CN104961366B - 一种沥青混合料骨架密实型级配的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种沥青混合料骨架密实型级配的设计方法，包括以下步骤：拟定S形级配曲线，并据此将各档集料混合，设定粗细料分界粒径：分别测定计算粗料的合成毛体积相对密度γ_ca，细料的合成毛体积相对密度γ_fa，粗料骨架间隙率V_ca，细料的间隙率v_fa，读取分界粒径的通过率x；计算分界粒径的临界通过率x₀，根据通过率x和临界通过率x₀的大小对比，判定拟定级配的类型，调整粗料用量和细料用量的比例，使通过率x与临界通过率x₀相等，从而得到骨架密实型级配。该方法减少级配设计的盲目性和试验工作量，大大缩短设计周期，提高设计效率，显著提升骨架密实级配设计的理论与技术水平。

Description

一种沥青混合料骨架密实型级配的设计方法

技术领域

本发明属于沥青路面材料技术领域，具体涉及热拌沥青混合料配合比设计过程中一种骨架密实型矿料级配的设计方法。

背景技术

从粗集料的嵌挤状况与细集料、矿粉的填充程度方面讲，沥青混合料可分为骨架空隙型、骨架密实型和悬浮密实型三种级配结构。骨架空隙型结构中粗集料多，粗集料颗粒形成嵌挤，但细集料与矿粉少，填充粗集料间隙程度不足；骨架密实型级配中粗集料、细集料与矿粉组成比例恰当，细集料既不对粗集料嵌挤产生干涉作用，又与矿粉充分填充粗集料间隙；悬浮密实结构级配中粗集料较少，细集料较多，粗集料被细集料撑开，悬浮于细集料与矿粉之间，不再形成嵌挤。理论分析与大量试验表明，跟骨架空隙型和悬浮密实型相比，骨架密实型沥青混合料具有最好的力学强度与高温稳定性。因此，其级配设计方法一直以来就成为了人们研究的重点问题。

路面工程中，密级配的沥青马蹄脂沥青混合料(SMA)与沥青混凝土(AC)为最常用的热拌沥青混合料。

一般认为，SMA是一种典型的骨架密实型结构。我国规范提供的级配设计方法是，在给定的级配范围内，拟定3条初始级配曲线，使其骨架分界筛孔的通过率分别处于级配范围的中值、中值±3％附近，通过马歇尔击实试验得到各级配的SMA试件，试验测得试件的毛体积相对密度，计算矿料间隙率指标，并判断各级配的粗集料是否形成嵌挤，选择形成嵌挤、且矿料间隙率又符合要求的级配作为设计级配。由于规范给出的SMA级配范围具有明显的间断特性，所以，已有文献及大量试验研究表明，一般情况下SMA级配是能形成嵌挤状态的，其矿料间隙率也易满足要求。但这种设计方法存在的问题是，拟定3条初始级配曲线所基于的理论基础不强，经验色彩明显，也无级配优化设计思想。

事实上，属于连续级配的AC类沥青混合料也可分为上述三种级配结构类型，但国内外规范并未给出相应的划分，也未提出这类材料的骨架密实型级配设计方法。目前，不管是我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)还是美国Superpave体系，对AC类沥青混合料给出的级配设计方法是，先在级配设计范围或控制点范围内，人为拟定3条初试级配曲线，然后制件、测得试件的毛体积相对密度等参数，计算空隙率、矿料间隙率(Superpave体系需换算为空隙率为4％时的矿料间隙率)等体积指标，最后根据矿料间隙率(VMA)大小来选择符合技术标准要求的一条级配。这类级配设计方法存在的明显不足是：一是人为拟定的初试级配曲线受限于设计人员的理论和经验水平，不可避免地带有一定的盲目性，因而存在所拟定的级配曲线均不符合要求的可能，但还无法预知，从而会导致后面不必要的试验工作；二是马歇尔击实或Superpave旋转压实的沥青混合料制件过程较为繁琐，试验工作量大，矿料间隙率获知用时较长，设计效率低，况且Superpave关于矿料间隙率换算的经验公式还存在不准确的情况，因此又存在级配设计不成功的可能。两方面不足带来的一个风险就是，虽然做了大量试验，耗费较长时间，但仍未能设计出合格的级配；这在工程中不乏实例；而即使设计出了合格的级配，也无法保证就是骨架密实型。

有些研究文献对AC类沥青混合料的骨架密实级配设计方法进行了研究，这些研究采用的级配设计方法可分为典型的两类：一是先以不同的比例对最粗的两档粗集料进行混合，以捣实密度为考核指标，得到捣实密度最大的混合比例，并将该比例下两档最粗集料混合得到混合粗集料，然后将第三档粗集料再以不同比例与之混合，继续试验得到一个捣实密度最大的新比例，以此类推，直到所有集料的混合比例确定为止，最终确定出骨架密实型级配；二是在规范给定的级配范围内，按上述规范的级配设计方法，拟定若干级配，借用SMA嵌挤形成条件，分析并确定拟定的若干级配中形成嵌挤的级配作为设计级配。前者方法存在的一个明显不足就是试验工作量浩大，实际工程中难以推广；况且，这种方法设计的骨架密实级配往往存在超出级配范围的可能，而一旦超出级配范围就需要人为调整，调整的后果就是前面设计的级配不再是骨架密实型。后者方法存在的问题跟规范设计方法的问题类似，级配设计的原理性不强，试探性及经验性明显。

发明内容

为解决现有技术存在的上述不足，本发明提供一种沥青混合料骨架密实型级配的设计方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种沥青混合料骨架密实型级配的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：拟定一条S形级配曲线，并据此将各档集料混合，设定粗细料分界粒径，大于该分界粒径的粗集料统称为粗料，小于该分界粒径的细集料和填料统称为细料；

步骤2：分别测定粗料的合成毛体积相对密度γ_ca，细料的合成毛体积相对密度γ_fa，粗料骨架间隙率V_ca，细料的间隙率v_fa，读取分界粒径的通过率x；

步骤3：通过下式计算所述分界粒径的临界通过率x₀：

步骤4：根据通过率x和临界通过率x₀的大小对比，调整粗料用量和细料用量的用量比，使通过率x与临界通过率x₀相等，从而得到骨架密实型级配。

步骤1中，所述S形级配曲线的拟定方法按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)的要求进行。

步骤1中，所述分界粒径为2.36mm。

步骤4中，当x＜x₀时，增大细料用量与粗料用量的用量比；当x＞x₀时，减小细料用量与粗料用量的用量比。

步骤4中，当骨架密实型级配沥青混合料的矿料间隙率小于所述规范最小值的要求时，所述细料的内部配比不变，建立粗料的0.45次方级配曲线图，据图分析初始拟定级配的粗料级配曲线的S形特征，调整各档粗集料用量比例，使粗料级配曲线远离粗料对应的最大理论密度线，从而增大粗料骨架间隙率V_ca，进而增大矿料间隙率，同时增大了临界通过率x₀。

一种沥青混合料骨架密实型级配的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：设定粗细料分界粒径，大于该分界粒径的粗集料统称为粗料，小于该分界粒径的细集料和填料统称为细料，分别拟定所述粗集料和所述细料的配比；

步骤2：分别测定粗料的合成毛体积相对密度γ_ca，细料的合成毛体积相对密度γ_fa，粗料骨架间隙率V_ca，细料的间隙率v_fa；

步骤3：通过下式计算骨架密实型级配的所述分界粒径的临界通过率x₀：

步骤4：通过制件试验，分析沥青混合料的矿料间隙率是否满足最小值要求，不符合要求时调整粗料级配，使粗料级配曲线远离粗料的最大密度线，这个过程可重复进行，直到符合要求、得到合格的骨架密实型级配为止。

本发明的有益效果为：

骨架密实型沥青混合料具有最好的力学强度与高温稳定性，但目前还没有一个成熟的、理论性较强的骨架密实级配设计方法。本专利通过合理选定粗细料分界粒径尺寸，针对骨架空隙型、骨架密实型和悬浮密实型级配分别建立了矿料间隙率物理模型，从本质上揭示了各类级配的矿料间隙率形成机制，在此基础上创建了骨架密实级配设计原理与方法，即基于拟定的级配，在做了粗料骨架间隙率等少量试验后，通过计算粗细分界粒径的临界通过率，适当调整粗细料用量比例，即可得到骨架密实型级配。该法仅依据一条拟定级配就设计出骨架密实级配，克服了目前广泛采用的从拟定的若干级配中选出一条的试探性缺陷，既显著提升了骨架密实级配的设计理论与技术水平，又提高了设计效率。

所建立的骨架密实型级配设计方法还深刻地揭示到，任何一条拟定的级配曲线背后均隐藏着1条骨架密实型级配曲线。这是关于级配设计的一个崭新认识，是对级配设计思想与理论的发展。

附图说明

图1；合成矿料堆体积组成示意图；

图2：模型构建与骨架密实型级配设计流程图；

图3：拟定级配曲线及分解的粗料与细料0.45次方级配曲线；

图4：基于拟定级配调出的骨架密实级配。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

步骤1：基本假设：1)设定一个粗细料分界粒径(本专利取2.36mm)，大于该分界粒径的各档粗集料统称为粗料，小于该分界粒径的细集料和填料统称为细料，并将整条矿料级配曲线看作由粗料与细料两部分组成；2)设有粗料和细料两个料堆，粗料是由各档粗集料依据某个法则(如追求S形级配曲线或最大密度)确定的质量比混合而成的，细料是由细集料和填料按类似的法则或工程经验确定的质量比混合而成的；粗料中无或有极少细料，细料中无或有极少小粒径粗料。3)当粗料为主时，粗料与细料混合是粗料颗粒嵌挤形成的骨架间隙被细料颗粒所填充的过程，且填充过程中细料颗粒不对粗料颗粒的嵌挤方式产生干涉作用，当粗、细料的混合比例变化时，其各自的组成配比不变。4)在影响压实沥青混合料矿料间隙率的诸多因素，如矿料级配、沥青用量、压实温度、压实工艺等之中，当压实温度、压实工艺等其他条件相同时，压实沥青混合料的矿料间隙率主要取决于矿料级配，且其大小顺序与无沥青时矿料的矿料间隙率大小顺序一致。合成矿料堆体积组成如图1所示，x为细料的含量，1-x则为粗料含量；V(x)为矿料堆体积；V_c(x)为粗料部分的体积，即各档粗集料合成的毛体积；V_fa(x)为细料部分的体积，即细集料和填料合成的毛体积；V_a(x)为粗料颗粒间隙被细料颗粒填充后剩余的空隙，即合成料堆的矿料间隙体积。考虑普遍意义，上述四个参数大小均与x有关。

步骤2：绘制合成矿料堆体积组成示意图1，构建无沥青矿料骨架空隙型和密实型(统称骨架型)矿料间隙率模型(1)与(2)。

或

式中：V_MAa无沥青结合料时合成矿料堆的矿料间隙率，以小数计；V_ca为粗料骨架间隙率，以小数计；γ_fa细料合成毛体积相对密度，由细集料与填料的相对密度计算得到，无量纲；γ_ca为粗料的合成毛体积相对密度，由各档粗集料的毛体积相对密度计算获得，无量纲；γ_sb(x)为合成矿料的毛体积相对密度，与粗细料掺配质量比有关，为变量，无量纲；x为分界粒径的通过率，以小数计。

步骤3：建立撑拓系数概念与粗料间隙率增量方程

悬浮密实型矿料是由骨架密实型矿料转化而来。当细料用量较多，x＞x₀时即形成悬浮密实型矿料。跟骨架密实型相比，悬浮密实型合成矿料中粗颗粒减少，且被细颗粒撑拓，撑拓的程度用撑拓系数k_x表示。粗颗粒被细料颗粒撑拓后，粗颗粒之间的间隙情况仍可用粗颗粒间隙率来表示，只是这时的粗料间隙率不再是嵌挤时的V_ca，而一定是增大了，假设增大为k_xV_ca，则增大的(k_x-1)V_ca部分是由增多的细料引起的，故可列出下列粗料间隙率增量方程：

解得撑拓系数为

骨架密实型时细料的含量x₀为：

骨架密实型矿料间隙率模型的另外一种形式为

V_MAa0＝v_faV_ca (4)

式中：V_MAa0为骨架密实型矿料的矿料间隙率。

步骤4：悬浮密实型矿料间隙率模型为

或

步骤5：利用式(1)～(6)，可进行骨架密实型级配设计，途径是：

按上述规范的方法在级配范围内拟定一条S形级配曲线，并据此将各档集料混合，以粗细料分界筛孔粒径2.36mm为界，将混合矿料分成粗料和细料两组，分别测定粗、细料的V_ca、v_fa、γ_ca和γ_fa等参数，然后按照式(3)计算得到分界粒径2.36mm的通过率x₀，并与拟定级配曲线该粒径的通过率x做比较。如果x＜x₀，则表明拟定的级配为骨架空隙型，可利用公式1或公式2计算矿料间隙率，根据公式可知，细料用量较少，应增大细料用量使x＝x₀得到初始骨架密实型级配；如果x＞x₀，则表明拟定的级配为悬浮密实型，可利用公式5或公式6计算矿料间隙率，根据公式可知，细料用量较多，应减少细料用量使x＝x₀得到初始骨架密实型级配；如果x＝x₀，则所拟定级配恰好就是初始骨架密实级配。

如果初始骨架密实型沥青混合料的矿料间隙率合格，则初始骨架密实级配就是最终的骨架密实级配，可利用公式4计算矿料间隙率更为简洁；如果矿料间隙率较小而不满足规范最小值要求，则需调整初始骨架密实级配的各档粗集料比例(细料内部配比不变)。具体做法是，建立粗料的0.45次方级配曲线图，据图分析初始骨架级配的粗料级配曲线的S形特征，调整各档粗集料用量比例，使粗料级配曲线远离粗料对应的最大理论密度线，从而可增大粗料的V_ca值，并增大V_MAa0；各档粗料用量调整后，粗料的V_ca需重新测定，γ_ca需重新计算，细料含量x₀增大，通过调整粗细料用量比例，得到新的骨架密实级配曲线，然后再进行沥青混合料矿料间隙率的合格性检验；这种调整一般进行1～2次即可使压实沥青混合料的矿料间隙率符合要求，粗料级配调整幅度受制于整体矿料级配曲线需在级配范围内。

上述过程如图2所示。

以AC-20为例说明如下：

第1步.拟定级配曲线

目前，在按照上述施工规范进行沥青混合料的级配设计时，是在级配范围内拟定1-3条级配曲线，为简单起见，兹拟定1条级配，其矿料用量与级配曲线分别见表1与图3；级配曲线在2.36mm的通过率为28.98％。

表1拟定级配曲线的矿料用量

第2步.计算拟定级配曲线对应的骨架密实型级配的细料含量x₀

取足够的各档粗集料与机制砂，按表1的比例混合，用2.36mm筛过筛，筛除2.36mm以下细料，用振实试验方法测定筛得粗料的骨架间隙率V_ca；同时取足够的机制砂与矿粉，按表1的比例混合，用2.36mm筛过筛，筛除2.36mm以上部分的粗集料，用松装法测得细料的间隙率v_fa；测定与计算粗、细料的合成毛体积相对密度基础参数γ_ca与γ_fa，并按式(3)计算骨架密实型时粗细料分界粒径的临界通过率或细料的含量x₀，测试的基础数据与计算结果见表2。

表2拟定级配粗、细料参数与其对应的骨架密实型分界粒径临界通过率

粗料Vca(％)	细料vfa(％)	粗料γca	细料γfa	骨架密实型细料的含量x0(％)
					36.1	35.0	2.786	2.654	25.92

第3步.对初拟级配进行调整得到骨架密实型级配

已知拟定级配曲线在2.36mm的通过率x＝28.98％，大于计算的骨架密实型分界粒径临界通过率x₀＝25.92％，表明拟定级配为悬浮密实型，需降低2.36mm的通过率，即减少细料用量，同时增加粗料用量，但这种粗细料用量的变化不能在图3中直接对拟定的级配曲线进行调整，而需保证在粗细料加减调整过程中各档粗集料之间的比例以及细料中机制砂与矿粉的比例保持不变，从而才保证粗料的骨架间隙率V_ca及细料的间隙率v_fa基本保持不变，为此，需要将拟定的级配曲线进行分解，分解为粗段和细段两部分，如图3所示。

拟定级配在2.36mm的通过率为28.98％，分解得到的粗料、细料在2.36mm筛孔的通过率分别为10.33％和80.70％，如果细料的用量比例设为α，则粗料用量比例为1-α，则有

式中：P_n2.36、P_c2.36、P_f2.36分别为拟定级配、粗料与细料在2.36mm的通过率，％。

即拟定级配的细料用量为26.5％(由表1也可直接得知)，粗料用量为73.5％。

要将拟定的级配调整为骨架密实型级配时，细料的用量为α'，则

即需将细料的用量由26.5％减少为22.2％，粗料的用量由73.5％增大为77.8％即可形成初始骨架密实级配(调出的骨架密实型级配)，此时矿料的组成比例及跟拟定级配相比矿料用量的变化见表3，据此合成的级配曲线如图4所示。

表3调整的骨架密实级配矿料用量及其与拟定级配的比较

需要指出的是，按表3混合的骨架密实级配，当组成细料的细集料中难免有一部分大于2.36mm的粗集料时，其对应的粗料骨架间隙率跟拟定级配的会产生轻微差异；同时粗细料的合成毛体积相对密度发生轻微变化，理论上也会对骨架密实状态产生轻微影响，但这种差异和影响在实际工程中可完全忽略不计。

悬浮密实型级配和骨架密实型级配的矿料间隙率分别按式(6)与(4)计算得到：

V_MAa0＝v_faV_ca＝0.35×36.1＝12.6％

在骨架空隙型、骨架密实型和悬浮密实型中，骨架密实型具有最小的矿料间隙率，在该案例中，拟定的级配曲线为悬浮密实型，其矿料间隙率为13.9％，大于据其调出的骨架密实型级配的矿料间隙率12.6％，符合实际。

第4步.初始骨架密实级配沥青混合料的矿料间隙率合格性检验与可能的级配调整

基于调出的骨架密实级配进行沥青混合料压实(马歇尔击实或旋转压实)制件，测定试件的毛体积相对密度等参数，计算压实沥青混合料的矿料间隙率并判定是否符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的技术要求。如果矿料间隙率较小不符合要求，则采取以下措施重新调整出新的骨架密实级配：

1)仿照第3步即图3的做法，将图4中的初始骨架密实级配分解，得到粗料与细料级配，然后对粗料级配进行调整。通过调整相关档粗集料的用量，使粗料级配曲线4.75mm的通过率降低、13.2mm的通过率增大，从而使粗料的S形级配曲线更加远离粗料对应的最大理论密度线，增大粗料的V_ca。

2)测定调整后的粗料的V_ca，并重新计算粗料的γ_ca，再按式(3)计算得到新骨架密实级配的x₀。

由于粗料的V_ca变大，由式(3)知，x₀增大。

新骨架密实级配的矿料间隙率同样按式(4)计算，该值应大于初始骨架密实级配的矿料间隙率值。

3)基于新的x₀，按上述第3步的方法计算新骨架密实级配的细料与粗料的用量比例，进而可确定新骨架密实级配的级配曲线与各档粗细集料与矿粉的用量。

计算新骨架密实级配的细料用量α'时，需利用粗料比例发生变化后的P_c2.36；细料的P_f2.36则一直未变。

4)按新的骨架密实级配进行沥青混合料压实制件，再对矿料间隙率的合格性进行检验。如果仍不合格，再重复上述过程，直到合格为止。

一般而言，上述过程重复1～2次即可设计出满足矿料间隙率要求的骨架密实级配。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种沥青混合料骨架密实型级配的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：拟定一条S形级配曲线，并据此将各档集料混合，设定粗细料分界粒径，大于该分界粒径的粗集料统称为粗料，小于该分界粒径的细集料和填料统称为细料；

步骤2：分别测定粗料的合成毛体积相对密度γca，细料的合成毛体积相对密度γfa，粗料骨架间隙率Vca，细料的间隙率vfa，读取分界粒径的通过率x；

步骤3：通过下式计算所述分界粒径的临界通过率x₀：

$x_0=\frac{1}{1+\frac{{\mathrm{\γ}}_{ca}}{{\mathrm{\γ}}_{fa}}\frac{1-V_{ca}}{1-v_{fa}}\frac{1}{V_{ca}}};$

步骤4：根据通过率x和临界通过率x₀的大小对比，调整粗料用量和细料用量的用量比，使通过率x与临界通过率x₀相等，从而得到骨架密实型级配。

2.根据权利要求1所述的一种沥青混合料骨架密实型级配的设计方法，其特征在于：步骤1中，所述S形级配曲线的拟定方法按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)的要求进行。

3.根据权利要求1所述的一种沥青混合料骨架密实型级配的设计方法，其特征在于：步骤1中，所述分界粒径为2.36mm。

4.根据权利要求1所述的一种沥青混合料骨架密实型级配的设计方法，其特征在于：步骤4中，当x＜x₀时，增大细料用量与粗料用量的用量比；当x＞x₀时，减小细料用量与粗料用量的用量比。

5.根据权利要求2所述的一种沥青混合料骨架密实型级配的设计方法，其特征在于：步骤4中，当骨架密实型级配沥青混合料的矿料间隙率小于所述《公路沥青路面施工技术规范》最小值的要求时，所述细料的内部配比不变，建立粗料的0.45次方级配曲线图，据图分析初始拟定级配的粗料级配曲线的S形特征，调整各档粗集料用量比例，使粗料级配曲线远离粗料对应的最大理论密度线，从而增大粗料骨架间隙率Vca，进而增大矿料间隙率，同时增大了临界通过率x₀。

6.一种沥青混合料骨架密实型级配的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：设定粗细料分界粒径，大于该分界粒径的粗集料统称为粗料，小于该分界粒径的细集料和填料统称为细料，分别拟定所述粗集料和所述细料的配比；

步骤2：分别测定粗料的合成毛体积相对密度γca，细料的合成毛体积相对密度γfa，粗料骨架间隙率Vca，细料的间隙率vfa；

步骤3：通过下式计算骨架密实型级配的所述分界粒径的临界通过率x₀：

$x_0=\frac{1}{1+\frac{{\mathrm{\γ}}_{ca}}{{\mathrm{\γ}}_{fa}}\frac{1-V_{ca}}{1-v_{fa}}\frac{1}{V_{ca}}};$

步骤4：通过制件试验，分析沥青混合料的矿料间隙率是否满足最小值要求，不符合要求时调整粗料级配，使粗料级配曲线远离粗料的最大密度线，这个过程可重复进行，直到符合要求、得到合格的骨架密实型级配为止。