CN101463584A - 骨架密实型沥青混合料体积的设计方法 - Google Patents

Abstract

骨架密实型沥青混合料体积设计方法是一种混合料配合比设计方法，该方法包括：步骤1：根据现行规范规定，确定各级集料和沥青材料的密度；步骤2：测试沥青混合料中直径为D₀的最粗一级集料单独构成混合料时的体积填充率V₀。并计算粗集料的理论级配；步骤3：分别确定沥青混合料中粗集料、细集料的理论密度和合成密度；步骤4：确定粗集料的紧密堆积密度和粗集料紧密堆积状态下的空隙率VCA；步骤5：根据沥青混合料的最大粒径选择合适的体积参数，VMA和VV的取值；步骤6：根据混合料体积设计理论公式确定沥青混合料中粗集料、细集料和沥青的用量，并由此确定混合料级配，完成混合料的体积设计是改善沥青路面高温性能的重要技术措施。

Description

骨架密实型沥青混合料体积的设计方法

技术领域

本发明是一种建立直观、明确的骨架型沥青混合料的配合比设计方法，属于沥青混合料的配合比设计领域。

背景技术

近十五年来，我国的公路建设，特别是高速公路建设跨入了一个前所未有的时代，中国高速公路建设仅用了10多年时间，就走过了发达国家一般需要40年才能走过的路程。1988年10月沪嘉高速公路建成通车，实现了我国大陆高速公路零的突破，1995年底建成通车的高速公路已超过2000km，1998年底建成通车的高速公路达到6258km，位居世界第八位。1999年10月我国高速公路通车总里程突破1万公里，2000年底高速公路通车总里程达到1.6万公里，位居世界第三位。2001年，我国高速公路建设取得新的突破，全年新增通车里程3152公里，使全国高速公路总里程达19437公里，超过加拿大(1.7万公里)跃居世界第二位。目前，我国高速公路通车总里程仅次于美国的8.9万公里，截至2004年底已达到3.42万公里。

在看到我国高速公路建设所取得的巨大成就的同时，也应看到我国的公路建设质量与发达国家还有明显的差距。在我国已大量使用进口沥青、进口设备的同时，我国沥青路面的建设水平与先进国家还有明显的差距。因此，如何更有效的提高我国公路建设质量，成为摆在所有公路建设者面前的历史使命。

影响公路质量的因素很多，包括设计、施工、材料和管理等多方面。其中材料因素占据了相当大的比例；目前我国高等级公路面层中80％以上是沥青路面，因此，沥青混合料的性能直接关系到公路的质量。沥青混合料是由矿质骨料和沥青胶结料所组成的复合材料，是一种具有空间网络结构的多相分散体系，其力学强度主要由矿质颗粒之间的内摩阻力和嵌挤力，以及沥青胶结料与矿料之间的粘结力所构成。由于骨架密实型沥青混合料，如SMA、LSAM等，可以同时提供较好的内摩阻力和粘聚力，因此骨架密实型已成为目前沥青混合料的发展方向。

但骨架密实型沥青混合料的级配构成，多是以实践经验为基础的，缺少严格的理论指导。尤其是目前的沥青混合料组成设计方法还存在如下的不足，影响了沥青路面技术的发展：

(1)矿质混合料的级配组成依赖于经验，即使在Superpave设计方法中，控制点和限制区仅仅是一种判定条件，不能成为设计方法；

(2)矿质混合料级配选择与沥青用量确定之间缺少必要的联系；

(3)对于如何充分发挥粗集料的嵌挤能力没有给出必要的说明。

因此，建立直观、明确的骨架型沥青混合料的配合比设计方法是目前工程界和理论界的急需。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是解决以上所指出的问题，提供一种骨架密实型沥青混合料配合比设计方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

步骤1：根据现行规范规定，确定各级集料和沥青材料的密度，

步骤2：测试沥青混合料中直径为D₀的最粗一级集料单独构成混合料时的体积填充率V₀，并按式1计算粗集料的理论级配，其中：V₁为两级集料混合时粗一级集料的填充率，D为粗一级集料粒径；d为细一级集料粒径；V₀为粗一级颗粒单独填充时的填充率，可由堆积密度与表观密度比值得到：

$V_1=\frac{V_0}{{(1+\frac{d}{D})}^3}$                                            式1

步骤3：分别确定沥青混合料中粗集料、细集料的理论密度和合成密度，

步骤4：确定粗集料的紧密堆积密度和粗集料紧密堆积状态下的空隙率VCA，

步骤5：根据路面设计要求，选择沥青混合料设计空隙率VV；在《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)对矿料间隙率VMA取值的基础上，以2％～4％的幅度增大VMA，

步骤6：根据式2确定沥青混合料中粗集料、细集料和沥青的用量，并由此确定混合料级配，完成混合料的体积设计，

$\left\{\begin{array}{cc}G+g=100\%& \left(a\right)\\ \frac{g}{{\mathrm{\ρ}}_g}=\frac{G}{{\mathrm{\ρ}}_s}\left(\frac{\mathrm{VCA}-\mathrm{VMA}}{100}\right)& \left(b\right)\\ \frac{P_a}{{\mathrm{\ρ}}_a}=\left(\frac{\mathrm{VMA}-\mathrm{VV}}{100}\right)\frac{G}{{\mathrm{\ρ}}_s}& \left(c\right)\end{array}\right.$                               式2

式中：G——矿质混合料中粗集料(≥4.75mm)的比例(％)；

g——矿质混合料中细集料(<4.75mm)和填料的比例(％)；

ρ_g——细集料和填料混合后的密度(g/cm³)；

ρ_s——粗集料的紧密堆积密度(g/cm³)；

VCA——粗集料紧密堆积状态下的空隙率(％)；

VMA——矿料间隙率(％)；

Pa——混合料的油石比(％)；

ρ_a——沥青的密度(g/cm³)；

VV——沥青混合料的空隙率(％)。

步骤2中直径为D₀的最粗一级集料单独构成混合料时的体积填充率V₀由其堆积密度与表观密度的比值确定。

步骤4中，粗集料的紧密堆积密度应在粗集料单面击实100次时计算。

有益效果：本发明是设计骨架密实型沥青混合料的重要方法，发明在以下几方面具有明显的优势。

(1)通过引入了集料性能参数使级配设计更具针对性。

(2)首次将级配设计与混合料设计完整的联系在一起，实现了级配设计和混合料设计的统一。

(3)将传统设计方法中的验证参数VMA和VV，提升为设计过程中最重要的控制参数，确保了沥青路面良好的高温稳定性能，满足了现代重载交通的要求。

具体实施方式

1、一些参数的具体确定方法

在公式(2)中，粗集料的紧密堆积密度、细集料的密度、沥青密度和粗集料紧密堆积孔隙率是可由实验测定的。而矿料间隙律VMA和混合料孔隙率VV，是混合料设计过程中的核心控制参数，通过调整VMA和VV可获得具有不同体积性质和路用性能的沥青混合料。

(1)混合料体积参数的确定

目前各种设计方法中都对矿料间隙律VMA和混合料空隙率VV提出了明确的要求。我国新版的公路沥青路面施工技术规范(JTG F40-2004)中就对混合料的VMA和VV提出了细致的规定，如表1所示。

表1 现行规范对VMA和VV的要求

但由于上述要求是针对传统的密集配沥青混合料，而本文所配置的骨架型混合料通常具有较高的VMA，因此建议在选取VMA时，在表1的基础上适当增加VMA，增加的幅度约2％～4％。

(2)粗集料的紧密堆积密度的确定

由于公式(2)中的粗集料紧密堆积状态密度ρ_s，是用于确定压实后的混合料内部各组成成分的比例，因此ρ_s不能简单定义为捣实状态下的密度，而应定义为与马歇尔试件成型过程近似的击实条件下的密度。因此，本发明选择了单面击实100次(仅击一面)条件下的紧密堆积状态密度。

(3)细集料和填料级配组成的确定

在击实状态下，粗集料(≥4.75mm)形成了严格的骨架结构，根据公式(2)的设计思路，细集料和沥青应填充在粗集料形成的骨架空隙中VCA中；但实验发现，在通过击实成型粗集料骨架中，只要添加3％的2.36mm的颗粒，就会使整个体系的体积明显增加，如表3所示，也即2.36mm颗粒的存在会明显撑开粗集料形成的紧密的骨架结构。因此，为确保骨架结构的完整性，本发明建议剔除2.36mm的颗粒，也即形成间断级配。

表3 细集料对粗集料骨架高度(mm)的影响

对于填充于粗集料骨间空隙中的细集料的级配，可依据最大密实度的填充理论，按式(3)进行设计。

P_i＝(d_i/D)ⁿ×100％                    (3)

式中：P_i——粒径为d_i的通过百分率；

D——集料颗粒中的最大粒径，D＝2.36mm(间断2.36mm～4.75mm的颗粒)；

n——实验指数，本发明建议建议n取值可在0.2～0.45范围。

2、骨架密实型混合料设计算例

通过对公式(2)中各参数测定方法和取值作如上规定后，就可以进行沥青混合料的配合比设计。本发明选取最大颗粒的粒径范围为13.2mm～16mm的玄武岩集料，根据公式(2)进行配合比设计，其设计过程如下：

(1)确定原材料的密度

本发明的设计方法中，需利用到矿料和沥青的密度，其测试方法可按现行规范中规定的方法进行，实测结果如表4所示。

表4 原材料密度

 

粒径/mm	13.2	9.5	4.75	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075	<0.075	沥青
											密度/gcm-3	2.828	2.943	2.953	2.968	2.962	2.970	2.965	2.958	2.735	1.031

(2)测试粗集料的体积填充率V₀

采用捣实成型方法进行测试，实测结果13.2mm的颗粒体积填充率为57.42％。

(3)确定粗集料的理论级配及合成密度

根据公式(1)，粗集料在多点支撑骨架状态下的理论级配组成仅与集料的体积填充率和粒径之比有关，因此可根据公式(1)先行计算出粗集料的理论级配，其计算结果如表5所示。

值得注意的是，根据本文前面的论述，2.36mm的颗粒会对集料的骨架产生明显的“撑开”破坏作用，因此易在2.36mm处间断，所以表5中4.75mm的下一级为1.18mm。表5中的筛余量是根据计算得到的不同粒径颗粒的体积百分率，以粗集料的总量为100％，计算出来的各粒径颗粒在粗集料组成中应具有的质量百分比。严格来讲，将表5中的各级集料体积百分率换算成质量筛余量时，应考虑到各级集料密度的不同；但对于同一料源的集料，其密度随粒径变化不大，因此也可不考虑密度的影响。

表5 粗集料的理论级配

根据表5中的级配及表4中各粒径的密度，可计算出粗集料的混合料密度：

${\mathrm{\&rho;}}_G=\frac{100}{\frac{23.47}{2.828}+\frac{31.37}{2.943}\frac{45.16}{2.953}}=2.920(g/{\mathrm{cm}}^3)$

(4)确定细集料和填料的理论级配及合成密度

细集料的理论级配是根据公式(3)进行计算，此处本文取n＝0.25，计算出细集料和填料的理论级配如表6所示。

表6 细集料的理论级配

 

粒径/mm	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075	<0.075
								通过百分率/％	100	84.09	71.01	59.71	50.21	42.22
筛余百分率/％	0	15.91	13.08	11.30	9.50	7.99	42.22

根据表6的级配，可计算出细集料和填料的混合料的合成密度：

${\mathrm{\&rho;}}_g=\frac{100}{\frac{15.91}{2.968}+\frac{13.08}{2.962}+\frac{11.30}{2.970}+\frac{9.50}{2.965}+\frac{7.99}{2.958}+\frac{42.22}{2.735}}=2.863(g/{\mathrm{cm}}^3)$

(5)确定粗集料的紧密堆积密度ρ_s、空隙率VCA

将粗集料按表5中的相对比例，通过单面击实100次(仅击一面)确定粗集料的紧密堆积状态，并测量其密度ρ_s和空隙率VCA，其实测结果如下：ρ_s＝1.812g/cm³。

VCA＝(1-ρ_s/ρ_G)×100％＝(1-1.812/2.920)×100％＝37.95％

(6)确定沥青混合料的体积参数要求

根据所设计混合料的最大粒径，由表1，选取VMA＝17.5％，选取VV＝4.0％。

(7)确定沥青混合料的各组分的用量

将上述参数带入公式(2)，就可以计算出粗集料用量、细集料用量和油石比。

$\left\{\begin{array}{c}G+g=100\%\\ \frac{g}{2.863}=\frac{G}{1.812}\left(\frac{37.94-17.5}{100}\right)\\ \frac{P_a}{1.028}=\left(\frac{17.5-4.0}{100}\right)\frac{G}{1.812}\end{array}\right.$

计算结果为：粗集料用量G＝73.82％，细集料用量g＝26.18％，油石比Pa＝5.65％

(8)确定矿质混合料的级配

根据所计算出的粗集料和细集料的用量，可将表5和表6中的理论级配换算成混合料的级配，如表7所示。

表7 合成级配

至此，便确定了沥青混合料的级配和油石比，从而完成了整个配合比设计过程。

Claims (3)

1、一种骨架密实型沥青混合料体积设计方法，其特征在于该设计方法包括如下步骤：

步骤1：根据现行规范规定，确定各级集料和沥青材料的密度，

步骤2：测试沥青混合料中直径为D₀的最粗一级集料单独构成混合料时的体积填充率V₀，并按式1计算粗集料的理论级配，其中：V₁为两级集料混合时粗一级集料的填充率，D为粗一级集料粒径；d为细一级集料粒径；V₀为粗一级颗粒单独填充时的填充率，可由堆积密度与表观密度比值得到：

$V_1=\frac{V_0}{{(1+\frac{d}{D})}^3}$                              式1

步骤3：分别确定沥青混合料中粗集料、细集料的理论密度和合成密度，

步骤4：确定粗集料的紧密堆积密度和粗集料紧密堆积状态下的空隙率VCA，

步骤5：根据路面设计要求，选择沥青混合料设计空隙率VV；对矿料间隙率VMA取值的基础上，以2％～4％的幅度增大VMA，

步骤6：根据式2确定沥青混合料中粗集料、细集料和沥青的用量，并由此确定混合料级配，完成混合料的体积设计，

$\left\{\begin{array}{cc}G+g=100\%& \left(a\right)\\ \frac{g}{{\mathrm{\&rho;}}_g}=\frac{G}{{\mathrm{\&rho;}}_s}\left(\frac{\mathrm{VCA}-\mathrm{VMA}}{100}\right)& \left(b\right)\\ \frac{P_a}{{\mathrm{\&rho;}}_a}=\left(\frac{\mathrm{VMA}-\mathrm{VV}}{100}\right)\frac{G}{{\mathrm{\&rho;}}_s}& \left(c\right)\end{array}\right.$             式2

式中：G——矿质混合料中粗集料(≥4.75mm)的比例(％)；

      g——矿质混合料中细集料(<4.75mm)和填料的比例(％)；

      ρ_g——细集料和填料混合后的密度(g/cm³)；

      ρ_s——粗集料的紧密堆积密度(g/cm³)；

      VCA——粗集料紧密堆积状态下的空隙率(％)；

      VMA——矿料间隙率(％)；

      Pa——混合料的油石比(％)；

ρ_a——沥青的密度(g/cm³)；

VV——沥青混合料的空隙率(％)。

2、如权利要求1所述的骨架密实型沥青混合料体积设计方法，其特征在于步骤2中直径为D₀的最粗一级集料单独构成混合料时的体积填充率V₀由其堆积密度与表观密度的比值确定。

3、如权利要求1所述的骨架密实型沥青混合料体积设计方法，其特征在于步骤4中，粗集料的紧密堆积密度应在粗集料单面击实100次时计算。