骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土组成及其确定方法

摘要

本发明涉及“骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土组成及其确定方法”，属于道路工程设计领域。本发明混凝土选择针入度为30及其以下的AH-30#低标号硬质沥青做为的胶结材料；选用最大公称粒径不小于26.5mm的粗集料；采用粗集料断级配的设计思想设计级配曲线；采用基于最紧密状态的沥青混合料配合比设计方法确定最佳油石比。本发明的混凝土是一种具有良好抗变形能力和承载能力的技术可靠、经济合理的新型沥青混凝土材料，能够形成最紧密的骨架嵌挤结构，并显著改善沥青混合料的高温稳定性，同时提高沥青混合料的力学性能，强度比一般沥青混合料提高50％以上，动态复模量比国外同类产品提高30％以上，从而具有十分优良的路用性能。

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种道路工程中使用的优质沥青混凝土组成及其确定方法，特别涉及使用针 入度为30(0.1mm)左右的低标号硬质沥青、最大公称粒径不小于26.5mm的高模量沥青混 凝土组成的确定，包括它的级配构成、最佳油石比确定和路用性能验证要求。

【背景技术】

高模量沥青混凝土主要采用低标号硬质沥青作为胶结材料，依靠低标号沥青的高粘度、 高劲度和低温度敏感性为成型后的沥青混合料提供优异的高温稳定性和较高的模量值，当其 用于沥青路面的中下面层时可以提高整个路面结构的抗车辙能力并起到一定的结构补强作 用，可延长道路的使用寿命并减薄路面厚度，降低造价。

高模量沥青混凝土在欧洲一些发达国家应用较多。法国研究的较早、应用也最为广泛， 技术十分成熟，而且已经制定了相应的技术规范；其他一些国家如英国、芬兰等主要借鉴法 国的成果和经验开展相关的研究和应用。目前国外高模量沥青混凝土所采用的设计方法主要 是针对最大公称粒径不大于19mm的中粒式和细粒式沥青混合料，使用针入度较低的低标号 沥青和连续型级配，所设计的沥青混合料有较高的沥青用量和较低的空隙率，主要通过沥青 本身的品质为沥青混凝土提供较高的模量，并通过增加沥青用量来改善沥青混合料的密实性 和抗疲劳能力。

但是，对于我国重载交通沥青路面和长寿命沥青路面设计来说，最关键的问题是要提高 整个路面结构的承载能力并保证沥青面层的高温稳定性，特别是对于中下面层材料而言不仅 要求其能够提供较好的抗车辙能力，同时也要求具有一定的结构补强作用。由于国外高模量 沥青混凝土所采用的设计方法对于最大公称粒径大于19mm的粗粒式沥青混合料不适用，而 且其设计思想是选用连续型级配和较高的结合料用量，所设计的沥青混合料空隙率较低，对 于我国重载交通的情况也不适用。因此，针对我国的国情和工程需求，发明一种骨架嵌挤型 粗粒式高模量沥青混凝土及其制备方法是十分必要的。

【发明内容】

本发明的目的是为了适应我国长寿命、耐久性沥青路面建设的需要，提出一种技术可靠、 经济合理的新型骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土组成，这种沥青混合料具有优良的高温 稳定性和承载能力，其强度比一般沥青混合料提高50％以上，动态复模量比国外同类产品提 高30％以上，从而具有十分优良的路用性能，可作为重载交通长寿命沥青路面的中、下面层 材料使用，并降低工程造价。

骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土组成的确定方法，包括如下步骤：1、准备原材料， 2、确定设计线配曲线，3、确定最佳油石比，

所述步骤1为选择针入度为30及其以下的低标号硬质沥青作为胶结材料，选用粗集料、 细集料和矿粉，所述粗集料最大公称粒径为不小于26.5mm的石料，

所述步骤2包括如下方法步骤：(1)、根据设计需要确定粗粒式沥青混凝土的最大公称粒 径、粗细集料分界点4.75mm以及0.075mm三个关键筛孔的通过率数值；(2)、将确定的最大 公称粒径、4.75mm两个关键筛孔的通过率数值代入公式1中，计算系数A、B，可以确定公 式1的具体表达式；将4.75mm和0.075mm两个关键筛孔的通过率数值代入公式2，计算系 数C、D，可以确定公式2的具体表达式；

   P_di＝A(d_i)^B    (公式1)

式中：

P_di——粗集料筛孔尺寸d_i的通过率，％；

d_i——粗集料某筛孔尺寸，mm；

A、B——为系数。

P_dj＝C(d_j)^D    (公式2)

式中：

P_dj——细集料筛孔尺寸d_i的通过率，％；

d_j——细集料某筛孔尺寸，mm；

C、D——为系数。

(3)采用公式1具体表达式计算最大公称粒径至粗细集料分界点4.75mm之间每一个筛 孔对应的通过率数值；采用公式2具体表达式计算粗细集料分界点4.75mm至0.075mm筛孔 之间每一个筛孔对应的通过率数值，据此得到骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土设计级配 曲线；

所述步骤3包括如下方法步骤：A)按照步骤2得到的设计级配曲线，选择5～6个以 0.3％～0.4％为间隔的油石比、每个油石比下成型4～6个试件，测定试件的毛体积密度、测定 试件的最大理论密度，

B)计算沥青混合料的干密度、矿料间隙率VMA、粗集料矿料间隙率VCA，绘制干密度、 VMA、VCA与油石比之间的二次曲线关系，选取矿料间隙率VMA最小值对应的油石比 OAC1、粗集料矿料间隙率VCA最小值对应的油石比OAC2以及沥青混合料的干密度最大值 对应的油石比OAC3三者的平均值作为骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土的最佳油石比 OAC，即：OAC＝(OAC1+OAC2+OAC3)/3。

所述低标号硬质沥青为AH-30#。

所述最大公称粒径的粗集料其称粒径为26.5mm。

所述试件的毛体积密度通过蜡封法测定。

所述试件的最大理论密度通过真空法测定。

上述方法确定的混凝土，包括沥青、粗集料，细集料和矿粉，以及设计线配曲线与最佳 油石比。

本发明设计包括骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土由针入度为30(0.1mm)左右的 AH-30#低标号硬质沥青、最大公称粒径不小于26.5mm的粗集料、细集料和矿粉共同制成。

本发明主要包括如下步骤：

1.选择针入度为30(0.1mm)及其以下的国产低标号硬质沥青做为高模量沥青混凝土的 胶结材料，不同国内通常采用改性沥青、天然沥青(湖沥青、岩沥青)、外掺剂的方法，从而 不仅节约工程造价，而且易于工程操作和质量控制。

2.粗集料选用最大公称粒径不小于26.5mm的石料，所使用的粗集料、细集料和矿粉应 符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的相关规定，这不同于国外使用公称 最大粒径不大于19mm的高模量沥青混凝土技术要求。

3.采用粗集料断级配的设计思想构建混合料的矿料级配。这完全不同于国内外高模量沥 青混凝土的级配构成方法。

(1)根据设计需要确定粗粒式沥青混凝土的最大公称粒径、粗细集料分界点4.75mm以 及0.075mm三个关键筛孔的通过率数值。

(2)将上述确定的最大公称粒径、4.75mm两个关键筛孔的通过率数值代入公式1中， 计算系数A、B，可以确定公式1的具体表达式。同理，将4.75mm和0.075mm两个关键筛 孔的通过率数值代入公式2，计算系数C、D，可以确定公式2的具体表达式。

P_di＝A(d_i)^B    (公式1)

式中：

P_di——粗集料筛孔尺寸d_i的通过率，％；

d_i——粗集料某筛孔尺寸，mm；

A、B——为系数。

P_dj＝C(d_j)^D    (公式2)

式中：

P_dj——细集料筛孔尺寸d_i的通过率，％；

d_j——细集料某筛孔尺寸，mm；

C、D——为系数。

(3)采用公式1计算最大公称粒径至粗细集料分界点4.75mm之间每一个筛孔对应的通 过率数值；采用公式2计算粗细集料分界点4.75mm至0.075mm筛孔之间每一个筛孔对应的 通过率数值，据此得到骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土设计级配曲线。

4.采用基于最紧密状态的沥青混合料配合比设计方法确定骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青 混凝土的最佳油石比，这是本专利的核心发明，不同于国外采用沥青膜厚度选定最佳油石比， 也不同于按设计空隙率4％确定最佳油石比的方法。

(1)对于步骤3中设计的级配曲线，根据经验选择5～6个以0.3％～0.4％为间隔的油石比、 每个油石比下成型4～6个试件，通过蜡封法测定试件的毛体积密度、通过真空法测定试件的 最大理论密度。

(2)计算沥青混合料的干密度、矿料间隙率VMA、粗集料矿料间隙率VCA，绘制干密 度、VMA、VCA与油石比之间的二次曲线关系。选取矿料间隙率VMA最小值对应的油石 比OAC1、粗集料矿料间隙率VCA最小值对应的油石比OAC2以及沥青混合料的干密度最大 值对应的油石比OAC3三者的平均值作为骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土的最佳油石比 OAC，即：OAC＝(OAC1+OAC2+OAC3)/3。

5.采用步骤4中确定的骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土的最佳油石比评定混合料的 高温性能、强度和模量、抗疲劳性能等路用性能指标。通过室内实验和实际工程验证，确认 这种混合料具有优良的高温稳定性和优异的力学强度、模量和疲劳寿命。

使用本方法设计和制备的粗粒式高模量沥青混凝土，由于采用了AH-30#低标号硬质沥青 作为胶结材料、选择了最大公称粒径不小于26.5mm的粗粒式类型、采用了粗集料断级配的 思想设计沥青混合料级配以及基于最紧密状态的沥青混合料配合比设计方法确定最佳油石 比，使所得到的高模量沥青混凝土能够形成最紧密的骨架嵌挤结构，并显著改善沥青混合料 的高温稳定性，同时提高沥青混合料的模量达到30％以上，并降低工程造价，可作为重载交 通长寿命沥青路面优良的中、下面层材料使用。

【附图说明】

图1干密度与油石比二次关系曲线图，

图2VMA与油石比二次关系曲线图，

图3VCA与油石比二次关系曲线图，

图4：两种混合料的复模量主曲线，

图5：两种材料的疲劳曲线，logN＝a₁×lnσ+b₁形式。

【具体实施方式】

以下结合某工程的具体实例来进一步说明骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土的设计和 制备方法，下述实例仅用于说明本发明而并非对本发明的限制。

某高速公路处于夏炎热区(1-1)和潮湿区，拟使用骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土 HMAC25，则根据本发明的内容，具体的实施方式如下：

步骤1：确定原材料

根据工程的实际情况，选择两种针入度等级的沥青：一种是满足现行《公路沥青路面施 工技术规范》(JTG F40-2004)中相关要求的Pen40/60沥青和针入度不大于30的Pen20/30低 标号硬质沥青，以及最大公称粒径不小于26.5mm的粗集料、细集料和填料作为制备高模量 沥青混凝土的原材料。

步骤2：确定设计级配曲线

按照要求设计HMAC25高模量沥青混凝土，则该混合料的最大粒径为31.5mm、最大公 称粒径为26.5mm。选择三个关键筛孔的通过率分别为：P_26.5mm＝97.5％、P_4.75mm＝30％、 P_0.075mm＝5％，据此采用公式1、公式2联立可以得到方程组为：

$\left(\begin{array}{c}97.5=A{\left(26.5\right)}^B\\ 30=A{\left(4.75\right)}^B\\ 30=C{\left(4.75\right)}^D\\ 5=C{\left(0.075\right)}^D\end{array}\right)$

解方程组可以得到参数A、B、C、D分别为：

A＝10.3071

B＝0.6857

C＝15.3055

D＝0.4319

则该沥青混合料的设计级配曲线见表1所示。

表1HMAC25设计级配

步骤3：确定最佳油石比

根据步骤1中所设计的级配曲线采用大型马歇尔击实试验方法，分别针对Pen 20/30和Pen  40/60两种沥青，进行HMAC25型混合料的马歇尔指标分析，试验结果分别见表2。

表2：两种沥青的SAC25混合料的马歇尔试验结果

由图1、图2、图3可知：

对于Pen 20/30的沥青混合料

1)沥青混合料干密度最大值对应的油石比：OAC1＝3.48％。

2)矿料间隙率VMA最小值对应的油石比为：OAC2＝3.49％。

3)粗集料矿料间隙率VCA最小值对应的油石比为：OAC3＝3.46％。

4)综上，采用基于最紧密状态的沥青混合料配合比设计方法确定的骨架嵌挤型粗粒式高 模量沥青混凝土HMAC25的最佳油石比为：OAC＝(OAC1+OAC2+OAC3)/3＝ (3.48％+3.49％+3.46％)/3＝3.47％。

对于Pen 40/60的沥青混合料

1)沥青混合料干密度最大值对应的油石比：OAC1＝3.31％。

2)矿料间隙率VMA最小值对应的油石比为：OAC2＝3.29％。

3)粗集料矿料间隙率VCA最小值对应的油石比为：OAC3＝3.33％。

4)综上，采用基于最紧密状态的沥青混合料配合比设计方法确定的骨架嵌挤型粗粒式高 模量沥青混凝土HMAC25的最佳油石比为：OAC＝(OAC1+OAC2+OAC3)/3＝ (3.31％+3.29％+3.33％)/3＝3.31％。

至此，确定了Pen 20/30的骨架嵌挤型粗粒式高模量沥青混凝土HMAC25的最佳油石比 为3.47％，其对应的毛体积相对密度为：2.5615、空隙率为：3.32％；Pen40/60的HMAC25 的最佳油石比为3.31％，其对应的毛体积相对密度为：2.5796、空隙率为：2.51％。

步骤4：开展路用性能验证试验

根据步骤3确定的最佳油石比比较两种沥青混合料的路用性能试验。

(1)高温稳定性验证

按照步骤3确定的最佳油石比的98％压实度成型车辙试件，进行60℃条件的车辙试验， 测定沥青混合料的动稳定度和相对变形，试验结果见表3所示。可以看出，采用这种矿料级 配及油石比确定的两种混合料都具有良好的高温稳定性，动稳定度指标远远高于设计要求。

表3两种混合料车辙试验结果

(2)混合料强度试验

表4为Pen 20/30沥青和Pen 40/60沥青混合料在最佳油石比条件下，单轴抗压强度的 试验结果(试件的压实度为98％)。从试验结果看，Pen 20/30沥青混合料的强度水平明显高 于Pen 40/60沥青混合料，大约提高70％，表明Pen 20/30沥青混合料的力学性能更优越。

表4：两种沥青混合料抗压强度

  平均值   标准差   变异系数   代表值   Pen 20/30   5.60   0.27   4.89％   5.15   Pen 40/60   3.79   0.47   12.32％   3.02

(3)混合料动态复合模量试验

高模量沥青混凝土，顾名思义是指这种混合料比一般的沥青混合料具有更高的模量水平， 以具有更高的承载能力。根据法国对高模量沥青混凝土的定义要求在15℃，10Hz的动态荷载 作用下具有14000MPa的模量。按照国际标准的复模量实验方法，测定这两种混合料的动态复 模量，见表5。

从表中数据可以明显地看出，在20℃，10Hz条件下，Pen 20/30沥青混合料的复模量达 到21528MPa，Pen 40/60沥青混合料的复模量达到17996MPa，前者比后者高约20％。通过10Hz 不同温度下的复模量，可以大致推算出15℃时，Pen 20/30沥青混合料的复模量大约为 26740MPa，Pen 40/60沥青混合料的复模量大约为22380MPa，且两者均远远高于法国对于高 模量沥青混合料的模量要求。造成这种现象的原因，除了使用硬质沥青外，也与混合料所使 用的级配以及油石比的确定有关。

表5：两种混合料复模量和相位角的汇总表

根据以上试验数据，采用S型曲线模型，将不同温度条件下的混合料复模量进行温度 ——频率转换，分别得到Pen 20/30和Pen 40/60两种沥青混凝土20℃时的动态复模量 主曲线。相应的曲线参数见表6，相应的拟合曲线见图4。

表6：两种沥青混合料动态复模量主曲线参数表

  参数   Pen 20/30沥青混凝土   Pen 40/60沥青混凝土   A₁  2.0194   1.9771   A₂  4.5487   4.4924   x₀  -2.5020   -2.1597   Dx   1.4722   1.3938   均方误差   1.49％   1.07％   40℃→20℃平移量   2.0611   2.2318   55℃→20℃平移量   3.3084   3.3122

从主曲线图中可以清楚看到，在相同荷载频率时，Pen 20/30沥青混合料的复模量明 显高于Pen 40/60的复模量。从拟合曲线的参数表中的A₁和A₂看出，两个曲线的上渐近线和 下渐近线所对应的复模量最大值和最小值，均表现为Pen 20/30沥青混合料大于Pen 40/60 沥青混合料。

(4)混合料的疲劳试验

表7为Pen 20/30和Pen 40/60两种沥青混合料的三分点弯曲疲劳试验的数据汇总。试 验采用Cooper疲劳试验机进行，按照应力控制模式，试验温度为15℃，以劲度模量下降到 初始模量的50％为标准，评价混合料的疲劳寿命。试验共分为5级应力水平分别为：1MPa、 1.5MPa、2MPa、2.5MPa和3.5MPa。

在进行疲劳试验的同时，在相同温度条件下测量两种材料的弯拉强度。试验采用相同尺 寸的梁式试件，三分点的荷载形式，荷载模式按照变形控制，速率为50mm/min。弯拉强度的 数据汇总于表7。

表7疲劳试验结果

通过试验表明这两种沥青混合料的弯拉强度明显高于一般的沥青混合料。以往的试验表 明，Pen 60/70沥青混合料的弯拉强度一般为3～4MPa，SBS改性沥青混凝土的弯拉强度一般 可达到4～6MPa，相比而言，这两种沥青混合料的弯拉强度是比较高的，特别是Pen20/30沥 青混合料的弯拉强度达到了8.33MPa，比Pen 40/60沥青混合料提高约22％。这说明沥青标号 的降低，尽管延度衰减了，但是黏度提高了，混合料的弯拉强度仍有显著提高。

根据试验结果绘制疲劳寿命与应力水平的疲劳关系曲线，并回归相应的疲劳方程，见图5。 表现的两种混合料在不同应力水平下的疲劳寿命曲线，由此看出两种混合料由于沥青品质的 不同，疲劳寿命相差明显。在相同应力水平下，Pen 20/30混合料的疲劳寿命明显高于Pen  40/60沥青混合料。

(5)小结

从上述路用性能的试验结果来看，使用本发明方法设计和制备的骨架嵌挤型粗粒式高模 量沥青混凝土HMAC25具有良好的高温稳定性和优异的力学性能、疲劳性能，从而具有十分 优良的路用性能。