高模量沥青混凝土材料组成设计方法

高模量沥青混凝土材料组成设计方法
[摘要]随着我国经济建设步伐的不断加快，城市交通建设也在不断的发展，在车辆运输的过程中由于天气、车辆的载重量、运输频率等原因的影响，导致沥青公路出现很多的车辙，在一定程度上影响了交通的出行，本文就高模量沥青混凝土材料组成设计方法进行阐述。

[关键词]高模量；沥青混凝土；材料组成；设计
一、前言
在当前沥青混凝土公路施工的过程中主要使用的材料有沥青、粗集料、细集料、矿粉、改性剂等材料组成，在施工的过程中我们要对各种材料进行合理的配比，来提高沥青混凝土的施工质量。

二、3种配合比设计方法研究现状
1、马歇尔设计方法
马歇尔设计方法是目前国内外应用最多、技术最成熟的设计方法。

马歇尔法由密西西比州公路局的布鲁斯·马歇尔提出，由美国陆军工程兵部队加以改进并增加某些性能，已作为ASTMD1559和AASHTOT245的正式方法固定下来。

马歇尔法需要进行室内试验，通过对稳定度、流值与密度、孔隙率进行分析，提出合适的沥青混合料。

马歇尔法的优点是它注意到沥青混合料的密实度和孔隙特性，进行这样的分析以强调合适的孔隙特性以获得耐久的混合料。

2、Superpave设计方法
Superpave(SuperiorPerformingAsphaltPavements)设计方法是美国公路战略研究计划(SHRP)的重要研究成果，目前Super-pave设计方法在我国已经得到了一定程度的应用推广，并且有较好的应用效果。

Superpave体系包括性能基础上的沥青材料特性与设计环境条件，通过控制车辙、低温开裂和疲劳开裂来改善性能。

3、高模量设计方法
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年代初制定了一套与性能相关的沥青混合料设计规范体系。

迄今为止，该规范因其独创性和先进性一直被欧共体其他国家所借鉴。

法国高模量沥青混合料设计经验表明高模量沥青混合料设计最关键的问题是处理好模量、高温稳定性和疲劳三者之间的关系。

在高模量沥青混合料应用的早期，是采用硬度较大的沥青和较高的胶结料含量。

硬质沥青的针入度一般小于25(0.1mm)，达到提高混合料的模量和高温稳定性的目的，采用高的胶结料含量提高混合料的抗疲劳性能。

随着相关研究的不断深入，也开始采用添加沥青岩或其他外加剂的方式获得高温稳定性、模量性能和疲劳性能相互平衡的高模量沥青混合料。

三、沥青混凝土使用材料
1、沥青
在影响沥青路面使用性能和使用寿命的众多因素中,沥青胶结料不容忽视。

规范中规定高速公路、一级公路,夏季温度高、高温持续时间长、重载交通、山区及丘陵区上坡路段,服务区、停车场等行车速度慢的路段,尤其是汽车荷载剪应力大的层次,宜采用稠度大、60e粘度大的沥青;沥青等级中,A级沥青适用于各等级公路、任何场合和层次。

故本文选用A级中海70#沥青,且要求针入度范围为60一70。

表170#沥青技术指标
2、集料
（一）、粗集料
在沥青路面材料中,粗集料具有支撑荷载的作用,而HMAC对粗集料的要求会更高,必须具有足够的强度。

依据沥青混合料强度理论,提高沥青混合料模量的途径有多种,仅从粗集料性质而言,可采用强度高、棱角性好的石料。

咸阳彬县石灰岩石料压碎值、磨耗值、坚固性均较小,表明石料抗破碎能力较强、坚硬,且耐磨和耐久性较好;并严格限制针片状颗粒和软石含量。

为确保HMAC采用粗集料为坚韧的优质石料,将压碎值、磨耗值和针片状含量作为粗集料强度的主要评价指标。

表2粗集料技术性质
（二）细集料
细集料主要是填充粗集料骨架间隙,使集料级配具有较大的密实度。

同样要求颗粒形状近于立方体,且富有棱角性。

细集料的棱角性适用于评价细集料颗粒的表面构造和粗糙度,预测细集料对沥青混合料的内摩擦角和抗流动变形性能的影响。

SHRp中棱角性定义为通过2.36筛孔集料的未压实(松方)空隙率。

我国规范对细集料棱角性的测量采用流动时间法,即测定一定体积的细集料全部通过标准漏斗所需要的流动时间。

已有研究表明,细集料的棱角性对确保混合料高的内摩阻力和抗车辙能力至关重要,而提高内摩阻力有助于获得较高的模量,故将细集料棱角性作为主要的控制技术指标。

表3细集料技术性质
3、矿粉
在沥青混合料中,矿粉与沥青形成胶浆,对混合料的强度有很大影响,HMAC 的矿粉采用碱性石料,如石灰岩、白云石磨细的粉料。

表4矿料合成级配
4、改性剂
沥青改性是一个物理共混过程,改性剂与沥青的充分混溶是改善沥青性能的基本前提。

在此基础上,改性剂吸附沥青中的轻质组分而发生溶胀,己溶胀的改性剂又与沥青其余组分相互作用,从而形成一种新结构体系,加之此种改性剂自身的固有特性而使沥青性能得到相应的改善。

在研磨过程中以及在稳定剂或催化剂的作用下,会发生断链与交联反应,形成一些网状结构,从而使改性沥青粘度与贮存稳定性得到提高。

与以上改性机理不同,把改性剂PRA直接加入到沥青混合料中,不仅与沥青发生溶胀,与集料也有物理作用:改性剂在高温时软化,在压实过程中热成型,填充集料骨架中的空隙,同时由于热集料的挤压,使其发生严重的变形。

冷却后相互交织起来,在集料骨架中搭桥形成嵌挤、加筋和胶结作用。

表5 改性剂技术性能
四、高模量浙青混凝土配合比设计
浙青混合料配合比设计方法主要有马歇尔方法和Superpave方法两种,而用马歇尔方法进行筋青混合料的配合比设计在我国使用广泛,并且是我国公路浙青路面施工技术相关规范推荐使用的方法,因此本试验决定采用和我国现行规范相一致的马歇尔设计方法进行高模量浙青混凝土配合比设计。

马歇尔方法进行高模量浙青混合料的配合比设计时,考虑了浙青混合料的空隙特想以及密实度的相关要求,从而获得耐久性能较高的浙青混合料,而且在对高模量浙青混合料配合比进行设计研究时,由于添加了高模量添加剂,导致高模量浙青混合料的一些物理参数发生了改变,必须对实验数据进行进一步的分析研究,对试验参数做必要的调整,因此对高模量浙青混合料的配合比进行设计研究,可以促进高模量浙青混凝土在我国的进一步推广使用。

1、高模量添加剂的添加步驟
本试验采用的高模量添加剂是法国PR公司生产的PRFLEXModule高模量添加剂,PRFLEXModule高模量添加剂的添加步骤如下:
(一)首先将需要的集料倒入拌和器中加热至190°C。

(二)按照浙青混合料总质量的百分比加入一定量的PR FLEXModule高模量添加剂,用0s,15s,30s进行干拌,并且在170°C是加入一定量的浙青并进行仔细的观察,做相应的抽提试验,从而确定最佳的拌和时间。

(三)得到最佳的拌和时间以后,对加入PR FLEXModule高模量添加剂的AC-20、AC-25、EME14、EME20、Sup20、Sup25级配的高模量浙青混合料进行试验,并且将实验结果和不添加PRFLEXModule高模量添加剂的普通浙青混合料的试验结果进行分析对比,从而确定最佳的浙青用量。

2、拌和时间的确定
合理确定沥青混合料的拌和时间非常关键,它直接关系到浙青混合料的运输、摊铺以及碾压环节,影响着施工的速度。

从施工的过程来看,拌和时间过短,沥青混合料不容易搅拌均匀,高模量浙青混合料的质量就不容易保证,但是如果拌和时间过程,出料就慢,造成生生产率降低,造成浙青针入度的损失加快,加快了浙青的老化,这样会严重影响高模量浙青混凝土路面的路用性能,使浙青混凝土路面产生各种病害,因此在进行高模量浙青混凝土配合比设计时,必须确定合理的浙青混合料的拌和时间。

3、高模量沥青混合料拌和温度
PRFLEXModule高模量添加剂的外形成颗粒状,试验中发现,PRFLEXModule 遇到高温环境容易凝结成团,PRFLEXModulel75°C到ISCTC的环境下和集料干拌15秒,可以使PRFLEXModule高模量添加剂迅速软化成为扁平状,这PRFLEXModule和周围的集料有着良好的相融性能,PRFLEXModule分散比较均勾,不会凝结成团。

由于高温梓和对PRFLEXModule的迅速软化有利,可以减少高模量浙青混合料的拌和时间,但是如果拌和温度太高,会造成浙青过早的老化变脆,会使沥青的粘结力减弱,严重影响高模量浙青混凝土的路用性能,因此通过试验对比分析,决定高模量浙青混凝土的拌和温度采用175°C。

图1马歇尔体积指标与拌和温度之间的对应关系
4、高模量浙青混凝土击实温度
现场的压实温度严重影响着高模量浙青混凝土路面质量的好坏,在高温的环境下,沥青混凝土有着良好的流动性,这样比较容易碾压,使得高模量沏青混凝土路面的压实度增加,减小浙青混凝土路面的空隙率,使高模量浙青混凝土路面的路用性能增加。

但是如果温度过高,就会造成沥青的早期老化,沥青混凝土在碾压过程中会出现浙青老化变脆以及粘轮的情况,因此必须选择合理的击实温度。

图2马歇尔各体积指标与击实温度的对应关系
五、结束语
在混凝土沥青公路施工的过程中我们要根据材料的特性对材料进行合理的配比，提高材料的综合性能，提高公路的使用寿命。

参考文献
[1]倪立宾.河北省高速公路沥青路面技术发展实践[J].中外公路.2010
[2]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。