季冻区高速公路沥青混合料矿料级配优化研究
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摘要
高速公路是经济发展的必然产物。我国自20世纪80年代开始建设高速公路以来，高速公路里程已达9.62万公里，成为推动我国经济健康可持续增长的重要产业之一。吉林省目前已建成2300多公里的高速公路，预计到2016年，省内道路将形成“五纵五横、三环四联”的高速公路网络。
沥青混凝土路面以其表面平整、行车舒适、施工期短、养护维修简便等优良品质，成为我国高速公路主要的路面结构型式。但随着交通量的迅猛增长以及超载、重载情况的不断加剧，沥青混凝土路面的早期破坏现象越来越突出，导致路面的实际使用寿命大大低于设计寿命，高温车辙、水损害、反射裂缝等成为目前高速公路沥青路面的主要问题，直接影响了路面行车的安全性、舒适性和经济性。因此，预防路面早期破坏、提高路面耐久性已成为高速公路沥青路面设计的重点。
对沥青路面而言，沥青混合料的配合比是影响其使用性能的重要因素。而混合料的配合比设计优化，实际上就是结合当地的具体条件，综合考虑各项路用性能指标寻求一个最优解的问题。沥青混合料是由沥青和矿质骨料两大要素构成的，相比于沥青而言，矿料级配则表现出更大的复杂性和多变性。我国现行规范以富勒最大密实理论为基础给出了矿料级配的推荐范围，该指标适用于全国，范围较宽，针对性差，很难满足每一个地区的具体要求。因此，如何在宽泛的矿料级配范围内，寻找出最优的级配，使沥青混合料各方面的路用性能均发挥到最优，从而延长高速公路沥青路面使用寿命，降低养护费用，提高社会与经济效益是个函待解决的问题。
本文结合吉林省交通运输厅科技项目“吉草高速公路沥青路面配合比优化及施工控制研究”，立足为季冻区高速公路工程建设服务，主要开展以下几方面工作：
首先，针对正交试验设计法进行沥青混合料矿料级配设计具有试验次数少、数据点分布很均匀、结论的可靠性好等优点，依据《公路沥青路面施工技术规范》提供的ATB-25及AC-20矿料级配范围，采用正交试验设计方法，按照三因素三水平设计试验级配曲线，进行体积指标分析及路用性能试验。同时，给出了正规方程法的计算模型，解决了常规正规方程法设计矿料级配时存在负数解的缺陷，为生产单位提供了矿料掺配比例的快速设计方法。通过正交试验设计结果的极差和方差分析，确定出沥青混合料矿料级配的最优级配范围和最佳目标级配。根据正交试验结果，提出了水损害危险区的概念，并给出了ATB-25水损害危险区的位置；同时指出了AC-20矿料级配中可能出现的级配禁区。
其次，基于分形理论，结合正交试验设计结果，分析ATB-25及AC-20混合料矿料级配分维数值与马歇尔试验指标及路用性能指标的相关性，建立了分维数与混合料特征指标之间的关系。通过锁定分维数范围确定矿料目标级配，并与正交试验设计方法得到的最优级配进行对比分析，分析结果表明二者研究结论基本一致，采用分形理论进行目标最佳级配的选定可以有效减少试验工作量。
随后，为了将室内研究成果更好地在实际工程应用中推广，保证工程建设的质量，采用专家咨询权数法（Delphi法），根据沥青混合料路用性能指标提出了级配组成设计的量化评估公式，对矿料级配进行优选；数据验证表明，应用该公式得到的优化级配与采用正交试验设计与分形方法得到的最优级配有很好的吻合度。同时，根据正交试验设计给出的矿料目标级配，将本文试验结果与吉草高速公路指挥部试验室、项目部驻地试验室的试验结果进行了成果对比分析验证，表明该优化方法具有较好的实际指导意义，沥青混合料的各项试验指标性能均高于规范要求。
最后，结合本文给出的矿料级配推荐范围，采用可拓层次分析法对吉草高速公路工程中不同矿料级配沥青混合料的综合路用性能进行评价，建立了季冻区高速沥青混合料综合路用性能评价体系。通过评价结果，验证了本文的矿料级配设计方法是实用的、可靠的，能够用于指导季冻区沥青混合料的矿料级配设计。
The highway is the inevitable product of economic development. The highway mileage inChina has reached96,200kilometers since the1980s, and highway has become one of the mostimportant industries to promote the healthy and sustainable growth of China's economy.Nowadays, more than2300km of highways has been built in Jilin Province, and it can beexpected a highway net which is called "five vertical and five horizontal, tricycles quadruple"will be formed by2016.
Asphalt pavement has become a major highway pavement structure because of its smoothsurface, comfortable driving, short construction period, super quality and easy to maintain andrepair. But with the rapid growth of traffic and overload, the early diseases of asphalt pavementare increasing, which results in that the actual life of pavement was lower significantly thandesign life. High temperature rutting, water damage and reflective cracking are the mainproblems in asphalt pavement, which directly affect the safety, comfort and economy. Therefore,preventing of early diseases, improving pavement durability has become the focus of AsphaltPavement Design.
For asphalt pavement, proportion of the asphalt mixture is an important factor which affectsits performance. And in fact the optimization of mixture design is to seek an optimal solutionaccording to the specific local conditions. Asphalt mixture is made of asphalt and mineralaggregates, and comparing to asphalt, the aggregate gradation is more complex and variable.China's current codes provide us a recommended range based of Fuller theory, and this is appliedto all around our country, without specific requirements to any region. So, to find out theoptimum gradation to make a super asphalt pavement performance, low the maintenance costsand extend the life of asphalt pavement is a problem to be dealt with.
The paper is based on the Technology Project of Study on the Optimization of the Asphaltmixture gradation and Construction Control of Department of Transportation of Seasonallyfrozen region. As follows:
Firstly, the orthogonal design method for asphalt aggregate gradation design has theadvantages of fewer trials, evenly distributed data, and reliable conclusions, etc. Based on "asphalt pavement construction specifications", the volume index analysis and road performanceof ATB-25and AC-20aggregate gradation range are carried out according to the three factorsand three levels designed to test grading curve using orthogonal design. Meanwhile, the formalmodel equation method to solve the conventional mineral aggregate is worked out, the defect ofnormal equations is solved and provide a fast design method. By orthogonal design range andvariance analysis of the results, the asphalt aggregate gradation and optimal target gradation aredetermined. According to the results of orthogonal experiment, the concept of water damagedanger zone and the danger zone of water damage of ATB-25are proposed; and also, theprohibition range of AC-20aggregate gradation that may occur in the area is pointed out.
Secondly, based on fractal theory, combined with orthogonal design results, correlationbetween analysis aggregate gradation fractal dimension value and the road performance ofATB-25and AC-20is established. By locking the fractal dimension of the target range, we candetermine the mineral aggregate gradation, the results show that the optimal level withorthogonal design was the same, and we can conclude that the target optimum gradation usingfractal theory selected can effectively reduce the work.
Thirdly, in order to promote the indoor research in practical engineering applications, andensure the quality of construction, the method of expert advice weighting method (Delphimethod) is applied to establish assessment formula with the performance of pavement. And theresult shows that the method is well suited. Meanwhile, according to the orthogonal design goalsof any mineral aggregate gradation, the test results are compared with the laboratory test resultsof headquarters Project Department and field laboratory of JC expressway to verify theresults.And the results show us that the optimization method can indicate practice well.
At last, combined with the aggregate gradation range recommended in this paper, themethod of extended AHP is applied to evaluate the road performance of different aggregategradation of asphalt pavement in JC expressway and evaluation system is established. By theresult, we can draw the conclusion that the method is practical, reliable, and can be used to guidethe asphalt mixture aggregate gradation design in seasonally frozen area.
沥青混凝土路面以其表面平整、行车舒适、施工期短、养护维修简便等优良品质，成为我国高速公路主要的路面结构型式。但随着交通量的迅猛增长以及超载、重载情况的不断加剧，沥青混凝土路面的早期破坏现象越来越突出，导致路面的实际使用寿命大大低于设计寿命，高温车辙、水损害、反射裂缝等成为目前高速公路沥青路面的主要问题，直接影响了路面行车的安全性、舒适性和经济性。因此，预防路面早期破坏、提高路面耐久性已成为高速公路沥青路面设计的重点。
对沥青路面而言，沥青混合料的配合比是影响其使用性能的重要因素。而混合料的配合比设计优化，实际上就是结合当地的具体条件，综合考虑各项路用性能指标寻求一个最优解的问题。沥青混合料是由沥青和矿质骨料两大要素构成的，相比于沥青而言，矿料级配则表现出更大的复杂性和多变性。我国现行规范以富勒最大密实理论为基础给出了矿料级配的推荐范围，该指标适用于全国，范围较宽，针对性差，很难满足每一个地区的具体要求。因此，如何在宽泛的矿料级配范围内，寻找出最优的级配，使沥青混合料各方面的路用性能均发挥到最优，从而延长高速公路沥青路面使用寿命，降低养护费用，提高社会与经济效益是个函待解决的问题。
本文结合吉林省交通运输厅科技项目“吉草高速公路沥青路面配合比优化及施工控制研究”，立足为季冻区高速公路工程建设服务，主要开展以下几方面工作：
首先，针对正交试验设计法进行沥青混合料矿料级配设计具有试验次数少、数据点分布很均匀、结论的可靠性好等优点，依据《公路沥青路面施工技术规范》提供的ATB-25及AC-20矿料级配范围，采用正交试验设计方法，按照三因素三水平设计试验级配曲线，进行体积指标分析及路用性能试验。同时，给出了正规方程法的计算模型，解决了常规正规方程法设计矿料级配时存在负数解的缺陷，为生产单位提供了矿料掺配比例的快速设计方法。通过正交试验设计结果的极差和方差分析，确定出沥青混合料矿料级配的最优级配范围和最佳目标级配。根据正交试验结果，提出了水损害危险区的概念，并给出了ATB-25水损害危险区的位置；同时指出了AC-20矿料级配中可能出现的级配禁区。
其次，基于分形理论，结合正交试验设计结果，分析ATB-25及AC-20混合料矿料级配分维数值与马歇尔试验指标及路用性能指标的相关性，建立了分维数与混合料特征指标之间的关系。通过锁定分维数范围确定矿料目标级配，并与正交试验设计方法得到的最优级配进行对比分析，分析结果表明二者研究结论基本一致，采用分形理论进行目标最佳级配的选定可以有效减少试验工作量。
随后，为了将室内研究成果更好地在实际工程应用中推广，保证工程建设的质量，采用专家咨询权数法（Delphi法），根据沥青混合料路用性能指标提出了级配组成设计的量化评估公式，对矿料级配进行优选；数据验证表明，应用该公式得到的优化级配与采用正交试验设计与分形方法得到的最优级配有很好的吻合度。同时，根据正交试验设计给出的矿料目标级配，将本文试验结果与吉草高速公路指挥部试验室、项目部驻地试验室的试验结果进行了成果对比分析验证，表明该优化方法具有较好的实际指导意义，沥青混合料的各项试验指标性能均高于规范要求。
最后，结合本文给出的矿料级配推荐范围，采用可拓层次分析法对吉草高速公路工程中不同矿料级配沥青混合料的综合路用性能进行评价，建立了季冻区高速沥青混合料综合路用性能评价体系。通过评价结果，验证了本文的矿料级配设计方法是实用的、可靠的，能够用于指导季冻区沥青混合料的矿料级配设计。
The highway is the inevitable product of economic development. The highway mileage inChina has reached96,200kilometers since the1980s, and highway has become one of the mostimportant industries to promote the healthy and sustainable growth of China's economy.Nowadays, more than2300km of highways has been built in Jilin Province, and it can beexpected a highway net which is called "five vertical and five horizontal, tricycles quadruple"will be formed by2016.
Asphalt pavement has become a major highway pavement structure because of its smoothsurface, comfortable driving, short construction period, super quality and easy to maintain andrepair. But with the rapid growth of traffic and overload, the early diseases of asphalt pavementare increasing, which results in that the actual life of pavement was lower significantly thandesign life. High temperature rutting, water damage and reflective cracking are the mainproblems in asphalt pavement, which directly affect the safety, comfort and economy. Therefore,preventing of early diseases, improving pavement durability has become the focus of AsphaltPavement Design.
For asphalt pavement, proportion of the asphalt mixture is an important factor which affectsits performance. And in fact the optimization of mixture design is to seek an optimal solutionaccording to the specific local conditions. Asphalt mixture is made of asphalt and mineralaggregates, and comparing to asphalt, the aggregate gradation is more complex and variable.China's current codes provide us a recommended range based of Fuller theory, and this is appliedto all around our country, without specific requirements to any region. So, to find out theoptimum gradation to make a super asphalt pavement performance, low the maintenance costsand extend the life of asphalt pavement is a problem to be dealt with.
The paper is based on the Technology Project of Study on the Optimization of the Asphaltmixture gradation and Construction Control of Department of Transportation of Seasonallyfrozen region. As follows:
Firstly, the orthogonal design method for asphalt aggregate gradation design has theadvantages of fewer trials, evenly distributed data, and reliable conclusions, etc. Based on "asphalt pavement construction specifications", the volume index analysis and road performanceof ATB-25and AC-20aggregate gradation range are carried out according to the three factorsand three levels designed to test grading curve using orthogonal design. Meanwhile, the formalmodel equation method to solve the conventional mineral aggregate is worked out, the defect ofnormal equations is solved and provide a fast design method. By orthogonal design range andvariance analysis of the results, the asphalt aggregate gradation and optimal target gradation aredetermined. According to the results of orthogonal experiment, the concept of water damagedanger zone and the danger zone of water damage of ATB-25are proposed; and also, theprohibition range of AC-20aggregate gradation that may occur in the area is pointed out.
Secondly, based on fractal theory, combined with orthogonal design results, correlationbetween analysis aggregate gradation fractal dimension value and the road performance ofATB-25and AC-20is established. By locking the fractal dimension of the target range, we candetermine the mineral aggregate gradation, the results show that the optimal level withorthogonal design was the same, and we can conclude that the target optimum gradation usingfractal theory selected can effectively reduce the work.
Thirdly, in order to promote the indoor research in practical engineering applications, andensure the quality of construction, the method of expert advice weighting method (Delphimethod) is applied to establish assessment formula with the performance of pavement. And theresult shows that the method is well suited. Meanwhile, according to the orthogonal design goalsof any mineral aggregate gradation, the test results are compared with the laboratory test resultsof headquarters Project Department and field laboratory of JC expressway to verify theresults.And the results show us that the optimization method can indicate practice well.
At last, combined with the aggregate gradation range recommended in this paper, themethod of extended AHP is applied to evaluate the road performance of different aggregategradation of asphalt pavement in JC expressway and evaluation system is established. By theresult, we can draw the conclusion that the method is practical, reliable, and can be used to guidethe asphalt mixture aggregate gradation design in seasonally frozen area.
引文
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