CN106544944A - 一种小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法 - Google Patents

Abstract

一种小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法，包括：1)确定主骨料和填充集料的界限筛孔；2)根据逐级填充理论，得到各级填充集料的组成质量比例；3)确定各级填充集料的最佳质量比例；4)采用灰关联熵分析法根据各级填充集料对主骨料的间隙率和最大承载力的影响，确定影响沥青混合料骨架特性的关键筛孔；5)得到沥青混合料的主骨料级配优选范围；6)确定各级填充集料质量比例；7)确定填充集料对小粒径沥青混合料性能影响的关键筛孔；8)得到沥青混合料中填充料的级配推荐范围；9)通过体积法确定主骨料和填充集料的比例，得出小粒径骨架密实型沥青混合料级配范围。本发明能使混合料骨架及密实状态同时达到最佳，满足路用和抗滑性能要求。

Description

一种小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法

技术领域

本发明属于道路施工领域，具体涉及一种小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法。

背景技术

小粒径骨架密实型沥青混合料主要用于高等级沥青或水泥路面的预防性养护以及轻微病害的矫正性养护，因其具有改善路面的表面功能、延长路面使用寿命、改善行驶质量、校正表面缺陷、减小面层厚度、提高安全特性(包括抗滑性与排水性)、降低噪音等路面功能，近年来逐渐受到重视。小粒径骨架密实型沥青混合料的骨料粒径偏小，整体承载能力有限，所以其矿料级配的组成决定着沥青混合料整体的路用性能。目前常用的级配设计理论主要有：最大密度曲线理论、粒子干涉理论和分形理论。W.B.Fuller的最大密实曲线理论是从集料以何种比例组合能达到最大密实度的角度出发确定级配中各种粒径的分布，各级数量比较接近，同级颗粒不能相互接触，粗集料含量少，不能形成骨架结构，所以高温稳定性能较差，在现在重交通荷载作用下容易产生车辙；C.A.G魏矛斯(Weymouth)提出的粒子干涉理论实质是以填充理论为基础，在填充颗粒粒径不大于前一级颗粒间隙距离的前提下，逐级填充，达到最大密实度，否则前一级颗粒与次级颗粒之间势必发生干涉现象；分形理论是基于分形几何学发展起来的，所谓分形几何，通俗一点说就是研究无限复杂但具有一定意义下的自相似图形与结构的几何学，它为人们提供了一种描述自然界不规则复杂现象中的秩序和结构的新方法。

由于小粒径特点的限制，传统的级配设计方法，用普通沥青混合料粗细集料的划分界限对其主骨料和填充料进行划分显然是不合理的，很难满足其路用性能和抗滑性能要求。

在级配设计中，粗集料颗粒间嵌挤力的大小及密实程度是级配设计的关键因素，通常采用不同粗细集料的分界筛孔对小粒径骨架密实型沥青混合料的级配设计，对于粗集料这一松散材料，目前主要通过粗集料间隙率来判断其骨架状态，然而粗集料间隙率主要是体现集料密实性的指标，集料颗粒间的稳定性主要由集料抵抗外界荷载的能力，即骨架强度进行决定，而且如何评价干混集料的骨架强度也依然是目前所存在的一个问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法，能使混合料骨架以及密实状态同时达到最佳，满足路用和抗滑性能要求。

为了实现上述目的，本发明小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法，包括以下步骤：

1)确定主骨料和填充集料的界限筛孔；

2)根据逐级填充理论，测定主骨料的粗骨料间隙率、加州承载比和最大承载力，确定一级填充集料和二级填充集料的最佳质量比例，保持此最佳比例不变，再确定三级填充集料与二级填充集料的比例，以此类推，得到各级填充集料的组成质量比例；

3)通过均匀设计表，以间隙率和最大承载力为控制指标，进行主骨料配比的优化设计，确定各级填充集料最佳的质量比例；

4)采用灰关联熵分析法根据各级填充集料对主骨料的间隙率和最大承载力的影响，确定出影响沥青混合料骨架特性的关键筛孔；

5)将关键筛孔的集料含量上下浮动2％、非关键筛孔集料含量上下浮动4％并取整，得到小粒径骨架密实型沥青混合料的主骨料级配优选范围；

6)根据最大密度曲线理论和A.N,Talbol公式，变化n值设计相应填充集料级配，并测定对应级配下填充集料的振实密度和振实骨架的间隙率，评价不同n值设计的填充集料级配的密实性，从而确定各级填充集料的质量比例；

7)以间隙率为对比列，对不同n值对应级配的间隙率结果进行灰关联熵分析，确定填充集料对小粒径沥青混合料性能影响的关键筛孔；

8)将关键筛孔的集料含量上下浮动1.5％、非关键筛孔的集料含量上下浮动3％并取整，得到小粒径骨架密实型沥青混合料中填充料的级配推荐范围；

9)根据主骨架空隙率以及沥青混合料设计空隙率，确定细集料用量和沥青用量，使细集料体积、沥青体积和沥青混合料设计空隙体积的总和等于主骨架空隙的体积，通过体积法确定主骨料和填充集料的比例，并最终得出小粒径骨架密实型沥青混合料的级配范围。

步骤1)根据贝雷法，按公称最大粒径的0.22倍确定主骨料和填充集料的界限筛孔。

步骤2)进行一级填充时，先根据填充集料的间隙率和加州承载比试验结果确定填充量的百分比范围，再根据最大承载力试验结果确定一级填充集料的比例；进行二级填充时，根据最大承载力和填充集料的间隙率试验指标确定出二级填充集料的比例，并以此类推，相继填充，最后得到各级填充集料的组成质量比例。

均匀设计表进行主骨料配比的优化时，变化各级填充集料比例对应的质量分数设计试验。

采用灰关联熵分析法确定影响沥青混合料骨架特性的关键筛孔时，各级填充集料对应的质量分数值为比较列，以主骨料的间隙率和最大承载力作为参考序列。

确定各级填充集料的质量比例时，n值的变化范围为0.2～0.7，间隔为0.05，按下式进行计算，评价不同n值设计的填充集料级配的密实性：

其中：P_i是筛孔直径为i的通过率；D为最大粒径。

通过体积法确定主骨料和填充集料的比例按下式进行计算：

G+g＝100％；

式中：G——矿质混合料中主骨料比例，％；

g——矿质混合料中填充料比例，％；

ρ_g——填充料混合后的密度，g/cm³；

ρ_s——主骨料紧密堆积密度，g/cm³；

VCA——主骨料紧密堆积状态下的空隙率，％；

VMA——矿料间隙率，％；

P_a——油石比，％；

ρ_a——沥青的密度，g/cm³；

VV——沥青混合料的空隙率，％。

沥青混合料的空隙率VV的范围为3.5％～4.2％，矿料间隙率VMA为16.5％～18.5％。

选取主骨料和填充集料级配范围的中值计算得到小粒径骨架密实型沥青混合料配合比。

根据计算所得的小粒径骨架密实型沥青混合料的级配范围，在理论油石比下进行马歇尔试验，通过测定每组马歇尔试件的稳定度、流值、主骨架间隙率和体积参数，以空隙率VV和矿料间隙率VMA为控制因素，得出各指标均能满足要求的主骨料和填充集料比，根据关键筛孔和非关键筛孔的控制原则，计算得到小粒径沥青混合料的矿料级配范围。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：通过对小粒径骨架密实型沥青混合料进行级配设计，避免了以往道路交通行业对主骨料和填充料统一划分以及对主关键筛孔与次关键筛孔进行经验性粗略划分的问题。通过针对性的给出沥青混合料的级配范围，在满足路用性能要求的情况下，给具体施工状况提供了可变化空间，便于具体应用。本发明利用粒子干涉和最大密度曲线理论，在保证主骨架达到最佳嵌挤状态的同时，达到最大密实状态，在公称最大粒径较小，主骨料骨架强度较低的状态下，避免了由于主骨料中各级筛孔的集料比例搭配不当，造成骨架的承载能力降低，保证了在车辆荷载和环境共同作用下，骨架的稳定性，从而确保沥青混合料的路用性能和耐久性，显著提高了经济效益。

附图说明

图1本发明方法的操作流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法，包括以下步骤：

(1)主骨料和填充料的界定：采用贝雷法和相关研究的结论，对小粒径骨架密实型沥青混合料中主骨料和填充集料的分界进行动态划分。沥青混合料粗细集料的分界点随集料公称最大粒径的变化而变化，粗细集料的分界筛孔按公称最大粒径的0.22倍进行确定。

(2)主骨料组成设计：以逐级填充理论为依据，测定不同比例混合时主骨料的粗骨料间隙率VCA、加州承载比CBR和最大承载力MPL，确定主骨料的组成，确定关键筛孔，并推荐合理的主骨料级配范围。在逐级填充过程中，当次级填充集料的含量不大于一定值时，次级填充集料完全进入上一级填充集料形成的空隙中，就不会对上一级填充集料产生干涉。随着逐级填充的不断进行，混合料的空隙率逐渐减小，同时偶然干涉不断累积，次级填充集料的含量存在一个临界值，使得所有填充集料处于平衡状态，此时空隙率达到最低值。逐级填充时，以某一档填充集料的最佳组合为基础，寻找次级填充集料的最佳含量得到的骨架最优。

按照粒子干涉理论，当次一级颗粒的粒径小于前一级颗粒形成的空隙，次级颗粒能很好地填充前一级颗粒形成的空隙，表现为间隙率VCA减小；而当次一级颗粒粒径大于前一级颗粒形成的空隙时，颗粒之间发生干涉，表现为间隙率VCA的增大，由此，采用间隙率VCA检测集料颗粒间的堆垛情况。加州承载比CBR用于评价材料的承载力，加州承载比CBR越大，表明矿料的承载能力越强，骨架强度越大，骨架间的稳定性越好。进行级配设计时要综合考虑间隙率VCA和加州承载比CBR的变化规律，要保证集料在形成稳定骨架的同时，还要达到最大程度的密实状态，不能追求单纯意义上的最强骨架或最大密实度。最大承载力MPL用于评价干混集料的抗剪能力，从而判别出主骨料间的嵌锁力。

确定主骨料的组成时，以间隙率VCA、加州承载比CBR和最大承载力MPL为指标，先确定一级填充集料和二级填充集料的最佳质量比例，并保持此最佳比例不变，再确定三级填充集料与其的比例，以此类推，最终得到各级集料的组成质量比例。

在确定组成质量比例后，采用均匀设计表，以间隙率VCA和最大承载力MPL为控制指标，进行主骨料配比优化设计，确定出各级集料最佳质量比例。在确定主骨料各级集料最佳质量比例的基础上，采用灰关联熵分析法分析一级填充集料、二级填充集料、三级填充集料等各级主骨料对最大承载力MPL和间隙率VCA指标的影响，确定出影响小粒径沥青混合料骨架特性的关键筛孔。确定出主骨料各级集料最佳质量比例和关键筛孔后，依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)对施工质量的检测要求，将关键筛孔集料含量上下浮动2％、非关键筛孔集料含量上下浮动4％并取整，得到小粒径沥青混合料主骨料级配推荐范围。

(3)填充集料组成设计：测定不同比例混合时填充集料的振实密度和间隙率VCA，评价不同混合比例时填充料的密实程度，确定填充料的组成，并推荐合理的填充集料级配范围。根据最大密度曲线理论和A.N,Talbol公式(1)，使n值在0.2～0.7之间变化，间隔为0.05，变化n值设计相应填充料级配，并测定各级配下填充料的振实密度和振实骨架间隙率VCA，评价不同n值设计的填充料级配的密实性，从而确定填充料中各档集料质量比例。

其中：P_i是筛孔直径为i的通过率；D为最大粒径。

确定填充料中各档集料质量比例后，以间隙率VCA为对比列，对不同n值对应级配的间隙率VCA结果进行灰关联熵分析，确定出填料对小粒径沥青混合料性能影响的关键筛孔。

依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40‐2004)对施工质量的检测要求，并结合美国SMA‐5的级配范围要求，将关键筛孔集料含量上下浮动1.5％，非关键筛孔集料含量上下浮动3％并取整，得到小粒径沥青混合料中填充料级配推荐范围。

体积设计方法表述如式(2)、(3)、(4)：

G+g＝100％ (2)

式中：G——矿质混合料中主骨料比例，％；

g——矿质混合料中填充料比例，％；

ρ_g——填充料混合后的密度，g/cm³；

ρ_s——主骨料紧密堆积密度，g/cm³；

VCA——主骨料紧密堆积状态下的空隙率，％；

VMA——矿料间隙率，％；

P_a——油石比，％；

ρ_a——沥青的密度，g/cm³；

VV——沥青混合料的空隙率，％。

(4)主骨料和填充集料相对比例的确定：采用体积设计方法以矿料间隙率VMA和空隙率VV作为最重要的控制参数，根据细集料体积、沥青体积和沥青混合料设计空隙体积的总和等于主骨架空隙的体积这一理论，确定细集料用量和沥青用量，引出体积法设计粗细集料用量百分数的公式，确定合理的主骨料和填充集料的比例，并最终得出小粒径骨架密实型沥青混合料的级配范围。具体计算方法为：根据规范要求，拟定VMA和VV值；经测量得ρ_s和VCA值；计算可得出ρ_g代入式(2)～(4)可得G、g和P_a。

利用体积设计法得到的G和g在对应值附近做递增或递减变化，且分别选取步骤(2)和(3)中确定的主骨料和填充料级配范围的中值计算得到一定组数的沥青混合料配合比。

根据上述计算所得的小粒径沥青混合料配合比在各自的理论油石比下进行马歇尔试验，测定每组马歇尔试件的稳定度、流值、主骨架间隙率和体积参数，以VV和VMA为主要控制因素，综合其他因素得出各指标均能满足要求的粗细集料比，根据关键筛孔和非关键筛孔的控制原则，最终计算得出小粒径沥青混合料的矿料级配范围。

以公称最大粒径为4.75mm沥青混合料为例，本发明通过从以下方面设计：

1.确定主骨料与填充料的界定筛孔；

2.主骨料各档集料组成设计；

3.主骨料级配优化设计；

4.主骨料级配关键筛孔的确定；

5.主骨料级配范围的确定；

6.填充料各档集料组成设计；

7.填充料级配关键筛孔的确定；

8.填充料级配范围的确定；

9.主骨料与填充料合成比例的确定；

10.矿料级配范围的确定。

按公称最大粒径的0.22倍计算，主骨料和填充料的分界筛孔应为1.18mm；进行逐级填充试验，以VCA、CBR和MPL为指标，先确定4.75mm集料和2.36mm集料的最佳质量比例，并保持此最佳比例不变，再确定加入1.18mm集料与其的比例，得到最终4.75mm、2.36mm和1.18mm集料的最佳组成质量比例；将主骨料的三档集料：4.75～9.5mm，2.36～4.75mm，1.18～2.36mm分为3个因素，分别以X1、X2和X3代表对应粒径的质量分数，在上述确定的主骨料最佳质量比例左右变动X1、X2和X3，并进行单轴贯入试验和VCA试验，优化主骨料的组成；继而采用灰关联熵分析法分析X1、X2和X3对MPL和VCA的影响，确定影响小粒径混合料骨架特性的关键筛孔；依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40‐2004)对施工质量的检测要求，将关键筛孔集料含量上下浮动2％，非关键筛孔集料含量上下浮动4％并取整，得到公称最大粒径为4.75mm的小粒径沥青混合料主骨料级配推荐范围；根据富勒(Fuller)最大密度曲线理论和A.N,Talbol公式，使n值在0.2～0.7之间变化，间隔为0.05，变化n值设计11种填充料级配，测定振实密度和振实骨架间隙率VCA，评价不同n值设计的填充料级配的密实性，根据振实密度和VCA试验结果，确定出填充料各档粒料质量最佳比例；填充料共有三档：0.6～1.18mm、0.3～0.6mm、0.15～0.3mm和0.075～0.15mm分为4个因素，用X1、X2、X3和X4代表对应粒径的质量分数，以间隙率VCA为对比列，采用灰关联熵分析法确定影响小粒径混合料填充料密实性的关键筛孔；依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40‐2004)对施工质量的检测要求，并结合国外小粒径矿料级配范围的要求，将关键筛孔集料含量上下浮动1.5％，非关键筛孔集料含量上下浮动3％并取整，得到小粒径沥青混合料填充料级配推荐范围；根据规范的相关要求要求，拟定VMA＝18％，VV＝4.0％；测量得出ρ_s和VCA的值，计算得出ρ_g值，代入式(2)～(4)可得G＝80％，g＝20％，P_a＝6.4％。在所得G：g值附近变化，且分别确定的主骨料和填充料级配范围的中值计算得到相应数目级配(见表1)，并在各自的理论油石比下进行马歇尔试验，测定每组马歇尔试件的稳定度、流值、主骨架间隙率和体积参数(见表2)，以VV和VMA为主要控制因素，综合其他因素可以得出当粗细集料比为75：25时混合料各指标均能满足要求，因此，选择4#级配为最优级配，根据关键筛孔和非关键筛孔的控制原则，最终计算得出小粒径沥青混合料的矿料级配范围(见表3)。

表1 7种级配计算结果

表2 7种级配的马歇尔试验结果

表3 矿料级配范围

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例作的任何简单修改、变更及等效变换，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定主骨料和填充集料的界限筛孔；

2)根据逐级填充理论，测定主骨料的粗骨料间隙率VCA、加州承载比CBR和最大承载力MPL，确定一级填充集料和二级填充集料的最佳质量比例，保持此最佳比例不变，再确定三级填充集料与二级填充集料的比例，以此类推，得到各级填充集料的组成质量比例；

3)通过均匀设计表，以间隙率VCA和最大承载力MPL为控制指标，进行主骨料配比的优化设计，确定各级填充集料最佳的质量比例；

4)采用灰关联熵分析法根据各级填充集料对主骨料的间隙率VCA和最大承载力MPL的影响，确定出影响沥青混合料骨架特性的关键筛孔；

5)将关键筛孔的集料含量上下浮动2％、非关键筛孔集料含量上下浮动4％并取整，得到小粒径骨架密实型沥青混合料的主骨料级配优选范围；

6)根据最大密度曲线理论和A.N,Talbol公式，变化n值设计相应填充集料级配，并测定对应级配下填充集料的振实密度和振实骨架的间隙率VCA，评价不同n值设计的填充集料级配的密实性，确定各级填充集料的质量比例；

7)以间隙率VCA为对比列，对不同n值对应级配的间隙率VCA结果进行灰关联熵分析，确定填充集料对小粒径沥青混合料性能影响的关键筛孔；

8)将关键筛孔的集料含量上下浮动1.5％、非关键筛孔的集料含量上下浮动3％并取整，得到小粒径骨架密实型沥青混合料中填充料的级配推荐范围；

9)根据主骨架空隙率以及沥青混合料设计空隙率，确定细集料用量和沥青用量，使细集料体积、沥青体积和沥青混合料设计空隙体积的总和等于主骨架空隙的体积，通过体积法确定主骨料和填充集料的比例，并最终得出小粒径骨架密实型沥青混合料的级配范围。

2.根据权利要求1所述的小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法，其特征在于：步骤1)根据贝雷法，按公称最大粒径的0.22倍确定主骨料和填充集料的界限筛孔。

3.根据权利要求1所述的小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法，其特征在于：步骤2)进行一级填充时，先根据填充集料的间隙率VCA和加州承载比CBR试验结果确定填充量的百分比范围，再根据最大承载力MPL试验结果确定一级填充集料的比例；进行二级填充时，根据最大承载力MPL和填充集料的间隙率VCA试验指标确定出二级填充集料的比例，并以此类推，相继填充，最后得到各级填充集料的组成质量比例。

4.根据权利要求1所述的小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法，其特征在于：通过均匀设计表进行主骨料配比的优化时，变化各级填充集料比例对应的质量分数来设计试验。

5.根据权利要求1所述的小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法，其特征在于：采用灰关联熵分析法确定影响沥青混合料骨架特性的关键筛孔时，各级填充集料对应的质量分数值为比较列，以主骨料的间隙率VCA和最大承载力MPL作为参考序列。

6.根据权利要求1所述的小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法，其特征在于：确定各级填充集料的质量比例时，n值的变化范围为0.2～0.7，间隔为0.05，按下式进行计算，评价不同n值设计的填充集料级配的密实性：

其中：P_i是筛孔直径为i的通过率；D为最大粒径。

7.根据权利要求1所述的小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法，其特征在于，通过体积法确定主骨料和填充集料的比例按下式进行计算：

G+g＝100％；

$\frac{g}{{\mathrm{\ρ}}_g}=\frac{G}{{\mathrm{\ρ}}_s}\left(\frac{VCA-VMA}{100}\right);$

$\frac{P_a}{{\mathrm{\ρ}}_a}=\left(\frac{VMA-VV}{100}\right)\frac{G}{{\mathrm{\ρ}}_s};$

式中：G——矿质混合料中主骨料比例，％；

g——矿质混合料中填充料比例，％；

ρ_g——填充料混合后的密度，g/cm³；

ρ_s——主骨料紧密堆积密度，g/cm³；

VCA——主骨料紧密堆积状态下的空隙率，％；

VMA——矿料间隙率，％；

P_a——油石比，％；

ρ_a——沥青的密度，g/cm³；

VV——沥青混合料的空隙率，％。

8.根据权利要求7所述的小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法，其特征在于：沥青混合料的空隙率VV的范围为3.5％～4.2％，矿料间隙率VMA为16.5％～18.5％。

9.根据权利要求7所述的小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法，其特征在于：选取主骨料和填充集料级配范围的中值计算得到小粒径骨架密实型沥青混合料配合比。

10.根据权利要求7所述的小粒径骨架密实型沥青混合料级配方法，其特征在于：根据计算所得的小粒径骨架密实型沥青混合料的级配范围，在理论油石比下进行马歇尔试验，通过测定每组马歇尔试件的稳定度、流值、主骨架间隙率和体积参数，以空隙率VV和矿料间隙率VMA为控制因素，得出各指标均能满足要求的主骨料和填充集料比，根据关键筛孔和非关键筛孔的控制原则，计算得到小粒径沥青混合料的矿料级配范围。