可以得到排水性瀝青混合料PA-13的材料組成，見表15所示。排水性瀝青混合料的材料組成包括各檔集料用量(即級配設計)、瀝青用量和纖維用量。表15中瀝青用量、纖維用量分別為瀝青質(zhì)量、纖維質(zhì)量與瀝青混合料總量的百分比。附表表1粗集料物性指標<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2細集料物性指標<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表5粗集料物性指標<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表7高粘度改性瀝青性能指標<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表8木質(zhì)素纖維物性指標<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表11各級配初試瀝青用量表12<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表13各級配石-石接觸判定結果<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表14排水瀝青混合料'性能評價指標<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表15排水性瀝青混合料材料組成<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>權利要求1.一種排水性瀝青混合料材料組成設計方法，其特征是依據(jù)消除動力水壓和提高排水性能的要求，確定所述排水性瀝青混合料材料的空隙率；通過計算法確定初試瀝青用量；以骨架嵌擠結構和空隙率作為選取原材料最終級配的根本依據(jù)；以瀝青析漏損失和空隙率作為在最佳瀝青用量確定的主要控制指標；在保證空隙率的基礎上，通過使用纖維增大瀝青用量，并且采用旋轉(zhuǎn)壓實成型試件工藝，以確保所述排水性瀝青混合料材料兼?zhèn)涔δ苄院湍途眯栽O計要求。2.如權利要求1所述的排水性瀝青混合料材料組成設計方法，其特征是具體釆用包括以下步驟的方法(一)確定空隙率所述排水性瀝青混合料材料的空隙率范圍為1822%;(二)選擇原材料按照所述排水性瀝青混合料材料的組成選擇原材料，其包括粗、細集料，由石灰?guī)r或強基性巖石料制得的礦粉，高粘度改性瀝青，以及吸油性強的木質(zhì)素纖維；(三)初選級配采用我國《公路瀝青路面施工技術規(guī)范(JTGF40-2004)》推薦級配，通過改變2.36mm篩孔通過率，確定粗、中、細三種級配類型，作為各初選級配；(四)判定骨架嵌擠結構；采用石-石接觸對骨架嵌擠結構進行驗證，即當瀝青混合料中粗集料骨架間隙率小于粗集料骨架的松裝間隙率時，瀝青混合料達到石-石接觸；(五)確定最終級配將具有石一石接觸和滿足設計范圍的最大空隙率級配作為最終級配；(六)確定最佳瀝青用量木質(zhì)素纖維的摻入使得最佳瀝青用量在初試瀝青用量的基礎上有所增加；瀝青用量以0.5%為增量，按照我國試驗規(guī)程T0732-2000進行析漏試驗，同時測定旋轉(zhuǎn)壓實試件的空隙率；以析漏損失小于0.3%和空隙率滿足設計要求為標準，選擇最佳瀝青用量；(七)性能評價；評價標準飛散損失^5%;動穩(wěn)定度S000次/mm;凍融劈裂強度比20%;(八)確定材料組成，即根據(jù)步驟(五)和(六)確定排水性瀝青混合料中的最終級配和最佳瀝青用量。3.如權利要求2所述的排水性瀝青混合料材料組成設計方法，其特征是在初選級配過程中，按照以下公式計算各初選級配的初試瀝青用量jP二/zx^(1)^=(2+0.02a+0.046+0.08c+0.14d+0.3e+0.6/+1.6g)/48.74(2)公式(1)中尸為初試瀝青用量P;/!為瀝青膜厚，采用國際上經(jīng)驗值14^m;乂為公式(2)計算而得的集料的總表面積，公式(2)中a、b、c、d、e、f、g分別為4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm篩孔通過率。4.如權利要求2或3所述的排水性瀝青混合料材料組成設計方法，其特征是在初選級配過程中，按照以下方法旋轉(zhuǎn)壓實成型試件將各初選級配采用的各自初試瀝青用量進行旋轉(zhuǎn)壓實成型試驗，按照工藝要求的壓實度進行多次旋轉(zhuǎn)壓實，使排水性瀝青混合料材料內(nèi)部骨架結構達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，即內(nèi)部嵌鎖程度達到最大。5.如權利要求4所述的排水性瀝青混合料材料組成設計方法，其特征是壓實度與旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)關系為對壓實度與旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)關系公式(3)進行二次求導，定義首次連續(xù)出現(xiàn)兩組相同的兩位有效數(shù)字的二階導數(shù)(％(}皿)''時，嵌鎖程度達到最大，此時所對應的旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)為成型該混合料所需次數(shù)；繼續(xù)增加壓實次數(shù)，內(nèi)部嵌鎖結構將被破壞。%Gmm=wxln(iV)+"(3)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>(4)上述公式中n/。G目為瀝青混合料壓實度，％;W為旋轉(zhuǎn)次數(shù)；W，"為壓實參數(shù)。6.如權利要求2所述的排水性瀝青混合料材料組成設計方法，其特征是按照以下計算公式，確定瀝青混合料中粗集料骨架間隙率和粗集料骨架的松裝間隙率<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>(5)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>(6)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>(7)公式(5)中rC4^c為粗集料骨架的松裝間隙率，單位為％;r,為粗集料骨架的松方毛體積相對密度；^、S、……尸為粗集料骨架部分各集料在全部礦料級配混合料中的配合比；？vv……^為各種粗集料相應的毛體積相對密度，公式(6)中H^為空隙率，單位為％;^為瀝青混合料試件的毛體積相對密度，由體積法確定；y,為混合料的最大理論相對密度，公式(7)中FCM為瀝青混合料中粗集料骨架間隙率；i^為瀝青混合料中粗集料的比例，即大于2.36mm的顆粒含量，單位為％。7.如權利要求1至6中任一權利要求所述的排水性瀝青混合料材料組成設計方法，其特征是在設計排水性瀝青混合料組成中的應用。全文摘要本發(fā)明提供的排水性瀝青混合料材料組成設計方法，具體是依據(jù)消除動力水壓和提高排水性能的要求，確定所述排水性瀝青混合料材料的空隙率；通過計算法確定初試瀝青用量；以骨架嵌擠結構和空隙率作為選取原材料最終級配的根本依據(jù)；以瀝青析漏損失和空隙率作為在最佳瀝青用量確定的主要控制指標；在保證空隙率的基礎上，通過使用纖維增大瀝青用量，并且采用旋轉(zhuǎn)壓實成型試件工藝，以確保所述排水性瀝青混合料材料兼?zhèn)涔δ苄院湍途眯栽O計要求。本發(fā)明能夠滿足排水性瀝青混合料空隙率設計要求和路用性能要求，確保排水性瀝青路面的功能性、路用性能以及使用后期較穩(wěn)定的壓實特性、優(yōu)良的排水功能，同時能夠提高路面的耐久性，故具有推廣應用的優(yōu)勢。文檔編號E01C7/18GK101244911SQ20081004669公開日2008年8月20日申請日期2008年1月16日優(yōu)先權日2008年1月16日發(fā)明者剛劉,吳少鵬,磊周,園張,曹庭維,王金剛,磨煉同,陳明宇申請人:武漢理工大學