（道路与铁道工程专业论文）基于高温性能的AC13沥青混合料矿料级配优化设计模型研究.pdf

摘要 本文以我国高等级道路沥青路面面层采用较多的a c 1 3 型沥青混合料作为沥 青混合料研究类型 并在现行规范a c 一1 3 型的级配范围内 以贝雷系数比翻 尉c 和剧 作为试验级配的选择因数 选择1 0 条级配进行试验研究 通过室内的大量试验 对试验结果进行整理 分析各级配沥青混合料的体积 指标 阿 珊搦 删 和马歇尔试验指标 腑 兄 和高温稳定性指标 傩 6 以及沥青膜有效厚度删 粉胶比船和矿料的体积百分率圪与贝雷系数比 翻 尉c 和剧 之间的关系 根据本文的试验研究分析 对翻 尉c 和刚 的取值范围 本文推荐 取值范围为o 4 o 6 5 e 4 c 和剧 的取值范围为o 4 o 5 比较合理 贝雷系数翻比 翩c 比和尉 比三个参数中 尉c 对沥青混合料的各指 标比另外两个贝雷系数要显著 尤其是对混合料的高温性车辙试验动稳定度成线 形关系 以及当剐c 小于o 5 时 对混合料的高温性车辙试验相对变形率也近似 一条直线 碰 对沥青混合料的体积指标影响显著 而对沥青混合料的稳定度 流值 动稳定度和沥青膜有效厚度影响较小 却对混合料高温稳定性的相对变形率影响 比对其他指标的影响较显著 对这1 0 条级配的试验结果 采用s p s s 统计软件以贝雷系数为自变量 以沥 青混合料的体积指标 翰纠 删 和马歇尔试验指标 船 兕 和高温 稳定性指标 傩 6 以及沥青膜有效厚度删 粉胶比船和矿料的体积百分率 k 指标为因变量进行多元回归分析 回归出贝雷系数比与沥青混合料对应指标的 回归方程 将回归的方程联立建立方程组 利用e x c e l 软件的规划求解 以满足 规范的体积指标和路用性能为优化约束条件 以高温稳定性为最优目标函数 对 回归的方程组实行优化求解 求出贝雷系数的取值 再通过求解的贝雷系数反算 出各控制粒径的通过率 从而确定出优化后得高温性能好的级配 对优化级配的 检验试验可得 优化后的沥青混合料各体积参数和路用性能指标均满足规范要求 与原试验的1 0 种沥青混合料的性能指标相比 其混合料高温性能都有很大的提高 关键词 贝雷法 高温性能 级配优化 s p s s 多元回归分析 规划求解 相关性 混合料设计 a b s t r a c t t h i sp a p e ru s e sa c 一1 3b i t u m i n o u sm i x t u r e w h j c hi su s e dm u c ho f t e ni no u r c o u n t f yh i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n ts u r f a c el a y e r t ob et h ea s p h a l tm i x t u r er e s e a r c h t y p e i nt h ep r e s e n ts p e c i f i c a t i o ns t a n d a r dg r a d a t i o ns c o p ea c 1 3 t a k i n gt h eb a i l e y c o e f f i c i e n tf a t i o si f 己4 ca n d f 己4 a st h eg r a d a t i o nf a c t o r so ft h ee x p e r i m e n t a l t e n g r a d a t i o n sa r ec h o s et 0c o n d u c tt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h r o u g hal o to fe x p e r i m e n t si n d o o r t h er e o r g a n i z a t i o nt ot h et e s tr e s u l tc a f r i e do n t h er e l a t i o n sa m o n gt h ev b l u m ei n d e x 阿 阳纠 阳m o fe a c hg r a d a t i o nb i t u m i n o u s m i x t u r ea n dt h ei n d e x 朋s 兕 o fm a r s h a ue x p e r i m e n t sa n dt h eh y p e n h e m i a s t a b i l i t yi n d e x 上坯 6 a sw e na st h ee f f e c t i v et h i c k n e s so ft h ea s p h a l tm e m b r 蛐e t h ep o w d e rr u b b e rr a t i o 船a n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ev o l u m ep e r c e n t a g e 匕 o f t h em i n e r a la g g r e g a t ea n dt h eb a i l e yc o e f f i c i e n tr a t i 0a n a l y z e d b a s i n gt h i sa r t i c l ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n a l y s i s t h i sa r t i c l er e c o m m e n d st h a tt h e c o m p a r a t i v e l yr e a s o n a b l en u m e r i ca r e ao fl 疆 i s0 4 0 6 5 e 4 ca n d f 己够i so 4 一 o 5 t bt h eb i t u m i n o u sm i x t u r ei n d e x e s j 纠cm u s tb em o r er e m a f k a b l et h a nt h e o t h e rt w ob a i r e yc o e e f i c i e n t s f 己4 cr a t i oa n d f 0 鲈 r a t i o i np a n i c u l a rt ot h eb l e n d h i g ht e m p e r a t u r ew h e e lr u t t i n gt e s t t h ed y n a m i cs t a b i l i t yt u m st ol i n e a f a sw e l la s w h e nj 珥ci ss m a l l e rt h a n0 5 t h er e l a t i v ed e f o r m a t i o nr a t ei sa l s 0a p p r o x i m a t el i n e 尉厂 a f f e c tr c m a r k a b l et ot h eb i t u m i n o u sj n i x t u r ev o l u m ei n d e x n o ts o o b v i o u s l yt ot h eb i t u m i n o u sm i x t u r e ss t a b i l i t y t h en o wv a l u e t h ed y n a m i cs t a b i l i t y a n dt h ea s p h a l tm e m b f a n e b u te x t r e m e l yr e m a r k a b l et ot h er e l a t i v ed e f o 加a t i o nr a t eo f t h eh i g ht e m p e r a t u r es t a b l ei n n u e n c e 1 bt h e s e1 0g r a d a t i o nt e s tr e s u l t u s i n gs p s ss t a t i s t i c ss o n w a r e t a k i n gt h eb a i l e y c o e f f i c i e n tr a t i 0a st h ei n d e p e n d e n tv a r i a b l e t h eb i t u m i n o u sm i x t u r ev o l u m ei n d e x 彬 阳以 阡 a n dm a r s h a u1 e s ti n d e x 腻s 兄 a n dt h eh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t y i n d e x d 5 6 a sw e l la st h ea s p h a l tm e m b r a n ee f f e c t i v et h i c k n e s s 蹦 t h ep o w d e r r u b b e ff a t i oj i 8a n dt h ev o l u m ep e r c e n t a g e 屹a st h ed e p e n d e n tv a r i a b l e t oc a r r yo nt h e m u l t i p l er e g f e s s i o na n a l y s i s a n dg e tt h eb a i l e yc o e f f i c i e n tr a t i oa n dt h eb i t u m i n o u s m i x t u r ec o r r e s p o n d e n c ei n d e xr e g r e s s i o ne q u a t i o n s e t t i n gu p t h ee s t a b l i s h m e n t s y s t e m0 fe q u a t i o n sw i t ht h er e g r e s s i v ee q u a t i o n p l a n n i n gs o l u t i o nw i t ht h ee x c e l s o f t w a f e t a k i n gt h es a t i s f i e dv o l u m ei n d e xa n dp a v e m e n tp e r f o r m a n c ea st h er e s t f i c t p a r a m e t e r s t a k i n gt h eh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t ya st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n s o l v i n gt o t h er e t u me q u a t i o ni m p l e m e n t a o no p t i m i z a t i o n e x t r a c t i n gt h eb a i l e yc o e f f i c i e n t v a l u e f i g u r i n go u tt h ep a s s i n gr a t eo fe a c hc o n t r o lp a n i c l es i z ew i t ht h eb a i l e y c o e f f i c i e n t t h e nt h eo p t i m i z a t i o ng r a d a t i o nw i t hf e l a t i v e l yg o o dp e r f o 瑚a n c ei nh i g h t e m p e r a t u r ec a nb ed e t e 珊i 丑e d f r o m 山ee x a 加j 舶 彻e x p e r i m 如to ft h eo p t j m i z e g r a d a t i o n i tc a nt u mt ot h a ta f t e fo p t i m i z e de v e r yp e r f o 瑚a n c ci n d e xa n dv o l u m e i n d e xo ft h eb u m i n o u sm i x t u r es a t i s f i e st h es t a n d a r dr e q u e s t c o m p a r e dw i t ht h et e n k i n do ft h eb i t u m i n o u sm i x t u r ep e r l o 珊a n c ei n d e xi nt h eo r i g i n a lt e s t t h eh i g h t e m p e f a t u r ep e r f o r m a n c ea l le n h a n c ep r o d i g i o u s l y k e yw o r d s b a i l e ym e t h o d h i g ht e m p e r a t u 此p e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o o f g 始d a t i o n s p s sm u l t i p l er e g r s s i o na n a l y z e p l a ns o l u t i 蛆 c o r r e l a t i v i t y m i x t u nd e s i g n m 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担 作者签名 蹴叶多旯f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查 阅和借阅 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在 年解密后适用本授权书 2 不保密囤 请在以上相应方框内打 作者签名 导师签名 蚪隰砷年岁月 7 日 苍 眠醐 习年r 夕日 1 1 问题的提出 第一章绪论 近2 0 多年以来 改革开放使我国经济的迅猛发展 我国的公路建设特别是高 速公路建设是历史上交通建设发展速度最快 最具活力的时期 自9 0 年代初 以 沈大高速公路和京津塘高速公路的建成为标志 标志着中国高速公路开始腾飞 到如今五纵七横国道主骨架的初步形成 大量高速公路路面的修建标志着我国在 这一领域己经取得了辉煌的成就 我国公路建设事业取得了长足的发展 到2 0 0 6 年底 我国高速公路通车总里程达到4 5 万公里 到 十一五 末 国家高速公路 网骨架基本形成 高速公路里程将达到6 5 公里 然而 我国修筑的高速公路都将 纷纷达到设计使用年限 因此 在未来的2 0 年内 高速公路将是新建与改建同步 发展的黄金时代 这一方面给我们的发展带来了相当好的机遇 另一方面也对我 们提出了更高的技术要求 美国专家在对2 l 世纪沥青技术进行预测时指出 未来 高质量集料的不足将 成为很多地区的主要问题 由于高质量集料将枯竭 更重要的将是为基层和沥青 混合料选择适当的集料试验方法和级配 材料性能依赖于其所处环境 湿度 冰冻 和温度 的变化和荷载条件 必须采取与集料行为直接相关的试验方法 集料级配 的缺陷也需要大大减少 这可借助于取消过于宽泛的技术标准 以及发展与结构 行为有关的级配要求予以实现 这些研究结果应用于沥青混合料设计中可提高获 得高质量矿质混合物的成功率 简化并减少试验方法的影响 将获得更好的路面 性能与耐久性 3 旧的沥青路面施工规范在实践中逐渐暴露出其自身的缺点 而新的施工技术 规范虽然根据最新的研究成果进行了修订 但是 针对沥青混合料集料级配范围 而言 新规范中集料级配的范围比原来的范围有所增大 这样可以供设计者根据 工程所在地的自然环境和交通条件进行选择 使设计出的混合料级配更有利于适 应当地的实际环境及其条件 然而 这同时也对于设计者提出更高的要求 若仅 凭借以往经验调试一条满足现在现行规范的技术指标并非难事 而如何在这么宽 的范围内 设计出符合当地的气候 交通条件及自然环境的路用性能良好的沥青 混合料便成了一个急待解决的问题 工程实践证明0 1 并不是所有落入规范建议范围内的沥青混合料都符合技术指 标标准 而超出级配范围的也并非都不合格 这说明我国规范规定的级配范围是 很粗糙的 是不太准确的 进行级配设计的深入研究工作是有其实际意义的 同 时研究表明 沥青混合料的组成设计 尤其是混合料的集料级配组成设计 既是 一个非常复杂的科学问题 同时也是一个极为重要的应用技术课题 然而 对于沥青混合料的路用性能研究 其路面高温特性永久变形的研究早 已形成了一个世界性的难题 防治沥青路面的车辙成了世界各国公路技术人员的 重要研究课题0 1 在1 9 6 2 年的第一届c s d a p 国际沥青路面结构设计会议 上 壳牌 石油公司提出了第一个同时考虑疲劳和车辙的沥青路面结构设计方法 这个方法 是通过限制路基顶面的垂直压应变来控制车辙的 在1 9 7 2 年的第三届c s d a p 上 各 国的研究人员提出了一些预测柔性路面车辙的方法 这些方法利用路面材料的基 本性能 以不同的方式计算荷载和环境条件对车辙量的影响 在1 9 7 6 年由t r b 发起 的关于沥青路面车辙的讨论会上 特别强调车辙深度预测和用于定义沥青混合料 特性试验方法 在1 9 7 7 年的第四届c s d a p 上 许多研究人员发表了相当数量与限制 车辙深度和车辙预测方法有关的报告 综上所述 在进行沥青混合料设计时 设计出满足沥青混合料应具有的路用 性能h 1 如抗车辙 抗水损害 抗老化 抗疲劳开裂的能力 在目前的设计方法 都比较繁琐 能否有简单的方法呢 能否针对不同的混合料结构类型 提出一种 系统的配合比设计方法 即对不同的混合料类型 只需要变化设计过程中的某一 些参数 就可完成相应的级配设计 并且使其混合料服务性能适用于该地区气候 条件 交通量及其环境所需要的路用性能要求 目前 世界各国已研究出许多的沥青混合料设计方法 但是 这些设计方法 均存在着一个弊端 他们不能很好的将沥青路面可能出现的各种破坏形式及其路 用性能通过配合比的设计指标反映出来 使得混合料的设计过程在一定程度上与 其使用性能相脱节 对于沥青混合料设计方法而言 设计指标是其基础 也是关 键的要素 没有科学 合理的设计指标 也是无法得到良好级配组成的 混合料 的最终使用性能就得不到保障 也就无法解决目前所面临的沥青路面出现的各种 病害 本文将从级配组成方面 通过一些参数的设计 设计出符合工程相应环境 要求的路用服务性能的沥青混合料 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 在我国现行施工技术规范中 热拌沥青混合料配合比设计采用马歇尔试验设 计方法 并对设计的沥青混合料进行水稳定性和高温稳定性抗车辙能力检验 但 是由于马歇尔法自身的一些缺陷 这已在工程实践中得到了证明 并且马歇尔试 验设计方法对间断级配和开级配沥青混合料的设计也不适用 所以越来越多的道 路工作者正致力于研究新的更合理的更科学的混合料配合比设计方法 使设计出 结构更合理 性能更优良的沥青混合料 为了提高我国高速公路沥青路面的服务性能 即增大沥青混合料路面表面粗 糙度 使高速行车更安全 在1 9 8 8 年 由我国沙庆林院士组织研究开发了多碎石 沥青混凝土 1 s a c 经扩大使用和改进 近几年已在多条高速公路上应用 2 目前 国内研究最多的是沥青混合料的体积设计法 1 9 9 6 年 华南理工大学 的吴旷怀等人提出了用体积法设计开级配沥青混合料的方法 根据这一方法设计 的透水性沥青面层具有良好的路面使用性能阳1 1 9 9 9 年 哈尔滨建筑大学的潭忆秋 等人研究了用体积法进行s m a 混合料配合比设计 2 0 0 0 年 长安大学的郝培文 教授从沥青混合料的结构形态入手 利用体积法 对骨架密实结构类型的沥青混 合料级配进行了系统的研究 并提出了推荐级配及间断密级配的设计方法 1 2 0 0 1 年 长安大学的卢永贵也提出了一种基于路用性能的沥青混合料体积设计方 法 整个混合料设计过程通过体积配比进行 未采用马歇尔试验方法检验稳定 度 流值 空隙率等指标 而直接由设计的密度成型试件 进行路用性能检验 并能有目的地针对路用性能结果及时调整混合料配方 由于沥青混合料体积设计法的基本思想是使混合料中细集料体积 沥青体积 矿粉体积以及剩余空隙体积之和等于粗集料骨架空隙体积 因此 体积设计法的 基本前提是混合料中粗集料必须形成骨架结构 也即仅适用于骨架密实结构或骨 架空隙结构 而对于粗集料未形成骨架结构的混合料面言 在目前其配合比设计 中 矿料级配仍多数采用经验确定 最佳沥青用量采用马歇尔法确定 在沥青混合料路用性能方面 1 9 9 5 年江苏省交通科研院引进美国s u p e p a v e 沥 青和沥青混合料试验设备和有关技术标准 在1 9 9 6 年 1 9 9 9 年间江苏省交通科研 院针对s h r p 沥青胶结科和沥青混合料进行了大量的室内试验 在大量的室内试验 基础上 从2 0 0 0 年开始 着手结合实体工程进行s u p e r p a v e 沥青混合料设计与生产 同年完成了交通部联合攻关项目 沥青混合料新设计方法的引进与开发应用研 究 在山东省交通科研所引进贝雷法以来 贝雷法已经得到了进一步的研究和 发展 但是贝雷法应用最多的就是对级配的检验 这样带有很大的局限性 除了 对s u p e r p a v e 技术和贝雷法的引进外 我国于1 9 9 3 年夏季首次在北京机场高速公路 上铺筑了复合改性沥青s m a 试验路 随后在一些省份的一般公路和高速公路上铺筑 了s 姒试验路 2 0 0 0 年交通部提出在国内推广应用s l a 1 2 2 国外研究现状 贝雷法 卵是近年来较受瞩目的一种级配组成方法 该法是由伊利诺州交通部 的罗伯特 贝雷 r o b e r tb a i l e y 发明的 其主要特点是对混合料中的矿料级配进 行设计 贝雷法按矿料最大公称粒径的o 2 2 倍划分粗细集料 因此 贝雷法可以 对不同类型的沥青混合料矿料级配进行设计 另外 贝雷法还提出了评价矿料性 质的参数 包括粗集料比c a 细集料比尉 尉c 尉 这些参数直接和混合料 的矿料间隙率v m a 空隙率和压实性能相关 有助于更好地理解集料级配与混合料 中空隙体积的关系 也为评价合成级配提供了一套工具 贝雷法主要是克服了常 规沥青混合料设计中以经验确定矿料级配的缺陷 使矿料级配设计更具目的性和 科学性 l e e s 方法 1 的设计思想是使矿料颗粒达到最大的密实度和最紧密的集料嵌 锁 从而获得较高的强度 经典的矿料级配确定方法如a s t m 法和富勒公式计算法 3 都建立在经验的基础上 而没有考虑到影响集料颗粒间相互嵌锁与填充的因素 l e e s 方法则正好相反 在设计矿料级配过程中 其考虑到了诸如集料形状 大 小 纹理 压实功等影响到集料状态的因素 法国公路管理局在总结一系列研究成果的基础上 于2 0 世纪9 0 年代初制定了 一套与性能相关的沥青混合料设计规范体系 根据不同的情况 将混合料设计 分为四个水平 水平一是应用s g c 进行体积设计 后三个水平的设计分别依据交通 量 混合料所应用的路面结构层和道路的重要程度等选择进行 法国在5 0 年代中 期至6 0 年代初期 沥青路面出现了较为严重的破坏现象 为提高路面的结构强度 多使用粗集料含量大的混合料组成 之后为适应逐渐提高的路面表面功能要求 趋向于使用结合料含量大的间断级配 澳大利亚也根据本国特点开发了一种新的基于使用性能的沥青混合料设计方 法 由于车辙是其最主要的路面损坏方式 该法应用车辙试验和抗辙密度试验 来评价混合料的高温性能 混合料设计方法分为三个水平 水平一的体积设计中 选取多个压实级别和沥青含量测量其相应的混合料体积特性 水平二 三的设计是 根据不同的要求选择进行相应的性能试验 该法对混合料中集料结构的设计也是 基于经验的方法 最引人注目的美国公路战略研究计划 s h r p 于1 9 9 3 年3 月完成 其主要研 究成果是建立在路用性能基础上的新沥青胶结料规范和混合料规范 包括一整套 相应的试验方法与设备 以及沥青混合料设计方法 s h r p 混合料设计与分析体系 包括三种竖向组合的设计等级 水平i 设计是混合料的体积设计 由三部分组成 选择沥青胶结料等级 设计矿料骨架 设计沥青用量 水平i i 设计是中级水平的 配合比设计 增加了部分路用性能试验 水平i i i 是高级水平的设计 包括一整套 全面的沥青混合料路用性能试验 设计要求严格 工作量大 s u p e r p a v e 沥青混合 料设计中 对矿料级配主要以控制点和禁区加以限制 最佳沥青用量则以4 的标 准空隙率进行确定 对于一般的混合料主要是进行水平i 的体积设计 1 9 8 9 年日本的k a j i m a 等人在研究碾压混凝土配合比设计时 研究得到了混凝 土的稠度与其水灰比 水泥浆体积与细集料空隙体积之比 a l p h a 及砂浆体积与粗 集料空隙体积之比 b e t a 之间的关系 认为混凝土的水灰比及反映其内部各组 分之间不同体积比例的b e t a 和a l p h a 两参数对混凝土的稠度起着决定性的作用 2 0 0 2 年 日本的o z a w ak o i c h i 等人将碾压混凝土中的b e t a 和a l p h a 两参数引入沥青 混合料的设计中 分别将其简称为彳 4 4 的含义是沥青混合料中细集料 沥青和矿粉组成的沥青砂浆体积与粗集料空隙体积之比 的含义是沥青 矿粉 组成的沥青胶浆体积与细集料空隙体积之比 o z a w ak o i c h i 等人对日本的密级配 和大空隙沥青混合料级配设计进行了探索性的研究 研究结果表明 爿 彳 能够 反映混合料各项性能指标的变化趋势 可以作为沥青混合料配合比设计的指标 4 1 3 研究的意义 本文将借鉴国内外最新研究成果 通过理论分析 室内外试验进行研究 尝 试新的更能与混合料服务性能相关的设计指标 提高混合料设计与其路用性能的 相关性 从而使沥青混合料的配合比设计方法更趋科学 合理 这样将具有十分 重要的现实意义 为促进我国沥青路面的发展起到积极的推动作用 其研究结果将具有重要意义 第一 具有重要的理论意义 本论文是将借助贝雷系数因子参数将路用性能 与级配直接联系在一起 并根据实际工程需要的路用性能对级配进行优化 其研 究成果是对传统的矿料级配设计思想的一次革新 该设计思想是通过单一贝雷系数确定沥青混合料 在国内还是首次直接将设 计参数与沥青混合料路用性能结合起来进行混合料设计和级配优化 也是率先单 独将贝雷系数因子进行沥青混合料设计和级配优化 以往较多的是将贝雷系数因 子用来对集料级配的检验 这将有助于推动我国的沥青混合料设计向前发展 第二 具有重要的实际意义 本论文的研究成果是在满足现行技术规范要求 的前提下 以所需要的路用性能为目标函数 以其体积指标及其他路用性能指标 作为约束条件 对沥青混合料矿料级配进行优化 并提出适合当地材料 气候和 交通条件的最佳矿料级配 同时本文的研究成果将较经济地提高沥青混合料预期的路用性能 例如预期 想提高沥青混合料的抗车辙能力 抗水损害能力 这样有针对性的提高沥青混合 料路用性能的级配优化 经优化后沥青路面有利于提高对超重车辆荷载作用的适 应性 降低路面破坏的速度 对现时不可能完全限载的道路来讲 具有重要的现 实意义 本文的研究也将对我国超重道路的设计 施工等具有重要的参考价值 并对我国道路超载道路的设计起到积极的推动作用 1 4 技术路线 1 试验级配的确定 本文考虑到s u p e r p a v e 级配中限制区与控制点的要求 将结合我国沥青路面使用较广泛的a c 一1 3 型级配作为试验研究级配 在a c 一1 3 型级 配范围内调整各试验级配曲线 使调整的级配曲线分布满现行a c 1 3 型级配范围 并将各级配曲线运用贝雷法进行比较分析 2 对数据分析 主要采用s p s s 统计软件对数据进行统计分析 并对自变量 与因变量间的关系进行多元回归 其中 自变量由独立的贝雷系数因子和其相互 关联的系数因子之积组成 因变量由沥青混合料的不同体积指标和路用性能指标 组成 这样就将路用性能与贝雷系数建立直接的关系式 根据工程实际所在区域 与交通条件及其气候条件确定沥青混凝土所需要的路用性能 在按所确定的路用 性能依据路用性能与贝雷系数建立的关系式对贝雷系数进行优化 再根据优化的 贝雷系数因子确定沥青混合料的矿料级配 按照这样确定的级配就很好的将所需 5 要的路用性能连在一起 就能配制出所期望的路用性能的混合料级配 很好的指 导沥青混合料的设计 质量监控和沥青混合料的生产 本文通过大量的试验 建立起贝雷系数因子与路用性能的关系式 根据关系 式来优化级配的设计 以达到所期望设计的沥青混合料 为实现这一目的 相关 技术路线图 见图1 1 叛配理论分析 j r 稠贝雷因子确旄 绷己 j 进行马歇尔试验 一 对试验结果利 用卵s s 软件进 行多元回归 并 对苴结果进行 分析 列满足要求的级配进行分析比较 确定 出茸最佳油石比 1 l 按照确定的最佳油石比成翌试件 进行路用性能试验 1 l 对试验结果利用s p s s 统计软件进行多元回归分析 樨出回归方程 并分析贝雷系数园子的 取值范围 i 利用e x c 孔的规划求解求出各贝雷系数园子的优化解 根据最优解确定集科 的最佳姐合 在根据确定的集料比例对混合料的路用性能进行检验 j r 对试验结果分析总结 图1 1 关系示意图 6 1 5 本项目的特色与创新之处 1 我国自从山东科研引进贝雷法以来 已有很多学者对贝雷法进行了相应 的研究 并且也结合实际工程进行了实践 但是 以往的研究仅将贝雷系数用来 检验沥青混合料的集料是否形成骨架结构 而用于沥青混合料设计的研究较少 这可能是由于使用贝雷法进行沥青混合料设计 其工作量较大 并且设计过程中 密度选择的确定也有一定的难度 即使按照贝雷法的沥青混合料设计方法进行混 合料设计 其混合料的服务性能仍然没有和系数建立直接对应的关系 没有针对 性 本文的优点在于将沥青混合料所在区域的路用性能作为优化的目标函数 而 其他相应的性能和体积指标作为约束条件来进行优化 如此优化确定的混合料直 接将路用性能和混合料设计联系在一起 有很强的针对性 并且可以结合当地沥 青混合料路面的使用情况来确定我的目标函数进行优化 这样直接将路面破坏所 反映的路用性能的使用情况用来指导沥青混合料设计 以及质量的控制和混合料 的生产 2 本文研究思路与传统的研究思路有很大的不同之处 传统的混合料设计 思路多在根据现行规范给定的级配范围内 凭借实践经验来试配一条矿料级配曲 线 在根据确定的级配曲线进行沥青混合料相关性能指标试验 分析其混合料所 有指标试验的结果 如果试验结果满足现行规范则视为可行 这种研究方法没有 将路用性能和级配联系起来 而本文却是将路用性能和混合料矿料级配联系在一 起 设计出期望的路用性能的混合料级配 设计的目的明确 并直接将路用性能 应用于混合料设计 3 本文在贝雷法现行研究成果的基础上 借助贝雷系数直接将路用性能和 级配联系在一起 改变了以往没有采用单一参数直接将路用性能用于混合料设计 的历史 7 2 1 概述 第二章级配理论 级配设计理论是在试验和实践的基础上逐渐总结和提炼出来的 目前的众多 级配设计理论多以最大密实度为目标进行设计 但由于各设计理论所依据的工程 经验和设计理念不同而形成了不同的级配设计理论 近年来 在重载交通条件下 沥青路面的车辙成为一种常见病害形式 相应的级配设计理论也发生了明显的变 化 混合料的骨架性受到了越来越多的重视 就级配而言 可将级配问题分为 级配范围和级配走向两部分 在实际采用 的级配范围 往往是在级配理论提供的理论范围基础上结合实践工程进行了有针 对性的调整而得到的 然而 在实践施工中往往采用级配范围的中值作为级配走 向 即目标级配 这就使全国上下所采用的级配走向都基本相似 因此 在很长 时间以来对级配走向的问题 未能引起足够的重视 直到美国的s u p e r p a v e 技术 引入进来 涉及到级配曲线与级配禁区之间的位置关系问题 才逐步引起重视 纵观级配理论的发展 目前常用的级配理论主要是以富勒 w b f u l l e r 曲 线为代表的最大密度曲线理论和粒子干涉理论 2 前一理论认为 矿质混合料 的颗粒级配曲线愈接近抛物线 则其密实度愈大 即混合料的集料以何种比例组 合达到最大密实度角度出发来确定级配的粒径分布 可用于计算连续级配 而用 于计算连续级配的理论还有a n 泰波理论 我国的简化公式和c a g 魏矛斯理论 后一理论从相邻集料是否会发生干涉角度出发来确定级配的粒径分布 它的基本 原理是将集料假设为一定规则形状的颗粒 颗粒之间的空隙由次一级的颗粒填充 剩余的空隙再由更小一级的颗粒填充 这样逐级填充的颗粒最后由结合料填充 1 为了防止填充的颗粒出现干涉现象 即将粗一级颗粒顶开的情况 粗一级集料 和细一级集料的比例必须有一定的比例 细一级集料与更细一级的集料也有一定 的比例 最后由沥青矿粉结合料填充 留下一定的空隙率 这样才能形成集料与 集料之间的良好的嵌挤 同时也是密实的混合料 这样形成的级配 我们通常称 为嵌挤密实型级配 该级配理论不仅可用于计算连续级配 而且也可用于计算间 断级配 然而 连续级配混合料虽然可以获得较大的密实度和较大的粘结力 但不能 构成最大的内摩阻力 其强度主要受粘结力所影响 在现代重型汽车交通荷载作 用下 这种类型的沥青路面可能因热稳性不足而产生车辙 波浪 推移等变形 从而影响正常使用 连续开级配混合料 虽然粗骨料含量相对地有所增加 特别是沥青碎石混合 料 该类型的混合料的粗集料可以形成骨架作用 但由于细集料含量较少甚至没 有 所以不能充分填充粗骨料之间的空隙 故而形成一种骨架空隙结构 这类混 8 合料的强度主要取决于内摩阻力 而粘结力相对是次要的 因而其热稳性可以显 著提高 但由于空隙率太大而使路面耐久性受到影响 对于沥青混合料的设计 国际上有各式各样的配合比设计方法 根据我国的 实际情况 经验与技术水平 一致认为仍然采用马歇尔设计方法是符合国情的 但同时又不能拘泥于规范 在有条件的地方和工程 鼓励学习国际上的先进经验 使配合比设计水平得到提高 在此激励下 我国的许多学者 在结合我国的实际 情况演变出很多新的级配设计法 由现有的级配设计理论可以看出 沥青混合料的结构类型 正逐步由传统的 悬浮密实型混合料向骨架密实型混合料方向发展 目前工程中常用的s m a s u p e r p a v e 等类型的混合料都具有较为典型的骨架结构 目前 比较完整的关于混合料骨架结构的判断方法是出现于s m a 混合料中 1 9 9 4 年美国联邦公路局 f h w a 和美国国家沥青路面协会 n a p a 技术工作集体 t w g 共同提出的 s m a 混合料配合比设计方法 在该设计方法中明确提出了粗 集料间隙率v c a 的概念 并规定以坎 小于职 r c 作为判断粗集料形成骨架状 态的依据 由于目前尚未有其他关于骨架构成标准的新的研究成果 因此 在一 定程度上 该标准成为判断混合料骨架结构状态的唯一标准 但基于贝雷设计法 的多级嵌挤理论 提示了矿质混合料构成的复杂性 矿质混合料内各级粒径颗粒 间的咬合状态 都会对混会料的性能产生明显影响 因此 通过对矿质混合料的 构成状态的深入研究 将有助于完善级配设计理论 由上述论述可知 各级级配设计理论都在不断地发展 骨架结构的概念也被 引入到级配设计理论中 但就目前的研究现状而言 各种级配设计理论的实用性 较差 特别是关于混合料的骨架结构 密实状态等基本状态的研究尚较少 基本 停留在定性阶段 对级配设计的直接指导作用较弱 并且现有的级配设计理论基 本游离于沥青混合料的组成设计和性能要求之外 使级配设计没有明确的目的性 2 2 贝雷法概述 2 2 1 贝雷法简介 由美国伊利诺州交通部的罗伯特 贝雷 r o b e r tb a i l e y 发明的贝雷法 该 方法是一套成功用于试验室和现场来评价和分析沥青混合料的实践工具 是一种 系统的评价级配的体积性能和组成方法 其主要思想是以形成的集料骨架作为混 合料的承重主体 使设计的混合料能提供较高的抗车辙性能 同时通过调整粗细 集料的比例 获得合适的矿料间隙率 v m a 以保证设计混合料具有较好的耐久 性 贝雷法中提出了用于评价矿料性质的一系列参数 这些参数直接和v m a 空隙率和压实性能相关 有助于更好地理解集料级配与混合料中空隙体积间的关 系 也为评价合成级配提供了一套工具 2 贝雷法现已应用于各种最大粒径的 密级配沥青混合料及s m a 而且适用于任何一种混合料设计方法 包括s u p e r p a v e 9 设计法 马歇尔设计法和维姆设计法等 自从山东省交通科研所引进贝雷法以来 总算有了计算法 但试验工作量太大 设计过程复杂 在林绣贤教授利用该法来 评价不同的级配 并利用粗细集料比检验了级配的嵌挤以来 许多工程都不同程 度的利用该法设计沥青混合料的配比o 3 但目前中国应用贝雷法仅是通过验证 粗细料的比例来保证粗集料的骨架 这存在很大的局限性 2 2 2 贝雷法沥青混合料设计方法口 3 2 2 2 1 粗细集科的定义和数学模型 在贝雷法出现之前 关于粗细集料的定义主要有两种 一种是将4 7 5 哪作为 粗细集料的分水岭 另一种是将2 3 6 咖作为粗细集料的划分标准 可以看到这种 划分标准对于所有粒径都是一样的 实际上 集料的粗细应该是相对的 如将上 述标准应用于美国最新提出的公称最大粒径为4 7 5 m 的沥青混合料后 显然这种 定义是不合适的 贝雷法在这一方面应该说前进了一大步 动态地确定粗细集料 划分 即沥青混合料中粗细集料的划分是通过主控筛孔p c s p r i m a r yc o n t r o l s i e v e 来实现的 如图2 1 所示 其中主控筛孔尺寸按下式计算 p l 嚣一删s o 2 2 2 1 式中 p c s 为主控筛孔唧 朋幽s 为公称最大尺寸姗 l 厂 主控俪孔p c s 阳 细集科 粗集料 静 捌 吲4 0 一 l o 筛孔尺寸 图2 1 粗细集料之间主控筛孔尺寸 式中的系数o 2 2 是根据经验而确定的 粗集料之间空隙大小依赖于颗粒形状 和尺寸大小 如图2 2 所示 如果颗粒都是圆形则空隙是o 1 5 d 如果是2 圆l 扁 则是o 2 0 d 如果是1 圆2 扁则是o 2 4 d 如果都是扁平则是o 2 9 d 系数0 2 2 d 是四个数的平均值 如果采用后三者的平均值0 2 4 d 则主控筛孔尺寸仍保持不变 实际上该系数究竟应该是那几个的平均值并不影响关键筛孔的选取 然而式中的 系数从0 2 2 0 2 5 所得到的主控筛孔尺寸等关键筛孔并未发生实质性变化 根据上述主控筛孔的计算公式 计算得到各公称尺寸的主控筛孔如表2 1 所 示 在级配设计过程中 不仅需要通过主筛孔尺寸来确定哪些是粗 细集料 同 时还需要考虑集料中粗 细集料的比例 不同的粗 细集料比例 其骨架结构和 1 0 填充能力是完全不同的 孵眼 田 图2 2 颗粒形状组合和相应的空隙率 表2 1 不同尺寸的主控筛孔绘果 公称尺寸 m m 川m 嚏s 0 2 锄m主控筛孔 m m 3 7 58 2 5 09 5 2 55 5 0 04 7 5 1 94 1 8 04 7 5 1 2 52 7 5 0 2 3 6 9 5 2 0 9 02 3 6 4 7 51 0 4 51 1 8 2 2 2 2 评价参数 为了定量评价沥青混合料中集料的粗细比例 贝雷法在主控筛孔尺寸的基础 上对粗 细集料的组成部分作进一步细化 如图2 3 所示 将粗 细集料又分别划 分为较粗部分和较细部分 1 0 0 一 细毒料 主控俑 砌铝 沁 粗董料 料6 d 捌 嘲4 0 细 租 l 2 0 1 0 筛孔尺寸 图2 3 粗细集料分界点 2 2 2 2 1 粗集料的细化 在主控筛孔以上的部分统称为粗集料 其中在半筛孔尺寸以上的称为粗集料 中的较粗部分 半筛孔麟 h a l fs i e v e 尺寸以下的称为粗集料中的较细部分 半筛孔尺寸采用如下的公式来计算 王 甄 幽s 0 5 聊打 2 2 式中 麟一为半筛孔 舢 朋以s 为最大公称尺寸 咖 贝雷系数参数中引用的邯的计算式如下 p 傩一二盟 2 3 1 0 0 式中 p 删一半筛孔处的通过率 根据贝雷法的模型 在整个粗集料内部 没有任何颗粒可以填充由粗集料自 己形成的空隙 若存在这样的颗粒 按照定义其粒径应小于0 2 2 d 属于细集料 粗集料中较粗 较细两部分相对比例的变化会改变混合料中粗集料的堆积特性 贝雷法采用参数c 4 c o a r ea g g r e g a t er a t i o 以来代表混合料中粗集举l 的堆积 特性 其定义如下 盘二生 2 4 1 1 0 一 式中 半筛孔处的通过率 主控筛孔处的通过率 参数c a 的分子代表粗集料中的较细部分 分母部分代表粗集料中较粗部分 因为粗集料中较细部分不能填充粗集料中较粗部分形成的空隙 所以这些颗粒要 不就是与较粗部分联合形成骨架 要不就是单独成骨架 要不就充当阻碍者 使 比半筛孔尺寸大的颗粒分散 即粗集料中的较粗部分 通常认为c a 值会影响到矿 料间隙率v m a 和摊铺过程中沥青混合料的可压实性 2 2 2 2 2 细集料的细化 通过主控筛孔尺寸的部分统称为细集料 由于细集料对沥青混合料的路用性 能影响很大 需要对这部分严格控制 因此在在细集料中做了两级细化 即将细 集料整体看作一合成级配 对细集料进行2 次划分 第一级控制筛孔s c s s e c o n d a r yc o n t r o ls i e v e 计算公式为 s c s p 3 0 2 2 小坍 2 5 式中 s 为细集料第一级控制筛孔 咖 p c s 为