CN105040543A - 一种沥青混合料矿料间隙率大小排序预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种沥青混合料矿料间隙率大小排序预估方法。首先基于无沥青矿料建立了骨架空隙型、骨架密实型和悬浮密实型矿料间隙率的物理模型，并根据模型分析了无沥青矿料间隙率的变化规律；用压实沥青混合料的矿料间隙率试验结果验证了模型预测的大小顺序。利用该方法可避开通过马歇尔击实或旋转压实制件获得矿料间隙率大小顺序的麻烦，大大减少试验工作量，提高设计效率，并为沥青混合料级配优化设计提供了可行的理论与技术支撑。

Description

一种沥青混合料矿料间隙率大小排序预估方法

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沥青混合料矿料间隙率大小排序预估方法。

背景技术

矿料级配设计是热拌沥青混合料配合比设计的核心内容之一，其设计的合理性与否直接关系到混合料路用性能的高低。目前，规范层面的设计方法，不管是我国沥青路面施工规范还是美国Superpave体系，矿料级配设计依据的技术指标均是矿料间隙率。由于事先无法掌握矿料间隙率指标与级配的确定关系，也无从知晓不同级配矿料间隙率大小排序关系，因而不得已采用试探性拟定级配曲线的做法，通过混合料制件来进行级配设计。具体过程是，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下述不足：

1、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，经验色彩浓，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。

2、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，因此又存在设计结果不正确的可能。

3、上述两方面不足，导致的一个可能情况就是，做了大量试验，耗费了较长时间，却仍未能设计出合格的级配；而即使设计出了合格的级配，但也无法保证结果是最优的。

鉴于矿料间隙率指标在级配设计中的重要性及其对沥青混合料路用性能如高温性能良好的解释性作用，诸多文献研究了影响其大小的诸多因素，得出了一些有益的结论，但这些结论多基于数理统计原理分析得到，往往是一些平均意义上的规律性认识，用之来指导级配设计时就未必总是可靠，甚至起相反的作用，因而其对级配设计的指导作用还有明显的局限性。

综上所述，目前沥青混合料级配设计理论有待于进一步发展。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足,基于无沥青的矿料，通过建立矿料间隙率的诸多物理模型，提供一种沥青混合料矿料间隙率大小排序的理论预估方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种沥青混合料矿料间隙率大小排序预估方法，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，将整条矿料级配曲线看作由粗料与细料两部分组成；

步骤2：通过试验分别获取粗料和细料的筛分曲线与合成毛体积相对密度，由下式计算骨架密实型的分界粒径的细料含量，即临界通过率x₀：

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

式中，γ_ca为粗料的合成毛体积相对密度，无量纲；γ_fa为细料的合成毛体积相对密度，无量纲；V_ca为粗料骨架间隙率，以小数计；v_fa为细料的间隙率，以小数计；

步骤3：根据级配设计时所拟定的各级配曲线的分界粒径的通过率x与临界通过率x₀的对比，判断级配类型，选用对应的公式，进行矿料间隙率的计算；

步骤4：对计算的矿料间隙率依据大小进行排序，从而预测出各级配沥青混合料的矿料间隙率大小顺序。

步骤2中，所述粗料由各档粗集料混合得到，混合的质量比是依据粗料的S形级配曲线，或依据最大密度法则所确定；所述细料由各档细集料和填料混合得到，混合的质量比是按照确定粗料质量比的法则，或根据工程经验所确定。

步骤2中，所述粗料骨架间隙率V_ca按照振实试验获得，所述细料的间隙率v_fa按照不施加外力击实的松装试验获得。

步骤2中，所述粗料中无或有极少细料，所述细料中无或有极少小粒径粗料。

步骤3中，当所述级配曲线的分界粒径的通过率小于所述临界通过率时，所述级配为骨架空隙型结构；当所述级配曲线的分界粒径的通过率大于所述临界通过率时，所述级配为悬浮密实型结构；当级配曲线的分界粒径的通过率等于临界通过率时，所述级配为密实型结构。

步骤3中，对于所述骨架空隙型矿料模型的矿料间隙率V_MAa，通过下式获得：

$V_{MAa}=V_{ca}-(1-V_{ca})\frac{{\mathrm{\γ}}_{ca}}{{\mathrm{\γ}}_{fa}}\frac{x}{1-x}$

式中，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；x为分界粒径的通过率，以小数计。

步骤3中，所述骨架空隙型矿料模型的矿料间隙率V_MAa，通过下式获得：

$V_{MAa}=1-(1-V_{ca})\frac{{\mathrm{\γ}}_{ca}}{{\mathrm{\γ}}_{sb}\left(x\right)}\frac{1}{1-x}$

式中，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。

步骤3中，所述骨架密实型矿料模型的矿料间隙率V_MAa0，通过下式获得：

V_MAa0＝v_faV_ca

式中，v_fa为细料的间隙率，以小数计；V_ca为粗料骨架间隙率，以小数计。

步骤3中，所述悬浮密实型矿料的矿料间隙率V_MAa，通过下式获得：

$V_{MAa}=\frac{v_{fa}}{1+\frac{1-V_{ca}}{V_{ca}}\frac{x_0}{1-x_0}\frac{1-x}{x}}$

步骤3中，所述悬浮密实型矿料的矿料间隙率V_MAa，通过下式获得：

$V_{MAa}=\frac{v_{fa}}{1+(1-v_{fa})\frac{{\mathrm{\γ}}_{fa}}{{\mathrm{\γ}}_{ca}}\frac{1-x}{x}}$

式中，x为分界粒径的通过率，以小数计；v_fa为细料的间隙率，以小数计；γ_ca为粗料的合成毛体积相对密度，无量纲；γ_fa为细料的合成毛体积相对密度，无量纲。

本发明的有益效果为：

针对现行规范层面级配设计存在的问题，本发明通过建立无沥青矿料的矿料间隙率物理模型和做少量简单的试验，来对拟定的不同级配曲线的矿料间隙率进行预测，并对其大小予以排序，实现无需通过马歇尔击实或旋转压实即可预知不同级配矿料间隙率的大小关系，进而较早地筛除那些矿料间隙率较小或不合格的级配曲线。目的是在级配曲线的拟定阶段，就可根据级配通过率信息和矿料密度信息掌握级配的矿料间隙率大小情况，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，并为级配优化设计提供了可行的理论与技术支持。

我国现行规范的方法或Superpave体系的方法是通过马歇尔击实或旋转压实制件测得试件的毛体积相对密度，经试验测得沥青混合料的最大理论相对密度(我国规范改性沥青通过计算法确定)，然后计算获得初拟级配沥青混合料试件的矿料间隙率。相对于这种必须通过较为繁琐的制件等试验才能得知矿料间隙率大小顺序的做法，本发明相关试验工作量大为减少，无需进行繁琐的沥青混合料制件，而仅需进行各级配粗料简单的振实试验、细料的松装密实试验及其相对密度与筛分试验即可，并突出了通过理论计算来预估不同级配沥青混合料的矿料间隙率大小关系，使级配设计的原理性更强，效率大为提高。

粗集料的振实试验按照现行集料试验规程进行；细料松装密实试验采用马歇尔试模，无需击实，但要求细料为干燥状态。

附图说明

图1模型构建流程图；

图2根据模型预测的矿料间隙率变化趋势图；

图3合成矿料堆体积组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的模型构建流程，如图1所示，具体步骤如下：

步骤1：基本假设1)存在一个适当的粗、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。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3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，构建骨架空隙型和密实型(统称骨架型)矿料模型。

$V_{MAa}=V_{ca}-(1-V_{ca})\frac{{\mathrm{\γ}}_{ca}}{{\mathrm{\γ}}_{fa}}\frac{x}{1-x}---\left(1\right)$

或

$V_{MAa}=1-(1-V_{ca})\frac{{\mathrm{\γ}}_{ca}}{{\mathrm{\γ}}_{sb}\left(x\right)}\frac{1}{1-x}---\left(2\right)$

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细料部分毛体积相对密度，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，其中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：

$(k_x-1)V_{ca}=\frac{1}{1-v_{fa}}\frac{{\mathrm{\γ}}_{ca}}{{\mathrm{\γ}}_{fa}}\[(1-k_x{V}_{ca})\frac{x}{1-x}-(1-V_{ca})\frac{x_0}{1-x_0}\]$

解得撑拓系数为

$k_x=\frac{1+\frac{1}{V_{ca}(1-v_{fa})}\frac{{\mathrm{\γ}}_{ca}}{{\mathrm{\γ}}_{fa}}\[\frac{x}{1-x}-(1-V_{ca})\frac{x_0}{1-x_0}\]}{1+\frac{1}{1-v_{fa}}\frac{{\mathrm{\γ}}_{ca}}{{\mathrm{\γ}}_{fa}}\frac{x}{1-x}}$

式中：v_fa为细料的间隙率，以小数计；x₀为骨架密实型时细料的含量，即分界粒径的临界通过率，以小数计。由式(3)得到。

$x_0=\frac{1}{1+\frac{{\mathrm{\γ}}_{ca}}{{\mathrm{\γ}}_{fa}}\frac{1-V_{ca}}{1-v_{fa}}\frac{1}{V_{ca}}}---\left(3\right)$

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，以小数计。

步骤4：悬浮密实型矿料间隙率方程为

$V_{MAa}=\frac{v_{fa}}{1+\frac{1-V_{ca}}{V_{ca}}\frac{x_0}{1-x_0}\frac{1-x}{x}}---\left(5\right)$

或

$V_{MAa}=\frac{v_{fa}}{1+(1-v_{fa})\frac{{\mathrm{\γ}}_{fa}}{{\mathrm{\γ}}_{ca}}\frac{1-x}{x}}---\left(6\right)$

某沥青路面工程下面层AC-25的配合比设计。在AC-25的工程级配范围内拟定了三条级配曲线，其级配信息见表1，合成粗料γ_ca、细料γ_fa、粗料振实试验的骨架间隙率V_ca、细料松装间隙率v_fa，计算的分界筛孔(2.36mm)临界通过率以及预估的矿料间隙率结果等见表2。

表1集料筛分与合成级配表

表2三条级配的基础信息及其矿料间隙率预估

由于三条级配在2.36mm的通过率均小于临界通过率，因此均需要利用骨架间隙型矿料模型(1)计算其矿料间隙率，以级配1为例说明表2中计算值的计算过程。

将表2中级配1的四个实测值代入式(3)，得x₀＝0.23，由于级配1在2.36mm的通过率为x＝0.222<x₀＝0.230，因此级配1为骨架空隙型，选择式(1)，将x＝0.222代入计算，即到预估的矿料间隙率为0.123，即12.3％。

由表2可知，矿料间隙率大小顺序为：级配3>级配2>级配1；而实际旋转压实试验获得(空隙率为4％时)级配1、级配2和级配3的矿料间隙率结果分别为11.36％，11.68％和12.06％。可见，尽管预测值与实际值大小有偏差，但预测值的大小顺序跟实际值的完全一致。

根据骨架型和悬浮密实型模型绘制的矿料间隙率曲线如图2所示。具体是，按照振实试验获得粗料V_ca，按照松装试验获得细料v_fa，级配确定的情况下粗、细料合成毛体积相对密度(即γ_ca与γ_fa)均为已知，则可由式(3)获得x₀，从而可绘制出矿料由骨架空隙型、到骨架密实型和悬浮密实型的矿料间隙率曲线。

该图准确的揭示了矿料间隙率随粗细料分界筛孔尺寸(2.36mm)通过率的变化而变化的真实趋势，该规律与已有某些文献统计分析得到的结论即“矿料间隙率随着2.36mm的通过率的增大而增大”相比更为准确；而且对于确定的粗料和细料级配，可给出整个合成矿料级配的矿料间隙率随着2.36mm通过率的增大而减小或增大的速率。

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 (10)

1.一种沥青混合料矿料间隙率大小排序预估方法，其特征在于，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，将整条矿料级配曲线看作由粗料与细料两部分组成；

步骤2：通过试验分别获取粗料和细料的筛分曲线与合成毛体积相对密度，由下式计算骨架密实型的分界粒径的细料含量，即临界通过率x₀：

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

式中，γ_ca为粗料的合成毛体积相对密度，无量纲；γ_fa为细料的合成毛体积相对密度，无量纲；V_ca为粗料骨架间隙率，以小数计；v_fa为细料的间隙率；

步骤3：根据级配设计时所拟定的各级配曲线的分界粒径的通过率x与临界通过率x₀的对比，判断级配类型，选用对应的公式，进行矿料间隙率的计算；

步骤4：对计算的矿料间隙率依据大小进行排序，从而预测出各级配沥青混合料的矿料间隙率大小顺序。

2.根据权利要求1所述的一种沥青混合料矿料间隙率大小排序预估方法，其特征在于：步骤2中，所述粗料由各档粗集料混合得到，混合的质量比是依据粗料的S形级配曲线，或依据最大密度法则所确定；所述细料由各档细集料和填料混合得到，混合的质量比是按照确定粗料质量比的法则，或根据工程经验所确定。

3.根据权利要求1所述的一种沥青混合料矿料间隙率大小排序预估方法，其特征在于：步骤2中，所述粗料骨架间隙率V_ca按照振实试验获得，所述细料的间隙率v_fa按照不施加外力击实的松装试验获得。

4.根据权利要求1所述的一种沥青混合料矿料间隙率大小排序预估方法，其特征在于：步骤2中，所述粗料中无或有极少细料，所述细料中无或有极少小粒径粗料。

5.根据权利要求1所述的一种沥青混合料矿料间隙率大小排序预估方法，其特征在于：步骤3中，当所述级配曲线的分界粒径的通过率小于所述临界通过率时，所述级配为骨架空隙型结构；当所述级配曲线的分界粒径的通过率大于所述临界通过率时，所述级配为悬浮密实型结构；当级配曲线的分界粒径的通过率等于临界通过率时，所述级配为密实型结构。

6.根据权利要求5所述的一种沥青混合料矿料间隙率大小排序预估方法，其特征在于：步骤3中，对于所述骨架空隙型矿料模型的矿料间隙率V_MAa，通过下式获得：

$V_{MAa}=V_{ca}-(1-V_{ca})\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{ca}}{{\mathrm{\&gamma;}}_{fa}}\frac{x}{1-x}$

式中，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；x为分界粒径的通过率。

7.根据权利要求5所述的一种沥青混合料矿料间隙率大小排序预估方法，其特征在于：步骤3中，所述骨架空隙型矿料模型的矿料间隙率V_MAa，通过下式获得：

$V_{MAa}=1-(1-V_{ca})\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{ca}}{{\mathrm{\&gamma;}}_{sb}\left(x\right)}\frac{1}{1-x}$

式中，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。

8.根据权利要求5所述的一种沥青混合料矿料间隙率大小排序预估方法，其特征在于：步骤3中，所述骨架密实型矿料模型的矿料间隙率V_MAa0，通过下式获得：

V_MAa0＝v_faV_ca。

9.根据权利要求5所述的一种沥青混合料矿料间隙率大小排序预估方法，其特征在于：步骤3中，所述悬浮密实型矿料的矿料间隙率V_MAa，通过下式获得：

$V_{MAa}=\frac{v_{fa}}{1+\frac{1-V_{ca}}{V_{ca}}\frac{x_0}{1-x_0}\frac{1-x}{x}}.$

10.根据权利要求5所述的一种沥青混合料矿料间隙率大小排序预估方法，其特征在于：步骤3中，所述悬浮密实型矿料的矿料间隙率V_MAa，通过下式获得：

$V_{MAa}=\frac{v_{fa}}{1+(1-v_{fa})\frac{{\mathrm{\&gamma;}}_{fa}}{{\mathrm{\&gamma;}}_{ca}}\frac{1-x}{x}}.$