一种基于集料形态的碎石封层响应面优化设计方法

1.本发明属于道路工程领域，具体涉及路面处置的结构组合设计。


背景技术：

2.碎石封层作为一种传统预防性养护技术，因其施工快速、经济方便，广泛应用于路表整形、路面抗滑与轻度破损修复。但是，受车辆重复荷载和极端温度应力作用，碎石封层轮迹带处的集料松散易磨、嵌固松弛，车轮碾压常伴碎石飞溅；同时，剥落区域极易诱发松散、裂缝等路面病害，甚至引发成片大面积集料脱落，严重影响道路服役寿命。因此，优化碎石封层混料的组成设计、挖掘影响碎石封层集料剥落的核心要素以及构建碎石封层高集料保持率的制备流程，是现阶段提升碎石封层耐久性与服役水平的关键环节。
3.目前，主要通过优化碎石封层中沥青胶结料的撒布量，以及采用树脂、橡胶、聚合物等改性手段提升沥青胶结料的粘附性，在一定程度上提高碎石封层的抗剥落性能。但是，一方面，受制于碎石封层集料粒径大、集料棱角性明显以及集料嵌入组合多样的问题，对于一些集料形态不佳的集料覆盖区域，例如片状、针状组合棱角状的集料覆盖区域，使胶结料难以有效裹俯集料棱角处，致使集料间的胶结料分布极不均匀，导致高强粘结性能的沥青胶结料无法充分发挥粘结效果；另一方面，集料作为碎石封层的主要结构部分，其分布形式和嵌入状态，与碎石封层的结构稳定性密接相关，然而目前国内外现行规范中，对于碎石封层的集料形态控制标准尚不统一，美国astm规范规定碎石封层中的针片状集料含量不高于10％，片状指数小于25％，而中国各地规范规定针片状集料的最大含量为10％～18％不等，上述规范的差异性为碎石封层的设计评价带来严重困扰。因此，如何在碎石封层混料组合设计中考虑不同集料形态因素，明确不同形态集料对碎石封层集料保持率的影响，是优化碎石封层混料组合设计与构建高集料保持率碎石封层的重要基础。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种考虑集料形态的碎石封层响应面优化设计方法，以解决在碎石封层组合设计中不同形态集料对碎石封层集料保持率产生影响的问题，实现高集料保持率的碎石封层优化设计。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种基于集料形态的碎石封层响应面优化设计方法，包括以下步骤：
7.步骤1：对不同形态集料进行分类；
8.步骤2：规定不同形态集料的含量设计范围；
9.步骤3：确定上述不同形态集料的最佳洒布量和沥青的最佳洒布量，制备不同形态集料含量的碎石封层试件，分别记录不同磨耗次数下的不同形态集料含量的碎石封层试件的集料保持率；
10.步骤4：根据步骤2所规定不同形态集料的含量设计范围和步骤3所得不同形态集料含量的碎石封层试件的集料保持率，实现考虑集料形态的碎石封层响应面优化方案的初
步设计；
11.步骤5：选择拟合模型，计算不同磨耗次数下的模型数据，判断模型数据是否符合拟合模型建议值，若不符合，调整不同磨耗次数的不同形态集料含量的碎石封层试件的集料保持率，直至模型数据符合模型拟合建议值，最终得到修正后的拟合模型公式，若符合，则直接得到修正后的拟合模型公式；
12.步骤6：构建不同形态集料的集料形态与集料保持率的三维响应面模型，根据上述修正后的拟合模型公式计算得到不同形态集料的最佳配比设计结果。
13.进一步地，步骤1具体为：采用游标卡尺测距法，按照针片度小于三分之一的标准对不同形态集料进行初选，随后通过集料图像测量系统检验出集料的形态，最后根据集料的形态将不同形态集料分为棱角状集料、片状集料和针状集料。
14.进一步地，步骤2中，规定不同形态集料的含量设计范围为：
15.所述棱角状集料的含量设计为70％、75％、80％、85％、90％、95％或100％，所述片状集料的含量设计为0％、5％、10％、15％、20％、25％或30％，所述针状集料的含量设计为0％、5％、10％、15％、20％、25％或30％，棱角状集料、片状集料和针状集料的含量总和是100％。
16.进一步地，步骤3中，采用mcleod经验设计方法确定所述不同形态集料的最佳洒布量是10kg/m2，所述沥青的最佳洒布量是1.8kg/m2。
17.进一步地，步骤3中，所述不同形态集料含量的碎石封层试件的具体制备步骤是：
18.步骤3.1：将集料洗净烘干后加热备用，将沥青加热备用；
19.步骤3.2：按照不同形态集料的最佳洒布量和沥青的最佳洒布量，在沥青混合料车辙板上同步摊铺沥青与集料，滚动粗平，随后进行碾压；
20.步骤3.3：将碎石封层试件进行养生，得到不同形态集料含量的碎石封层试件。
21.进一步地，步骤3.1中，集料加热至150℃，沥青加热至160℃备用。
22.进一步地，步骤3.3中，所述养生具体包括以下步骤：先在60℃温度下养生1h，然后在常温下养生1天。
23.进一步地，步骤3中，通过式(1)计算不同磨耗次数下的不同形态集料含量的碎石封层试件的集料保持率：
[0024][0025]
其中，ra为碎石封层试件磨耗后的集料保持率，m0为碎石封层试件的初始重量，ma为碎石封层试件磨耗后的剩余重量。
[0026]
进一步地，步骤5中，模型数据包括：显著性、欠拟合度、拟合优度、修正拟合优度、参数c.v.％和adq precision指数。
[0027]
进一步地，步骤5中，所述模型拟合建议值为：显著性《0.05，欠拟合度》0.05，拟合优度和修正拟合优度的差值《2，参数c.v.％《10，adq precision指数》4。
[0028]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0029]
本发明提出了从集料形态角度优化碎石封层的组合设计方法，通过调节碎石封层中不同形态集料的含量，改善碎石封层中集料间的嵌挤状况，摆脱了传统的从优化沥青胶结料撒布量或提升胶结料黏附性能的局限性，充分发挥沥青胶结料的裹附效能，进而保证
碎石封层具有较高的集料保持率。
[0030]
进一步地，本发明采用了响应面的单纯形格点混料设计方法，通过显著性、欠拟合度、0.05；拟合优度与修正拟合优度差值；c.v.％；adq precision指数来不断修正模型，构建了精准的集料三形态(棱角状、片状、针状)-集料保持率的三维响应面模型，明确了三种形态集料对集料保持率影响权重，提供了较高集料保持率的碎石封层不同形态集料含量设计报告。
附图说明
[0031]
图1为单纯形格点混料设计原理图。
[0032]
图2为集料形态对碎石封层集料保持率的三维响应图。
[0033]
图3(a)为1000磨耗次数的碎石封层的三维响应模型。
[0034]
图3(b)为1000磨耗次数的碎石封层的拟合模型平面示意图。
[0035]
图4(a)为2000磨耗次数的碎石封层的三维响应模型。
[0036]
图4(b)为2000磨耗次数的碎石封层的拟合模型平面示意图。
[0037]
图5(a)为3000磨耗次数的碎石封层的三维响应模型。
[0038]
图5(b)为3000磨耗次数的碎石封层的拟合模型平面示意图。
[0039]
图6(a)为4000磨耗次数的碎石封层的三维响应模型。
[0040]
图6(b)为4000磨耗次数的碎石封层的拟合模型平面示意图。
具体实施方式
[0041]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行进一步详细描述，所述内容是对本发明的解释而不是限定。
[0042]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0043]
本发明的具体步骤包括：
[0044]
步骤一：参照《公路工程集料试验规程》(jtg e42-2005)，基于aims
‑ⅱ
对不同形状的集料进行分类，采用游标卡尺测距法，按照“针片度小于1/3”的标准对集料进行初选；随后通过集料图像测量系统(aims
‑ⅱ
)进一步检验集料形态，根据其三维形状特征分为棱角状集料(angular aggregate，记为aa)、片状集料(flat aggregate，记为af)和针状集料(elongated aggregate，记为ae)。
[0045]
步骤二：参考《公路沥青路面养护技术规范》(jtg 5142-2019)规定集料含量设计范围，不同集料含量设计范围确定为棱角状集料(aa)的占比为70～100％，片状集料(af)和针状集料(ae)的占比为0～30％，各类集料总和均为100％。
[0046]
步骤三：采用mcleod经验设计方法确定集料的最佳洒布量为10kg/m2，沥青的最佳洒布量为1.8kg/m2。制备不同类型集料含量的碎石封层试件。记录不同磨耗次数下的不同类型集料含量碎石封层的集料保持率，其中碎石封层集料保持率如下式计算：
[0047][0048]
式中，ra为碎石封层试件磨耗后的集料保持率，单位取％；m0为碎石封层试件的初始重量，单位取kg；ma为碎石封层试件磨耗后的剩余重量，单位取kg，
[0049]
碎石封层试件的制备流程为：
①
将集料洗净烘干，加热至150℃备用，sbs改性沥青加热至160℃备用；
②
按照最佳洒布量，在ac-13沥青混合料车辙板(300
×
300
×
50mm)上同步摊铺沥青与集料，用5kg空心钢桶滚动粗平，随后用轮碾仪碾压20次；
③
将试件置于60℃温度下养生1小时，常温养生1天，实现不同形状集料组合的碎石封层制备。
[0050]
步骤四：采用design-export 12.0.6软件，基于单纯形格点混料设计原理，以5％为间隔，设计棱角状集料(70％-100％)、片状集料(0％-30％)和针状集料(0％-30％)的含量水平，并输入不同集料含量水平对应的碎石封层集料保持率，实现考虑集料形态的碎石封层响应面优化方案的初步设计。其中三角坐标轴的三轴分别为棱角、片状、针状的集料占比，基于单纯形格点混料设计三角坐标如图1所示。
[0051]
步骤五：参考design expert中fit summary模块中的模型推荐选用建议拟合模型，并计算该模型的的显著性以及模型的欠拟合度拟合优度和修正拟合优度，以及参数c.v.％和adq precision指数，确保符合模型拟合建议值。若不满足参数规定，需调整重复实验组的水平。最终实现拟合模型的修正，并求取修正后的拟合模型公式。该模型满足：显著性小于0.05；欠拟合度大于0.05；拟合优度和修正拟合优度差值小于2；参数c.v.％小于＜10；adq precision指数大于4。
[0052]
步骤六，采用design expert中的model graphs模块构建棱角、片状、针状的集料形态与集料保持率的三维响应面模型，进入optimization的numerical模块依据步骤六中得出的拟合模型公式求取不同形态集料最佳配比设计结果。三维模型中三轴分别为棱角、片状、针状集料在碎石封层中的占比，纵轴为集料保持率。
[0053]
步骤七，依据设计结果，制备最佳不同形态集料占比的碎石封层，并依照步骤四对碎石封层进行反复碾压处置，求取该碎石封层的集料保持率验证设计结果的合理性与可靠性。
[0054]
下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0055]
以下详细说明均是实施例的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本技术所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
[0056]
本发明所提供的一种基于集料形态的碎石封层响应面优化设计方法具体通过以下步骤实现：
[0057]
步骤一，参照《公路工程集料试验规程》(jtg e42-2005)，基于aims
‑ⅱ
对不同形状石灰岩的集料进行分类。步采用游标卡尺测距法，按照“针片度小于1/3”的标准对集料进行初选；随后通过集料图像测量系统(aims
‑ⅱ
)进一步检验集料形态，根据其三维形状特征分为棱角状集料(angular aggregate，记为aa)、片状集料(flat aggregate，记为af)和针状集料(elongated aggregate，记为ae)；
[0058]
步骤二，参考《公路沥青路面养护技术规范》(jtg 5142-2019)规定集料含量设计范围，步骤二中不同集料含量设计范围确定为棱角状集料(aa)的占比分别取70％、75％、80％、85％、90％、95％、100％，片状集料(af)和针状集料(ae)的分别为0％、5％、10％、15％、20％、25％、30％，同时保证各类集料含量百分比总和均为100％步骤三、采用mcleod经验设计方法确定集料的石灰岩集料最佳洒布量为10kg/m2，选择sbs改性沥青最佳洒布量为1.8kg/m2，基础技术指标见表1和表2。为排除集料粒径、级配等因素的干扰，采用单一粒径集料(9mm～12mm)制备中粒式单层碎石封层。
[0059]
步骤四，采用mh-02型轮式加速加载磨耗设备对碎石封层反复碾压，磨耗至1000次、2000次、3000次、4000次，记录不同类型集料含量碎石封层的集料保持率。同时，在实验过程中，当碎石封层中不含针状集料和片状集料时，在磨耗后期的集料保持率始终保持在90％以上，因此为保证碎石封层片状与针状集料占比不为0时的碎石封层集料保持率尽量以磨耗后期“ra≥90％”为控制标准。其中碎石封层集料保持率如下式计算：
[0060][0061]
式中，ra为碎石封层试件磨耗后的集料保持率，单位取％；m0为碎石封层试件的初始重量，单位取kg；ma为碎石封层试件磨耗后的剩余重量，单位取kg。
[0062]
步骤五：采用design-export 12.0.6软件，基于单纯形格点混料设计原理，以5％为间隔，设计棱角状集料(70％-100％)、片状集料(0％-30％)和针状集料(0％-30％)的含量水平，并输入经步骤四计算的不同集料含量水平对应的碎石封层集料保持率，考虑集料形态的碎石封层响应面优化方案的初步设计表如图2所示。
[0063]
步骤六：参考design expert中fit summary模块中的模型推荐选用线性模型拟合模型，计算并通过修正得到：
[0064]
当磨耗1000次的集料形态-集料保持率的响应面拟合模型的显著性为0.0001，欠拟合度0.0652，拟合优度0.9201和修正拟合优度0.9055，以及参数c.v.％为0.7497和adq precision指数21.8165；
[0065]
当磨耗2000次的集料形态-集料保持率的响应面拟合模型的显著性为0.0001，欠拟合度0.0727，拟合优度0.9149和修正拟合优度0.9026，以及参数c.v.％为1.56和adq precision指数14.9009；
[0066]
当磨耗3000次的集料形态-集料保持率的响应面拟合模型的显著性为0.0001，欠拟合度0.0733，拟合优度0.8640和修正拟合优度0.8536，以及参数c.v.％为1.44和adq precision指数16.3013；
[0067]
当磨耗4000次的集料形态-集料保持率的响应面拟合模型的显著性为0.0001，欠拟合度0.072，拟合优度0.8645和修正拟合优度0.8498，以及参数c.v.％为1.52和adq precision指数16.1201；
[0068]
公式结果为分别为：
[0069]
磨耗1000次拟合公式为：磨耗1000次拟合公式为：
[0070]
磨耗2000次拟合公式为：
[0071]
磨耗3000次拟合公式为：磨耗3000次拟合公式为：
[0072]
磨耗4000次拟合公式为：磨耗4000次拟合公式为：
[0073]
其中a代表棱角状集料占比，b代表片状集料占比，c代表针状集料占比。
[0074]
步骤七：采用design expert中的model graphs模块构建棱角、片状、针状的集料形态与集料保持率的三维响应面模型，进入optimization的numerical模块依据步骤六中得出的拟合模型公式求取不同形态集料最佳配比设计结果。三维模型中三轴分别为棱角、片状、针状集料在碎石封层中的占比，纵轴为集料保持率。参考步骤四中的集料保持率控制标准，对于磨耗4000次的封层试件，设计配比最佳方案为：
[0075]
方案一：棱角状集料92.689％，片状集料7.311％，针状集料0％；
[0076]
方案二：棱角状集料85.781％，片状集料0％，针状集料14.219％。
[0077]
各磨耗次数的碎石封层的三维响应模型如图3(a)、图4(a)、图5(a)和图6(a)所示。
[0078]
各磨耗次数的碎石封层的拟合模型平面示意图如图3(b)、图4(b)、图5(b)、图6(b)所示。
[0079]
步骤八，依据步骤七中两种设计方案制备最佳不同形态集料占比的碎石封层，并依照步骤四对碎石封层进行反复碾压处置至4000次，求取三组碎石封层集料保持率分别为：
[0080]
方案一：92.3％，90.5％，93.1％；
[0081]
方案二：90.7％，91.0％，91.4％。
[0082]
通过上述数据证明，按照步骤7的最佳配比方案制备的三组碎石封层集料保持率均大于90％，表明本发明提供的一种基于集料形态的碎石封层响应面优化设计方法具有较高的准确性和可靠性。
[0083]
由技术常识可知，本发明可以通过其它不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的，所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

技术特征：
1.一种基于集料形态的碎石封层响应面优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对不同形态集料进行分类；步骤2：规定不同形态集料的含量设计范围；步骤3：确定上述不同形态集料的最佳洒布量和沥青的最佳洒布量，制备不同形态集料含量的碎石封层试件，分别记录不同磨耗次数下的不同形态集料含量的碎石封层试件的集料保持率；步骤4：根据步骤2所规定不同形态集料的含量设计范围和步骤3所得不同形态集料含量的碎石封层试件的集料保持率，实现考虑集料形态的碎石封层响应面优化方案的初步设计；步骤5：选择拟合模型，计算不同磨耗次数下的模型数据，判断模型数据是否符合拟合模型建议值，若不符合，调整不同磨耗次数的不同形态集料含量的碎石封层试件的集料保持率，直至模型数据符合模型拟合建议值，最终得到修正后的拟合模型公式，若符合，则直接得到修正后的拟合模型公式；步骤6：构建不同形态集料的集料形态与集料保持率的三维响应面模型，根据上述修正后的拟合模型公式计算得到不同形态集料的最佳配比设计结果。2.根据权利要求1所述的一种基于集料形态的碎石封层响应面优化设计方法，其特征在于，步骤1具体为：采用游标卡尺测距法，按照针片度小于三分之一的标准对不同形态集料进行初选，随后通过集料图像测量系统检验出集料的形态，最后根据集料的形态将不同形态集料分为棱角状集料、片状集料和针状集料。3.根据权利要求2所述的一种基于集料形态的碎石封层响应面优化设计方法，其特征在于，步骤2中，规定不同形态集料的含量设计范围为：所述棱角状集料的含量设计为70％、75％、80％、85％、90％、95％或100％，所述片状集料的含量设计为0％、5％、10％、15％、20％、25％或30％，所述针状集料的含量设计为0％、5％、10％、15％、20％、25％或30％，棱角状集料、片状集料和针状集料的含量总和是100％。4.根据权利要求1所述的一种基于集料形态的碎石封层响应面优化设计方法，其特征在于，步骤3中，采用mcleod经验设计方法确定所述不同形态集料的最佳洒布量是10kg/m2，所述沥青的最佳洒布量是1.8kg/m2。5.根据权利要求1或4所述的一种基于集料形态的碎石封层响应面优化设计方法，其特征在于，步骤3中，所述不同形态集料含量的碎石封层试件的具体制备步骤是：步骤3.1：将集料洗净烘干后加热备用，将沥青加热备用；步骤3.2：按照不同形态集料的最佳洒布量和沥青的最佳洒布量，在沥青混合料车辙板上同步摊铺沥青与集料，滚动粗平，随后进行碾压；步骤3.3：将碎石封层试件进行养生，得到不同形态集料含量的碎石封层试件。6.根据权利要求5所述的一种基于集料形态的碎石封层响应面优化设计方法，其特征在于，步骤3.1中，集料加热至150℃，沥青加热至160℃备用。7.根据权利要求5所述的一种基于集料形态的碎石封层响应面优化设计方法，其特征在于，步骤3.3中，所述养生具体包括以下步骤：先在60℃温度下养生1h，然后在常温下养生1天。8.根据权利要求1所述的一种基于集料形态的碎石封层响应面优化设计方法，其特征
在于，步骤3中，通过式(1)计算不同磨耗次数下的不同形态集料含量的碎石封层试件的集料保持率：其中，r
a
为碎石封层试件磨耗后的集料保持率，m0为碎石封层试件的初始重量，m
a
为碎石封层试件磨耗后的剩余重量。9.根据权利要求1所述的一种基于集料形态的碎石封层响应面优化设计方法，其特征在于，步骤5中，模型数据包括：显著性、欠拟合度、拟合优度、修正拟合优度、参数c.v.％和adq precision指数。10.根据权利要求9所述的一种基于集料形态的碎石封层响应面优化设计方法，其特征在于，步骤5中，所述模型拟合建议值为：显著性<0.05，欠拟合度>0.05，拟合优度和修正拟合优度的差值<2，参数c.v.％<10，adq precision指数>4。

技术总结
本发明提供了一种基于集料形态的碎石封层响应面优化设计方法。先对不同形态的集料进行分类和规定设计范围，然后制备不同类型集料含量的碎石封层试件并对其碾压磨耗，记录不同磨耗次数下碎石封层试件的集料保持率，根据此集料保持率初步设计考虑集料形态的碎石封层响应面优化方法，最后采用design expert中Fit summary模块中的模型推荐选用建议拟合模型求取拟合模型公式，根据拟合模型公式求得不同形态集料的最佳配比设计结果；本发明通过调节碎石封层中不同形态集料的含量，改善碎石封层中集料间的嵌挤状况，充分发挥沥青胶结料的裹附效能，保证碎石封层具有较高的集料保持率。保证碎石封层具有较高的集料保持率。保证碎石封层具有较高的集料保持率。


技术研发人员：张炎棣 马子业 惠冰 王溢 李元乐
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/8/24