CN102503243B - 一种利用三控制点双曲线构造矿料级配的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用三控制点双曲线构造矿料级配的确定方法，包括如下步骤：(1)根据混合料的性质，确定三个控制点：混合料的公称最大粒径及其通过率，混合料的公称最小粒径及其通过率，粗、细集料间断点公称粒径及其通过率，(2)粗集料级配曲线和细集料级配曲线分别选择幂函数模型、指数函数模型、对数函数模型，(3)测定混合料的捣实密度和捣实矿料间隙率，根据工程需要，分别选用粗集料级配和细集料级配。本发明可根据沥青混合料配合比设计要求，选择合理的级配形式，还可以根据不同地区、不同料源的构成混合料的特点，选择构建不同的级配曲线形式，充分发挥矿料在混合料中的性能特点，对混合料配合比设计具有较好的指导意义。

Description

一种利用三控制点双曲线构造矿料级配的确定方法
技术领域
本发明涉及道路工程中一种沥青混合料级配的确定方法，特别是涉及一种利用三控制点双曲线构造矿料级配的确定方法。
背景技术
矿料级配是由多种不同粒级的矿料组成，在实际工程中确定各级粒径的矿料之间的合理比例十分复杂。事先设定好一种级配曲线或级配范围，然后套用于各种不同粒径大小的矿料，是当前常用的混合料级配设计的出发点。这样不能充分发挥各种矿料的技术特点，也造成级配设计的盲目性。
例如：分别采用北京玄武岩、河北玄武岩、四川轧制河卵石和广东花岗岩的矿料，按照相同的级配曲线，进行的马歇尔击实试验(试验结果见表1)。可以发现相同级配和相同油石比的情况下，混合料的空隙率相差很大，最小的3.84％，最大的6.80％。进一步，对几乎占混合料重量60％以上的4.75～9.5mm粗集料的粒径分析结果看，这四种石料的粗集料粒径相差很大，见表2。由此说明，在相同级配情况下，由于各地原材料等特性不一样，导致混合料的密实程度也不一样。因此应结合原材料性能特点对混合料的级配进行有效的控制措施。
表1：不同粗集料产地的SAC10马歇尔试验结果
  石料来源   密度   孔隙率   VMA   VFA   VCA
  北京   2.5261   3.84％   13.57％   71.73％   44.09％
  广东   2.3167   6.80％   15.71％   56.72％   44.53％
  四川   2.4005   5.08％   14.54％   65.07％   44.09％
  河北   2.4433   6.65％   17.07％   61.07％   46.53％
表2：不同产地的粗集料当量半径
  石料来源   北京   广东   四川   河北
  粗集料当量半径(cm)   0.38   0.41   0.41   0.46
那么，如何根据矿料情况选择合理的级配曲线？这是本专利主要的发明重点。当前国际上公认的有三种级配曲线的构成方法：
第一种N法：泰波A.N法，根据最大密度原则提出：
Pi＝100(di/D)n
Pi孔径为di(mm)的筛孔的通过百分率％；
di-希望计算的各级粒径(mm)；
D-混合料中的最大粒径(mm)。
通常情况下n＝0.3-0.7；当n＝0.5，为富勒曲线；日本推荐n＝0.35-0.45；美国以n＝0.45作为标准级配依据。
第二种I法：同济大学林绣贤教授70年代提出，已通过百分率的递减率i为参数。
Px＝100×ix
x＝3.32lg(D/d)
i-通过百分率递减系数；
d-希望计算的某级矿料粒  径(mm)；
D-混合料的最大粒径(mm)。
i＝0.7-0.8为合理范围。当i＞0.8细料偏多；当i＜0.7容易透水。i＝0.75为最佳。
第三种K法：前苏联控制筛余量递减系数方法。
P x = 1 - k x - 1 k y - 1
y＝3.32lg(D/0.004)
x＝3.32lg(D/d)
k-颗粒分级重量递减系数；
d-希望计算的某级矿料粒径(mm)；
x-矿料分档数目。
同济大学主张k＝0.7-0.8较为合理；在我国南方k＝0.7为好，北方k＝0.75为好，当k＞0.8容易产生车辙。
表1：不同设计方法得到的设计级配差异
Figure BDA0000099069250000022
Figure BDA0000099069250000031
这些方法的共同特点是采用一条级配曲线描述各个粒径的组成规律，也正因为如此，级配的选择余地小，不能充分反映原材料的矿料级配特点。
发明内容
针对上述领域中的不足，本申请提出将粗、细集料曲线分别构成的三控制点双曲线矿料级配模型，从而扩大级配选择余地，通过试验分析评价，确定适应于矿料特点的优化级配。
一种利用三控制点双曲线构造矿料级配的确定方法，包括如下步骤：
1)根据混合料的性质，确定三个控制点：混合料的公称最大粒径及其通过率，混合料的公称最小粒径0.075mm及其通过率，粗、细集料间断点公称粒径为4.75mm，及其通过率，
2)粗集料级配曲线和细集料级配曲线分别选择幂函数模型、指数函数模型、对数函数模型，
幂函数模型：y＝a·xb
指数函数模型：y＝a·ebx
对数函数模型：y＝a·ln(x)+b
均有两个待定参数：a、b，Y为各粒径的通过率；X为各粒径的孔径(mm)，
3)测定混合料的捣实密度和捣实矿料间隙率，根据工程需要，分别选用粗集料级配和细集料级配。
所述步骤3)还包括测定测定混合料的毛体积密度，空隙率，矿料间隙率和粗集料间隙率。
所述上述测定方法为马歇尔击实试验。
对于密实性混合料，间断点的通过率应达到30％以上，为保证混合料具有一定的骨架结构，间断点的通过率一般不大于40％。对于开级配混合料，间断点的通过率一般为15％-25％左右。
本发明的具体步骤如下：
发明点一：“三控制点、双曲线”级配构成方法。在矿料粒径及其通过率的平面坐标中，第一个控制点为混合料的公称最大粒径及其通过率，第二个控制点为混合料的最小粒径(0.075mm)及其通过率，第三个控制点为粗、细集料的间断点(4.75mm)及其通过率。这三个控制点将整个矿料级配分为粗集料级配曲线和细集料级配曲线。粗集料级配曲线是指从公称最大粒径到粗、细集料间断点的曲线；细集料级配曲线是指从粗、细集料间断点到最小粒径的曲线。(如图1所示)
发明点二：粗集料级配曲线和细集料级配曲线分别选择幂函数模型、指数函数模型、对数函数模型，从而使这两个曲线分别有偏粗、偏细和中等的三种矿料搭配规律，以利于矿料级配规律的选择。这样组合后，整个级配曲线可以得到九条试验级配曲线，通过试验，选择其中一条合理的设计曲线。
幂函数模型：y＝a·xb
指数函数模型：y＝a·ebx
对数函数模型：y＝a·ln(x)+b
均有两个待定参数：a、b。Y为各粒径的通过率；X为各粒径的孔径(mm)。
对应的粗集料～细集料函数模型分别为幂函数～幂函数、幂函数～指数函数、幂函数～对数函数、指数函数～幂函数、指数函数～指数函数、指数函数～对数函数、对数函数～幂函数、对数函数～指数函数、对数函数～对数函数。
发明点三：通过性能检测，根据工程需要确定级配。
粗细集料间断点通过率的可调性。除了通过粗、细集料理论级配曲线形式选择来控制整体矿料级配的走向外，而且可以通过粗细集料间断点的通过率控制级配曲线的构成趋势。对于混合料的密实性等关键指标，粗细集料间断点通过率的影响至关重要。
对于密实性混合料，间断点的通过率应达到30％以上，为保证混合料具有一定的骨架结构，间断点的通过率一般不大于40％。对于开级配混合料，间断点的通过率一般为15％-25％左右。
矿料级配是由多种以上不同粒级的矿料组成，理论上讲，在两个关键点之间可以按照任意规律构建无数条曲线。现可提供三种数学模型构建级配曲线：
这三种模型尽管可以有相同的关键点，但是由于矿料中各档粒径的比例关系不同，构建的矿料级配具有明显的路用性能差异。
在沥青混合料级配设计中提出一种“三控制点、双曲线”级配选择方法，能更清晰迅速的进行级配优化选择。可根据沥青混合料配合比设计要求设计出密实性、半开级配、开级配的混合料，通过对这些混合料性能的分析，根据工程需要，选择合理的级配形式。
该发明可以充分根据构成混合料的矿料的特点，对于不同地区、不同料源的矿料选择构建不同的级配曲线形式，充分发挥矿料在混合料中的性能特点，对混合料配合比设计具有较好的指导意义。
附图说明
图1：矿料级配设计关键要素，
图2：三种数学函数模型设计得到的粗集料级配曲线，
图3：三种级配混合料毛体积密度的比较，
图4：三种级配混合料空隙率的比较，
图5：三种级配混合料矿料间隙率的比较，
图6：三种级配混合料粗集料矿料间隙率的比较，
图7：三种级配混合料饱和度的比较，
图8：试验用级配曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
本试验以16型混合料为例，采用骨架断级配原则，16mm通过率为95％，4.75mm通过率为30％，0.075mm通过率为7％，以这三点作为控制点，粗、细集料级配曲线分别采用对数函数、幂函数和指数函数计算生成。按照正交实验可以确定不同的细集料和粗集料的曲线，本技术方案中仅考虑粗集料部分的配合比变化对各项指标、性能的影响，4.75mm～0.075mm细集料统一采用幂函数生成。建立细集料级配曲线；16mm～4.75mm的粗集料分别采用对数函数模型、幂函数模型和指数函数模型，构建三种不同的粗集料级配曲线。由此形成三种16型级配曲线，见下表4和图2、8。
表4：本发明三种函数模型对应的级配结果
Figure BDA0000099069250000051
由表4看出，对于16型级配，幂函数粗集料的级配曲线与线性函数的级配曲线极为相似，几乎重叠；对数函数的粗集料级配比幂函数偏细，而指数函数的粗集料级配比幂函数偏粗。以下将针对幂函数、对数函数和指数函数三种级配对应的沥青混合料进行性能分析。
本试验采用石料和矿粉的密度试验结果如下表5
表5：试验用矿料密度试验结果
  表干密度   表观密度   毛体积密度   吸水率
  16   2.7370   2.7520   2.7285   0.31％
  13.2   2.7359   2.7519   2.7268   0.33％
  9.5   2.7338   2.7524   2.7232   0.39％
  4.75   2.7626   2.8055   2.7388   0.87％
  2.36   2.6875   2.7258   2.6653   0.83％
  1.18   2.6880   2.7259   2.6660   0.82％
  0.6   2.6805   2.7205   2.6573   0.87％
  0.3   2.6894   2.7191   2.6722   0.65％
  0.15   2.7326
  0.075   2.7714
  矿粉   2.8303
按表观密度和毛体积密度的平均值计算三种级配混合料不同油石比下的理论密度，同时计算三种级配混合料粗集料的毛体积密度和矿料毛体积密度，见下表6
表6：三种函数模型级配混合料的密度计算结果
下表7三种级配粗集料捣实密度和捣实粗集料矿料间隙率的试验结果。从表中试验结果看出，对数级配的捣实密度最小，捣实VCA最大；幂函数的捣实密度其次，捣实VCA居中；指数级配的捣实密度最大，捣实VCA最小。
表7：三种函数模型级配的粗集料捣实矿料间隙率的试验结果
  函数模型   捣实密度(g/cm3)   捣实VCA
  幂函数   1.6820   38.39％
  对数函数   1.6804   38.50％
  指数函数   1.6891   38.11％
表8：三种级配模型的混合料马歇尔击实试验结果(每面75次)
三种级配比较而言，在相同的油石比情况下，指数函数的毛体积密度最大，空隙率、矿料间隙率和粗集料矿料间隙率最小，饱和度最大；对数函数的毛体积密度最小，空隙率、矿料间隙率和粗集料矿料间隙率最大，饱和度最小；幂函数介于两者之间。因此，可以认为用指数函数构建的混合料级配的密实性最好，用对数函数构件的混合料级配的密实性较差，而幂函数构建的混合料级配的密实性介于两者之间。这与前面捣实粗集料矿料间隙率的试验结果一致，说明粗集料捣实试验对预测混合料的体积性能有一定帮助。
如按照设计空隙率确定混合料的油石比，指数函数混合料的油石比为3.85％，幂函数混合料的油石比为4.15％，对数函数混合料的油石比为4.50％。
这三种混合料的试验结果说明，对于相同矿料品种、相同碎石含量断级配混合料，粗集料之间比例关系不同，即粗集料的级配不同，对混合料的性能影响是显著的。在实际工程中，当确定了混合料中的碎石含量后，仍需要对碎石(粗集料)的级配进行优化设计，以期达到混合料的最优状态。
根据三种粗集料的级配特点角度分析，指数函数级配中大粒径的粗集料含量较高，摊铺到路面后，构造深度较大，抗滑性能好，唯一不足的是施工过程中容易产生离析，对摊铺施工的工艺水平要求较高；而对数函数级配中大粒径的粗集料含量较少，抗滑性能较弱，但施工过程中离析现象比较少，易于施工；幂函数级配介于两者之间。
在沥青混合料级配设计中提出一种“三控制点、双曲线”级配选择方法，能更清晰迅速的进行级配优化选择。可根据沥青混合料配合比设计要求设计出密实性、半开级配、开级配的混合料，通过对这些混合料性能的分析，根据工程需要，选择合理的级配形式。

Claims (4)

1.一种利用三控制点双曲线构造矿料级配的确定方法，包括如下步骤：
1）根据混合料的性质，确定三个控制点：混合料的公称最大粒径及其通过率，混合料的公称最小粒径0.075mm及其通过率，粗、细集料间断点公称粒径为4.75mm及其通过率，
2）粗集料级配曲线和细集料级配曲线分别选择幂函数模型、指数函数模型、对数函数模型，
幂函数模型：y＝a·xb
指数函数模型：y＝a·ebx
对数函数模型：y=a·ln(x)+b
均有两个待定参数：a、b，y为各粒径的通过率；x为各粒径的孔径，单位为mm，
3）测定混合料的捣实密度和捣实矿料间隙率，根据工程需要，分别选用粗集料级配和细集料级配；
所述步骤3）还包括测定混合料的毛体积密度，空隙率，矿料间隙率和粗集料间隙率，所述测定混合料的毛体积密度，空隙率，矿料间隙率和粗集料间隙率的方法为马歇尔击实试验。
2.根据权利要求1所述的确定方法，所述混合料为密实性混合料，间断点的通过率为30%以上。
3.根据权利要求1所述的确定方法，所述混合料为骨架性混合料，间断点的通过率不大于40%。
4.根据权利要求1所述的确定方法，所述混合料为开级配混合料，间断点的通过率为15%-25%。 
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