CN106250642A - 一种提高沥青混合料力学性能的矿料级配设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高沥青混合料力学性能的矿料级配设计方法，该方法设置多个关键筛，利用粗与细集料的不同掺配比例下的压实空隙率计算求得最佳掺配比，并把按该比例掺配的混合集料当作粗集料与更细集料进行以上计算，如此重复直至求得所有集料的掺配比例，并依据矿料进行修正，得到最终的矿料级配。本发明以科学的方法确定矿料级配，避免了经验等因素的影响，更加准确，以该方法制备的混合料试件各项性能都大大提高，且降低了沥青的用量，可节约沥青路面的建设成本。
Description
技术领域
本发明涉及矿料级配设计方法技术领域，尤其涉及一种提高沥青混合料力学性能的矿料级配设计方法。
背景技术
沥青混合料是由矿料与沥青结合料拌和而成的混合料的总称，其中矿料部分是由不同规格(粒径大小)的石料按照一定的比例组成，确定的比例对应唯一的矿料级配，对沥青混合料的路用性能及力学性能具有显著影响。工程中，一般按照如下程序确定不同规格石料的掺配比例，首先，根据实际需要，确定拟采用的级配类型及相应的矿料级配范围；其次，通过筛分试验确定不同规格石料的单一级配组成；最后，结合经验，以关键筛孔的质量通过率控制为基础，通过计算或电算方法确定各档不同规格石料的掺配比例及最终的矿料合成级配。该方法在确定沥青混合料矿料级配时存在如下不足之处：
(1)无法考虑石料自身形状特征对矿料级配组成的影响，而事实上，采用不同加工工艺或采用相同加工工艺生产的不同材质的石料，其形状特征(如棱角性)存在必然的差异，对级配组成有较大影响。
(2)无法衡量或者预估相应级配混合料的压实难易程度，面临后期再次调整矿料级配的风险，从而增加试验成本。
(3)无法最大程度的避免不同规格集料之间的颗粒干涉效应，因此无法确定能够使得混合料性能最优的矿料级配。
(4)按照此方法确定的矿料级配，石料之间通常无法形成稳定的骨架嵌锁结构，因此沥青混合料的弯曲动态模量较低。
(5)不同地区在确定矿料级配时往往以各自的经验为主，缺乏科学、合理且有力的支撑。
综合以上分析，现有沥青混合料矿料级配确定方法采用的是一种经验方法，缺少科学支撑，且无法确定不同材质或不同加工工艺生产的集料的最佳级配组成。基于此，本发明专利提出了一种更加科学的试验方法来确定沥青混合料的矿料级配，以最大程度的考虑集料自身特性对级配组成的影响，并提高混合料的路用及力学性能。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种提高沥青混合料力学性能的矿料级配设计方法，用以解决现有沥青混合料矿料级配确定方法采用的是一种经验方法，缺少科学支撑，且无法确定不同材质或不同加工工艺生产的集料的最佳级配组成等不足。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种提高沥青混合料力学性能的矿料级配设计方法，该方法的步骤如下：
S1、根据混合料的集料规格，将选用适当的多个筛子，并选定关键筛，根据关键筛的筛孔将集料重新分档；
S2、对集料进行筛分，确定各个筛子的质量通过率；
S3、确定各档集料的毛体积密度；
S4、确定矿料级配设计时旋转压实仪的工作参数，并保持与混合料设计采用的参数一致，工作参数包括：旋转角和竖向压强；
S5、采用旋转干压实的方法，按照粒径由大到小的顺序，确定粗集料与细集料在不同掺配比例下的压实空隙率；
S6、以粗集料的掺配比例为横坐标轴、干压实空隙率为纵坐标轴，建立直角坐标系，将不同掺配比例下的干压实空隙率绘制在直角坐标系中，并确定方程参数并绘制其函数曲线：
S7、根据方程及其函数曲线，确定粗集料的最佳掺配比例；
S8、以按照上述比例混合料的两档粗集料作为新的粗集料，重复步骤S5、S6、S7，确定其与下一档较细集料的最佳掺配比例，如此重复，直至确定除最小关键筛孔孔径及以下细集料之外其它所有粗集料的最佳掺配比例；
S9、以所有粗集料按上述比例组合并干压实后剩余的空隙率为最小关键筛孔孔径及以下细集料的总掺配比例，不同细集料的具体掺配比例可根据机制砂与矿粉的筛分结果及对0.075mm筛孔质量通过率的要求来综合确定；亦可按照确定的粗集料最佳掺配比例与最小关键筛孔孔径及以下细集料再次进行不同掺配比例的干压实试验，确定粗集料与最小关键筛孔孔径及以下细集料的最佳掺配比例；
S10、根据级配设计采用的各档粗集料与细集料的级配组成，按照上述确定的优化比例计算合成矿料级配，作为目标级配，根据实际生产用各档集料的级配情况调整其掺配比例接近优化的目标级配，作为最终混合料组成设计时采用的矿料级配。
所述步骤S1中，使用的筛子的筛孔孔径为：19.0mm、16.0mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm。通常最大公称粒径为20mm的集料，因此本发明选择以上几种筛子。
所述步骤S1中，将19.0mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm及2.36mm筛孔视为关键筛孔，从而将集料划分为13.2-19.0mm、9.5-13.2mm、4.75-9.5mm、2.36-4.75mm及小于2.36mm共5档集料，其中每档集料均为不包括上限而包括下限。
所述步骤S3中，采用《公路工程集料试验规程》(JTG E42)中的标准试验方法测量毛体积密度。
所述步骤S5中，旋转压实次数采用15-25次。该旋转压实次数下既能保证完成对混合集料的旋转压实，又能避免混合集料在旋转压实的过程中被压碎。
所述步骤S5中，空隙率计算的依据为最大理论密度由采用的集料毛体积密度与其掺配比例计算确定。
所述步骤S6中，所述方程为如下：
方程一：V＝F·(1-Pc)+D·Pc；
方程二：V＝(C+1)·Pc-1；
方程三：V＝E·Pc；
其中V为干压实空隙率，Pc为粗集料的掺配比例，F为细集料的干压实空隙率，D为代表墙壁效应的一个参数，C为粗集料的干压实空隙率，E为方程三的斜率。
所述方程一经过粗集料掺配比Pc＝0和Pc＝40％时实验结果在坐标系中确定的点，方程二与横轴的交点对应Pc的大小为粗集料的掺配比例的最小值Pmin，方程一与方程三的交点对应的Pc与Pmin相等，程二与方程三的交点对应的Pc的大小为粗集料的掺配比例的最大值Pmax。
所述步骤S7中，当Pmax＜1时，粗集料的最佳掺配比例为Pmax；当Pxam≥1时，粗集料的最佳掺配比例为Pmin，或采用试验中最小压实空隙率对应的比例。
所述步骤S9中，不同细集料的具体掺配比例根据其各自的0.075mm筛孔质量通过率及最终合成级配中对0.075mm筛孔质量通过率的控制标准来综合确定；也能够按照确定的粗集料最佳掺配比例与最小关键筛孔孔径及以下细集料再次进行不同掺配比例的干压实试验，确定粗集料与最小关键筛孔孔径及以下细集料的最佳掺配比例。
本发明有益效果如下：
与现有技术相比，采用本发明专利提供的方法能够有效提高沥青混合料的路用性能及力学性能，且一定程度的降低沥青用量，其突出优点体现在以下四方面：
(1)矿料级配设计更大程度的科学的依靠设备，减少了人为经验的影响，集料自身因素的影响也体现在干压实的过程中，因此更加科学、合理，设计过程也更为直观。
(2)矿料级配设计过程最大程度的降低了不同规格集料之间的粒子干涉效应，因此所确定的级配更易于压实，并形成稳定的骨架嵌锁结构。
(3)按照本发明确定的矿料级配有利于提高混合料的路用性能及力学性能。根据已有试验结果，混合料的梯形试件两点弯曲动态模量可提高50％左右，疲劳寿命提高30％左右。
(4)在相同的压实效果下，采用本发明确定的矿料级配可降低沥青用量0.3％左右，有利于降低沥青路面建设成本。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为干压实空隙率与粗集料掺配比例关系示意图。
图2为13.2mm-19.0mm与9.5mm-13.2mm混合后压实空隙率与粗集料掺配比例关系示意图。
图3为进一步掺配4.75mm-9.5mm集料后压实空隙率与粗集料掺配比例关系示意图。
图4为进一步掺配2.36mm-4.75mm集料后压实空隙率与粗集料掺配比例关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
一种提高沥青混合料力学性能的矿料级配设计方法，使用该方法对最大公称粒径为20mm级的集料矿料级配进行设计，并对级配优化前后混合料的性能对比。
S1、根据混合料的集料最大公称粒径为20mm，选用筛子的筛孔孔径为：19.0mm、16.0mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm；并将19.0mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm及2.36mm筛孔视为关键筛孔，根据关键筛的筛孔将集料分为13.2mm-19.0mm、9.5mm-13.2mm、4.75mm-9.5mm、2.36mm-4.75mm及2.36mm以下共五档，其中每档都包括下限而不包括上限
S2、对集料进行筛分，确定各个筛子的质量通过率；
S3、采用《公路工程集料试验规程》(JTG E42)中的标准试验方法确定各档粗集料(2.36mm以上)的毛体积密度；
S4、确定本例中旋转压实仪的压强为0.6MPa，旋转角为0.82°，与混合料设计保持相同；
S5、通过旋转压实确定13.2mm-19.0mm与9.5mm-13.2mm两档集料不同掺配比例下的干压实空隙率，旋转压实次数为20次，每种比例下进行三次平行试验，结果见表1；
表1 13.2mm-19.0mm与9.5mm-13.2mm试验结果
| F％ | 100 | 60 | 40 | 20 | 0 |
| 1 | 0.424 | 0.410 | 0.413 | 0.414 | 0.420 |
| 2 | 0.425 | 0.416 | 0.413 | 0.417 | 0.423 |
| 3 | 0.426 | 0.415 | 0.413 | 0.418 | 0.427 |
| 均值 | 0.425 | 0.414 | 0.413 | 0.416 | 0.423 |
| C％ | 0 | 40 | 60 | 80 | 100 |
S6、以粗集料的掺配比例为横坐标轴、干压实空隙率为纵坐标轴，建立直角坐标系，在直角坐标系中绘制13.2mm-19.0mm集料不同含量时的干压实空隙率，并确定以下方程参数并绘制其函数曲线：
方程一：V＝F·(1-Pc)+D·Pc；
方程二：V＝(C+1)·Pc-1；
方程三：V＝E·Pc；
其中V为干压实空隙率，Pc为粗集料的掺配比例，F为细集料的干压实空隙率，D为代表墙壁效应的一个参数，C为较粗集料的干压实空隙率，E为方程三的斜率；
根据表1数据，方程一经过(0.00,0.425)和(0.40,0.414)，可求得方程一为：V＝-0.0275Pc+0.425；方程二经过(1.00,0.423)，可求得方程二为：V＝1.423Pc-1；方程二与横轴交点为(0.70,0)，则方程三与方程一的交点横坐标为0.70，交点为(0.70,0.404)，可求得方程三为：V＝0.5773Pc；
S7、方程二与横轴的交点对应Pc的大小为粗集料的掺配比例的最小值Pmin，方程二与方程三的交点对应的Pc的大小为粗集料的掺配比例的最大值Pmax；当Pmax＜1时，粗集料的最佳掺配比例为Pmax；当Pmax≥1时，粗集料的最佳掺配比例为Pmin，或采用试验中最小压实空隙率对应的比例。
如图2所示，从试验点与计算点的分布可见Pmax≥1，因此，取13.2mm-19.0mm与9.5mm-13.2mm的最佳掺配比例为60：40；
S8、以按照上述比例混合料的两档粗集料作为新的粗集料，重复步骤S5、S6、S7，确定其与4.75mm-9.5mm档集料的最佳掺配比例，进行不同掺配比例下的旋转压实试验，试验结果如表2及图3所示，确定混合集料与4.75mm-9.5mm集料的最优掺配比例为71：29，则13.2mm-19.0mm、9.5mm-13.2mm及4.75mm-9.5mm三档集料的最优掺配比例为42.6：28.4：29；
表2掺加4.75mm-9.5mm集料的试验结果
| F％ | 100 | 60 | 40 | 29 | 0 |
| 1 | 0.416 | 0.387 | 0.389 | 0.390 | 0.413 |
| 2 | 0.416 | 0.392 | 0.394 | 0.391 | 0.413 |
| 3 | 0.415 | 0.395 | 0.391 | 0.390 | 0.413 |
| 均值 | 0.416 | 0.391 | 0.391 | 0.390 | 0.413 |
| C％ | 0 | 40 | 60 | 71 | 100 |
按照最优比例混合的以上三档集料与2.36mm-4.75mm集料在不同掺配比例下的干压实空隙率，结果见表3及图4所示，三档混合粗集料与2.36mm-4.75mm集料的最优掺配比例为72：28，则四档粗集料的最佳掺配比例为13.2mm-19.0mm：9.5mm-13.2mm：4.75mm-9.5mm：2.36mm-4.75mm＝31：20：21：28；
表3掺加2.36mm-4.75mm集料的试验结果
| F％ | 100 | 60 | 28 | 0 |
| 1 | 0.416 | 0.378 | 0.370 | 0.390 |
| 2 | 0.409 | 0.374 | 0.376 | 0.391 |
| 3 | 0.417 | 0.384 | 0.369 | 0.390 |
| 均值 | 0.414 | 0.379 | 0.372 | 0.390 |
| C％ | 0 | 40 | 72 | 100 |
S9、以所有粗集料按上述比例组合并干压实后剩余的空隙率为2.36mm及以下细集料的总掺配比例，不同细集料的具体掺配比例可根据机制砂与矿粉的筛分结果及对0.075mm筛孔质量通过率的要求来综合确定；亦可按照确定的粗集料最佳掺配比例与2.36mm及以下细集料再次进行不同掺配比例的干压实试验，确定粗集料与2.36mm及以下细集料的最佳掺配比例；
根据以上结果，粗集料按照最优比例混合料干压实后剩余的空隙率为37.2％，即机制砂和矿粉的掺配比例为总混合料质量的37.2％，按37％计算(此处忽略不同规格集料的密度差异对空隙率的影响，以及由此造成的应当对掺配比例的调整)。
S10、根据级配设计采用的各档粗集料与细集料的级配组成，按照上述确定的优化比例计算合成矿料级配，作为目标级配，根据实际生产用各档集料的级配情况调整其掺配比例接近优化的目标级配，作为最终混合料组成设计时采用的矿料级配；
根据优化的掺配比例确定的合成矿料级配，也即目标级配，结果见表4；
表4优化目标级配
实际采用的集料规格为10-20mm集料、5-10mm集料、3-5mm集料、机制砂与矿料五种规格的集料，控制0.075mm筛孔的质量通过率为6％-8％，根据机制砂和矿粉各自的筛分结果，以及步骤S8后确定的级配比例，确定以上各档集料的掺配比例为10-20mm：5-10mm：3-5mm：机制砂：矿料＝35：12：16：34：3，最终的合成矿料级配结果见表5。
表5最终合成矿料级配
级配优化前，按照常规方法确定的合成矿料级配结果见表6所示。与优化前相比，优化过程主要增加了2.36mm-4.75mm及0-2.36mm两档集料的用量。
表6级配优化前合成矿料级配
综上所述，本发明实施例提供了一种提高沥青混合料力学性能的矿料级配设计方法。
设计空隙率为3％时，优化前后两个级配混合料的油石比及采用梯形试件两点弯曲试验得到的动态模量和疲劳性能试验结果见表7所示。从表中数据可见，级配优化后，混合料的油石比降低0.3％，弯曲动态模量和疲劳寿命均得到显著提高。
表7级配优化前后性能对比
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提高沥青混合料力学性能的矿料级配设计方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
S1、根据混合料的集料规格，将选用适当的多个筛子，并选定关键筛，根据关键筛的筛孔将集料重新分档；
S2、对集料进行筛分，确定各个筛子的质量通过率；
S3、确定各档集料的毛体积密度；
S4、设定用于矿料级配设计的旋转压实仪工作参数，所述工作参数包括：旋转角和竖向压强；
S5、采用旋转干压实的方法，按照粒径由大到小的顺序，确定粗集料与细集料在不同掺配比例下的压实空隙率；
S6、以粗集料的掺配比例为横坐标轴、干压实空隙率为纵坐标轴，建立直角坐标系，将不同掺配比例下的干压实空隙率绘制在直角坐标系中，并确定方程参数并绘制方程函数曲线；
S7、根据方程及其函数曲线，确定粗集料的最佳掺配比例；
S8、以按照上述比例混合料的两档粗集料作为新的粗集料，重复步骤S5、S6、S7，确定其与下一档较细集料的最佳掺配比例，如此重复，直至确定除最小关键筛孔孔径及以下细集料之外其它所有粗集料的最佳掺配比例；
S9、以所有粗集料按上述比例组合并干压实后剩余的空隙百分比作为最小关键筛孔孔径及以下细集料的总掺配比例；
S10、根据级配设计采用的各档粗集料与细集料的级配组成，按照上述确定的优化比例计算合成矿料级配，作为目标级配，根据实际生产用各档集料的级配情况调整其掺配比例接近优化的目标级配，作为最终混合料组成设计时采用的矿料级配。
2.根据权利要求1所述的级配设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，使用的筛子的筛孔孔径为：19.0mm、16.0mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm。
3.根据权利要求2所述的级配设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，将19.0mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm及2.36mm筛孔视为关键筛孔，从而将集料划分为13.2-19.0mm、9.5-13.2mm、4.75-9.5mm、2.36-4.75mm及小于2.36mm共5档集料，其中每档集料均为不包括上限而包括下限。
4.根据权利要求1所述的级配设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用《公路工程集料试验规程》(JTG E42)中的标准试验方法测量毛体积密度。
5.根据权利要求1所述的级配设计方法，其特征在于，所述步骤S5中，旋转压实次数采用15-25次。
6.根据权利要求4所述的级配设计方法，其特征在于，所述步骤S5中，空隙率计算的依据为最大理论密度由采用的集料毛体积密度与其掺配比例计算确定。
7.根据根据权利要求1所述的级配设计方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述方程为如下:
方程一：V＝F·(1-Pc)+D·Pc；
方程二：V＝(C+1)·Pc-1；
方程三：V＝E·Pc；
其中V为干压实空隙率，Pc为粗集料的掺配比例，F为细集料的干压实空隙率，D为代表墙壁效应的一个参数，C为粗集料的干压实空隙率，E为方程三的斜率。
8.根据权利要求7所述的级配设计方法，其特征在于，所述方程一经过粗集料掺配比Pc＝0和Pc＝40％时实验结果在坐标系中确定的点，方程二与横轴的交点对应Pc的大小为粗集料的掺配比例的最小值Pmin，方程一与方程三的交点对应的Pc与Pmin相等，程二与方程三的交点对应的Pc的大小为粗集料的掺配比例的最大值Pmax。
9.根据权利要求7所述的级配设计方法，其特征在于，所述步骤S7中，当Pmax＜1时，粗集料的最佳掺配比例为Pmax；当Pmax≥1时，粗集料的最佳掺配比例为Pmin，或采用试验中最小压实空隙率对应的比例。
10.根据权利要求4所述的级配设计方法，其特征在于，所述步骤S9中，不同细集料的具体掺配比例根据其各自的0.075mm筛孔质量通过率及最终合成级配中对0.075mm筛孔质量通过率的控制标准来综合确定；也能够按照确定的粗集料最佳掺配比例与最小关键筛孔孔径及以下细集料再次进行不同掺配比例的干压实试验，确定粗集料与最小关键筛孔孔径及以下细集料的最佳掺配比例。
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