CN102503257A

CN102503257A - 一种基于原材料级配变异性的矿料级配范围的确定方法

Info

Publication number: CN102503257A
Application number: CN201110313054XA
Authority: CN
Inventors: 王旭东; 傅琴; 周兴业; 张蕾; 郭朝阳; 刘小滔
Original assignee: Guangxi Communications Investment Group Co Ltd; Research Institute of Highway Ministry of Transport
Current assignee: Guangxi Communications Investment Group Co Ltd; Research Institute of Highway Ministry of Transport
Priority date: 2011-10-15
Filing date: 2011-10-15
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-10-15
Also published as: CN102503257B

Abstract

本发明涉及“一种基于原材料级配变异性的矿料级配范围的确定方法”，本发明通过对各档原材料大样本量的筛分试验，得到平均筛分曲线以及相应的变异系数，确定筛分级配的波动范围，确定目标合成级配以及和各档原材料的使用配比，从而确定各档原材料的波动范围。由于原材料变异性的影响，上波动线和下波动线中有些筛孔的通过率偏离设计级配的数值还是较大的，这也反映出了矿料级配的复杂性。无论是采用平均值合成的级配曲线还是级配波动的上波动线和下波动线，其路用性能均能够满足相关的要求。因此，在实际工程中，一定要加强原材料级配的控制，使其尽量接近采用筛分平均值所合成的级配曲线，不超出上、下波动线，才能够保证具有优良的路用性能。

Description

一种基于原材料级配变异性的矿料级配范围的确定方法

技术领域

本发明涉及道路工程中所使用混合料矿料级配范围的确定，特别涉及无机结合料稳定材料、沥青混合料等由多档粒料材料组成的路面材料。

背景技术

对于无机结合料稳定材料、沥青混合料等由多档粒料材料组成的路面材料而言，级配的选择是进行配合比设计时的第一步。为了适应广大工程建设者的需要，现行规范中针对常用的各种混合料推荐了相应的级配范围。但由于这个范围较宽，在其上、下限之间理论上会存在无数条符合要求的级配曲线，而使用者不可能针对每一条符合要求的曲线都开展试验分析之后再进行筛选。因此，通常的做法是通过该级配范围的特征曲线进行有限的试验比选，一般选择三条特征曲线：上限曲线、下限曲线和中值曲线，通过试验从中选择相对最佳的级配曲线作为配合比设计时使用。

但由于我国幅员广阔，地方性材料复杂、石料的破碎方式也不尽相同，为了设计路用性能优良的混合料，对不同的地域采用相同的矿料级配范围显然是不合理的，缺乏针对性、也不利于工程质量的控制。

以沥青混合料目标配合比设计为例，目前在开展这一工作时，主要是在工程设计级配范围内根据原材料冷料的筛分结果计算1-3组粗细不同的配合比，绘制设计级配曲线，使其分别位于工程设计级配范围的上方、中值及下方，然后根据工程所在地的实践经验选择适宜的沥青用量分别制作几组马歇尔试件，测定VMA，初选一组满足或接近设计要求的级配作为设计级配再进一步开展后续试验工作。但是，由于路用粗集料、细集料及填料等原材料生产加工的特点，导致了不同批次同种原材料的性能不可避免的存在一定的变异性，特别是颗粒组成的变异性很大。

如前所述，目前所使用的沥青混合料目标配合比设计方法是采用原材料的冷料筛分结果来试配单一的级配曲线而并未考虑材料自身的变异性，这样当原材料的变异性很大时，势必会导致合成级配曲线不具有广泛的代表性。因此，为了使开展目标配合比设计时所确定的级配曲线能够与施工过程中的更为接近，应该将原材料的冷料变异性考虑在配合比设计阶段。

可见，针对实际工程所使用的矿料，确定合理的级配范围，是更加科学和更有利于工程质量控制的。

发明内容

针对上述不足，本发明提出一种基于原材料级配变异性的矿料级配范围确定方法，按此方法确定的矿料级配范围能够充分考虑原材料生产加工变异性过大所引起的生产级配波动以及对混合料路用性能的影响，使材料变异性在配合比设计阶段便达到有效的控制状态。

一种基于原材料级配变异性的矿料级配范围确定方法，包括如下步骤：

1)、根据设计要求，选用工程设计级配，2)、对所选用矿料展开大样本量的冷料级配筛分试验，确定各档材料的平均筛分曲线以及相应的变异系数，按照2倍标准差的标准，计算出各档材料筛分级配的波动范围；3)、冷料级配筛分试验得到的平均值试配接近工程设计级配的目标合成级配曲线，同时确定各档材料的使用比例，4)、根据已确定的各档材料的使用比例，和各档材料筛分级配的波动范围，确定生产级配合理的波动范围；

所述步骤3)目标合成级配曲线的确定方法采用试配的合成级配曲线作路面性能试验，合格则定为目标合成级配曲线，不合格则重新试配，直至得到一条目标合成级配曲线，所述各档材料的使用比例计算方法为：令

为试配的合成级配，

为第i档矿料的筛分级配，各档矿料经过组合，合成的级配应满足下式要求，公式1中a_i为第i档矿料的比例，

\overset{&RightArrow;}{Y} &cong; Σ_{i = 1}^{n} a_{i} X_{i}

(公式1)。

所述设计要求为使用水泥稳定碎石作为基层材料，所述路面性能试验为重型击实试验和7d无侧限抗压强度试验。

所述设计要求为沥青混凝土设计，所述路面性能试验为马歇尔击实试验、车辙试验、低温小梁弯曲试验和水稳定性试验。

所述方法还包括步骤5)，所述步骤5)为针对这个波动范围的上限曲线和下限曲线开展路用性能的验证试验。

所述大样本量为至少10个样本以上。

本发明主要包括如下具体步骤：

1.按照工程设计文件或招标文件规定并根据公路等级、工程性质、气候条件、交通条件、材料品种等参数确定无机结合料稳定材料、沥青混合料等由多档粒料材料组成的路面材料的工程设计级配。

2.各档原材料级配分布特征的确定

(1)对所使用的粗集料、细集料和填料开展大样本量的冷料级配筛分试验，确定各档材料的平均筛分曲线以及相应的变异系数；

(2)按照2倍标准差的标准，计算出各档材料筛分级配的波动范围。

3.确定各档矿料的比例。

采用人机对话的方式，使用步骤2得到的冷料级配筛分试验结果的平均值试配接近步骤1确定的工程设计级配的目标配合比合成级配曲线。

确定各档混合料的比例，实际上是一个数学拟合的优化过程。令

为理论目标级配，为第i档矿料的筛分级配。各档矿料经过组合，合成的级配应满足下式要求。公式1中a_i为第i档矿料的比例。

\overset{&RightArrow;}{Y} &cong; Σ_{i = 1}^{n} a_{i} X_{i}

(公式1)

4.目标级配的合成及性能验证。

(1)针对工程所确定的目标级配，根据各档原材料的平均筛分曲线，确定各档原材料的使用比例，同时得到混合料的合成级配曲线。

(2)根据合成级配进行混合料的相关路用性能验证试验。

5.生产级配合理波动范围的确定及性能验证

(1)根据已确定的各档原材料使用比例，和各档原材料级配的波动范围，计算实际生产中混合料级配的波动范围。

(2)针对这个波动范围的上限曲线和下限曲线开展路用性能的验证试验。

由于原材料变异性的影响，上波动线和下波动线中有些筛孔的通过率偏离设计级配的数值还是较大的，这也反映出了矿料级配的复杂性。无论是采用平均值合成的级配曲线还是级配波动的上波动线和下波动线，其路用性能均能够满足相关的要求，但两条上、下波动线的性能要低于合成级配曲线。因此，在实际工程中，一定要加强原材料级配的控制，使其尽量接近采用筛分平均值所合成的级配曲线，不超出上、下波动线，才能够保证具有优良的路用性能。

附图说明

图1水泥稳定碎石重型击实试验含水量与干密度的二元关系曲线

图2AC10沥青混凝土油石比与马歇尔试件毛体积相对密度的二元关系曲线

图3AC10沥青混凝土油石比与空隙率间的二元关系曲线

图4AC10沥青混凝土油石比与矿料间隙率间的二元关系曲线

图5AC10沥青混凝土油石比与沥青饱和度间的二元关系曲线

具体实施方式

以下结合两个具体的实例来进一步说明基于原材料级配变异性的矿料级配范围确定方法。

【实施例1】：某高速公路拟使用水泥稳定碎石作为基层材料，设计级配见表1，设计要求该水泥稳定碎石基层7d无侧限抗压强度代表值不小于5MPa。该材料共由5档原材料组成，分别为19～26.5mm、13.2～19mm、9.5～13.2mm、4.75～9.5mm、0～4.75mm，试根据原材料的变异性确定矿料级配的合理波动范围。

表1水泥稳定碎石设计级配

筛孔尺寸mm	26.5	19	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
												通过百分率％	100	84	68.5	57.5	40	26.5	17.5	11.5	7.5	5	3.5

根据上述发明内容，具体的实施步骤如下：

步骤1：确定各档原材料的筛分结果平均值及变异系数

对所使用的19～26.5mm、13.2～19mm、9.5～13.2mm、4.75～9.5mm、0～4.75mm这5档原材料开展8次以上的大样本量筛分试验，筛分结果的平均值以及变异系数见表2。

表2各档原材料筛分结果平均值及变异系数

步骤2：计算各档原材料筛分级配的波动范围

按照2倍标准差的标准，计算表2中5档原材料筛分级配的波动范围如表3。

表3各档原材料筛分级配的波动范围

步骤3：确定各档矿料的比例及目标级配的合成

采用人机对话的方式，根据表2中五档矿料级配筛分结果的平均值试配接近表1设计级配的目标合成级配曲线。各档矿料比例的试配结果及目标合成级配计算结果见表4。

表4各档矿料的比例及目标合成级配

步骤4：目标级配的性能验证

采用表4中确定的各档矿料比例及所合成的目标级配开展路用性能验证试验。当路用性能验证通不过时，应重新采用“人机对话”的方式确定各档矿料的另一种比例及目标合成级配，直至路用性能验证通过为止。

(1)开展重型击实试验

选择水泥剂量为5％，初试含水量为3％、4％、5％、6％、7％、8％开展重型击实试验，绘制含水量与干密度的二元关系曲线，如图1所示。

图1中二元关系曲线的峰值点对应的含水量即为重型击实试验的最佳含水量，所对应的干密度为最大干密度。则：最佳含水量为：4.81％，最大干密度为：2.367g/cm³。

(2)开展7d无侧限抗压强度试验

采用上述确定的最佳含水量和最大干密度成型9个Ф150cm×150cm圆柱体试件，在标准条件下养生7d之后进行无侧限抗压强度试验，试验结果见表5。

表57d无侧限抗压强度试验

由表5可知，目标级配的性能验证结果表明，该级配的7d无侧限抗压强度代表值为：6.3MPa，满足设计不小于5MPa的要求，路用性能验证通过，不需要重新确定各档矿料的比例和目标合成级配。

步骤5：生产级配合理波动范围的确定及性能验证

根据上面的计算，按照各档料实际的波动范围(表3中的结果)和按照各档料的级配均值确定的掺配比例，可以计算出合成级配的波动范围，见表6。

表6级配波动的范围

粒径	31.5	26.5	19	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
													上波动线	100.0	99.7	87.3	72.4	57.0	38.5	37.3	26.2	19.7	15.7	12.2	9.0
下波动线	99.8	98.7	80.5	63.2	46.2	36.5	26.1	18.6	13.7	9.4	5.4	2.2
													设计级配	100	100	84	68.5	57.5	40	26.5	17.5	11.5	7.5	5	3.5

从表6中可以看出，由于原材料变异性的影响，上波动线和下波动线中有些筛孔的通过率偏离设计级配的数值还是较大的，这也反映出了矿料级配的复杂性。

根据表6中的两条波动曲线，即：上波动线和下波动线，开展步骤4中提及的重型击实试验以确定最佳含水量和最大干密度，并据此参数成型试件开展7d无侧限抗压强度试验，详细的试验过程不再赘述，这里只列出最终得到的上波动线7d无侧限抗压强度代表值为：5.2MPa、下波动线7d无侧限抗压强度代表值为：5.4MPa，二者均满足设计不小于5MPa的要求。

综合上述结果，无论是采用平均值合成的级配曲线还是级配波动的上波动线和下波动线，其路用性能均能够满足相关的要求，但两条上、下波动线的性能要低于合成级配曲线。因此，在实际工程中，一定要加强原材料级配的控制，使其尽量接近采用筛分平均值所合成的级配曲线，不超出上、下波动线，才能够保证具有优良的路用性能。

【实施例2】：某高速公路AC10沥青混凝土的设计级配见表7，该材料由0-3mm、3-5mm、5-10mm、矿粉四档矿料组成，试根据原材料的变异性确定矿料级配的合理波动范围。设计要求车辙试验动稳定度不小于2000次/mm、车辙试验相对变形不大于5％、小梁弯曲试验的最大弯拉应变不小于5000微应变、表征水稳定性的浸水马歇尔残留稳定度不小于80％。

表7AC10沥青混凝土设计级配

筛孔尺寸mm	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
										通过百分率％	100	97.5	35	27.3	21.3	16.8	13.1	10.2	8.0

根据上述发明内容，具体的实施步骤如下：

步骤1：确定各档原材料的筛分结果平均值及变异系数

对所使用的0-3mm、3-5mm、5-10mm、矿粉四档矿料开展10次以上的大样本量筛分试验，筛分结果的平均值以及变异系数见表8。

表8AC10各档原材料筛分结果平均值及变异系数

步骤2：计算各档原材料筛分级配的波动范围

按照2倍标准差的标准，计算表8中5档原材料筛分级配的波动范围如表9。

表9AC10各档原材料筛分级配的波动范围

步骤3：确定各档矿料的比例及目标级配的合成

采用人机对话的方式，根据表8中五档矿料级配筛分结果的平均值试配接近表7设计级配的目标合成级配曲线。各档矿料比例的试配结果及目标合成级配计算结果见表10。

表10AC10各档矿料的比例及目标合成级配

粒径(mm)	5～10	3～5	0～3	矿粉	目标合成级配	设计级配
							13.2	100.0	100	100	100	100.0	100
9.5	95.7	100.0	100.0	100	96.7	97.5
							4.75	17.7	83.4	94.6	100	37.2	35
2.36	3.7	22.3	69.2	100	21.6	27.3
							1.18	2.6	12.1	50.3	100	17.0	21.3
0.6	2.2	8.1	36.4	100	13.9	16.8
							0.3	1.9	6.3	25.6	100	11.5	13.1
0.15	1.8	5.4	19.1	95	9.9	10.2
							0.075	1.7	4.6	14.5	80	8.1	8.0
比例(％)	75	0	20	5

步骤4：目标级配的性能验证

采用表10中确定的各档矿料比例及所合成的目标级配开展路用性能验证试验。当路用性能验证通不过时，应重新采用“人机对话”的方式确定各档矿料的另一种比例及目标合成级配，直至路用性能验证通过为止。

(1)开展标准马歇尔击实试验

选择5个油石比，分别为4.6％、5.0％、5.4％、5.8％、6.2％开展标准马歇尔击实试验，绘制油石比与马歇尔试件毛体积相对密度、空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度之间的二元关系曲线，如图2至图5所示。

由图2至图5可以确定，AC10沥青混凝土的最佳油石比为：5.47％。

(2)开展路用性能验证试验

采用上述确定的最佳油石比，开展车辙试验、低温小梁弯曲试验和水稳定性试验等路用性能验证试验，试验结果见表11所示。

表11AC10路用性能验证试验结果

由表11可知，目标级配的性能验证结果表明，该级配的路用性能满足相应的技术要求，性能验证通过，不需要重新确定各档矿料的比例和目标合成级配。

步骤5：生产级配合理波动范围的确定及性能验证

根据上面的计算，按照各档料实际的波动范围(表9)和按照各档料的级配均值确定的掺配比例，可以计算出合成级配的波动范围，见表12。

表12AC10级配波动的范围

粒径	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
										上波动线	98.3	49.8	27.2	21.2	16.6	13.6	11.8	9.9	98.3
下波动线	95.2	23.7	16.4	13.0	11.2	9.4	8.0	6.4	95.2
										设计级配	100	97.5	35	27.3	21.3	16.8	13.1	10.2	8.0

从表12中可以看出，由于原材料变异性的影响，上波动线和下波动线中有些筛孔的通过率偏离设计级配的数值还是较大的，这也反映出了矿料级配的复杂性。

根据表12中的两条波动曲线，即：上波动线和下波动线，开展步骤4中提及的标准马歇尔击实试验以确定最佳油石比，并据此参数成型试件开展车辙、小梁弯曲和水稳定性等路用性能验证试验，详细步骤省略，这里只列出试验结果见表13。

表13AC10上、下波动线路用性能验证试验结果

Claims

1.一种基于原材料级配变异性的矿料级配范围的确定方法，包括如下步骤：1)、根据设计要求，选用工程设计级配，2)、对所选用矿料展开大样本量的冷料级配筛分试验，确定各档材料的平均筛分曲线以及相应的变异系数，按照2倍标准差的标准，计算出各档材料筛分级配的波动范围；3)、冷料级配筛分试验得到的平均值试配接近工程设计级配的目标合成级配曲线，同时确定各档材料的使用比例，4)、根据已确定的各档材料的使用比例，和各档材料筛分级配的波动范围，确定生产级配合理的波动范围；

为试配的合成级配，

\overset{&RightArrow;}{Y} &cong; Σ_{i = 1}^{n} a_{i} X_{i}

(公式1)。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括步骤5)，所述步骤5)为针对这个波动范围的上限曲线和下限曲线开展路用性能的验证试验。

3.根据权利要求1或2所述的方法，所述设计要求为使用水泥稳定碎石作为基层材料，所述路面性能试验为重型击实试验和7d无侧限抗压强度试验。

4.根据权利要求1或2所述的方法，所述设计要求为沥青混凝土设计，所述路面性能试验为马歇尔击实试验、车辙试验、低温小梁弯曲试验和水稳定性试验。