第29卷 第3期2009年5月
长安大学学报(自然科学版)
JournalofChangpanUniversity(NaturalScienceEdition)
Vol.29 No.3May2009
文章编号:1671-8879(2009)03-0001-05
高模量沥青混凝土材料组成设计方法
沙爱民,周庆华,杨 琴
1
1,2
3
(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西西安710064;2.陕西交通职业技术学院
公路工程系,陕西西安710018;3.西南石油大学建筑工程学院,四川成都610500)
摘 要:为更加系统地了解高模量沥青混凝土材料的组成特性,分析了法国高模量沥青混凝土材料
组成设计方法,从级配类型、成型方法、沥青用量的确定和验证试验等方面对中国马歇尔设计方法进行调整,并经过了室内马歇尔试验、车辙试验、水损害试验和模量试验的验证。结果表明:调整后的设计方法适用于添加外掺剂的高模量沥青混凝土配合比设计,设计出的高模量沥青混凝土能够满足5公路沥青路面施工技术规范6的技术要求;同时建议将模量试验作为高模量沥青混凝土材料配合比设计时的验证试验。
关键词:道路工程;高模量沥青混凝土;外掺剂;材料组成设计方法中图分类号:U414.75 文献标志码:A
Materialcompositiondesignmethodforhighmodulusasphaltconcrete
SHAA-imin1,ZHOUQing-hua1,2,YANGQin3
(1.KeyLaboratoryforSpecialAreaHighwayEngineeringofMinistryofEducation,ChangpanUniversity,
Xipan710064,Shaanxi,China;2.DepartmentofHighwayEngineering,ShaanxiCollegeofCommunicationTechnology,Xipan710018,Shaanxi,China;3.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,Sichuan,China)
Abstract:Inordertorealizecompositioncharacterofhighmodulusasphaltconcrete(HMAC),the
materialcompositiondesignmethodofHMACinFrancewasanalyzed,specialadjustmentsaboutgradetype,moldingmethod,determinationoftheoptimumasphaltcontent,certificationtestsofMarshalldesignmethodwereconductedandwereverifiedwithMarshalltest,ruttingtest,moisturedamagetestandmodulustest.ResultsshowthattheadjustedmethodissuitableformixtureratiodesignoftheHMACwhichisproducedbyaddingadditivesintoconventionalasphaltmixes,theperformanceofthehighmodulusmixturescanmeettherequirementsoftheSpecificationTechnicalStandardforHighwayAsphaltPavementConstructionofChina;itisalsoproposedthatthemodulustestshouldbetakenasthecertificationtestforHMAC.9tabs,5figs,6refs.
Keywords:roadengineering;highmodulusasphaltconcrete;additive;materialcompositionde-signmethod
象屡禁不止,许多沥青路面在通车不久就发生严重
的车辙、疲劳开裂等破坏,随后的补强性养护往往使得路面结构的厚度一再增加,一方面提高了道路建
0 引 言
由于公路运输交通量的急剧增加,超载、重载现
收稿日期:2008-06-18
基金项目:教育部/新世纪优秀人才支持计划0基金项目(NCEF-2004)
:),,,,,E。
2长安大学学报(自然科学版) 2009年
法国沥青混合料的设计方法是行不通的,必须结合中国现有的试验方法,针对高模量沥青混凝土的特点,在现有马歇尔设计方法的基础上,调整各个设计环节,总结出适合中国的高模量沥青混凝土组成设计方法,使得沥青混合料的性能既能满足中国5公路沥青路面施工技术规范6的要求,又能尽量接近法国规范体系中的各项要求。
造的成本,另一方面也不利于道路施工的环保性。如何在提高路面材料整体承载能力的同时,降低路面结构的厚度,减少建筑材料的用量,是研究人员十分关注的问题。
高模量沥青混凝土(highmodulusasphaltcon-crete,HMAC)是一种整体模量较高、抗疲劳性能良好的路面材料。按照法国沥青混合料设计规范体系(NFP)140)的定义,只有当动态模量(15e,10Hz)大于14000MPa时,这种沥青混凝土才可以被称为/高模量沥青混凝土0。高模量沥青混凝土的使用能够减少路面结构的变形,延缓车辙的产生,改善路面的疲劳性能,延长路面的使用寿命。文献[2]显示,高模量沥青混凝土在国外的使用已经十分成熟,尤其在法国已颁布了与之配套的混合料组成设计规范。但是在中国,针对高模量沥青混凝土的研究还处于初期阶段,对高模量沥青混凝土的材料组成和性能评价都缺乏系统的了解。为此,本文全面地分析了法国高模量沥青混凝土的材料设计体系,在现有材料的基础上,利用传统的配合比设计方法,对高模量沥青混凝土的材料组成进行研究,提出了适用于现阶段中国的高模量沥青混凝土材料组成设计方法。
[1]
2 材料组成
本研究中沥青材料选用70#沥青,集料采用优质石灰岩。经测试,沥青和集料的各项指标均满足
[3]
规范要求。经过调查,法国主要通过2种途径来
#
提高沥青混凝土的模量:¹使用低标号沥青,即30以下的沥青,主要采用的是20#沥青;º使用高模量添加剂。使用途径¹的比例约为高模量沥青混凝土总产量的70%;使用途径º的比例约占30%,随着高模量专用添加剂产品的日益成熟,其所占的比例也在逐渐提高。鉴于中国现阶段低标号沥青产品并不十分成熟的现状,本研究决定选用高模量专用外掺剂作为提高模量的途径。经调查,本文选用了法国PR公司的PRModule专用外掺剂见图1;外掺剂各项指标检验结果见表2。外掺剂的推荐用量为沥青混合料的0.6%~0.8%,本研究采用的用量(质量分数)为0.7%。
1 沥青混合料组成设计方法的对比
法国公路管理局在总结一系列研究成果的基础上,于20世纪90年代初制定了一套沥青混合料设计规范体系(NFP)140)。通过对中法两国沥青混凝土材料设计方法的对比,总结出2种方法在级配、成型方法、沥青用量确定和验证试验等方面的不同之处,见表1。
表1 中法两国沥青混合料设计方法的对比
设计环节模量提高的途径级配类型成型方法确定沥青用量
法国
低标号沥青;高模量添加剂EME14、EME20旋转压实仪成型丰度系数K高温轮辙试验;劲度模量试验(动态抗拉模量);水损害试验(Duriez试验);疲劳试验(梯形梁两点弯曲试验)
中国需考虑2种途径的适用性AC-20、AC-25马歇尔击实仪成型
马歇尔设计方法马歇尔试验;高温车辙试验;水损害试验(浸水马歇尔和冻融劈裂试验)
仅限于中下面层的类型
备注
图1 PRModule外掺剂表2 PRModule外掺剂技术指标
技术指标颜色直径/mm密度/(g#cm-3)熔点/e级配/mm
测试结果灰色50.930~0.965
1750~5
验证试验
3 混合料级配
试验共选用了2种级配,分别是文献[3]中粒式混合料的中值级配AC-20和粗粒式混合料的中值3 表1说明,法国使用的沥青混合料设计规范体
系与中国设计方法相比,具有不同的设计理论和试
第3期 沙爱民,等:高模量沥青混凝土材料组成设计方法
表3 级配数据
级配类型AC-20AC-25
下列筛孔(mm)的通过率/%
31.5100100
26.5100.097.5
1995.082.5
168574
13.271.066.5
9.56155
4.
754138
2.363029
1.1822.522.5
0.61616
0.31111
0.158.58.5
3
0.07555
4 成型方法
由于在拌和过程中加入了添加剂,沥青混合料的成型方法需要进行调整,拌和过程中对时间和温度的控制是影响添加剂可融性和拌和分散均匀性的重要环节。
4.1 试件成型步骤
试件成型步骤见图2。
拌和时间为45s。4.5 击实温度
鉴于击实温度对成型的马歇尔试件物理体积参数及层间粘结特性影响较大,针对AC-20级配,选择155e、160e、165e、170e4种温度,进行室内马歇尔试验和层间剪切试验,并测试各种指标,基于性能-温度曲线确定HMAC的合理击实温度。层间剪切试验采用路面层间剪切仪进行测试。为了更好地模拟实际路面的层间结合情况,试验在不同的成型温度下成型双层车辙板试件,采用钻孔取芯机从中钻取试件,进行层间剪切试验,试验结果见图3。
图2 高模量沥青混凝土试件成型步骤
4.2 外掺剂干拌时间
试验中混合料采用4.2%的油石比(质量比),分别用0、5、10、15、30s进行干拌后,用肉眼进行观察,发现干拌0s和5s均有不同程度的结团现象,在干拌15s及30s后,外掺剂颗粒分布都较为均匀,掺加沥青拌和后外观无明显区别。考虑到过长的干拌时间会造成拌和周期变长,如果大规模生产,拌和楼的生产效率会显著降低,因此选取15s作为外掺剂的干拌时间。4.3 拌和温度
通过室内试拌试验发现,PRModule外掺剂在175e~
180e与集料干拌15s,能使其迅速软化成不规则的扁平状,与集料具有很好的相融性,分散均匀,无凝结成团现象。考虑到高温拌和有利于外掺剂迅速软化,可减少高模量沥青混凝土的拌和时间。因此,高模量沥青混凝土拌和温度应该高于普通沥青混合料的温度。再考虑到室内拌和时会有较多的热量散失,本研究最终确定HMAC的拌和温度为170e~175e。4.4 拌和时间
普通沥青混合料拌和时间约为40s,而高模量沥青混凝土由于外掺剂的加入,需要有足够的拌和时间,使得外掺剂能够融化。因此每次拌和完毕后,将热沥青混合料取出散开,用肉眼观察是否有外掺,,图3 HMAC击实温度与性能的关系
由图3可见,随着击实温度的增加,HMAC混合料的密度、空隙率、稳定度和剪切力等技术参数均有所变化。从图3中的变化趋势可以看出,当击实温度在165e附近时,试件的密度较大,空隙率最低,稳定度和层间剪切力都为最大值。因此,根据图3中的曲线,建议掺加外掺剂的高模量沥青混凝土HMAC最佳的击实温度为(165?3)e。
5 最佳沥青用量的确定
混合料的最佳沥青用量通过马歇尔方法确定。为了验证外掺剂的使用对沥青用量(质量分数)的影响,本文分别对使用和不使用外掺剂的混合料进行马歇尔试验,确定相应的最佳油石比。试验结果显示,不使用外掺剂时,混合料的最佳沥青用量(质量)
4长安大学学报(自然科学版) 2009年
表6 浸水马歇尔试验结果
级配类型AC-20AC-25
沥青用外掺剂试件高浸水后稳标准稳定残留稳定文献[3]
量/%用量/%度/mm定度/kN度/kN度/%要求/%4.34.2
0.70.7
63.963.6
15.1515.02
15.9815.95
94.894.2
\80
沥青混凝土的最佳沥青用量为4.3%。外掺剂在混合料中熔化后,一方面形成加筋作用,另一方面也会裹覆一定量的沥青,所以高模量沥青混凝土的最佳沥青用量有所提高。该产品在按照法国沥青混合料设计方法进行设计时,曾总结出以下规律,高模量添
加剂掺量每增加0.2%~0.3%,沥青混合料中的沥青用量将增加0.1%左右,此规律也作为使用要求被列入该产品的使用说明中。试验结果说明,采用马歇尔设计方法得到的最佳沥青用量与法国设计方法的结果是一致的。
级配类型AC-20AC-25
表7 冻融劈裂试验结果
冻融后劈冻融前劈
沥青用外掺剂试件高
裂强度/裂强度/
量/%用量/%度/mm
MPaMPa4.34.2
0.70.7
63.963.6
0.730.75
0.900.92
劈裂强
度比/%81.181.5
文献[3]要求/%\75
6.4 力学性能试验
由于高模量沥青混凝土具有典型的粘弹特性,因此分析高模量沥青混凝土的力学性能,需要采用特定的试验方法,在特定条件下测试相关力学指标
[4-6]
6 性能试验验证
6.1 马歇尔试验
按照试件成型方法的要求,以最佳沥青用量成型试件,对试件进行马歇尔试验测试,结果见表4。
表4 马歇尔试验测试结果
类别AC-20AC-25文献[3]要求
沥青用//流值/空隙率/沥青饱和
量/%(g#cm-3)kNmm%度/%4.34.2
2.4502.459
17.117.4\8.0
2.942.69
5.45.6
686755~70
矿料间隙
率/%15.515.1\13.0
。本文主要测试了20e抗压回弹模量和15
e抗压动态模量,同时对使用和不使用外掺剂的2种沥青混凝土进行测试对比。6.4.1 抗压回弹模量
20e回弹模量测试结果见表8。
表8 20e回弹模量测试结果
级配类型AC-20
外掺剂用量/
%
0 0.70 0.7
抗压强度/MPa3.233.842.883.99
回弹模量/MPa[**************]4
回弹模量增长率/%37.5
00~3.0~4.00
6.0
从表4中可以看出,2种级配的马歇尔试验结果的各项指标均满足文献[3]的要求。
6.2 高温车辙试验
用轮碾仪成型车辙板,在温度为60e的条件下进行车辙试验,结果见表5。
表5 车辙试验结果
级配类型AC-20AC-25
沥青用量/
%4.34.2
外掺剂用量/%0.70.7
动稳定度/(次#mm
-1
AC-2543.6
试验结果显示,对2种不同级配沥青混合料而
言,外掺剂的应用使得混合料的抗压回弹模量平均
总变形/)
mm1.861.49
相对变形率/%3.722.98
提高约40%。这说明PRModule外掺剂对HMAC的抗压回弹模量有显著影响。6.4.2 动态模量
利用美国MTS-810材料试验机,采用单轴动态压缩试验方法,对混合料15e抗压动态模量进行测试。试件为静压成型的5100mm@100mm圆柱体试件,采用频率扫描方式,频率为0.1~10Hz,分别在5种频率下进行动态模量和相位角的测试,结果见图4、下页图5和表9。
1070032000
车辙试验结果显示,试件的动稳定度均有大幅度提高。按照文献[3]中对不同气候条件下动稳定度的要求,高模量沥青混凝土的动稳定度均远远超过文献[3]中的技术要求,说明高模量沥青混凝土由
于力学性能的提升,也改善了其高温稳定性能。6.3 水损害试验
分别采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价高模量沥青混合料抵抗水损害的性能,试验结果见表6、表7。
浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果显示,2种级配的高模量沥青混合料的抗水损害性能均满足文献[3]的要求,说明掺加了高模量外掺剂的沥青混
第3期 沙爱民,等:高模量沥青混凝土材料组成设计方法5
和验证试验等方面存在较大差异,因此无法直接使用法国设计方法进行适用于中国的高模量沥青混凝土的材料组成设计。
(2)与普通沥青混凝土相比,添加外掺剂的高模量沥青混凝土试件的成型方法在成型步骤、拌和温度和时间方面有所不同,在成型试件的过程中应根据试验结果严格控制各项环节。
(3)采用马歇尔设计方法确定最佳沥青用量的方法同样适用于高模量沥青混凝土,外掺剂的添加
动态模量/MPa5150.287
AC-20(不掺外掺剂)
4232.3203164.2602009.7981338.8435344.368
AC-25(不掺外掺剂)
4290.0563235.7442181.4321127.120
相位角D/(b)19.821.322.639.745.818.821.223.340.649.5
图5 沥青混合料的相位角表9 15e动态模量测试结果
级配类型
试验频动态模量/相位角率/Hz10.0
AC-20(掺外掺剂0.7%)
3.01.00.30.110.0
AC-25(掺外掺剂0.7%)
3.01.00.30.1
MPa789.3107105.0745252.2453226.5321994.2159455.4127104.4825252.2853226.5261994.227
D/(b)19.321.123.341.248.519.321.123.341.248.5
级配类型
使得高模量沥青混凝土的沥青用量多于普通沥青混
凝土。
(4)采用本文中的方法得到的高模量沥青混凝土的各项技术指标均满足规范要求,其中高温性能有显著提高;调整后的混合料设计方法能够适用于添加外掺剂的高模量沥青混凝土。
(5)鉴于高模量沥青混凝土的特殊性,建议将力学性能试验作为高模量沥青混凝土的验证试验。参考文献:References:
[1] 长安大学高模量沥青混凝土研究课题组.高模量沥青[2]
混凝土路面应用研究[R].西安:长安大学,2008.HynuJL,JungHL,HeeMP.Performanceevalua-tionofhighmodulusasphaltmixturesforlonglifeas-phaltpavements[J].ConstructionandBuildingMate-[3][4]
rials,2007,21(5):1079-1087.
JTGF40)2004,公路沥青路面施工技术规范[S].周庆华,沙爱民.沥青高温流变评价指标对比[J].交通运输工程学报,2008,8(1):27-30,35.ZHOUQing-hua,SHAA-imin.Comparisonofhigh-temperaturerheologicalevaluationindicesforbitumen[J].JournalofTrafficandTransportationEngineer-ing,2008,8(1):27-30,35.
[5]
李 平,张争奇,孙鸿伟,等.沥青胶浆粘度特性研究[J].交通运输工程学报,2008,8(2):49-52,64.LIPing,ZHANGZheng-qi,SUNHong-wei,etal.Re-searchonviscositypropertyofasphaltmortar[J].JournalofTrafficandTransportationEngineering,2008,8(2):49-52,64.
[6]
马 翔,倪富健,陈荣生.沥青混合料动态模量试验及模型预估[J].中国公路学报,2008,21(3):35-39,52.MAXiang,NIFu-jian,CHENRong-sheng.Dynamicmodulustestofasphaltmixtureandpredictionmodel[J].ChinaJournalofHighwayandTransport,2008,21(3):35-39,52.
图4、图5的试验结果表明,随着频率的增加,4
种沥青混合料的模量随之提高,相位角随之降低。动态模量整体上随加载频率呈半对数直线关系,当行车荷载速度提高时,沥青混合料的性能接近于弹性,模量较高,相位角较低;当频率降低,即行车速度较慢时,沥青混合料的模量较低,相位角随之增大,沥青混合料的性能接近于粘性,不利于路面变形的恢复。
在频率由高到低的变化过程中,掺入0.7%外掺剂的HMAC混合料动态模量比未掺入的动态模量均有大幅度提高,最大幅度可提高1倍以上,说明在车速变化范围内,用该设计方法得到的HMAC混合料,其力学性能得到了显著提高。
在中国现行马歇尔设计方法中没有关于混合料力学性能的验证要求,但是考虑到高模量沥青混凝土材料在使用中应具有显著的承载能力,所以建议在材料验证试验中增加力学性能测试,相应指标应在大量试验数据的基础上选定。
7 结 语
(1)法国高模量沥青混凝土组成设计方法与中国设计方法在级配类型、成型方法、沥青用量的确定
第29卷 第3期2009年5月
长安大学学报(自然科学版)
JournalofChangpanUniversity(NaturalScienceEdition)
Vol.29 No.3May2009
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高模量沥青混凝土材料组成设计方法
沙爱民,周庆华,杨 琴
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(1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西西安710064;2.陕西交通职业技术学院
公路工程系,陕西西安710018;3.西南石油大学建筑工程学院,四川成都610500)
摘 要:为更加系统地了解高模量沥青混凝土材料的组成特性,分析了法国高模量沥青混凝土材料
组成设计方法,从级配类型、成型方法、沥青用量的确定和验证试验等方面对中国马歇尔设计方法进行调整,并经过了室内马歇尔试验、车辙试验、水损害试验和模量试验的验证。结果表明:调整后的设计方法适用于添加外掺剂的高模量沥青混凝土配合比设计,设计出的高模量沥青混凝土能够满足5公路沥青路面施工技术规范6的技术要求;同时建议将模量试验作为高模量沥青混凝土材料配合比设计时的验证试验。
关键词:道路工程;高模量沥青混凝土;外掺剂;材料组成设计方法中图分类号:U414.75 文献标志码:A
Materialcompositiondesignmethodforhighmodulusasphaltconcrete
SHAA-imin1,ZHOUQing-hua1,2,YANGQin3
(1.KeyLaboratoryforSpecialAreaHighwayEngineeringofMinistryofEducation,ChangpanUniversity,
Xipan710064,Shaanxi,China;2.DepartmentofHighwayEngineering,ShaanxiCollegeofCommunicationTechnology,Xipan710018,Shaanxi,China;3.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,Sichuan,China)
Abstract:Inordertorealizecompositioncharacterofhighmodulusasphaltconcrete(HMAC),the
materialcompositiondesignmethodofHMACinFrancewasanalyzed,specialadjustmentsaboutgradetype,moldingmethod,determinationoftheoptimumasphaltcontent,certificationtestsofMarshalldesignmethodwereconductedandwereverifiedwithMarshalltest,ruttingtest,moisturedamagetestandmodulustest.ResultsshowthattheadjustedmethodissuitableformixtureratiodesignoftheHMACwhichisproducedbyaddingadditivesintoconventionalasphaltmixes,theperformanceofthehighmodulusmixturescanmeettherequirementsoftheSpecificationTechnicalStandardforHighwayAsphaltPavementConstructionofChina;itisalsoproposedthatthemodulustestshouldbetakenasthecertificationtestforHMAC.9tabs,5figs,6refs.
Keywords:roadengineering;highmodulusasphaltconcrete;additive;materialcompositionde-signmethod
象屡禁不止,许多沥青路面在通车不久就发生严重
的车辙、疲劳开裂等破坏,随后的补强性养护往往使得路面结构的厚度一再增加,一方面提高了道路建
0 引 言
由于公路运输交通量的急剧增加,超载、重载现
收稿日期:2008-06-18
基金项目:教育部/新世纪优秀人才支持计划0基金项目(NCEF-2004)
:),,,,,E。
2长安大学学报(自然科学版) 2009年
法国沥青混合料的设计方法是行不通的,必须结合中国现有的试验方法,针对高模量沥青混凝土的特点,在现有马歇尔设计方法的基础上,调整各个设计环节,总结出适合中国的高模量沥青混凝土组成设计方法,使得沥青混合料的性能既能满足中国5公路沥青路面施工技术规范6的要求,又能尽量接近法国规范体系中的各项要求。
造的成本,另一方面也不利于道路施工的环保性。如何在提高路面材料整体承载能力的同时,降低路面结构的厚度,减少建筑材料的用量,是研究人员十分关注的问题。
高模量沥青混凝土(highmodulusasphaltcon-crete,HMAC)是一种整体模量较高、抗疲劳性能良好的路面材料。按照法国沥青混合料设计规范体系(NFP)140)的定义,只有当动态模量(15e,10Hz)大于14000MPa时,这种沥青混凝土才可以被称为/高模量沥青混凝土0。高模量沥青混凝土的使用能够减少路面结构的变形,延缓车辙的产生,改善路面的疲劳性能,延长路面的使用寿命。文献[2]显示,高模量沥青混凝土在国外的使用已经十分成熟,尤其在法国已颁布了与之配套的混合料组成设计规范。但是在中国,针对高模量沥青混凝土的研究还处于初期阶段,对高模量沥青混凝土的材料组成和性能评价都缺乏系统的了解。为此,本文全面地分析了法国高模量沥青混凝土的材料设计体系,在现有材料的基础上,利用传统的配合比设计方法,对高模量沥青混凝土的材料组成进行研究,提出了适用于现阶段中国的高模量沥青混凝土材料组成设计方法。
[1]
2 材料组成
本研究中沥青材料选用70#沥青,集料采用优质石灰岩。经测试,沥青和集料的各项指标均满足
[3]
规范要求。经过调查,法国主要通过2种途径来
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提高沥青混凝土的模量:¹使用低标号沥青,即30以下的沥青,主要采用的是20#沥青;º使用高模量添加剂。使用途径¹的比例约为高模量沥青混凝土总产量的70%;使用途径º的比例约占30%,随着高模量专用添加剂产品的日益成熟,其所占的比例也在逐渐提高。鉴于中国现阶段低标号沥青产品并不十分成熟的现状,本研究决定选用高模量专用外掺剂作为提高模量的途径。经调查,本文选用了法国PR公司的PRModule专用外掺剂见图1;外掺剂各项指标检验结果见表2。外掺剂的推荐用量为沥青混合料的0.6%~0.8%,本研究采用的用量(质量分数)为0.7%。
1 沥青混合料组成设计方法的对比
法国公路管理局在总结一系列研究成果的基础上,于20世纪90年代初制定了一套沥青混合料设计规范体系(NFP)140)。通过对中法两国沥青混凝土材料设计方法的对比,总结出2种方法在级配、成型方法、沥青用量确定和验证试验等方面的不同之处,见表1。
表1 中法两国沥青混合料设计方法的对比
设计环节模量提高的途径级配类型成型方法确定沥青用量
法国
低标号沥青;高模量添加剂EME14、EME20旋转压实仪成型丰度系数K高温轮辙试验;劲度模量试验(动态抗拉模量);水损害试验(Duriez试验);疲劳试验(梯形梁两点弯曲试验)
中国需考虑2种途径的适用性AC-20、AC-25马歇尔击实仪成型
马歇尔设计方法马歇尔试验;高温车辙试验;水损害试验(浸水马歇尔和冻融劈裂试验)
仅限于中下面层的类型
备注
图1 PRModule外掺剂表2 PRModule外掺剂技术指标
技术指标颜色直径/mm密度/(g#cm-3)熔点/e级配/mm
测试结果灰色50.930~0.965
1750~5
验证试验
3 混合料级配
试验共选用了2种级配,分别是文献[3]中粒式混合料的中值级配AC-20和粗粒式混合料的中值3 表1说明,法国使用的沥青混合料设计规范体
系与中国设计方法相比,具有不同的设计理论和试
第3期 沙爱民,等:高模量沥青混凝土材料组成设计方法
表3 级配数据
级配类型AC-20AC-25
下列筛孔(mm)的通过率/%
31.5100100
26.5100.097.5
1995.082.5
168574
13.271.066.5
9.56155
4.
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2.363029
1.1822.522.5
0.61616
0.31111
0.158.58.5
3
0.07555
4 成型方法
由于在拌和过程中加入了添加剂,沥青混合料的成型方法需要进行调整,拌和过程中对时间和温度的控制是影响添加剂可融性和拌和分散均匀性的重要环节。
4.1 试件成型步骤
试件成型步骤见图2。
拌和时间为45s。4.5 击实温度
鉴于击实温度对成型的马歇尔试件物理体积参数及层间粘结特性影响较大,针对AC-20级配,选择155e、160e、165e、170e4种温度,进行室内马歇尔试验和层间剪切试验,并测试各种指标,基于性能-温度曲线确定HMAC的合理击实温度。层间剪切试验采用路面层间剪切仪进行测试。为了更好地模拟实际路面的层间结合情况,试验在不同的成型温度下成型双层车辙板试件,采用钻孔取芯机从中钻取试件,进行层间剪切试验,试验结果见图3。
图2 高模量沥青混凝土试件成型步骤
4.2 外掺剂干拌时间
试验中混合料采用4.2%的油石比(质量比),分别用0、5、10、15、30s进行干拌后,用肉眼进行观察,发现干拌0s和5s均有不同程度的结团现象,在干拌15s及30s后,外掺剂颗粒分布都较为均匀,掺加沥青拌和后外观无明显区别。考虑到过长的干拌时间会造成拌和周期变长,如果大规模生产,拌和楼的生产效率会显著降低,因此选取15s作为外掺剂的干拌时间。4.3 拌和温度
通过室内试拌试验发现,PRModule外掺剂在175e~
180e与集料干拌15s,能使其迅速软化成不规则的扁平状,与集料具有很好的相融性,分散均匀,无凝结成团现象。考虑到高温拌和有利于外掺剂迅速软化,可减少高模量沥青混凝土的拌和时间。因此,高模量沥青混凝土拌和温度应该高于普通沥青混合料的温度。再考虑到室内拌和时会有较多的热量散失,本研究最终确定HMAC的拌和温度为170e~175e。4.4 拌和时间
普通沥青混合料拌和时间约为40s,而高模量沥青混凝土由于外掺剂的加入,需要有足够的拌和时间,使得外掺剂能够融化。因此每次拌和完毕后,将热沥青混合料取出散开,用肉眼观察是否有外掺,,图3 HMAC击实温度与性能的关系
由图3可见,随着击实温度的增加,HMAC混合料的密度、空隙率、稳定度和剪切力等技术参数均有所变化。从图3中的变化趋势可以看出,当击实温度在165e附近时,试件的密度较大,空隙率最低,稳定度和层间剪切力都为最大值。因此,根据图3中的曲线,建议掺加外掺剂的高模量沥青混凝土HMAC最佳的击实温度为(165?3)e。
5 最佳沥青用量的确定
混合料的最佳沥青用量通过马歇尔方法确定。为了验证外掺剂的使用对沥青用量(质量分数)的影响,本文分别对使用和不使用外掺剂的混合料进行马歇尔试验,确定相应的最佳油石比。试验结果显示,不使用外掺剂时,混合料的最佳沥青用量(质量)
4长安大学学报(自然科学版) 2009年
表6 浸水马歇尔试验结果
级配类型AC-20AC-25
沥青用外掺剂试件高浸水后稳标准稳定残留稳定文献[3]
量/%用量/%度/mm定度/kN度/kN度/%要求/%4.34.2
0.70.7
63.963.6
15.1515.02
15.9815.95
94.894.2
\80
沥青混凝土的最佳沥青用量为4.3%。外掺剂在混合料中熔化后,一方面形成加筋作用,另一方面也会裹覆一定量的沥青,所以高模量沥青混凝土的最佳沥青用量有所提高。该产品在按照法国沥青混合料设计方法进行设计时,曾总结出以下规律,高模量添
加剂掺量每增加0.2%~0.3%,沥青混合料中的沥青用量将增加0.1%左右,此规律也作为使用要求被列入该产品的使用说明中。试验结果说明,采用马歇尔设计方法得到的最佳沥青用量与法国设计方法的结果是一致的。
级配类型AC-20AC-25
表7 冻融劈裂试验结果
冻融后劈冻融前劈
沥青用外掺剂试件高
裂强度/裂强度/
量/%用量/%度/mm
MPaMPa4.34.2
0.70.7
63.963.6
0.730.75
0.900.92
劈裂强
度比/%81.181.5
文献[3]要求/%\75
6.4 力学性能试验
由于高模量沥青混凝土具有典型的粘弹特性,因此分析高模量沥青混凝土的力学性能,需要采用特定的试验方法,在特定条件下测试相关力学指标
[4-6]
6 性能试验验证
6.1 马歇尔试验
按照试件成型方法的要求,以最佳沥青用量成型试件,对试件进行马歇尔试验测试,结果见表4。
表4 马歇尔试验测试结果
类别AC-20AC-25文献[3]要求
沥青用//流值/空隙率/沥青饱和
量/%(g#cm-3)kNmm%度/%4.34.2
2.4502.459
17.117.4\8.0
2.942.69
5.45.6
686755~70
矿料间隙
率/%15.515.1\13.0
。本文主要测试了20e抗压回弹模量和15
e抗压动态模量,同时对使用和不使用外掺剂的2种沥青混凝土进行测试对比。6.4.1 抗压回弹模量
20e回弹模量测试结果见表8。
表8 20e回弹模量测试结果
级配类型AC-20
外掺剂用量/
%
0 0.70 0.7
抗压强度/MPa3.233.842.883.99
回弹模量/MPa[**************]4
回弹模量增长率/%37.5
00~3.0~4.00
6.0
从表4中可以看出,2种级配的马歇尔试验结果的各项指标均满足文献[3]的要求。
6.2 高温车辙试验
用轮碾仪成型车辙板,在温度为60e的条件下进行车辙试验,结果见表5。
表5 车辙试验结果
级配类型AC-20AC-25
沥青用量/
%4.34.2
外掺剂用量/%0.70.7
动稳定度/(次#mm
-1
AC-2543.6
试验结果显示,对2种不同级配沥青混合料而
言,外掺剂的应用使得混合料的抗压回弹模量平均
总变形/)
mm1.861.49
相对变形率/%3.722.98
提高约40%。这说明PRModule外掺剂对HMAC的抗压回弹模量有显著影响。6.4.2 动态模量
利用美国MTS-810材料试验机,采用单轴动态压缩试验方法,对混合料15e抗压动态模量进行测试。试件为静压成型的5100mm@100mm圆柱体试件,采用频率扫描方式,频率为0.1~10Hz,分别在5种频率下进行动态模量和相位角的测试,结果见图4、下页图5和表9。
1070032000
车辙试验结果显示,试件的动稳定度均有大幅度提高。按照文献[3]中对不同气候条件下动稳定度的要求,高模量沥青混凝土的动稳定度均远远超过文献[3]中的技术要求,说明高模量沥青混凝土由
于力学性能的提升,也改善了其高温稳定性能。6.3 水损害试验
分别采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价高模量沥青混合料抵抗水损害的性能,试验结果见表6、表7。
浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果显示,2种级配的高模量沥青混合料的抗水损害性能均满足文献[3]的要求,说明掺加了高模量外掺剂的沥青混
第3期 沙爱民,等:高模量沥青混凝土材料组成设计方法5
和验证试验等方面存在较大差异,因此无法直接使用法国设计方法进行适用于中国的高模量沥青混凝土的材料组成设计。
(2)与普通沥青混凝土相比,添加外掺剂的高模量沥青混凝土试件的成型方法在成型步骤、拌和温度和时间方面有所不同,在成型试件的过程中应根据试验结果严格控制各项环节。
(3)采用马歇尔设计方法确定最佳沥青用量的方法同样适用于高模量沥青混凝土,外掺剂的添加
动态模量/MPa5150.287
AC-20(不掺外掺剂)
4232.3203164.2602009.7981338.8435344.368
AC-25(不掺外掺剂)
4290.0563235.7442181.4321127.120
相位角D/(b)19.821.322.639.745.818.821.223.340.649.5
图5 沥青混合料的相位角表9 15e动态模量测试结果
级配类型
试验频动态模量/相位角率/Hz10.0
AC-20(掺外掺剂0.7%)
3.01.00.30.110.0
AC-25(掺外掺剂0.7%)
3.01.00.30.1
MPa789.3107105.0745252.2453226.5321994.2159455.4127104.4825252.2853226.5261994.227
D/(b)19.321.123.341.248.519.321.123.341.248.5
级配类型
使得高模量沥青混凝土的沥青用量多于普通沥青混
凝土。
(4)采用本文中的方法得到的高模量沥青混凝土的各项技术指标均满足规范要求,其中高温性能有显著提高;调整后的混合料设计方法能够适用于添加外掺剂的高模量沥青混凝土。
(5)鉴于高模量沥青混凝土的特殊性,建议将力学性能试验作为高模量沥青混凝土的验证试验。参考文献:References:
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图4、图5的试验结果表明,随着频率的增加,4
种沥青混合料的模量随之提高,相位角随之降低。动态模量整体上随加载频率呈半对数直线关系,当行车荷载速度提高时,沥青混合料的性能接近于弹性,模量较高,相位角较低;当频率降低,即行车速度较慢时,沥青混合料的模量较低,相位角随之增大,沥青混合料的性能接近于粘性,不利于路面变形的恢复。
在频率由高到低的变化过程中,掺入0.7%外掺剂的HMAC混合料动态模量比未掺入的动态模量均有大幅度提高,最大幅度可提高1倍以上,说明在车速变化范围内,用该设计方法得到的HMAC混合料,其力学性能得到了显著提高。
在中国现行马歇尔设计方法中没有关于混合料力学性能的验证要求,但是考虑到高模量沥青混凝土材料在使用中应具有显著的承载能力,所以建议在材料验证试验中增加力学性能测试,相应指标应在大量试验数据的基础上选定。
7 结 语
(1)法国高模量沥青混凝土组成设计方法与中国设计方法在级配类型、成型方法、沥青用量的确定