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瀝青混合料級配設計的研究
發布時間:2015-02-01 09:00:00 點擊瀏覽:

    ⒈前言瀝青混合料配合比設計中級配的選擇是一個至關重要的內容,直接決定著瀝青路面的使用性能。

      我國在進行瀝青混合料馬歇爾設計時沒有一個級配選擇的概念,一旦混合料類型確定,在進行配合比設計時,千方百計地將級配進行調整,使合成級配盡可能符合規范規定的中值。這種方法的優點是簡單易行,但缺乏靈活性,特別是集料的特性發生變化時,無法進行有效的調整。現有的情況表明用級配中值設計的混合料不一定是最佳的瀝青混合料。這就需要對現有的級配選擇方法進行改進。在現今美國實行的Superpave設計體系中,其精華之一就是集料組成。它不僅引進了限制區和控制點的概念,更重要的是打破了中值級配的傳統思想,提出了設計中級配選擇的方法。Superpave體系要求級配首先要滿足Superpave集料級配范圍標準,然后初選三種級配結構,進行壓實特性和體積特性的評價,最后確定設計級配。本次研究的目的是通過對傳統馬歇爾設計體系和Superpave設計體系在級配確定過程的研究,借鑒Superpave混合料設計體系的精華,對我國現行的級配進行調整,找到更適用于我國的瀝青混合料級配。

     ⒉研究方法 基于對現行的馬歇爾設計體系中級配選擇方法進行改進的想法,我們在比較馬歇爾設計體系和美國Superpave設計體系確定級配時,采用在符合現有規范的級配范圍內選擇符合美國Superpave設計體系要求的粗,中,細三種級配,結合我國實行的以級配中值為所選定的設計級配的方法,分析這些級配在美國Superpave設計體系和在傳統的馬歇爾設計體系中表現出的優劣性,并結合它們的路用性能選取最強的級配作為我們改進后的馬歇爾設計級配。本文是以AC-20I級配類型為研究級配,進行一系列的試驗。其級配組成見表1,其中級配1是現行AC-20I的中值級配;級配2是在AC-20I范圍內符合Superpave-19要求的Superpave-19中級配;級配3是在AC-20I范圍內符合Superpave-19要求的Superpave-19細級配,同時也是避開禁區的AC-20I的中值級配變形形式;級配4是在AC-20I范圍內符合Superpave-19要求的Superpave-19粗級配。表1 AC-20I范圍內4種級配組成 通過下列篩孔尺寸(mm)的礦料重量百分率(%) 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級配類型的Superpave設計和馬歇爾設計比較 3.1 試驗級配的瀝青混合料Superpave設計根據集料的性質(密度)來計算出初選的四個級配的初始用油量,然后用初始用油量成型試件,根據試驗結果,計算出這四個級配的瀝青混合料在空隙率為4%時所需的瀝青用量及相應的瀝青混合料其它性質。將所得的瀝青混合料的壓實特性和體積特性的評價與Superpave規范要求進行比較,最后確定設計集料級配。

     3.1.1 按照Superpave經驗公式估算瀝青用量,其結果見表2。表2 估計試驗瀝青膠結料用量結果匯總表級配 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分別代表瀝青膠結料質量百分率、瀝青膠結料比重、集料質量百分率、被吸收的瀝青膠結料體積百分率、有效瀝青膠結料的體積百分率、集料質量和初始試驗瀝青含量。

    3.1.2 用求出的各級配的估算瀝青用量成型試件,瀝青混合料的拌和溫度和壓實溫度依據瀝青試驗中的粘溫曲線,采用旋轉壓實儀成型試件,設定旋轉壓實儀的單位壓力為600Kpa,根據一般高速公路工程的要求,選擇壓實次數Ndes=109次、Nini=8次、Nmax=174次。估算出的瀝青用量各級配旋轉壓實試驗結果見表3。 表3 試驗級配瀝青混合料壓實特性匯總表級配 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表示最大理論相對密度;Ndes、Nini、Nmax分別表示設計旋轉壓實次數、初始壓實次數和最大壓實次數。

     3.1.3 根據配旋轉壓實試驗結果,運用公式計算出這四個級配的瀝青混合料在空隙率為4%時所需的瀝青用量及相應的瀝青混合料其他性質,具體見表4。表4 試驗級配瀝青混合料體積特性匯總表 級配 VMA Pb估算 VMA估算 VFA估算 Ps Pbe 粉膠比 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規范要求 > 13.0 65~75 0.8~1.6 注:VMA表示集料空隙率;VFA估算表示瀝青填隙率;Ps 表示集料含量;Pbe表示有效瀝青膠結料的質量百分比。

   3.1.4 試驗分析 ⑴級配3比級配1更適合Superpave規范要求,說明避開禁區后的級配性能更好; ⑵級配4的粉膠比是0.82和Superpave規范要求0.8~1.6的下限0.8很接近,不利于實際工地上的利用; ⑶級配1的VMA估算值是13.0,不合Superpave規范要求; ⑷級配2和級配3均符合Superpave規范要求,相比之下級配2與級配3對Superpave規范要求的符合性比級配3更好。

   ⒊.2試驗級配瀝青混合料的馬歇爾設計對于初選的四個級配,統一采用油石比為4.5%進行物理和力學指標的測定。根據測定結果,將所得的瀝青混合料的物理和力學指標與馬歇爾標準進行比較,確定四個級配的優劣。

    3.2.1測定馬歇爾試驗物理-力學指標,其結果見表5。 表5 馬歇爾試驗物理-力學指標匯總表級 配 油石比 (%) 視 密 度ρs(g/cm) 空 隙 率 VV (%) 礦料間隙率 VMA (%) 瀝青飽和度 VFA (%) 穩 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 馬 歇 爾 標 準 3~6 >14 70~85 >7.5 20~40 3.2.2試驗分析 ⑴各級配均能滿足馬歇爾標準; ⑵級配1的瀝青飽和度非常接近馬歇爾規范要求的下限70,不利于實際工地上的利用; ⑶級配3與級配1相比,對馬歇爾規范要求的符合性更好,說明避開禁區后的級配性能更好; ⑷級配2與其它級配相比在對馬歇爾規范要求的符合性上更好。

    3.3 總結通過進行試驗級配的Superpave設計和馬歇爾設計,在兩種設計中對于這四個級配進行了比較。可以看出在級配2在Superpave設計過程中,對規范要求的適應性強于其它3種級配。在傳統的馬歇爾設計中,級配2的瀝青混合料物理和力學指標對于馬歇爾標準的符合性也強于其它三種級配。同時,證明了級配避開禁區后其性能更好。

    ⒋.AC-20I級配類型路用性能的比較通常所說的瀝青混合料的路用性能主要是指:⑴高溫穩定性⑵低溫抗裂性能⑶水穩定性能⑷抗疲勞性能⑸抗老化性能限于論文篇幅和研究時間,筆者不可能對五種瀝青混合料的所有性能做一個全面的比較。只能針對目前瀝青路面發生早期破壞的主要原因:水穩定性差和高溫穩定性不足,對這兩個關鍵性的指標作一個細致的比較。 4.1試驗級配的瀝青混合料水穩定性能比較瀝青混合料的水穩定性能作為瀝青混合料最重要的路用性能之一,長期以來各國形成了各種不同的評價方法。本研究參照我國傳統的浸水馬歇爾試驗和美國AASHTO283方法來評價瀝青混合料的水穩定性。

    4.1.1瀝青混合料浸水馬歇爾試驗 ⒈試驗過程 各個級配均采用油石比為4.5 %制備試件,由馬歇爾擊實儀成型試件。將試件分兩組,其中一組采用非條件試驗,另一組采用條件試驗。非條件試驗是將試件放入60℃水浴中保持30min后進行試驗。條件試驗是先將試件在60℃水浴中保持48h后進行試驗。試驗結果見表6。 表6 浸水馬歇爾試驗結果匯總表級 配 1 2 3 4 馬歇爾標準浸水殘留穩定度(%) 85 96 93 88 >75 ⒉試驗分析 ⑴級配3 與級配1相比,浸水殘留穩定度有明顯的提高,說明避開禁區后的級配水穩定性更好; ⑵級配2 與其它級配相比浸水殘留穩定度最大,其水穩定性最好。

    4.1.2瀝青混合料的AASHTO283試驗 ⒈試驗過程 各個級配均采用油石比為4.5 %,由旋轉壓實儀成型試件,試件的空隙率控制在7+1%以內。將試件分兩組,其中一組采用非條件試驗,另一組采用條件試驗。非條件試驗是將試件放在塑料袋里封好,放入25℃水浴中至少兩小時后進行試驗。條件試驗是先將試件在真空飽水15min,在-18℃下冷凍16h,再在60℃下保持24h,最后在25℃水浴中保持2h后進行試驗。試驗結果見表7。 表7 AASHTO283試驗結果匯總表級 配 1 2 3 4 標 準辟裂強度比 TSR(%) 83.2 92.4 85 73.9 >70 ⒉試驗分析 ⑴級配3 與級配1相比,瀝青混合料凍融辟裂強度比有明顯的提高,說明避開禁區后的級配水穩定性更好; ⑵級配2 與其它級配相比凍融辟裂強度比有明顯的提高,其水穩定性最好。

    4.1.3總結通過浸水馬歇爾試驗和AASHTO283試驗可知在水穩定性上,級配2優于其它級配。同時,在避開禁區后級配的水穩定性得到了提高,說明避開禁區對于改善混合料的水穩定性是有成效的。 4.2試驗級配的瀝青混合料高溫穩定性能比較 ⒈試驗過程 各個級配均采用油石比為4.5 %制備試件, 在試驗溫度T為60℃,試驗輪壓0.7 Mpa,不浸水的試驗條件下進行車轍試驗。試驗結果見表8。表8 車轍試驗結果匯總表級 配 1 2 3 4 馬歇爾標準動穩定度DS (次/mm) 947 1384 1105 1554 >800 ⒉試驗分析 ⑴級配3 與級配1相比,動穩定度有明顯的提高,說明避開禁區后的級配高溫穩定性更好; ⑵級配2 與其它級配相比動穩定度最大,其高溫穩定性最好。 ⒊總結通過車轍試驗可知在高溫穩定性上,級配2優于其它級配。同時,在避開禁區后級配的高溫穩定性得到了提高,表明避開禁區對于改善混合料的高溫穩定性是有成效的。

     ⒌結論 ⑴通過對Superpave設計和馬歇爾設計兩種設計方法的試驗比較,以及水穩定性和高溫穩定性兩個關鍵路用性能指標的比較,發現AC-20I中四個試驗級配中最好的是級配2。 ⑵考慮到級配2在各方面性能強于現行的AC-20I的中值級配,可以在以后的級配設計中,以級配2替代現行的AC-20I的中值級配。 ⑶級配在避開禁區后其各項性能得到了提高,表明避開禁區對于改善混合料的性能是有效的。

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