一种微表处混合料矿料级配的优化设计方法

摘要

本发明公开了一种微表处混合料矿料级配的优化设计方法，包括以下步骤：1）以关键筛孔的通过量，来确定不同级配矿料方案；2）测定不同级配矿料方案的堆积密度；3）对不同级配矿料进行初期性能试验；4）测定不同级配矿料的物理和力学指标；5）对不同级配矿料进行路用性能检验；6）确定微表处混合料最佳矿料级配。本发明采用集料的堆积密度法来评判微表处混合料矿料级配的优劣，从而得到具有密实骨架结构的微表处混合料，并综合考虑微表处混合料前期和后期的路用性能，得到很好的高温稳定性和抗滑性能、较高的耐磨耗性能的微表处混合料。本发明提供的设计方法，试验数据准确可靠，借鉴热拌沥青混合料的试验方法，具有非常良好的推广价值。

说明书

技术领域

本发明属于公路沥青路面养护工程技术领域，具体涉及一种微表处混合料矿料级配的优化设计方法。 

背景技术

截至2012年底，我国公路网总里程达到410万公里，其中高速公路9.6万公里，一个干支衔接、布局合理、四通八达的全国公路网已初步形成。在已建成（或在建）的高速公路中，沥青路面以其良好的性能倍受青睐，得到了广泛的应用。但是，方便快捷的运输方式，使得交通量迅猛增长，并大大超出了原设计交通量，而且车辆重载、超载严重，使一些高速公路在建成通车1～3年甚至更短的时间内就出现了车辙、开裂、泛油、坑槽等严重的早期病害。因此，虽然高等级沥青路面的设计寿命为15年，但多数沥青路面在运营后短的2～3年，长的8～10年就需要进行大面积的维修和改造。如果沥青路面在没有破坏前就采取必要的预防性预养护措施，可使路面的使用寿命延长，使养护后的路面有抗滑、耐磨耗及防水等优点。 

在诸多养护技术中，微表处养护技术以其养生和固化期较短，在使用寿命内能保持良好的抗滑性能（高的摩擦系数），可以填补车辙（尤其是较深的车辙）以及改善路面的行驶功能，具有较高的经济效益和环保效益等特点，受到了广大公路部门的青睐。 

目前，微表处己经在我国很多公路养护工程中得到应用。作为一种有效的 路面养护技术，微表处混合料的设计方法、性能评价和施工工艺也在逐渐完善，形成了一套的理论体系。但在实际工程应用中仍然存在一些问题，例如微表处混合料在使用过程中抗松散性能不足，容易造成石子脱落；新填充车辙的微表处又产生新的车辙；车内噪声过大；抗裂性能较差；有些路段在开放交通不久后就出现剥落、车辙等病害。造成这些病害的原因，有施工方面的，更重要的是目前忽视微表处混合料的矿料级配优化设计，从而导致没有优良的微表处混合料。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种微表处混合料矿料级配的优化设计方法，该方法采用集料的“堆积密度法”来评判矿料不同级配的优劣，采用堆积密度最大的原则优化矿料级配，并通过微表处混合料的初期性能、物理力学性能、以及路用性能验证得出，用堆积密度法设计的最优级配，从而获得骨架密实性能优良的微表处混合料。 

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤： 

1）以关键筛孔的通过量，来确定不同级配矿料方案； 

2）测定不同级配矿料方案的堆积密度； 

3）对不同级配矿料进行初期性能试验； 

4）测定不同级配矿料的物理和力学指标； 

5）对不同级配矿料进行路用性能检验； 

6）根据步骤1）～5）的试验及测试结果，确定微表处混合料最佳矿料级配。 

所述步骤1）中，以关键筛孔的通过量，来确定不同级配矿料方案的具体步 骤如下： 

1.1）根据微表处矿料级配范围，找出相邻筛孔尺寸差值间隔最大的两个筛孔； 

1.2）增加一个筛孔尺寸为差值间隔最大的两个筛孔尺寸平均值的筛孔，改变该筛孔通过率的条件下测试其骨架特性；然后对混合料进行马歇尔试验，确定增加的这个筛孔的通过率； 

1.3）通过正交试验选出若干计算组合来进行试验，确定试验组数。 

所述步骤2）中，具体测定不同级配矿料方案堆积密度的具体方法如下： 

堆积密度的测试方法：根据粗集料的公称最大粒径选用相应的容量筒容积V，对于每种方案，由级配得出各个粒径的用量；首先称取容量筒的质量m₁；将称好的试样置于干净的水泥地上，用平头铁锹将试样拌和均匀，将试样分次分别装入容量筒：第一层装完后，将一根直径为25mm的圆钢筋放在筒底，按住筒的边沿，左右交替颠击地面若干次；装完第二层后，按上述方法颠实，其中圆钢筋的方向与第一层放置方向垂直；装完第三层后，同样按照上述方法颠实；使矿料高出容量筒口，待所有试样装完后，用钢筋滚转筒口边缘将高出的颗粒去掉，填平凹处，使表面凹处的矿料体积和凸起的部分相等，称取试样和容量筒总质量m₂进行堆积密度试验； 

其中，振实状态下的堆积密度为$\rho =\frac{m_2-m_1}{V}---\left(2.1\right)$

式中：ρ为与振实状态相对应的堆积密度；m₁为容量筒的质量；m₂为容量筒与试样的总质量；V为容量筒的容积。 

所述步骤3）中的初期性能试验包括湿轮磨耗试验及负荷车轮粘砂试验，以测定磨耗值和粘附砂量。 

所述步骤4）中，采用马歇尔实验测定不同级配矿料的物理和力学指标。 

所述步骤4）中物理指标为空隙率和毛体积密度，力学指标为稳定度和流值。 

所述步骤5）中路用性能试验包括车辙试验、渗水试验以及摩擦摆值试验，以分别测试优选级配混合料的高温稳定性、抗水稳定性以及抗滑性能。 

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： 

本发明微表处混合料矿料级配的优化设计方法，考虑到集料颗粒的形状、比例都会影响到集料的堆积，集料堆积密度越大，表明粗细集料的比例合理，集料的堆积状态越致密，采用集料的堆积密度法来评判微表处混合料矿料级配的优劣，从而得到具有密实骨架结构的微表处混合料，并综合考虑微表处混合料前期和后期的路用性能，得到很好的高温稳定性和抗滑性能、较高的耐磨耗性能的微表处混合料。本发明提供的设计方法，试验数据准确可靠，借鉴热拌沥青混合料的试验方法，易于实现，具有非常良好的推广价值。 

进一步的，本发明微表处混合料矿料级配的优化设计方法不仅通过大量的室内试验进行了有效验证，同时已经在实体工程上得到了良好的应用。室内试验和实体工程均验证了本发明试验方法的合理性、可靠性与实用性。 

附图说明

图1-1为MS-3型微表处级配曲线图； 

图1-2为本发明实施例增加7mm筛孔的MS-3型微表处级配图； 

图2为本发明实施例堆积密度试验结果图； 

图3为本发明实施例磨耗值及粘附砂量试验结果图； 

图4-1本发明实施例芯样毛体积密度试验结果图； 

图4-2本发明实施例芯样空隙率试验结果图； 

图4-3本发明实施例芯样稳定度试验结果图； 

图4-4本发明实施例芯样流值试验结果图； 

图5-1本发明实施例动稳定度试验结果图； 

图5-2本发明实施例渗水系数试验结果图； 

图5-3本发明实施例抗滑性试验结果图。 

具体实施方式

下面结合实施例以及附图，以MS-3型微表处为例对本发明微表处混合料矿料级配优化设计方法的过程进行具体说明。 

本实例所选用的基质沥青为盘锦A级90号沥青，乳化剂为河南漯河天龙化工有限公司生产的CMK-20型慢裂快凝阳离子乳化剂，改性剂为河南漯河天龙化工有限公司生产的SBR胶乳，PH调节剂为盐酸，粗细集料均为宁夏银川当地的套门沟碎石料场石灰岩，填料为少量的P.O42.5水泥，微表处混合料的配方为集料：水泥：水=100:1:7，油石比为6.3%。 

选用乳化剂掺加量2.0%，改性剂掺加量3.5%，并以此配方制作改性乳化沥青，其检测结果如下表1-1所示。 

表1-1微表处所用的改性乳化沥青检测结果 

1、以关键筛孔的通过量，来确定不同矿料级配方案。 

1.1常规的规范级配 

国际稀浆封层协会(ISSA)和微表处和稀浆封层施工技术指南所推荐的MS-3型微表处矿料级配范围和级配中值如表1-2所示，其级配曲线如图1-1所示。 

表1-2微表处MS-3型级配范围要求 

筛孔（mm）>9.5>4.75>2.36>1.18>0.6>0.3>0.15>0.075>通过率（％）>100>70-90>45-70>28-50>19-34>12-25>7-18>5-15>级配中值>100>80>57.5>39>26.5>18.5>12.5>10>

1.2增加矿料7mm筛孔 

MS-3型微表处应用于罩面，微表处路面施工后一个月内剥落现象比较严重，主要原因在于集料中存在较多的大粒径颗粒，在行车荷载的作用下，容易从表面剥落。由此可见，在进行微表处混合料配合比设计时，必须严格控制级配中大粒径颗粒的含量。现阶段，微表处用集料筛孔尺寸如表1-3所示。 

表1-3集料筛孔尺寸表 

筛孔尺寸（mm）>19>16>13.2>9.5>4.75>2.36>1.18>0.6>0.3>0.15>0.075>

[0054] 

相邻筛孔差值>3>2.8>3.7>4.75>2.39>1.18>0.58>0.3>0.15>0.075>—>

比较表1-3中相邻筛孔尺寸差值，4.75mm～9.5mm间的间隔最大，达到了4.75mm，而其他相邻筛孔之间的间隔不超过4mm，这样不方便精确控制粗集料级配。微表处混合料用集料最大粒径一般为13.2mm，2.36mm以上粗集料是构成混合料骨架结构的关键，且4.75mm～9.5mm将占到粗集料部分的一半左右。因此，有必要研究4.75mm～9.5mm之间集料级配的变化对混合料骨架构成的影响。 

4.75mm和9.5mm的平均值为7.13mm，但为了便于制做，最后加工成尺寸为7mm的筛子。在不变4.75mm通过率但改变7mm通过率的条件下，进行相关试验评定骨架特性，以分析对微表处混合料所用矿料增加7mm筛孔的必要性。试验选取常用的MS-3型微表处级配中值，增加7mm筛孔，变化其通过率，使得4.75mm～7mm筛孔与7mm～9.5mm筛孔间集料的质量比分别为1:3、1:1、3:1，各筛孔的通过率如表1-4所示，并对表1-4所示级配的混合料进行马歇尔试验，试验结果如表1-5所示。 

表1-4增加7mm筛孔后集料级配 

表1-5增加7mm筛孔后混合料马歇尔试验结果 

级配类型>密度（g/cm³）>VV（％）>VMA（％）>VFA（％）>稳定度（kN）>

[0061] 

1>2.340>4.10>17.74>78.89>1.52>2>2.350>3.67>17.36>78.85>1.76>3>2.347>3.81>17.50>76.23>1.27>

表1-5表明，当4.75mm～7mm与7mm～9.5mm间集料的质量比为1:1时，混合料空隙率VV、矿料间隙率VMA最小，稳定度最大。综合考虑各方面因素，在4.75mm～9.5mm之间增加7mm的筛孔以控制集料级配是完全必要的，并应根据实际情况，确定合适的7mm筛孔通过率。 

本实例中所用的级配即为增加了7mm筛孔的MS-3型微表处矿料级配中值，则矿料级配取值范围如表1-6所示，其级配曲线如图1-2所示。 

表1-6增加7mm筛孔的MS-3型微表处级配范围要求 

筛孔尺寸（mm）>9.5>7>4.75>2.36>1.18>0.6>0.3>0.15>0.075>通过率（%）>100>100-80>70-90>45-70>28-50>19-34>12-25>7-18>5-15>级配中值>100>90>80>57.5>39>26.5>18.5>12.5>10>

1.3确定试验组数 

方案设计时，主要考虑矿料级配的四个关键筛孔：7mm、4.75mm、2.36mm和0.075mm，关键筛孔的级配以其中值为基础在级配范围内上下波动，矿料级配中各筛孔通过率不应超过表1-7规定的允许波动范围。考虑到MS-3型微表处是磨耗层，合成级配曲线靠近级配范围中值偏下限时，级配会偏粗，微表处会有很大的噪音，但级配太细担心构造深度不能满足要求，填料多少也会显著影响微表处性能。因此各个筛孔的级配取值要综合考虑，通过试验来综合选定。 

表1-7微表处矿料级配 

试验组数的确定利用正交试验设计来确定，而正交试验中所考虑的因素有关键筛孔7mm、4.75mm、2.36mm和0.075mm共4个因素，每个因素各设3个水平，而其他筛孔的级配取值不变，仍取各个级配中值。正交试验可以解决实施试验次数过多，条件难以控制的问题，选出部分代表性很强的计算组合来做试验，这些具有代表性的部分计算组合，一般可通过正交表来确定。 

由4因素3水平可设计L₉(3⁴)正交表，表头如表1-8所示。 

表1-8MS-3型微表处级配四因素三水平正交试验表头 

处理号>7mm>4.75mm>2.36mm>0.075mm>1>1>1>1>1>2>1>2>2>2>3>1>3>3>3>4>2>1>2>3>5>2>2>3>1>6>2>3>1>2>7>3>1>3>2>8>3>2>1>3>9>3>3>2>1>

按照正交试验设计表头1-8，将各因素的三种不同水平代入进行试验，如表1-9所示。 

表1-9MS-3型微表处级配四因素三水平正交试验 

处理号>7mm>4.75mm>2.36mm>0.075mm>1>86>72>47.5>6>2>86>76>52.5>8>3>86>84>62.5>12>4>94>72>52.5>12>5>94>76>62.5>6>6>94>84>47.5>8>7>98>72>62.5>8>8>98>76>47.5>12>9>98>84>52.5>6>

将正交试验中关键筛孔的级配取值分别代入后，各个筛孔的通过率如表1-10所示。 

表1-10正交试验9种级配各个筛孔的通过率 

2、测定不同级配矿料方案的堆积密度 

2.1堆积密度试验方法 

堆积密度的测试方法：由《公路工程集料试验规程》中容量筒的规格要求，根据粗集料的公称最大粒径选用合适的容量筒容积V，对于每种方案，由级配 得出各个粒径的用量。首先称取容量筒的质量m₁。将称好的试样置于干净的水泥地上，用平头铁锹将试样拌和均匀，将试样按三次的量分别装入容量筒：第一层装完后，将一根直径为25mm的圆钢筋放在筒底，按住筒的边沿，左右交替颠击地面各25次；装完第二层后，按上述方法颠实（但圆钢筋的方向应与第一层放置方向垂直）；装完第三层后同法颠实。等所有试样装完后，矿料高出容量筒口，用钢筋滚转筒口边缘将高出的颗粒弄掉，填平凹处，使表面凹处的矿料体积和凸起的部分大致相等，称取试样和容量筒总质量m₂。 

则振实状态下的堆积密度为$\rho =\frac{m_2-m_1}{V}---\left(2.1\right)$

式中：ρ—与振实状态相对应的堆积密度（t/m³）； 

m₁—容量筒的质量（kg）；m₂—容量筒与试样的总质量（kg）；V—容量筒的容积（L）。 

2.2堆积密度试验结果与分析 

按照矿料级配的正交试验设计表头1-8，将各因素的三种不同水平代入进行试验，其因素水平及试验结果见表2-1，各个级配组合的堆积密度大小如图2所示。 

从图2可以得知9个级配组合中，堆积密度没有规律的变化着，其中8号的堆积密度值最大，而堆积密度反映了集料的颗粒级配、颗粒形状和空隙率的状况，堆积密度的数值越大，说明颗粒与颗粒之间的空隙越小，另外，密度大的集料结构也密实，耐久性好。 

表2-1MS-3型微表处级配堆积密度正交试验结果表 

处理号>7mm>4.75mm>2.36mm>0.075mm>ρ（t/m³）>

[0091] 

1>86>72>47.5>6>2.049>2>86>76>52.5>8>2.025>3>86>84>62.5>12>2.010>4>94>72>52.5>12>2.060>5>94>76>62.5>6>2.031>6>94>84>47.5>8>2.056>7>98>72>62.5>8>2.041>8>98>76>47.5>12>2.075>9>98>84>52.5>6>2.035>

3、对不同级配矿料进行初期性能试验 

微表处混合料的初期性能主要体现在湿轮磨耗试验及负荷车轮粘砂试验，通过衡量磨耗值和粘附砂量指标来评价矿料级配的好坏，微表处混合料的磨耗值越小，粘附砂量越大，则矿料级配越理想。按照上述正交试验的组合，进行微表处混合料的湿轮磨耗试验和负荷车轮粘砂试验，试验结果如表3-1及图3所示。 

表3-1MS-3型微表处级配磨耗值和粘附砂量正交试验结果表 

处理号>7mm>4.75mm>2.36mm>0.075mm>WTAT>LWT>1>86>72>47.5>6>97>200>2>86>76>52.5>8>135>153>3>86>84>62.5>12>209>165>4>94>72>52.5>12>127>212>5>94>76>62.5>6>115>177>6>94>84>47.5>8>74>200>7>98>72>62.5>8>238>224>8>98>76>47.5>12>62>247>9>98>84>52.5>6>115>188>

从图3中可知正交设计中8号微表处混合料的磨耗值最小、粘附砂量最大，磨耗值的大小用于评价成型后的稀浆混合料的配伍性和抗水损害能力，粘附砂 量指标反映混合料表面对热砂的粘附情况，磨耗值越小，说明耐磨耗性能好。 

4、测定不同级配矿料的物理和力学指标 

为了要测得微表处混合料的空隙率和密度等物理指标，考虑借鉴热拌沥青混合料的成型方法。在热拌沥青混合料成型方法中主要有：马歇尔击实法、轮碾成形法、静压法、搓揉成型法，本实例采用马歇尔试验来测定不同级配矿料的物理和力学指标。 

微表处混合料马歇尔试验的试验结果如表4-1所示，正交试验中各个级配组合的微表处混合料试件的空隙率、毛体积密度、稳定度及流值的大小关系如图4-1～4-4所示。 

表4-1各个级配组合的马歇尔试验结果 

处理号>空隙率（%）>毛体积密度（g/m³）>稳定度（kN）>流值（mm）>1>4.06>2.341>1.06>2.80>2>4.39>2.333>1.64>3.92>3>4.22>2.337>1.71>3.36>4>5.20>2.313>1.55>3.68>5>4.67>2.326>1.76>4.10>6>3.65>2.351>1.28>3.72>7>5.37>2.309>1.95>5.73>8>3.07>2.365>2.02>5.16>9>4.10>2.340>1.47>3.84>

微表处作为厚度仅为10mm左右的薄层结构，其承受荷载和抵抗变形的作用区别不是很明显，所以在模拟的马歇尔试验中，对微表处混合料级配影响最大的是空隙率和毛体积密度指标，而稳定度和流值指标对级配的影响效果不大，可以作为评价级配好坏的间接指标。 

由图4-1～4-4可以得知，正交组合试验中8号微表处混合料试件的空隙率最小，毛体积密度最大，稳定度最大。空隙率的大小反映了材料的颗粒之间相互填充的紧密程度，空隙率越小，说明颗粒大小搭配的越合理，用其配置的混合料越密实；毛体积密度是一个间接反映混合料致密程度的参数，也是混合料体积指标计算的一个重要参数；稳定度越大，说明混合料的高温稳定性越好。 

5、对不同级配矿料进行路用性能检验 

为了解微表处混合料成型后的路用性能，本方法用车辙试验来评价微表处混合料的高温稳定性；用渗水试验来评价微表处混合料的水稳定性；用摆值试验来评价微表处混合料的抗滑性能。 

微表处混合料后期性能研究的试验结果分别如表5-1和图5-1～5-3所示。 

表5-1微表处混合料的后期性能试验结果 

由车辙试验结果、渗水试验结果、摆值仪测定摩擦系数试验结果可以看出，正交设计中8号的动稳定度最大，说明它的高温抗车辙能力强；8号的摆值最大，说明它的抗滑性能好；8号的渗水系数最小，说明它的渗水性能好。 

6、确定微表处混合料最佳矿料级配 

本实例中MS-3型微表处混合料最佳矿料级配如表6-1所示。 

表6-1最佳矿料级配 

筛孔尺寸（mm）>9.5>7>4.75>2.36>1.18>0.6>0.3>0.15>0.075>通过率（%）>100>98>72>47.5>39>26.5>18.5>12.5>12>