CN105714641A - 一种设计改性乳化沥青稀浆混合料集料级配的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种设计改性乳化沥青稀浆混合料集料级配的方法，包括以下步骤：第一步，计算各级粒径筛孔临界干涉累计通过的质量百分率；第二步，绘制各级粒径粒子干涉级配图；第三步，计算标准筛筛孔累计通过的粒子干涉质量百分率；第四步，确定标准筛孔累计通过的质量百分率的上限和下限；第五步，集料级配设计；第六步，集料合成级配检验。本发明是基于反粒子干涉理论的改性乳化沥青稀浆混合料集料级配设计方法，能够根据当地的材料和工程实际需要，确定集料最大粒径为10mm～31.5mm的改性乳化沥青稀浆混合料集料级配的设计方法，满足工程实践的需要；方便的有针对性地制订施工标准，指导施工，控制质量。

Description

一种设计改性乳化沥青稀浆混合料集料级配的方法

技术领域

本发明涉及沥青路面施工技术领域，尤其是涉及一种设计改性乳化沥青稀浆混合料集料级配的方法。

背景技术

我国已建成的高速公路及普通公路绝大部分是沥青路面，由于车辆严重超载超限、大交通量、渠化行车以及高温天气等因素的影响，导致车辙已成为沥青路面的主要病害之一，据统计80％的沥青路面出现不同程度的车辙，而且深度大于10mm的车辙较多，深度小于10mm的车辙对行车安全影响不大，一般可以不处理；深度大于10mm的车辙影响行车安全则要求处理，用微表处修补车辙是比较科学、经济的技术方案。

改性乳化沥青稀浆混合料是做微表处的材料，修复沥青路面车辙是它的主要用途之一，用它修复沥青路面车辙是直接填补的唯一方法，同时也是经济高效的方法，目前现行规范规定均用MS-3型乳化沥青稀浆混合料填补车辙，其集料最大粒径为10mm，它存在的问题是，当修复的车辙深度大于集料最大粒径即10mm时，填补料成型厚度超过集料最大粒径，这样厚度的填补料自身抗车辙性能很差，其自身很快就会产生车辙，结果导致车辙重复出现。

当改性乳化沥青稀浆混合料的成型厚度等于其集料最大粒径时，它自身不会产生车辙。也就是说，用集料最大粒径等于车辙深度的改性乳化沥青稀浆混合料填补车辙时，不会重复出现车辙。因此，在实践中需要根据车辙的深度选择集料最大粒径，并且集料最大粒径大于10mm(这样的改性乳化沥青稀浆混合料称为超粗型改性乳化沥青稀浆混合料)。但目前现行规范中，改性乳化沥青稀浆混合料集料最大粒径为10mm，而没有最大粒径为10mm～31.5mm的集料级配标准。因此，在实践中需要超粗型改性乳化沥青稀浆混合料时，如何确定其集料级配是必须要解决的问题。

粒子干涉理论是计算沥青混合料集料级配范围的方法，它适用于热拌热铺类沥青混合料，粒子干涉理论认为，路面结构要达到最大密实度，前一级颗粒之间的空隙应由次一级颗粒所填充；其所余空隙又由再次被小颗粒所填充，但填隙的颗粒粒径不得大于其间隙的距离，否则大小颗粒粒子之间势必发生干涉现象而形不成骨架。为避免干涉，大小粒子之间应按一一数量分配。从临界干涉的情况下可导出前一级颗粒的距离为：

当处于临界干涉状态时t＝d，则上式可表示为：

式中：t——前粒级的间隙距离(即等于次粒级的粒径d)；

D——前粒级的粒径；

Ψ_o——次粒级的理论实积率(实积率即堆积密度与表观密度之比)；

Ψ_s——次粒级的实用积率。

公式2即为粒子干涉理论公式。应用时如已知集料的堆积密度和表观密度，即可求得集料理论实积率(ψ_o)。设计连续级配时d/D＝1/2，则可按公式2求得实用实积率(ψ_s)。由实用实积率可计算出各级集料的配量(即各级分计筛余)。

粒子干涉理论最适宜设计沥青玛蹄脂碎石混合料集料级配，能够形成骨架，这种级配的集料的内摩阻力很大，集料的内摩阻力都会给用之做成的沥青混合料的和易性造成不利影响。研究表明，由于热拌热铺施工工艺的拌和与摊铺能力都很强，集料的内摩阻力给热拌热铺沥青混合料的和易性造成的不利影响相对来讲微不足道，可以忽略不计；而改性乳化沥青稀浆混合料的拌和与摊铺能力与热拌热铺沥青混合料的拌和与摊铺能力相比要弱得多，导致用粒子干涉理论设计出的级配集料所做的改性乳化沥青稀浆混合料很难拌和摊铺，也就是说其施工和易性不好，很难施工，甚至直接导致施工失败。因此，不能直接运用粒子干涉理论来设计改性乳化沥青稀浆混合料的集料级配。

粒子干涉理论要求前一级颗粒之间的空隙应由次一级颗粒所填充，其所余空隙又由再次被小颗粒所填充，但填隙的颗粒粒径不得大于其间隙的距离，并且填隙所用材料的体积不得大于间隙体积，使大小颗粒粒子之间不发生干涉，碎石之间要形成骨架，每一级碎石都不得把其以上级别的碎石形成的骨架撑开，这样就使得集料之间的内摩阻力很大，导致其施工和易性不好；而改性乳化沥青稀浆混合料对集料级配的要求与粒子干涉理论刚好相反，不但要求大小颗粒粒子之间要发生干涉，碎石之间不要形成骨架，每一级碎石都要把其以上级别的碎石形成的骨架撑开，而且还要充分撑开骨架，每一级都要充分干涉，直至最细的集料，为此，它要求次一级颗粒粒径要大于其间隙的距离，并且填隙所用材料的体积要大于间隙体积，使大小颗粒粒子之间发生干涉现象而形不成骨架，而且这种干涉还要充分，从而得到和易性很好的稀浆混合料，以满足微表处施工工艺的需要。这是通过研究总结出来的反粒子干涉理论。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种设计改性乳化沥青稀浆混合料集料级配的方法，它所解决的技术问题是，确定集料最大粒径为10mm～31.5mm的改性乳化沥青稀浆混合料集料级配的设计方法，满足工程实践的需要。

综上所述，为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种设计改性乳化沥青稀浆混合料集料级配的方法，包括以下步骤：

第一步，计算各级粒径筛孔临界干涉累计通过的质量百分率，利用粒子干涉理论计算各级粒径筛孔临界干涉累计通过的质量百分率；

第二步，绘制各级粒径粒子干涉级配图，将各级粒径粒子干涉级配图绘制在平面直角坐标系中，横轴为各级粒径筛孔和标准筛筛孔，左纵轴为各筛孔通过的质量百分率，右纵轴为各筛孔累计通过的质量百分率；以各级粒径筛孔为横坐标，相对应的累计通过率为纵坐标，在坐标系中绘制点，把相邻的点用直线连接就形成一条折线，称之为粒子干涉级配线，这样的图称为粒径粒子干涉级配图；

第三步，计算标准筛筛孔累计通过的粒子干涉质量百分率，在粒径粒子干涉级配图的横轴上，分别在各标准筛孔的位置做铅垂线交于粒子干涉级配线，交点的右纵坐标值就是该标准筛孔累计通过的质量百分率，称之为该标准筛孔累计通过的粒子干涉质量百分率；

第四步，确定标准筛孔累计通过的质量百分率的上限和下限，设标准筛孔共有n级，则次一级标准筛孔累计通过的粒子干涉质量百分率增加(n－1)×1％±0.5％，次二级粒径筛孔累计通过的质量百分率增加(n－2)×1％±0.5％，次三级粒径筛孔累计通过的质量百分率增加(n－3)×1％±0.5％，依次类推，最后一个是0.075mm筛孔，则其筛孔累计通过的质量百分率增加1×1％±0.5％，也即每一标准筛孔都有两个累计通过的质量百分率，大者称为上限，小者称为下限；

第五步，集料级配设计，进行改性乳化沥青稀浆混合料集料级配设计时，各种规格的矿料的合成级配在上限和下限之间即可；

第六步，集料合成级配检验，集料合成级配确定后，用沥青含量为60％的改性乳化沥青，油石比控制在7％～9％，外加用水量从4％开始拌和，然后检查改性乳化沥青稀浆混合料的和易性是否良好，如果不好，则逐步增加外加用水量，外加用水量不大于14％，进行重复试验，和易性能够达到良好即可，表明此级配能够使用。

进一步，步骤六中所述的矿料包括9.5mm～16mm碎石、4.75mm～9.5mm碎石、2.35mm～4.75mm碎石、石屑和矿粉。

本发明产生的有益效果为：

它是基于反粒子干涉理论的改性乳化沥青稀浆混合料集料级配设计方法，能够根据当地的材料和工程实际需要，方便的有针对性地制订施工标准，指导施工，控制质量。

具体实施方式

下面结合具体的实施例来详细地说明本发明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

确定MS-16型乳化沥青稀浆混合料集料级配即集料最大粒径为16mm的集料级配。

第一步，计算各级粒径筛孔临界干涉累计通过的质量百分率

利用粒子干涉理论计算各级粒径筛孔及其临界干涉累计通过的质量百分率，从临界干涉的情况下可导出前一级颗粒的距离为：

当处于临界干涉状态时t＝d，则上式可表示为：

式中：t表示前粒级的间隙距离(即等于次粒级的粒径d)；

D表示前粒级的粒径；

Ψ_o表示次粒级的理论实积率(实积率即堆积密度与表观密度之比)；

Ψ_s表示次粒级的实用积率。

计算结果如表2所示。

表2各级粒径筛孔及其临界干涉累计通过质量百分率的计算结果

粒径级别	粒径(mm)	堆积率(％)	临界干涉累计通过质量百分率(％)
				最大粒径	D＝16	74.06	100
次一级粒径	D－1＝0.414D＝6.6	79.3	25.94
				次二级粒径	D－2＝0.225D＝3.6	81.0	20.7
次三级粒径	D－3＝0.177D＝2.8	84.2	19.0
				次四级粒径	D－4＝0.116D＝1.9	85.1	15.8
……	极小	96.1	3.9

当出现第一个粒径小于2.36mm时，便可以不再往下计算，有利于保障乳化沥青稀浆混合料的和易性。

第二步，绘制各级粒径筛孔临界干涉级配图

将各级粒径粒子干涉级配图绘制在平面直角坐标系中，横轴为各级粒径筛孔和标准筛筛孔，包括原点和标准筛孔0.075、0.15、0.3、0.6、1.18、2.36、4.75、9.5、13.2、16以及表2中的粒径筛孔即6.6、3.6、2.8、1.9、极小(视为0)，横轴坐标从原点向右依次为：极小(0)、0.075、0.15、0.3、0.6、1.18、1.9、2.36、2.8、3.6、4.75、6.6、9.5、13.2、16，并且它们等距分布；左纵轴为各筛孔通过的质量百分率，右纵轴为各筛孔累计通过的质量百分率。

以表2中各级粒径筛孔为横坐标，相对应的累计通过率为纵坐标，在坐标系中绘制点即(0，3.9)、(1.9，15.8)、(2.8，19.0)、(3.6，20.7)、(6.6，25.94)、(16，100)，把相邻的点用直线连接就形成一条折线，称之为MS－16型粒子干涉级配线，这样的图称为MS－16型粒径粒子干涉级配图。

第三步，计算标准筛筛孔通过的粒子干涉质量百分率

分别在粒径粒子干涉级配图横轴的标准筛孔0.075、0.15、0.3、0.6、1.18、2.36、4.75、9.5、13.2和16的位置做铅垂线交于粒子干涉级配线，交点的右纵坐标值就是该标准筛孔累计通过的质量百分率，称之为该标准筛孔累计通过的粒子干涉质量百分率。

通过计算(也可在图上量取)得到各标准筛孔累计通过的粒子干涉质量百分率，计算结果如表3所示。

表3标准筛孔累计通过的粒子干涉质量百分率

第四步，确定标准筛孔累计通过的质量百分率的上限和下限

对于MS－16型级配，标准筛孔共有10级，则次一级标准筛孔13.2mm累计通过的粒子干涉质量百分率增加(10－1)×1％±0.5％，次二级粒径筛孔9.5mm累计通过的质量百分率增加(10－2)×1％±0.5％，次三级粒径筛孔4.75mm累计通过的质量百分率增加(10－3)×1％±0.5％，……，次九级粒径筛孔0.075mm累计通过的质量百分率增加1×1％±0.5％。计算结果如表4所示。

表4标准筛孔累计通过的质量百分率的上限和下限

采用标准筛孔粒径的集料，就是增加了表2中各粒径之间的粒径集料，也就是填隙的颗粒粒径已经大于了其间隙的距离，这样就形成了干涉，造成的结果是减小集料之间的内摩擦力，保障改性乳化沥青稀浆混合料的和易性。这是运用反粒子干涉理论的体现之一。

除了标准筛孔的最大孔径，每一次级粒径的用量都增加1％，再上下浮动0.5％，所有次级粒径增加的用量都抵减最大粒径的用量，也就是填隙材料的体积大于了间隙的体积并且具有一定的富裕量，这样不但形成了干涉，而且形成了充分干涉，造成的结果是减小集料之间的内摩擦力，研究表明能够保障改性乳化沥青稀浆混合料具有良好的和易性。这是运用反粒子干涉理论的体现之二。

第五步，集料级配设计

集料总设计量为100kg，其中9.5mm～16mm碎石50kg、4.75mm～9.5mm碎石27kg、2.35mm～4.75mm碎石6kg、石屑10kg、矿粉7kg，它们的合成级配如表5所示，符合表4的要求。

表5集料合成级配

第六步，集料合成级配检验

用沥青含量为60％的改性乳化沥青，油石比选择8％，外加用水量取6％进行试验。

取合成集料1kg，则需要60％的改性乳化沥青的量为：8％/60％≈0.133kg，需要水的量为0.06kg。

按T0751－1993《乳化沥青稀浆封层混合料稠度试验》的要求进行稠度试验，试验结果为稠度是2.7cm，表明此级配可以使用。

和易性好是指稀浆混合料的稠度值最佳即在2～3cm之间，并且流动性、可塑性、稳定性、均匀性和保水性等施工性能均好的状态。

要说明的是，上述实施例是对本发明技术方案的说明而非限制，所属技术领域普通技术人员的等同替换或者根据现有技术而做的其它修改，只要没超出本发明技术方案的思路和范围，均应包含在本发明所要求的权利范围之内。

Claims (1)

1.一种设计改性乳化沥青稀浆混合料集料级配的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，计算各级粒径筛孔临界干涉累计通过的质量百分率，利用粒子干涉理论计算各级粒径筛孔临界干涉累计通过的质量百分率；

第二步，绘制各级粒径粒子干涉级配图，将各级粒径粒子干涉级配图绘制在平面直角坐标系中，横轴为各级粒径筛孔和标准筛筛孔，左纵轴为各筛孔通过的质量百分率，右纵轴为各筛孔累计通过的质量百分率；以各级粒径筛孔为横坐标，相对应的累计通过率为纵坐标，在坐标系中绘制点，把相邻的点用直线连接就形成一条折线，称之为粒子干涉级配线，这样的图称为粒径粒子干涉级配图；

第三步，计算标准筛筛孔累计通过的粒子干涉质量百分率，在粒径粒子干涉级配图的横轴上，分别在各标准筛孔的位置做铅垂线交于粒子干涉级配线，交点的右纵坐标值就是该标准筛孔累计通过的质量百分率，称之为该标准筛孔累计通过的粒子干涉质量百分率；

第四步，确定标准筛孔累计通过的质量百分率的上限和下限，设标准筛孔共有n级，则次一级标准筛孔累计通过的粒子干涉质量百分率增加（n－1）×1％±0.5％，次二级粒径筛孔累计通过的质量百分率增加（n－2）×1％±0.5％，次三级粒径筛孔累计通过的质量百分率增加（n－3）×1％±0.5％，依次类推，最后一个是0.075mm筛孔，则其筛孔累计通过的质量百分率增加1×1％±0.5％，也即每一标准筛孔都有两个累计通过的质量百分率，大者称为上限，小者称为下限；

第五步，集料级配设计，进行改性乳化沥青稀浆混合料集料级配设计时，各种规格的矿料的合成级配在上限和下限之间即可；

第六步，集料合成级配检验，集料合成级配确定后，用沥青含量为60％的改性乳化沥青，油石比控制在7％～9％，外加用水量从4％开始拌和，然后检查改性乳化沥青稀浆混合料的和易性是否良好，如果不好，则逐步增加外加用水量，外加用水量不大于14％，进行重复试验，和易性能够达到良好即可，表明此级配能够使用。