本发明属于现代路面技术领域，尤其涉及一种厚层摊铺冷拌大空隙乳化沥青混合材料及其设计方法。
背景技术：
目前，传统沥青路面材料的基体沥青混合料大都采用热拌热铺工艺，拌和时沥青和矿料都需加热到较高的温度，消耗大量能源且污染环境；同时对操作人员的身体健康造成一定程度的危害。另外，长时间的高温拌和会使得沥青因老化而变硬，导致沥青粘结力下降，从而影响沥青混合料各方面的路用性能。
相较于传统沥青路面，大空隙路面作为一种新兴的路面结构，其具有良好的降噪排水以及抗滑性能，可有效减少噪声污染和提高雨天行车安全。设计良好的大空隙路面还具有足够的结构强度，满足路面使用性能；同时，能有效补给地下水，符合当前建设“海绵城市”概念的趋势。但是，现有的大空隙路面也存在局限性：1)由于水可以在路面空隙中自由通过，这就导致了该类路面的沥青更加容易老化，最佳沥青用量(或最佳乳化沥青用量)的选定与级配设计成为重点、难点；2)该类路面在施工过程中降温较快，这就对施工工艺(如施工温度)提出了更高的要求。这些局限性都严重地影响了大空隙路面的路用性能。
因此，亟需一种新型冷拌大空隙沥青混合料及其设计方法，其能将冷拌乳化沥青混合料与大空隙路面结合起来，该设计方法能确定最佳级配组成以及最佳沥青用量；该冷拌大空隙沥青混合料采用冷拌冷铺时，能达到热拌沥青路面的摊铺效果，节能环保，且降低施工过程中乳化沥青混合料的老化程度。
技术实现要素：
本发明目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种能确定级配组成、最佳沥青用量且延缓乳化沥青老化的厚层摊铺冷拌大空隙乳化沥青混合料及其设计方法。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种厚层摊铺冷拌大空隙乳化沥青混合料的设计方法，包括级配设计，最佳沥青用量和最佳外加水掺量的确定；
所述级配设计的方法包括以下步骤：
1)采用矿料主骨料空隙体积填充法确定粗集料、细集料的组成；
2)设计乳化沥青混合料的目标空隙率，所述目标空隙率大小为7％～30％；可根据乳化沥青混合料的用途、层位和功能要求确定目标空隙率大小，该乳化沥青混合料摊铺碾压后空隙较大，破乳和强度形成较快，适合于冷拌厚层冷铺；其1次摊铺碾压施工厚度可达2～10cm，可采用沥青路面摊铺机摊铺，并采用压路机碾压密实，从而达到热拌沥青路面的摊铺效果；
3)确定沥青和矿粉用量，计算出粗集料和细集料用量，即设计出乳化沥青混合料的级配组成。
本发明的级配设计参考矿料主骨料空隙体积填充法(cavf法)，主要设计思路是先按泰波公式设计主骨架(主骨架即粗集料)，实测出主骨架空隙率，然后依据主骨架空隙率和设计的目标空隙率来确定沥青、细集料和矿粉用量，使沥青体积+细集料体积+矿粉体积+目标空隙体积＝主骨架空隙体积，见公式(1-1)及公式(1-2)，以此保证主骨料嵌挤骨架结构的形成。该设计方法基于以下两个基本假定:假定细集料的颗粒不对主骨料的堆积嵌挤结构形成干涉；细集料和沥青形成的胶浆也不对主骨料的堆积嵌挤结构形成干涉。
具体设计步骤如下：
根据泰波公式(1-1)确定粗集料和细集料的料的级配组成：
式中：p——集料颗粒在筛孔尺寸d上的通过百分率(％)；
d——集料中颗粒的筛孔尺寸(mm)；
d——集料的最大粒径(mm)；
n——级配指数，本发明中n＝0.45。
根据设计出来的粗集料级配组成，按确定的比例将粗集料混合在一起，按《公路工程集料试验规程》(jtge42－2005)t0304－2005的方法测定粗集料的毛体积密度ρb。
按照《公路工程集料试验规程》(jtge42－2005)t0309－2005的方法测定乳化沥青混合料用粗集料骨架捣实状态下的堆积密度，再利用公式(1-2)计算捣实状态下粗集料骨架空隙率vcadrc。
式中：vcadrc——捣实状态下粗集料骨架空隙率(％)；
ρb——粗集料的毛体积密度(t/m3)；
ρ——按捣实法测定的粗集料的自然堆积密度(t/m3)。
按照《公路工程集料试验规程》(jtge42－2005)中的相关规定分别测定粗集料的表观密度和毛体积密度、细集料的表观密度以及矿粉的密度。沥青密度则按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)的相关方法测定。
初步确定矿粉、沥青(或乳化沥青)用量，并根据设计需要，确定乳化沥青混合料的目标空隙率vv：目标空隙率范围应为7％～30％。由公式(1-3)和(1-4)求解粗集料用量qc和细集料用量qf。
qc+qf+qp＝100(1-3)
式中:qc——粗集料用量百分比(％)；
qf——为细集料用量百分比(％)；
qp——矿粉用量百分比(％)；
qa——沥青用量百分比(％)；
ρ——按捣实法测定的粗集料自然堆积密度(g/cm3)；
ρaf——细集料的表观密度(g/cm3)；
ρf——矿粉的密度(g/cm3)；
ρa——沥青密度(g/cm3)；
vcadrc——捣实状态下粗集料骨架空隙率(％)；
vv——乳化沥青混合料设计的目标空隙率(％)。
根据前面的计算结果，最终确定乳化沥青混合料的级配组成。
所述最佳沥青用量和最佳外加水掺量的确定包括以下步骤：
4)按步骤3)所述级配组成将粗集料、细集料和矿粉混合均匀；
5)按步骤3)所述级配组成拟定多组沥青用量和用水量的数据，将乳化的沥青(即乳化沥青)和水加入粗集料、细集料和矿粉混合物中；保持乳化沥青用量不变，等增加量增加用水量，直至乳化沥青完全裹覆粗集料、细集料和矿粉，无多余浆液流淌时停止添加，即初步确定多组最佳液体用量(otlc)；
6)基于步骤5)初步确定的最佳液体用量，将多个乳化沥青混料成型为马歇尔试件，通过测定所述马歇尔试件的物理指标来确定最佳沥青用量或最佳乳化沥青用量以及最佳外加水掺量；所述物理指标包括稳定度、流值、实测空隙率、毛体积相对密度和沥青饱和度。对比不同沥青用量或乳化沥青用量下，选出稳定度最大、流值最小、实测空隙率最接近目标空隙率、密度最大且沥青饱和度适中的沥青用量或乳化沥青用量，最终确定为最佳沥青用量(或最佳乳化沥青用量)和最佳外加水掺量。
作为上述技术方案的改进，所述粗集料包括粒径大小为13.2～9.5mm的集料和粒径大小为9.5～4.75mm的集料；所述细集料包括粒径大小为2.36～1.18mm的集料。优选地，集料与矿粉(填料)各项技术要求如表1所示。
表1集料与填料的技术要求
作为上述技术方案的改进，所述最佳沥青用量的质量百分数为3％～5％。本发明确定最佳沥青用量或最佳乳化沥青用量，乳化沥青混料成型后沥青膜厚度能达到26μm，达到增强沥青与集料、填料的粘结效果，从而改善冷拌混合料中常常存在的松散脱落问题，与此同时路面仍然还具有较好的路用性能与排水性能。
作为上述技术方案进一步地改进，所述乳化沥青的固含量≥63％。本发明为厚层摊铺冷拌大空隙乳化沥青混合料，若拌合时乳化沥青膜厚度不足，会降低沥青混合料性能；固含量的提高能保证乳化沥青混合料拌合时产生足够的乳化沥青膜厚度，从而提高乳化沥青混合料性能。
优选地，所述乳化沥青各项性能的技术要求如表2所示。
表2乳化沥青的基本技术要求
作为上述技术方案更进一步地改进，所述乳化沥青混合料在25℃时测定的稳定度ms≥2.5kn，流值fl为：2.0mm≤fl≤4.5mm；所述乳化沥青混合料在40℃时测定的稳定度ms≥3.5kn，流值fl为：2.0mm≤fl≤4.0mm。本发明所述乳化沥青混合料的稳定度和流值在适合范围内，可以确保乳化沥青混合料摊铺后形成路面的稳定性。
优选地，所述乳化沥青混合料在马歇尔试验中正反面的击实次数为50次。
作为上述技术方案更进一步地改进，所述乳化沥青混合料的目标空隙率为7％，所述乳化沥青混合料的矿料包括以下质量分数的组分：粒径大小为9.5mm的粗集料54.7％，粒径大小为4.75mm的粗集料18.6％，粒径大小为2.36mm的细集料23.7％，矿粉3％；所述乳化沥青混合料的石油比为4.7％，所述乳化沥青混合料的石油比不包括乳化沥青中水分，所述乳化沥青混合料的外加水掺量的质量百分数为2.0％；所述乳化沥青为高稠度乳化沥青，所述高稠度乳化沥青的固含量为70％，所述高稠度乳化沥青的标准粘度为22.6pa·s。高稠度的乳化沥青可以确保一次拌合时足够的沥青膜厚度并避免施工过程的析漏。
作为上述技术方案更进一步地改进，所述乳化沥青混合料的目标空隙率为22％，所述乳化沥青混合料的矿料包括以下质量分数的组分：粒径大小为9.5mm的粗集料63.7％，粒径大小为4.75mm的粗集料21.3％，粒径大小为2.36mm的细集料12.0％，矿粉3％；所述乳化沥青混合料的石油比为3.9％，所述乳化沥青混合料的石油比不包括乳化沥青中水分，所述乳化沥青混合料的外加水掺量的质量百分数为1.6％；所述乳化沥青为高稠度乳化沥青，所述高稠度乳化沥青的固含量为70％，所述高稠度乳化沥青的标准粘度为22.6pa·s。
作为上述技术方案更进一步地改进，所述乳化沥青混合料的目标空隙率为30％，所述乳化沥青混合料的矿料包括以下质量分数的组分：粒径大小为9.5mm的粗集料69.8％，粒径大小为4.75mm的粗集料23.4％，粒径大小为2.36mm的细集料3.9％，矿粉3％；所述乳化沥青混合料的石油比为3.0％，所述乳化沥青混合料的石油比不包括乳化沥青中水分，所述乳化沥青混合料的外加水掺量的质量百分数为1.2％；所述乳化沥青为高稠度乳化沥青，所述高稠度乳化沥青的固含量为70％，所述高稠度乳化沥青的标准粘度为22.6pa·s。
另外，本发明还提供一种采用所述厚层摊铺冷拌大空隙乳化沥青混合料的设计方法制备的乳化沥青混合料。该冷拌大空隙乳化沥青混合料可做为半柔性路面的母体层，也可作为排水路面和透水路面的各个层次。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种厚层摊铺冷拌大空隙乳化沥青混合料及其设计方法，本发明所述乳化沥青混合料的设计方法能确定级配组成、最佳沥青用量和最佳外加水掺量，克服了冷拌乳化沥青混合料与大空隙路面相结合得的难点，同时，确定的最佳沥青用量能增强沥青与集料、填料的粘结效果，还确保路面仍然还具有较好的路用性能与排水性能；该乳化沥青混合料采用冷拌冷铺时，能达到热拌沥青路面的摊铺效果，节能环保，且降低施工过程中乳化沥青混合料的老化程度；本发明乳化沥青混合料设计的目标空隙为
7％～30％，破乳和强度形成较快，适合于冷拌厚层冷铺，其1次摊铺碾压施工厚度可达2～10cm；本发明所述冷拌大空隙乳化沥青混合料可作为半柔性路面的母体层，也可作为排水路面和透水路面的各个层次。
附图说明
图1为本发明实施例1中的矿料合成级配曲线图。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例和附表以及附图对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例中以目标空隙率为22％、25％和28％的级配设计为例，介绍本发明基于cavf法的级配设计。根据基体乳化沥青混合料的级配特点，本发明采用断级配，粗集料选用粒径大小为13.2～9.5mm和9.5～4.75mm两种集料，细集料选用粒径大小为2.36～1.18mm的集料。
主骨料空隙率是cavf法中设计的一个重要参数，按《公路工程集料试验规程》(jtge42－2005)的相关方法，测定粗细集料、矿粉的相关物理指标，并按公式(1-2)计算主骨料空隙率。沥青(乳化沥青蒸发残留物)密度则按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)的相关方法测定，试验结果见表3。
表3密度试验结果(g/cm3)
设计的目标空隙率为22％，选定矿粉用量为3％，乳化沥青用量估计为5.5％(油石比为3.9％)。将以上各项指标代入公式(1-3)、(1-4)，联立求解得到粗集料用量qc为84.99％，细集料用量qf为12.01％，合成级配曲线如1所示。
按上述方法，则可确定目标空隙率为25％和28％的基体乳化沥青混合料的配方，结果见表4，表4中的油石比未计算乳化沥青中的水分。
表4目标空隙率为22％、25％和28％基体乳化沥青混合料的配方
现以基体目标空隙率为22％为例，以便说明厚层摊铺冷拌大空隙乳化沥青混合料的最佳乳化沥青用量、最佳沥青用量和最佳外加水掺量的确定方法，试验设计见表5。
表5马歇尔试验设计(目标空隙率为22％)
按表5的试验设计将基体乳化沥青混合料成型为马歇尔试件，分别进行25℃和40℃的马歇尔试验；其中，试验温度为25℃的试件养生条件为室内养生48h，表征的是试件早期强度；而40℃的试件养生条件为烘箱养生，表征的是试件后期强度。25℃马歇尔稳定度试验结果见表6，40℃马歇尔稳定度试验结果见表7。
表625℃马歇尔试验结果
表740℃马歇尔试验结果
如表6所示，可明显看出3.9％的沥青用量(即5.5％乳化沥青用量)下稳定度最大、流值最小、实测空隙率最小(最为接近22％)、毛体积相对密度最大、沥青饱和度适中，因此由上述试验结果分析可知，3.9％沥青用量和1.55％的外加水掺量的试件早期性能最佳。如表7所示，烘箱中养护、试验温度为40℃的试件在沥青用量4.9％时沥青饱和度最高，而沥青用量为3.9％时其他指标最佳，因此，仍以3.9％沥青含量(5.5％乳化沥青用量)时整体性能最佳，即最终强度形成时性能最佳。
通过对上述试验结果对比分析，基体设计的目标空隙率为22％时，沥青用量为3.9％，外加水掺量为1.55％时总体性能最佳。按上述方法，则可确定设计的目标空隙率为25％和28％的基体乳化沥青混合料的沥青用量、乳化沥青用量和外加水掺量，试验结果见表8。
表8基体乳化沥青混合料的最佳沥青用量和最佳外加水掺量
本发明的基体乳化沥青混合料为冷拌料，通过裹附试验获得最佳液体用量，由此确定最佳沥青用量与最佳外加水掺量，与一般的马歇尔试验不同。为验证本发明的沥青用量是否过多，本发明以配制高稠度乳化沥青的基质沥青ah-70与上述级配的集料、矿粉拌和，按jtge20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定，进行谢伦堡沥青析漏试验。
试验结果确定三种目标空隙率的基体沥青混合料最大沥青用量分别为：4.4％、4.2％、3.9％。表8中的沥青用量均小于析漏试验确定的最大沥青用量值，虽然以热拌基质沥青进行的析漏试验与冷拌料存在一定的差别，但也具有一定的参考价值，因此本发明通过裹附试验及马歇尔试验确定的最佳沥青用量不存在沥青用量过多的问题。
实施例2
本实施例提供基体乳化沥青混合料的目标空隙率为7％～30％时的配方，见表9。
表9目标空隙率为7％～30％基体乳化沥青混合料的配方
本实施例中所用的乳化沥青均为一种高固含量乳化沥青，固含量为70％，所述高稠度乳化沥青的标准粘度为22.6pa·s，所述乳化沥青制备方法如下：
(1)根据配方按比例进行原材料准备：
乳化剂选用法国ceca-pc-30；基质沥青选用泰普克70#重交通沥青；水选用标准为无色无味、洁净无杂质，ph值：6～8.5，硬度≯8度；助剂材料选用pva(聚乙烯醇)、cacl2、盐酸；配方如下表10所示。
表10高稠度乳化沥青的配方
(2)使用法国emulbitumenlaboratoryunit沥青乳化设备，将水加热至50℃左右，加入乳化剂充分搅拌均匀后，在乳化剂水溶液中加入助剂pva和cacl2，用浓盐酸调节ph值，即获得皂液。
(3)将上一步的皂液与加热至145℃的基质沥青分别倒入乳化设备的皂液罐与沥青罐中，经乳化设备的胶体磨分散乳化形成乳液，经加压冷却后获得高固含量的乳化沥青成品。本实施例高稠度乳化沥青的各项性能指标如下表11所示。
表11高稠度乳化沥青的基本性能指标检测结果
实施例3
本实施例提供实施例2的基体乳化沥青混合料的制备方法：
(1)按上述基体乳化沥青混合料的配方准备集料、矿粉、乳化沥青和水；
(2)将粗细料拌匀然后加水润湿，接着加乳化沥青拌和60s，最后加矿粉迅速拌和，直到混合料拌成褐色；
(3)将混合料装入试模内，上下两面各击实25下，在一定温度(25℃与110℃)下养生24h，再上下两面各击实25下，最后冷却脱模。
本实施例提供实施例2的基体乳化沥青混合料的效果试验
(1)早期与后期强度
试验参照北美规范取以一定条件养生后的试件，在一定温度时的强度作为基体乳化沥青混合料早期与后期强度的评价指标。试件经过养护条件温度下养护24h后在试验温度下水浴30min后进行稳定度与流值测定，获得早期与后期强度如表12所示。
表12基体乳化沥青混合料的马歇尔试验结果
(2)空隙率
由于基体乳化沥青混合料属大空隙结构，不宜采用表干法测定密度，本发明中采用体积法测定混合料密度，见公式(2-1)、(2-2)。
式中：ma——干燥试件在空气中的质量(g)；
v——试件体积(cm3)；
ρs——试件毛体积密度(g/cm3)；
n0——试件实测空隙率(％)；
ρt——试件的最大理论密度(g/cm3)，本发明采用真空法实测。
有效空隙率测定方法：将试件浸水2h后，在水中测定其质量m1；试件从水中取出后放入60℃的烘箱中烘24h，测定其质量m2，有效空隙率按公式(2-3)所示：
式中ne为试件有效空隙率(％)，ρw为水的密度，其他符号含义同上。
基体乳化沥青混合料各成型马歇尔试件，按上述方法测定三种目标空隙率试件的实测空隙率与有效空隙率，试验结果如表13所示。
表13基体乳化沥青混合料的空隙率测试结果
(3)渗透系数
冷拌大空隙路面材料基体乳化沥青混合料的性能在很大程度上可以反映基体乳化沥青混合料灌浆的难易程度，本发明以渗透系数对基体乳化沥青混合料的性能进行评价。
本发明的透水试验如下：
1)制作基体乳化沥青混合料标准马歇尔试件，全部试件不脱模放入烘箱高温(110℃)养生24h，养生完成后不脱模，在室内静置24h；
2)将试件连同试模浸水1h以上，保证试件充分吸水；
3)试验时用支架将试模支放在容器中，使得试模底部脱空；用量筒量取100ml水，倒入试件表面，同时按动秒表开始计时；当试件表面内的水全部消失进入试件内部时，即可停止秒表，记录此时的时间t；
4)脱模后，按前述方法测定有效空隙率。
渗透系数k按公式(2-4)计算，试验结果如表14所示：
k＝qh/(6.35at)(2-4)
式中：q——灌注的水量(100ml)；
a——试件面积(标准马歇尔试件为81cm2)；
t——渗透时间(s)；
h——试件高度(cm)。
表14渗透系数试验结果
实施例4
本实施例提供另一种基体乳化沥青混合料的配方、制备方法和效果试验，本实施例参考实施例2和实施例3，不同点在本实施例中使用的沥青为强大牌hve特种复合改性沥青，该复合改性沥青乳化后属于高粘度高固含量乳化sbs改性沥青。所述基体乳化沥青的基本性能如表15所示，乳化沥青混合料的马歇尔试验结果如表16所示，乳化沥青混合料空隙率测试结果如表17所示，乳化沥青混合料的渗透系数试验结果如表18所示。
表15改性乳化沥青的基本性能指标检测结果
pg分级试验结果
表16乳化沥青混合料的马歇尔试验结果
表17基体乳化沥青混合料空隙率测试结果
表18渗透系数试验结果
实施例5
本实施例对实施例2～4的基体乳化沥青混合料进行车辙试验，参照《公路沥青路面施工技术规范》(jtgf40-2004)，ogfc(大空隙开级配排水式沥青磨耗层)混合料的动稳定度的技术要求如表19所示。
表19ogfc混合料的车辙试验动稳定度的技术要求
参考表19，本实施例的基体乳化沥青混合料进行车辙试验结果是：7％目标空隙率的乳化沥青混合料为5053次/mm，22％目标空隙率的乳化沥青混合料为4400次/mm，30％目标空隙率的乳化沥青混合料为3311次/mm，本发明乳化沥青混合料的车辙试验结果稳定度大于3000次/mm，可见本发明的大空隙乳化沥青混合料克服技术缺点，具有较强的稳定性。
综合上述实施例1～5，本发明提出一种厚层摊铺冷拌大空隙沥青混合料的设计方法，通过该设计方法所得到的乳化沥青混合料的性能均符合规范要求。从实测空隙率可知，所设计的基体乳化沥青混合料的实际空隙率与设计的目标空隙率较为接近；再结合上述的强度指标，可以认为应用cavf法设计出的冷拌大空隙的基体乳化沥青混合料是成功的。显而易见，本发明中的基体乳化沥青混合料的性能要比一般的大空隙沥青混合料要好。由于确定最佳沥青用量或最佳乳化沥青用量以及配合实施例2特制的乳化沥青协同提高了沥青膜厚度，提高了集料、矿粉搅拌铺装时的粘聚力，使大空隙开级配的基体混合料拌合铺装能在常温下进行，绿色节能，从根本上解决沥青材料高温下老化、高能耗、透水路面局限性等问题。
最后所应当说明的是，以上实施例用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。