CN109279818B - 一种基于细观指标设计骨架密实型沥青混合料的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于细观指标设计骨架密实型沥青混合料的方法，包括以下步骤：选择集料，将粗细集料划分为粗细两档；以分级掺配法设计主骨架，以Superpave确定细集料级配；体积法确定粗细集料比例，初定沥青用量；最优骨架的验证和级配的细部调整；最佳沥青用量的确定。通过本发明提出的设计方法设计骨架密实型沥青混合料，混合料内骨架稳定性好，可有效提高沥青路面的路用性能和施工建设质量，还节省工程造价，具有非常大的社会经济效益。

Description

一种基于细观指标设计骨架密实型沥青混合料的方法

技术领域

本发明涉及一种基于细观指标设计骨架密实型沥青混合料的方法，属于道路工程领域。

背景技术

目前，骨架密实型沥青混合料设计过程中，一般依据美国SMA对骨架密实结构的定义，根据经验公式对粗集料骨架状态进行判断：当VCA_mix<VCA_DRC时，粗集料相互嵌挤形成骨架；当VCA_mix≡VCA_DRC时表示粗集料刚好发挥最佳嵌挤效果；如VCA_mix>VCA_DRC，则粗集料骨架被撑开，细集料和沥青胶浆对粗集料骨架形成干涉。然而，不但VCA_mix和VCA_DRC在试件成型，试件体积指标的计算方法上均存在较大差异，且VCA_mix计算过程中采用的是经验法，与沥青混合料和粗集料的毛体积密度密切相关，同时通过经验公式来估算吸附沥青对集料密度的影响。采用经验法计算VCA_mix时，很可能会因为经验系数取值和人为误差积累等因素导致计算结果产生较大的误差，从而不能完全真实地评价沥青混合料的路用性能。

考虑到目前粗集料骨架嵌挤标准并不能很好地指导骨架密实型沥青混合料的设计，有学者提出如骨架接触度(SSC)、骨架稳定度(S)和级配干涉系数等骨架密实结构评价标准，也均是以VCA_mix作为基础，参数计算过程中需准确量测VCA_mix值。且不论依据经验公式计算VCA、骨架接触度和骨架稳定度等过程中的误差对骨架判别结果的影响，并且VCA也是认识沥青混合料整体结构的一个宏观指标。当粗集料形成骨架结构时，沥青混合料内部结构状态如粗集料的分布及其相互之间的关系，粗集料对骨架构成的作用也无从可知。所以，为减少或延缓沥青路面车辙病害的出现，使设计的沥青混合料具备更优良的路用性能，急需提出一种能反映沥青混合料骨架状态且较为精确的评价指标和设计方法，以指导骨架密实型沥青混合料的设计。

发明内容

本发明的目的是为了克服目前骨架密实型沥青混合料设计和评价指标的不足，提出一种基于细观指标设计骨架密实型沥青混合料的方法，该方法能更好地反映沥青混合料真实的骨架状态，可保证粗集料相互嵌挤形成最优主骨架，可靠度高且试验量小，设计的沥青混合料具有较强抵抗永久变形的能力。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于细观指标设计骨架密实型沥青混合料的方法，包括以下步骤：

步骤1：选择集料，将粗细集料划分为粗细两档；

步骤2：以分级掺配法设计主骨架，以Superpave确定细集料级配；

步骤3：体积法确定粗细集料比例，初定沥青用量；

步骤4：最优骨架的验证和级配的细部调整；

步骤5：最佳沥青用量的确定。

进一步，步骤2中，分级掺配法为：从最大公称尺寸集料开始，与次一档尺寸集料按照不同比例进行掺配，当混合料达到最小空隙率时相应的各档集料比例，就认为是构成最优骨架的粗细集料比例，然后，将此比例的混合料与下一档粒径集料逐级掺配，按照粒径大小逐级进行掺配直至粗细集料分界粒径为止。

进一步，所述掺配过程以捣实法操作，主要步骤为：从最大公称尺寸集料开始，与次一档尺寸集料进行掺配，分别按照0:100、20:80、40:60、60:40、80:20和100:0的掺配比例进行捣实试验，每种比例至少进行3次平行试验，测定混合料的空隙率并进行高斯峰值拟合，空隙率拟合曲线最小值即为混合料最密实状态下的比例。

进一步，验证主骨架是否受到干涉，需依据式(1)进行骨架判别，若验证结果表明骨架受到干涉，则调整各档集料的比例，使之满足式(1)的要求，按照粒径从大到小的顺序逐级进行掺配，可得出粗集料级配曲线。

其中，q_c、q_f分别为较粗集料和次一档尺寸集料的含量，％；VCA为粗集料形成的空隙，％；ρ_sc、ρ_f分别为粗集料干捣实密度和细集料的毛体积密度，g/cm³。

进一步，步骤2中，Superpave级配采用的是Talbot的最大密度曲线(n法，n＝0.435)，选用从禁区下方通过的级配曲线。

进一步，步骤3中，粗细集料比例和沥青初步用量可根据式(2)确定，

其中，q_粗、q_细、q_粉和q_沥青分别为粗集料、细集料、矿粉以及沥青的质量比例，％；ρ_{粗集料捣实密度}、ρ_{细集料合成密度}、ρ_粉和ρ_沥青分别为粗集料的干捣实密度、细集料的合成密度、矿粉密度和沥青密度，g/cm³；VCA_DRC为设计过程中第二步得到的粗集料空隙率，％；VV为设计空隙率，％。

进一步，根据级配成型马歇尔试件，为双面击实75次，或旋转压实试件，为旋转压实150次，基于X-Ray CT扫描或利用切割机对试件进行切割，获取沥青混合料切片图像后进行粗集料接触分析，计算VCA_mix(IMAGE)，得到混合料的细观评价指标如VCA_mix(IMAGE)、平均配位数

和“悬浮”粗集料含量C，根据以上指标对设计级配进行验证和调整，骨架的验证以考虑粗集料接触特性，根据数字图像法获得的VCA_mix(IMAGE)<VCA_DRC为判别指标，严格保证粗集料更好地发挥嵌挤作用，而级配调整的细观指标应达到

同时C<25％。

进一步，最佳沥青用量可根据马歇尔试验确定，至此完成基于细观指标设计骨架密实功能型混合料的过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明考虑粗集料接触特性，提出了更为精确的VCA_mix计算方法，克服了目前VCA_mix计算过程中因密度测量和经验系数取值等导致的误差，能更好地反映沥青混合料真实的骨架状态。

同时，基于细观指标设计骨架密实型沥青混合料的方法能可保证粗集料相互嵌挤形成最优主骨架，直观方便，可靠度高且试验量小。

通过本发明提出的设计方法设计骨架密实型沥青混合料，混合料内骨架稳定性好，可有效提高沥青路面的路用性能和施工建设质量，还节省工程造价，具有非常大的社会经济效益。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1是设计流程图；

图2是分级掺配设计主骨架的过程；

图3a是VCA_mix示意图；

图3b是VCA_mix(IMAGE)示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述一种基于细观指标设计骨架密实型沥青混合料的方法如图1所示。

第一步：将粗细集料划分为粗细两档。对粗细集料进行划分是为了区别各结构组分在混合料中所起的作用，粗集料主要形成嵌挤的主骨架，而细集料主要负责填充主骨架之间的空隙。

第二步：以分级掺配法设计主骨架。分级掺配法的原理为：从最大公称尺寸集料开始，与次一档尺寸集料按照不同比例进行掺配，当混合料达到最小空隙率时相应的各档集料比例，就认为是构成最优骨架的粗细集料比例。然后，将此比例的混合料与下一档粒径集料逐级掺配，按照粒径大小逐级进行掺配直至粗细集料分界粒径为止。掺配过程以目前为主流的捣实法操作，设计过程见附图2。主要步骤为：从最大公称尺寸集料开始，与次一档尺寸集料进行掺配，分别按照0:100、20:80、40:60、60:40、80:20和100:0的掺配比例进行捣实试验。每种比例至少进行3次平行试验，测定混合料的空隙率并进行高斯峰值拟合，空隙率拟合曲线最小值即为混合料最密实状态下的比例。同时为验证主骨架是否受到干涉，需依据式(1)进行骨架判别。若验证结果表明骨架受到干涉，则调整各档集料的比例，使之满足式(1)的要求。按照粒径从大到小的顺序逐级进行掺配，可得出粗集料级配曲线。

其中，q_c、q_f分别为较粗集料和次一档尺寸集料的含量，％；VCA为粗集料形成的空隙，％；ρ_sc、ρ_f分别为粗集料干捣实密度和细集料的毛体积密度，g/cm³。

参阅图2，分级掺配法设计主骨架的过程从最大公称尺寸集料开始，与次一档尺寸集料按照不同比例进行掺配，按照粒径大小逐级进行掺配直至粗细集料分界粒径为止。假设设计的沥青混合料包含四种粒径的粗集料，四种粗集料按粒径大小排列的顺序为A>B>C>D，对应于最密实状态时四种粗集料的掺配比例分别为a、b、c、d。由这四种粒径粗集料掺配成最优骨架混合料的操作步骤为：

(1)按比例a和b对两档最粗的集料进行掺配；

(2)按比例a+b和c进行第三档集料的掺配；

(3)按比例a+b+c和d进行第三档集料的掺配。

第三步：确定细集料的级配。由于细集料实际上主要起填充主骨架空隙的功能作用，不对主骨架构成干涉即可。所以，细集料不需进行掺配，其级配只要满足密实填充的功能要求即可。考虑到Superpave级配设计采用的是Talbot(泰波)的最大密度曲线(n法，n＝0.435)，级配曲线从禁区下方通过时混合料能够获得较好的高温稳定性，推荐选用从禁区下方通过的级配曲线。

Superpave是Superior Performing Asphalt Pavement的缩写，中文意思就是“高性能沥青路面”。Superpave沥青混合料设计法是一种全新的沥青混合料设计法，包含沥青结合料规范，沥青混合料体积设计方法，计算机软件及相关的使用设备、试验方法和标准。

表1集料级配的禁区边界

第四步：确定粗细集料比例、初定沥青用量。骨架密实功能型混合料设计的关键步骤是使粗集料形成较优的主骨架，而粉胶比对级配的影响甚微。因此可根据经验确定适宜的粉胶比，减少体积法设计过程中的未知量和试验量。最终的沥青用量通过马歇尔试验进行验证和调整，以得到最佳沥青用量。

根据相关文献，粉胶比为1.2～1.4时沥青混合料高温稳定性最好，所以粉胶比取为1.3较为合适。矿粉的用量则可参照Superpave的建议值进行确定。最大公称粒径26mm的混合料矿粉用量为1～7％；最大公称粒径19mm的混合料矿粉用量为2～8％；最大公称粒径小于13.2mm的混合料矿粉用量为2～10％。因此，粗细集料比例和沥青初步用量可根据式(2)确定。

其中，q_粗、q_细、q_粉和q_沥青分别为粗集料、细集料、矿粉以及沥青的质量比例，％；ρ_{粗集料捣实密度}、ρ_{细集料合成密度}、ρ_粉和ρ_沥青分别为粗集料的干捣实密度、细集料的合成密度、矿粉密度和沥青密度，g/cm³；VCA_DRC为设计过程中第二步得到的粗集料空隙率，％；VV为设计空隙率，％。

第五步：最优骨架的验证和级配的细部调整。经理论计算得到混合料各组分的配比，在粗集料中掺入细集料、矿粉和沥青后，是否对主骨架产生干涉仍需检验，这也是保证粗集料形成最优主骨架的重要手段。本发明利用细观分析方法充分评估混合料中集料的空间状态和接触状况，从而对粗集料主骨架的干涉程度和嵌挤效果进行评价。对设计级配的验证和调整可借助数字图像处理技术来进行，此方法直观方便，且试验工作量小。

具体方法是：根据初步设计的级配成型马歇尔试件(双面击实75次)或旋转压实试件(旋转压实150次)，基于X-Ray CT扫描或利用切割机对试件进行切割，获取沥青混合料切片图像后进行粗集料接触分析，计算VCA_mix(IMAGE)(计算方法见附图3a、3b)，得到混合料的细观评价指标如VCA_mix(IMAGE)、平均配位数

和“悬浮”粗集料含量C等，根据以上指标对设计级配进行验证和调整。最优骨架的验证以考虑粗集料接触特性，根据数字图像法获得的VCA_mix(IMAGE)<VCA_DRC为判别指标，严格保证粗集料更好地发挥嵌挤作用，而级配调整的细观指标应达到

同时C<25％。关于混合料二维切片的数量，应成型至少3个马歇尔(或旋转压实)试件，获得20张以上混合料二维切片，满足计算误差小于5％的工程精度要求。所以说，最关键的最优骨架的验证和级配的调整是在可视化的条件下进行的，不但精度较高且试验工作量小。

第六步：最佳沥青用量的确定。在设计过程第四步中，沥青的初步用量是根据粉胶比等于1.3进行确定的，级配进行细部调整后，沥青的用量也会有较小的变化，最终的最佳沥青用量可根据马歇尔试验确定，至此完成基于细观指标设计骨架密实功能型混合料的过程(设计流程见附图1)。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

(1)测量各档集料的密度，对于公称最大粒径为13.2mm的沥青混合料，确定粗细集料分界筛孔为2.36mm。

(2)根据附图2的分级掺配法，按不同的粗细集料比例进行掺配分析，对所测得空隙率进行Gauss拟合，拟合曲线孔隙率最小值即为粗细集料最紧密状态下的比例，同时根据式(1)进行骨架判别，以验证主骨架是否受到干涉。各档粗集料掺配比例为13.2mm～16mm：9.5mm～13.2：4.75mm～9.5mm：2.36mm～4.75mm＝21.49：15.82：25.29：37.4，即主骨架按集料粒径从大到小的顺序，各档粗集料的比值为1:0.74:1.17:1.74，。

(3)借鉴Superpave级配，确定各档细集料比例为1.18mm：0.6mm：0.3mm：0.15mm：0.075mm＝41.9：22.1：12.3：7.9：15.8，合成密度为2.725g/cm³。

(4)混合料设计空隙率为4％，考虑粉尘影响，水泥掺量为2％，沥青初步用量为4.8％。根据式(2)计算得混合料各组分比例为q_粗：q_细：q_沥青：q_水泥＝67.8：23.4：4.8:2.0。

(5)成型马歇尔试件(双面击实75次)，利用切割机对试件进行切割获取切片图像，然后进行粗集料接触分析，得到VCA_mix(IMAGE)＝38.31％、

C＝22％，细观指标并不满足VCA_mix(IMAGE)<VCA_DRC的骨架判别要求，且

值也稍小，需对粗细集料的比例进行适当调整。经调整稍增大粗集料含量后的VCA_mix(IMAGE)＝36.47％、

和C＝20％，表明粗集料已形成较优的主骨架，此时混合料各组分比例为q_粗：q_细：q_沥青：q_水泥＝68.9：24.3：4.8:2.0。

(6)根据室内马歇尔试验确定最佳油石比为5.0％。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于细观指标设计骨架密实型沥青混合料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：选择集料，将粗细集料划分为粗细两档；

步骤2：以分级掺配法设计主骨架，以Superpave确定细集料级配；

分级掺配法的原理为：从最大公称尺寸集料开始，与次一档尺寸集料按照不同比例进行掺配，当混合料达到最小空隙率时相应的各档集料比例，就认为是构成最优骨架的粗细集料比例，然后，将此比例的混合料与下一档粒径集料逐级掺配，按照粒径大小逐级进行掺配直至粗细集料分界粒径为止，掺配过程以目前为主流的捣实法操作，主要步骤为：从最大公称尺寸集料开始，与次一档尺寸集料进行掺配，分别按照0:100、20:80、40:60、60:40、80:20和100:0的掺配比例进行捣实试验，每种比例至少进行3次平行试验，测定混合料的空隙率并进行高斯峰值拟合，空隙率拟合曲线最小值即为混合料最密实状态下的比例，同时为验证主骨架是否受到干涉，依据式(1)进行骨架判别，若验证结果表明骨架受到干涉，则调整各档集料的比例，使之满足式(1)的要求，按照粒径从大到小的顺序逐级进行掺配，得出粗集料级配曲线；

其中，q_c、q_f分别为较粗集料和次一档尺寸集料的含量，％；VCA为粗集料形成的空隙，％；ρ_sc、ρ_f分别为粗集料干捣实密度和细集料的毛体积密度，g/cm³；

步骤3：体积法确定粗细集料比例，初定沥青用量；

粗细集料比例和沥青初步用量根据式(2)确定，

其中，q_粗、q_细、q_粉和q_沥青分别为粗集料、细集料、矿粉以及沥青的质量比例，％；ρ_{粗集料捣实密度}、ρ_{细集料合成密度}、ρ_粉和ρ_沥青分别为粗集料的干捣实密度、细集料的合成密度、矿粉密度和沥青密度，g/cm³；VCA_DRC为设计过程中第二步得到的粗集料空隙率，％；VV为设计空隙率，％；

步骤4：最优骨架的验证和级配的细部调整；

根据级配成型马歇尔试件——双面击实75次，或旋转压实试件——为旋转压实150次，基于X-Ray CT扫描或利用切割机对试件进行切割，获取沥青混合料切片图像后进行粗集料接触分析，计算VCA_mix IMAGE，得到混合料的细观评价指标VCA_mixIMAGE、平均配位数

和“悬浮”粗集料含量C，根据以上指标对设计级配进行验证和调整，骨架的验证以考虑粗集料接触特性，根据数字图像法获得的VCA_mixIMAGE<VCA_DRC为判别指标，严格保证粗集料更好地发挥嵌挤作用，而级配调整的细观指标达到

同时C<25％；

步骤5：最佳沥青用量的确定。

2.根据权利要求1所述一种基于细观指标设计骨架密实型沥青混合料的方法，其特征在于，步骤2中，Superpave级配采用的是Talbot的最大密度曲线，n法，n＝0.435，选用从禁区下方通过的级配曲线。

3.根据权利要求1所述一种基于细观指标设计骨架密实型沥青混合料的方法，其特征在于，最佳沥青用量根据马歇尔试验确定，至此完成基于细观指标设计骨架密实功能型混合料的过程。

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