一种热阻sma-13矿料级配设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及交通土建工程应用技术领域，特别涉及一种热阻沥青路面面层混合料 的矿料级配设计方法。
【背景技术】
[0002] 沥青混合料是一种粘弹性材料，温度对其影响是非常显著的，同时由于沥青材料 的热吸收性能，在强太阳辐射作用下，沥青路面温度远高于环境温度，加剧了车辙等病害的 发生。近年来，随着全球气候变暖，夏季路面温度有逐年升高趋势，普通沥青路面对城市热 岛效应的影响日益突出。因此，采取合理方式控制路面内部温度的积聚，降低夏季沥青路面 的温度和缓解城市热岛效应成为道路工作者的主要研究方向。
[0003] 沥青混合料的导热系数是表征沥青路面热传导能力的重要参数，研究表明，石料 导热系数的大小在很大程度上决定了沥青混合料的热传导能力。因此，在沥青混合料设计 中采用导热系数小的集料，以达到控制路面内部温度的目的是一种新的研究思路。目前，国 内对热阻式沥青混合料的研究主要是通过热阻材料对粗集料的整体替换或对某一粒径范 围的粗集料的整体替换而实现的，但这种整体替换对于粒径的把握不准确，不能充分发挥 热阻材料的热阻性能，因而也不能实现热阻性能与路用性能的最佳匹配。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种热阻沥青路面面层混合料的矿料级配设计方法。采用 本发明提供的设计方法得到的热阻沥青路面面层混合料与普通面层混合料相比，在路用性 能最大降低幅度不超过14.3%的同时，热阻性能可提高12.8%，实现热阻性能与路用性能 的最佳匹配。
[0005] 本发明提供了一种热阻沥青路面面层混合料的矿料级配设计方法，以非热阻沥青 路面面层混合料的矿料级配为基础，采用多组粒径范围的热阻材料替换相应粒径范围内的 粗集料。
[0006] 优选的，所述替换比例以路用性能降低幅度不高于5~20%且该替换比例对应的 面层混合料热阻性能相对最佳为原则确定得到。
[0007 ]优选的，所述替换比例的确定按照粒径范围从低到高的顺序进行，下一级的替换 比例要在上一级热阻材料替换后的基础上确定。
[0008] 优选的，所述热阻材料的掺量由粗集料的替换量根据热阻材料和粗集料的密度比 调整得到。
[0009] 优选的，所述热阻材料为耐火碎石和/或陶粒。
[0010] 优选的，所述非热阻沥青路面面层混合料为SMA-13、SMA-16、AC-13或AC-16。
[0011] 优选的，当所述非热阻沥青路面面层混合料为SMA-13时，所述设计方法包括以下 步骤：
[0012] 矿粉、细集料、2.36~4.75mm非热阻碎石、4.75~9.5mm非热阻碎石、9.5~13.2_ 非热阻碎石和13.2~16. Omm非热阻碎石的质量比为Xi: X2: X3: X4: X5: X6;
[0013] (1) 2 · 36~4 · 7 5mm耐火碎石掺量设计
[0014]以2.36~4.75mm耐火碎石对同一粒径范围的非热阻碎石进行替换，以路用性能降 低幅度不高于5%，且该替换比例对相应的面层混合料热阻性能相对最佳为原则，确定2.36 ~4.75mm耐火碎石的惨量X3i;
[0015] (2)4.75~9.5mm耐火碎石掺量设计
[0016] 在所述步骤（1)的掺量基础上，以4.75~9.5mm耐火碎石对同一粒径范围的非热阻 碎石进行替换，以路用性能降低幅度不高于15%，且该替换比例对应的面层混合料热阻性 能相对最佳为原则，确定4.7 5~9.5mm耐火碎石的掺量X4i;
[0017] (3)9.5~13.2mm耐火碎石掺量设计
[0018] 在所述步骤（1)和步骤(2)的掺量基础上，以9.5~13.2mm耐火碎石对同一粒径范 围的非热阻碎石进行替换，以路用性能降低幅度不高于20%，且该替换比例对应的面层混 合料热阻性能相对最佳为原则，确定9.5~13.2mm耐火碎石的掺量X5i。
[0019] 优选的，所述耐火碎石的掺量由非热阻碎石的替换量除以1.2得到。
[0020] 优选的，所述SMA-13矿料级配为矿粉:细集料:2.36~4.75mm非热阻碎石:4.75~ 9 · 5mm非热阻碎石:9 · 5~13 · 2mm非热阻碎石：13 · 2~16 · 0mm非热阻碎石=Xi: X2: X3: X4: X5: X6 =9 ~11:7 ~11:5 ~8:38 ~42:28 ~32:5。
[0021] 本发明还提供了一种上述技术方案所述方法设计得到的热阻SMA-13矿料级配:矿 粉、细集料、2 · 36~4.75mm非热阻碎石、2 · 36~4.75mm耐火碎石、4 · 75~9 · 5mm非热阻碎石、 4.75~9.5mm耐火碎石、9.5~13.2mm非热阻碎石、9.5~13.2mm耐火碎石和13.2~16.0mm非 热阻碎石的质量比为 Xi: X2: X3-1 · 2X31: X31: X4-1 · 2X41: X4i: X5-1 · 2X51: X51: X6。
[0022] 本发明提供了一种热阻沥青路面面层混合料的矿料级配设计方法。本发明提供的 矿料级配设计方法采用不同粒径的热阻材料替换相应粒径的粗集料，能够充分发挥热阻材 料的热阻性能，得到的面层混合料既可满足路用性能的要求，又能最大限度缓解沥青路面 对城市热岛效应的影响。实验数据表明，采用本发明提供的设计方法得到的热阻沥青路面 面层混合料与普通面层混合料相比，在路用性能最大降低幅度不超过14.3 %的同时，热阻 性能可提高12.8%，实现热阻性能与路用性能的最佳匹配。
【附图说明】
[0023]图1为热阻SMA-13路用性能与4.75~9.5mm耐火碎石掺量的关系；
[0024]图2为热阻SMA-13热阻性能与4.75~9.5mm耐火碎石掺量的关系；
[0025] 图3为热阻SMA-13路用性能与9.5~13.2mm耐火碎石掺量的关系；
[0026] 图4为热阻SMA-13热阻性能与9.5~13.2mm耐火碎石掺量的关系。
【具体实施方式】
[0027] 本发明提供了一种热阻沥青路面面层混合料的矿料级配设计方法，以非热阻沥青 路面面层混合料的矿料级配为基础，采用多组粒径范围的热阻材料替换相应粒径范围的热 阻材料。在本发明中，所述替换比例优选以路用性能降低幅度不高于5~20%且该替换比例 对应的面层混合料热阻性能相对最佳为原则确定得到。本发明对所述路用性能没有特殊的 限制，采用本领域技术人员熟知的路用性能即可。在本发明中，所述路用性能优选为动稳定 度、低温弯曲应变、残留强度比和浸水残留稳定度。
[0028] 在本发明中，为便于研究路用性能和热阻性能随替换比例的变化规律，所述替换 比例的确定更优选按照粒径范围从低到高的顺序进行，下一级的替换比例在上一级热阻材 料替换后的基础上确定。在本发明中，所述热阻材料的掺量优选由粗集料的替换量根据热 阻材料和粗集料的密度比调整得到。
[0029] 在本发明中，所述热阻材料优选为耐火碎石和/或陶粒。在本发明中，所述非热阻 沥青路面面层混合料优选为SMA-13、SMA-16、AC-13或AC-16。
[0030] 当所述非热阻沥青路面面层混合料为SMA-13时，所述设计方法优选包括以下步 骤：
[0031 ] 矿粉、细集料、2.36~4.75mm非热阻碎石、4.75~9.5mm非热阻碎石、9.5~13.2mm 非热阻碎石和13.2~16.0mm非热阻碎石的质量比为Xi: X2: X3: X4: X5: X6;
[0032] (1) 2 · 36~4 · 7 5mm耐火碎石掺量设计
[0033]以2.36~4.75mm耐火碎石对同一粒径范围的非热阻碎石进行替换，以路用性能降 低幅度不高于5%，且该替换比例对应的面层混合料热阻性能相对最佳为原则，确定2.36~ 4.75mm耐火碎石的惨量X3i;
[0034] (2)4.75~9.5mm耐火碎石掺量设计
[0035] 在所述步骤（1)的掺量基础上，以4.75~9.5mm耐火碎石对同一粒径范围的非热阻 碎石进行替换，以路用性能降低幅度不高于15%，且该替换比例对应的面层混合料热阻性 能相对最佳为原则，确定4.7 5~9.5mm耐火碎石的掺量X4i;
[0036] (3)9.5~13.2mm耐火碎石掺量设计
[0037] 在所述步骤（1)和步骤(2)的掺量基础上，以9.5~13.2mm耐火碎石对同一粒径范 围的非热阻碎石进行替换，以路用性能降低幅度不高于20%，且该替换比例对应的面层混 合料热阻性能相对最佳为原则，确定9.5~13.2mm耐火碎石的掺量X5i。
[0038]本发明优选以SMA-13的矿料级配为基础，设计一种热阻SMA-13的矿料级配。本发 明对所述SMA-13的矿料级配没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的SMA-13的矿料级 配即可。在本发明中，所述SMA-13的矿料级配优选为矿粉:细集料:2.36~4.75mm非热阻碎 石:4.75~9.5mm非热阻碎石:9.5~13.2mm非热阻碎石：13.2~16.0mm非热阻碎石=Χι :X2: X3:X4:X5:X6 = 9~11:7~11:5~8:38~42:28~32:5。
[0039] 本发明对所述矿粉、细集料和非热阻碎石的种类及来源没有特殊的限制，采用本 领域技术人员熟知的矿粉、细集料和非热阻碎石的市售种类即可。在本发明中，所述矿粉优 选为粒径不超过〇.〇75_的矿粉。在本发明的实施例中，所述矿粉优选为衢州龙游石料厂的 石灰岩矿粉。在本发明中，所述细集料优选为机制砂、5_以下的天然砂和5mm以下的石肩中 的一种或几种，更优选为机制砂，最优选为粒径不超过2.36mm的机制砂。在本发明的实施例 中，所述细集料优选为衢州龙游石料厂〇~2.36mm石灰岩机制砂。在本发明中，所述非热阻 碎石优选为金华磐安石料厂生产的9.5~16mm和4.75~9.5mm玄武岩碎石。
[0040] 在本发明中，所述替换比例的范围优选为0~100 % ;所述替换比例的步长优选为 10~20%，更优选为20%。在本发明中，由于非热阻碎石为耐火碎石密度的1.2倍，为确保 SMA-13骨架密实级配，所述耐火碎石的掺量由非热阻碎石替换比例除以1.2得到。
[0041 ]本发明优选首先进行2.36~4.75mm耐火碎石掺量设计。在本发明中，优选以2.36 ~4.75mm耐火碎石对同一粒径范围的非热阻碎石进行替换，以路用性能降低幅度不高于 5%，且该替换比例对应的面层混合料热阻性能相对最佳为原则，确定2.36~4.75mm耐火碎 石的掺量X3i。在本发明中，所述2.36~4.7 5mm耐火碎石的掺量优选分别为0、0.17X3、 0.33Χ3、0.50Χ3、0.67Χ 3和0.83Χ3中的几种。在本发明中，所述非热阻碎石的掺量对应优选为 父3、0.8父3、0.6父3、0.4父3、0.2父 3和0中的几种。
[0042] 确定2.36~4.75mm耐火碎石的掺量后，本发明对4.75~9.5mm耐火碎石的掺量进 行设计。在本发明中，优选在所述2.36~4.75mm耐火碎石的掺量基础上，以4.75~9.5mm耐 火碎石对同一粒径范围的非热阻碎石进行替换，以路用性能降低幅度不高于15%，且该替 换比例对应的面层混合料热阻性能相对最佳为原则，确定4.75~9.5mm耐火碎石的掺量X4i。 在本发明中，所述4.75~9.5111111耐火碎石的掺量优选分别为0、0.17乂4、0.33乂4、0.50父4、 0.67X4和0.83X4中的几种。在本发明中，所述非热阻碎石的掺量对应优选为X 4、0.8X4、0.6X4、 0.4X4