CN104609774B - 基于沥青膜厚度的橡胶沥青密级配混合料设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于沥青膜厚度的橡胶沥青密级配混合料设计方法，其特征在于，包括如下步骤：分析沥青混合料油石比、级配、沥青性能之间关系，确定橡胶沥青的沥青膜厚度与135℃粘度之间的关系：分析沥青混合料级配构成机理；分析粒径在1.18mm以上各档矿料对粗集料堆积状态的撑开作用；分析细集料、填料的填充作用以及细集料的级配组成；列出关于粗集料含量、细集料含量、填料含量、135℃粘度的关系式；确定配比计算方程：根据体积参数沥青混合料空隙率VV和矿料间隙率VMA求出混合料的级配组成与油石比，求出粗集料含量、细集料含量、填料含量、油石比，带入粗集料、细集料级配组成，最终确定混合料的级配组成。本方法能够比较精确的确定混合料油石比。

Description

基于沥青膜厚度的橡胶沥青密级配混合料设计方法

技术领域

本发明属于沥青混合料级配设计领域，具体涉及橡胶沥青密级配混合料设计方法。

背景技术

目前，我国正处于公路交通迅速发展时期，公路建设取得了瞩目的成就，然而，公路实际质量却普遍存在着耐久性差、使用寿命短和早期破坏的现象，路面出现如此多的问题，除了与设计、施工、养护方面因素有关外，路面材料也是重要的因素。改性沥青混合料以其优良的路用性能，一直是道路工程领域重要研究方向，另一方面，我国汽车保有量逐年增加，出现大量的废旧轮胎，严重污染了环境和危机人类的健康，在利用再生资源、提高沥青混合料路用性能、处理好废旧轮胎等众多因素的促进下，橡胶改性沥青与橡胶沥青混合料作为一种节能环保材料以及其优良的路用性能而受到筑路界的高度关注。

橡胶沥青在经过国内30多年发展，取得了一定的成果，已经制定了相关橡胶沥青技术指标，包括江苏省《断级配橡胶沥青混合料(AR-AC-13)施工指南》和北京市《北京市废胎胶粉沥青及混合料设计施工技术指南》等关于橡胶沥青混合料级配设计与使用方法。目前橡胶沥青混合料级配设计比较典型的包括北京和江苏两种级配设计理念，这两种设计方法对于混合料的体积参数有不同的规定和要求，分别设计出开级配和密级配两种橡胶沥青混合料，在橡胶沥青混合料使用过程中，主要出现以下两个方面不足：

(1)油石比普遍偏高，达到6％以上，过大的油石比导致橡胶沥青混合料的经济性不明显，从而在很大程度上限制了橡胶沥青混合料的推广。

(2)两种级配均是根据橡胶沥青特性以及使用经验确定的级配范围，缺乏对于级配内各档矿料之间组成结构理论基础，因此在级配设计过程中无法按照混合料性能需求来进行混合料级配设计。

然而，从目前橡胶沥青混合料使用情况看，更加注重橡胶沥青混合料的性能要求，因此，申请人经研究发现：在进行橡胶沥青混合料级配设计过程中，可通过控制相关体积参数，通过相关理论设计出符合性能要求的级配。

发明内容

发明目的：提供一种基于沥青膜厚度及骨架构成的橡胶沥青密级配混合料设计方法，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种基于沥青膜厚度的橡胶沥青密级配混合料设计方法，包括如下步骤：

步骤1：分析沥青混合料油石比、级配、沥青性能之间关系，确定橡胶沥青的沥青膜厚度与135℃粘度之间的关系：

u＝0.001P+6.744 (1)

式中，P为橡胶沥青的135℃粘度，单位为mPa.s；

u为橡胶沥青的沥青膜厚度，单位为μm；

步骤2：分析沥青混合料级配构成机理；分析粒径在1.18mm以上各档矿料对粗集料堆积状态的撑开作用，将粒径≥2.36mm的作为粗集料；分析细集料、填料的填充作用以及细集料的级配组成；列出关于粗集料含量、细集料含量、填料含量、135℃粘度的关系式；

步骤3：确定配比计算方程：

$\left\{\begin{array}{cc}G+q_f+q_p=100& \left(a\right)\\ \frac{q_f}{{\mathrm{\ρ}}_f}+\frac{q_p}{{\mathrm{\ρ}}_p}=\frac{G}{{\mathrm{\ρ}}_{sc}}\left(\frac{VCA-VMA}{100}\right)& \left(b\right)\\ \frac{q_a}{{\mathrm{\ρ}}_a}=\frac{G}{{\mathrm{\ρ}}_{sc}}\left(\frac{VMA-VV}{100}\right)& \left(c\right)\\ SA=\frac{q_a}{(0.001P+6.744)\·{\mathrm{\ρ}}_a}& \left(d\right)\end{array}\right.,$

式中，G为矿质混合料中粗集料的重量比例％，q_f为矿质混合料细集料重量比例，

q_p为填料的重量比例，q_a为油石比，ρ_sc为粗集料捣实堆积密度，g/cm³，

ρ_f为细集料密度，ρ_p为填料的密度，ρ_a为沥青密度，VV为沥青混合料空隙率，

VMA为矿料间隙率，VCA为粗集料紧密堆积状态下空隙率，

SA为矿料比表面积，m²/kg，

P为沥青135℃粘度；

步骤4：根据体积参数沥青混合料空隙率VV和矿料间隙率VMA求出混合料的级配组成与油石比，通过消元法，求出粗集料含量、细集料含量、填料含量、油石比，带入粗集料、细集料级配组成，最终确定混合料的级配组成。

在进一步的实施例中，所述步骤4进一步为：通过密度与体积之间的关系式计算粗集料松散堆积状态下空隙率VCA：

$VCA=100\×(1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_{sc}}{{\mathrm{\ρ}}_G})---\left(2\right)$

式中，ρ_G为粗集料合成密度，ρ_sc为粗集料捣实堆积密度。所述矿料间隙率VMA为15或16。所述矿料比表面积SA计算方式如下：

SA＝0.41+0.0041a+0.0082b+0.0164c+0.0287d+0.0614e+0.1229f+0.3277g；

其中，a、b、c、d、e、f、g分别为4.75mm以下各筛孔通过率。所述细集料的粒径为0.075mm～2.36mm，所述填料的粒径小于0.075mm。

一种基于沥青膜厚度的橡胶沥青密级配混合料设计方法，步骤如下：

步骤1：确定橡胶沥青135℃粘度、油石比、级配、沥青膜厚度之间的关系式；

步骤2：分析橡胶沥青混合料粗集料结构组成，确定粗集料构成混合料骨架后的空隙率VCA，并且研究各档细集料对粗集料结构组成的影响，确定粗集料合成级配与合成密度；

步骤3：分析细集料与填料的填充原理，确定细集料的级配组成和合成密度；

步骤4：沥青混合料的构成机理，粗集料构成混合料的骨架结构，细集料和填料填充粗集料形成的空隙VCA，沥青粘结各档矿料并填充各档矿料形成的空隙VMA，各档矿料与沥青填充完毕后剩余空隙即为混合料空隙率VV；

步骤5：根据混合料组成形式与构成机理，结合步骤1的分析结果，得出橡胶沥青级配设计方程；

$\left\{\begin{array}{cc}G+q_f+q_p=100& \left(a\right)\\ \frac{q_f}{{\mathrm{\ρ}}_f}+\frac{q_p}{{\mathrm{\ρ}}_p}=\frac{G}{{\mathrm{\ρ}}_{sc}}\left(\frac{VCA-VMA}{100}\right)& \left(b\right)\\ \frac{q_a}{{\mathrm{\ρ}}_a}=\frac{G}{{\mathrm{\ρ}}_{sc}}\left(\frac{VMA-VV}{100}\right)& \left(c\right)\\ SA=\frac{q_a}{(0.001P+6.744)\·{\mathrm{\ρ}}_a}& \left(d\right)\end{array}\right.;$

式中：

G为矿质混合料中粗集料的重量比例％，q_f为矿质混合料细集料重量比例％，

q_p为填料的重量比例％，q_a为油石比％，ρ_sc为粗集料捣实堆积密度g/cm³，

ρ_p为填料的密度g/cm³，ρ_f为细集料密度g/cm³，ρ_a为沥青密度g/cm³，

VV为沥青混合料空隙率％，VMA为矿料间隙率％，

VCA为粗集料紧密堆积状态下空隙率％，SA为矿料比表面积g/cm³，P为沥青135℃粘度；

步骤6：根据上述方程中，结合步骤2、步骤3、步骤4中提供的方法，得出相关的参数，以不同的VMA来确定具有不同性能的橡胶沥青密级配。

在进一步的实施例中，所述步骤1中引入沥青膜厚度概论，将混合料的宏观结构与微观机理相结合，从微观形式上确定油石比与级配之间关系，并分析橡胶沥青性能中135℃粘度与沥青膜厚度的关系。分析了细集料对粗集料结构影响，对粗细集料的划分采用以粒径2.36mm作为粗细集料的划分界限，可有效消除细集料对粗集料结构的撑开作用。精确的确定粒径<0.075mm填料的含量，从而确定混合料的油石比。根据橡胶沥青混合料性能要求，通过控制体积参数，设计出符合性能要求橡胶沥青密级配。

有益效果：首先，本发明提供橡胶沥青混合料密级配设计理论与方法，研究了沥青膜厚度、沥青粘度、混合料油石比、级配之间的关系，并确定了它们之间的关系式，分析了目前使用橡胶沥青级配高油石比的原因，并且提供了解决橡胶沥青混合料高油石比的方法。其次，在进一步的实施例中，本方法对混合料构成机理与组成形式进行深入的分析，根据粗集料、细集料、填料级配组成和他们之间的结构状态，确定了橡胶沥青混合料粗集料是以粒径≥2.36mm，细集料为0.075mm～2.36mm。再次，本方法可以按照路用性能需求，通过控制混合料的体积参数，主要是控制VMA，获得具有不同性能混合料的级配曲线。最后，本方法，能够比较精确的确定混合料油石比，通过对油石比、级配关系分析，各档集料中对油石比影响最大的是填料的含量，因此，本方法将填料含量作为独立的未知量，通过级配设计方法中相关公式来确定填料的含量，因此，对油石比的控制也是比较精确的。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

橡胶沥青密级配混合料，可以用在沥青路面上面层，或者应力吸收层、防水粘结层等，在室内进行相关实验验证该方法的科学性，本次实验采用的橡胶沥青来源于江苏文昌新材料有限公司，沥青指标如表1所示。

粗集料选用坚硬耐磨，基本不吸水、棱角性较好的玄武岩碎石，充分保证集料与集料之间的咬合力，细集料采用坚硬、洁净、干燥、无风化、无杂质并有适当级配的人工轧制的玄武岩，填料采用石灰岩碱性石料经磨细得到的矿粉，各档矿料筛分测密度如表2所示。

表1沥青性能测试结果

表2集料与沥青的密度

级配设计理论按照如下公式进行计算：

$\left\{\begin{array}{cc}G+q_f+q_p=100& \left(a\right)\\ \frac{q_f}{{\mathrm{\&rho;}}_f}+\frac{q_p}{{\mathrm{\&rho;}}_p}=\frac{G}{{\mathrm{\&rho;}}_{sc}}\left(\frac{VCA-VMA}{100}\right)& \left(b\right)\\ \frac{q_a}{{\mathrm{\&rho;}}_a}=\frac{G}{{\mathrm{\&rho;}}_{sc}}\left(\frac{VMA-VV}{100}\right)& \left(c\right)\\ SA=\frac{q_a}{(0.001P+6.744)\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_a}& \left(d\right)\end{array}\right.$

由公式可以看出，该方程有四个等式和四个未知数，因此确定式中相关参数，就能得到需要的解。

方程组中粗集料、细集料、填料以及沥青用量百分率是未知数，需要先通过集料实验确定粗集料捣实密度以及粗集料空隙率VCA、矿料间隙率VMA、混合料孔隙率VV，橡胶沥青密级配混合料对于空隙率VV控制在4％，VCA是粗集料松散堆积状态下空隙率，可以通过密度与体积之间的关系式，参照公式(2)进行计算，粗集料捣实密度通过实验测得ρ_sc＝1.678g/cm³，

粗集料合成方法按照骨架填充理论进行合成，捣实成型法测试13.2mm颗粒的体积填充率作为各级粗颗粒的统一体积填充率V0(假定粗集料颗粒具有相同的体积填充率)。按照公式(3)逐次计算各级粗集料的体积填充率，进而获得各级粗集料的体积百分率Vi，(计算i+1级颗粒的体积百分率时，i+1级颗粒需填充的总体积V中需扣除i级颗粒的体积百分率)，以获得粗集料理论级配，记录于表3。

(以筛余量表示)

$V_i^{\&prime;}=\frac{V_0}{{(1+\frac{d_{i+1}}{d_i})}^3},(i=1\{13.2\},2\{9.5\},3\{4.75\},4\{2.36\left\}\right)---\left(3\right)$

计算结果记录如表3所示。

表3粗集料理论合成级配

粗集料合成密度ρ_G计算结果如式(4)所示

${\mathrm{\&rho;}}_G=\frac{100}{\frac{23.1}{2.716}+\frac{30.7}{2.695}+\frac{25.4}{2.730}+\frac{20.8}{2.775}}=2.735(g/{\mathrm{cm}}^3)---\left(4\right)$

按照公式(2)计算粗集料空隙率VCA＝38.3％。

细集料的组成通过最大密实度的填充理论来进行设计，也即按公式(5)计算细集料级配。通过设计密实度较高的细集料混合料，可以有效的填充粗集料形成的空隙。

P_i＝(d_i/D)ⁿ×100％ (5)

式中：Pi——粒径为d_i的通过百分率；

D——细集料颗粒中的最大粒径，D＝2.36mm；

n——实验指数。

实验指数n是该设计方法中关键参数之一，采用对于沥青路面最大密实度设计建议值0.45，带入公式(5)，细集料理论级配如表4。

表4细集料的理论合成级配

按照表4细集料理论合成级配以及表2各档集料的密度，参照公式(6)计算出细集料合成密度ρ_f。

${\mathrm{\&rho;}}_f=\frac{100}{\frac{34.01}{2.762}+\frac{24.37}{2.683}+\frac{18.53}{2.649}+\frac{13.32}{2.628}+\frac{9.77}{2.623}}=2.689(g/{\mathrm{cm}}^3)---\left(6\right)$

沥青膜厚度通过135℃粘度与沥青膜厚度关系公式(1)进行计算，矿料比表面积根据粗集料合成级配、细集料合成级配、矿粉含量按照规范中比表面积公式进行计算，其公式如下。

SA＝0.41+0.0041a+0.0082b+0.0164c+0.0287d+0.0614e+0.1229f+0.3277g

其中a、b、c、d、e、f、g为4.75mm以下各筛孔通过率；

将橡胶沥青的135℃粘度(135℃取3350mPa.s)、橡胶沥青的沥青密度、混合料孔隙率、矿料间隙率VCA、粗集料捣实密度、细集料密度、填料密度带入公式中，其结果如下：

$\left\{\begin{array}{c}G+q_f+q_p=100\\ \frac{q_f}{2.689}+\frac{q_p}{2.662}=\frac{G}{1.678}\left(\frac{38.6-VMA}{100}\right)\\ \frac{q_a}{1.05}=\frac{G}{1.678}\left(\frac{VMA-4}{100}\right)\\ 2.462-0.0241G-0.0181q_f+0.0328q_p=\frac{q_a}{(0.001P+6.744)\&CenterDot;1.05}\end{array}\right.$

由上方程可以看出，只要给出VMA的取值，就能够构成四元一次方程组，且该方程组有唯一解，根据橡胶沥青使用要求，矿料间隙率VMA值不小于14，以VMA＝15为例进行求解，其过程如下：

$\left\{\begin{array}{c}G+q_f+q_p=100\\ \frac{q_f}{2.689}+\frac{q_p}{2.662}=\frac{G}{1.678}\left(\frac{38.6-15}{100}\right)\\ \frac{q_a}{1.05}=\frac{G}{1.678}\left(\frac{15-4}{100}\right)\\ 2.462-0.0241G-0.0181q_f+0.0328q_p=\frac{q_a}{10.094\&CenterDot;1.05}\end{array}\right.$

根据第一个公式，将方程中所有的G用q_f和q_p进行替换，其结果如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{q_f}{2.689}+\frac{q_p}{2.662}=\frac{100-q_f-q_p}{1.678}\left(\frac{38.6-15}{100}\right)\\ \frac{q_a}{1.05}=\frac{100-q_f-q_p}{1.678}\left(\frac{15-4}{100}\right)\\ 2.462-0.0241(100-q_f-q_p)-0.0181q_f+0.0328q_p=\frac{q_a}{10.094\&CenterDot;1.05}\end{array}\right.$

根据第二个公式，将方程中所有的q_a用q_f和q_p进行替换，其结果如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{q_f}{2.689}+\frac{q_p}{2.662}=\frac{100-q_f-q_p}{1.678}\left(\frac{38.6-15}{100}\right)\\ 2.462-0.0241(100-q_f-q_p)-0.0181q_f+0.0328q_p=\frac{0.0688\&CenterDot;(100-q_f-q_p)}{10.094\&CenterDot;1.05}\end{array}\right.$

利用消元法解上述二元一次方程组，最终得倒q_f＝23.43，q_p＝3.7。将q_f和q_p结果带入四元一次方程中，得到G＝72.87，q_a＝5.0，将结果带入粗集料合成级配、细集料合成级配表格中，最终级配结果如表5。

表5VMA＝15合成级配与油石比

取VMA＝16带入公式进行计算，按照上述方法进行求解，得倒结果如表6所示。

表6VMA＝16合成级配与油石比

按照计算确定的矿料级配和油石比，进行马歇尔实验验证和性能实验验证，实验结果如表7、表8所示：

表7橡胶沥青马歇尔实验结果

表8橡胶沥青性能实验结果

备注：从实验结果来看，VMA＝15以及VMA＝16时，其空隙率VV、矿料间隙率VMA均比较符合初始设定值。橡胶密级配比较明显特征是低温性能、水稳定性优越。从设计的级配来看，这种密级配填料含量低，而粗集料含量高，4.75mm通过率在42％左右，而2.36mm通过率只有27％左右，这种级配表现出较好的相互连接性，橡胶沥青混合料本身具有一定的弹性以及变形能力，因此这种级配柔韧性很高，在低温压力作用下，能表现出很好的变形能力，即低温小梁实验的挠度较高。

总之，本发明主要包括如下步骤：步骤1：分析橡胶沥青混合料级配、油石比之间的关系，在此基础上研究橡胶沥青的粘温特性以及135℃粘度与混合料油石比关系，确定橡胶沥青135℃粘度与沥青膜厚度关系。步骤2：分析混合料级配组成和结构状态，确定粗集料的构成机理与合成级配，并分析粒径在4.75mm以下各档集料对粗集料构成状态影响，确定了以粒径≥2.36mm作为粗集料，可有效防止细集料对粗集料的撑开作用。步骤3：细集料的级配组成以最大密实度的填充理论进行确定，据此得出细集料合成级配与合成密度。步骤4：根据混合料的构成机理，列出方程组，该方程组包括四个方程式，分别代表：公式(a)代表的含义是矿质混合料是由粗集料(粒径≥2.36mm)、细集料(粒径在0.075mm～2.36mm之间)和填料(粒径<0.075mm)构成的。公式(b)代表的含义是，在压实后的混合料体积中，由粗集料构成了骨架状态，其构成形式与粗集料堆积状态相同，而没有被细集料撑开；在此堆积状态下，空隙率为VCA。矿质混合料中的细集料和填料都填充在VCA中，经过填充后，剩余的空隙率为VMA。公式(c)代表的含义是，在压实后的混合料体积中，沥青填充在VMA中，未被沥青填充的空间构成了混合料的空隙率VV。公式(d)代表沥青裹附集料表面，形成沥青膜，形成沥青膜最少沥青的总量即为混合料的最佳油石比。步骤5：根据混合料的要求，确定体积参数(VV和VMA)，通过解方程组，最终确定橡胶沥青混合料级配组成和油石比。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (4)

1.一种基于沥青膜厚度的橡胶沥青密级配混合料设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、分析沥青混合料油石比、级配、沥青性能之间关系，确定橡胶沥青的沥青膜厚度与135℃粘度之间的关系：

u＝0.001P+6.744

式中，P为橡胶沥青的135℃粘度，单位为mPa.s；

u为橡胶沥青的沥青膜厚度，单位为μm；

S2、分析沥青混合料级配构成机理；分析粒径在1.18mm以上各档矿料对粗集料堆积状态的撑开作用，将粒径≥2.36mm的作为粗集料；分析细集料、填料的填充作用以及细集料的级配组成；列出关于粗集料含量、细集料含量、填料含量、135℃粘度的关系式；

S3、确定配比计算方程：

$\left\{\begin{array}{cc}G+q_f+q_p=100& \left(a\right)\\ \frac{q_f}{{\mathrm{\&rho;}}_f}+\frac{q_p}{{\mathrm{\&rho;}}_p}=\frac{G}{{\mathrm{\&rho;}}_{sc}}\left(\frac{VCA-VMA}{100}\right)& \left(b\right)\\ \frac{q_a}{{\mathrm{\&rho;}}_a}=\frac{G}{{\mathrm{\&rho;}}_{sc}}\left(\frac{VMA-VV}{100}\right)& \left(c\right)\\ SA=\frac{q_a}{(0.001P+6.744)\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_a}& \left(d\right)\end{array}\right.,$

式中，G为矿质混合料中粗集料的重量比例％，q_f为矿质混合料细集料重量比例，

q_p为填料的重量比例，q_a为油石比，ρ_sc为粗集料捣实堆积密度，g/cm³，

ρ_f为细集料密度，ρ_p为填料的密度，ρ_a为沥青密度，VV为沥青混合料空隙率，

VMA为矿料间隙率，VCA为粗集料紧密堆积状态下空隙率，

SA为矿料比表面积，m²/kg，

P为沥青135℃粘度；

S4、根据体积参数沥青混合料空隙率VV和矿料间隙率VMA求出混合料的级配组成与油石比，通过消元法，求出粗集料含量、细集料含量、填料含量、油石比，带入粗集料、细集料级配组成，最终确定混合料的级配组成。

2.如权利要求1所述的橡胶沥青密级配混合料设计方法，其特征在于，所述步骤S4进一步为：通过密度与体积之间的关系式计算粗集料松散堆积状态下空隙率VCA：

$VCA=100\&times;(1-\frac{{\mathrm{\&rho;}}_{sc}}{{\mathrm{\&rho;}}_G})$

式中，ρ_G为粗集料合成密度，ρ_sc为粗集料捣实堆积密度。

3.如权利要求1所述的橡胶沥青密级配混合料设计方法，其特征在于，所述矿料间隙率VMA为15或16。

4.如权利要求1所述的橡胶沥青密级配混合料设计方法，其特征在于，所述细集料的粒径为0.075mm～2.36mm，所述填料的粒径小于0.075mm。