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基于多指标的沥青混合料均匀性评价方法研究
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周戈严守靖盛光祖
摘要:针对目前沥青混合料均匀性定义不清、评价指标不健全和均匀等级划分存在的问题,利用规范对物质均匀性的定义和材料力学对物质均匀性的假设,将沥青混合料定义为组分均匀、质量分布均匀和刚度均匀,建立了沥青混合料均匀性多指标评价模型,给出了沥青混合料均匀性计算方法和均匀性等级划分依据。开展了AC-13级配的沥青混合料均匀性实验,测试了沥青混合料的各体单元的毛体积相对密度、弹性模量特征值和沥青含量,研究了沥青混合料均匀性,并与传统均匀性评价进行对比分析。结果表明:基于多指标的沥青混合料均匀性评价方法增加了沥青混合料的组成成分和力学性能指标,评价结果更加客观和准确,AC-13级配的沥青混合料的综合均匀指数为0.896,属于中度均匀;采用传统均匀性方法评价,沥青混合料的压实度和密度变异系数很小,均匀性很好,但合格率仅为63.2%。
关键词:沥青混合料;均匀性评价;组分均匀;质量分布均匀;刚度均匀
:U416.2:A:1674-9944(2019)20-0162-05
1引言
沥青混合料的均匀性是影响沥青路面质量的关键因素,直接决定了沥青路面的使用寿命和行车效果。研究表明,沥青混合料的均勻性主要体现在集料分布的均匀,这是因为粗细集料的分布决定了沥青混合料的空隙率,进而影响填料和沥青的分布。粗集料相对细集料而言,比表面积较小,因此粗集料分布较多的区域,沥青含量较少,容易造成集料颗粒的剥落;相反,粗集料分布较少的区域,填料和沥青含量较多,承载能力差,容易形成车辙。因此,开展沥青混合料均匀性研究十分必要。
目前,针对沥青混合料均匀性,国内外学者进行了广泛的研究,包括沥青混合料均匀性的理论、评价手段和均匀性的影响因素等,取得了大量的成果。文献[4]通过计算沥青混合料各截面上的集料面积比,得出了沥青混合料水平和竖向的均匀性评价公式,并通过研究沥青混合料标准马歇尔试件的抗压强度、抗剪强度和劈裂强度的力学性能的差异性评价了沥青混合料的均匀性。文献[5]基于数字图像处理技术,从沥青混合料中集料的分布位置和分布数量两方面综合考虑,对沥青混合料的均匀性进行定量评价。郭乃胜和Y.Peng等采用CT识别技术,识别混合料试件内部结构,并以粗集料、沥青砂浆和空隙各组分的密度和面积为主要特征参数,建立沥青混合料均匀性评价方法。文献[8]研究了集料组成对沥青混合料均匀性的影响,并进行了数值模拟。文献[9]采用数字图像处理技术研究沥青混合料的级配对均匀性的影响,并进行了定量的评价。但是对于沥青混合料均匀性的定义、评价指标和评价等级的研究相对较少。
本文通过《标准物质常用术语和定义》(JJF1005-2005)中的物质均匀性定义和《材料力学》中关于材料的均匀性假设,提出了针对沥青混合料均匀性的新定义,建立沥青混合料均匀性评价的指标体系,给出明确的均匀性指数计算公式和均匀性等级划分依据。并通过AC-13级配的沥青混合料均匀性实验,对比分析新评价体系和传统的评价结果。研究成果为沥青混凝土均匀性评价提供了新的思路。
2沥青混合料均匀性评价
2.1均匀性定义
《标准物质常用术语和定义》(JJF1005-2005)中指出,物质均匀性定义是指:物质的一种或几种特性具有相同的组分或结构的状态。此外,《材料力学》中关于材料均匀性的假设为:材料在各个位置具有相同的力学性能。考虑到材料力学中固体材料的基本变形有5种,分别是拉伸变形、压缩变形、弯曲变形、剪切变形和扭转变形。考虑到沥青路面在实际应用中,最主要的荷载为竖向荷载,故在竖直方向沥青路面最主要的变形为压缩变形。因此,对于沥青混合料的力学均匀性假设为,材料在各个位置具有相同的弹性模量。
根据上述分析,沥青混合料均匀性可表述为:沥青混合料在单元体积内具有相同的由一种或几种组分构成的结构状态,并且各个单元体积内具有相同的弹性模量。
2.2均匀性多指标评价模型
按照均匀性定义的表述,沥青混合料的均匀性包含3个部分,分别是组分均匀、质量分布均匀和刚度均匀。其中,组分均匀采用油石比表征,质量分布均匀采用毛体积相对密度表征,刚度均匀采用回弹特征值表征。因此,组成成分、质量分布和刚度就成为沥青混合料均匀性评价的三大指标。
2.2.1体单元组成成分
一般地,沥青混合料包含矿料(粗集料、细集料、矿粉)和沥青组成成分。为保证每个体单元能尽可能包括混合料中所有的组成成分,实验将采取以集料最大公称粒径为边长,划分出沥青混合料的体单元。实验首先测出每个体单元的烘干质量(ma),然后将每个体单元浸泡在三氯乙烯溶液中,等沥青充分溶解后,测出每个体单元残留的矿料质量(mm),并通过式(1)计算出体单元的沥青含量。
2.2.3体单元刚度
由于沥青路面主要承受的荷载为竖向荷载,故在竖直
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