CN110487685A - 一种沥青混合料骨架填充体系的评价方法 - Google Patents

一种沥青混合料骨架填充体系的评价方法 Download PDF

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Abstract

一种沥青混合料骨架填充体系的评价方法，本发明属于沥青混合料细观结构评价技术领域，它为了解决目前沥青混合料骨架状态评价方法不精确，同时缺乏填充状态评价方法的问题。评价方法：一、基于颗粒堆积理论的沥青混合料颗粒分级；二、分别计算得到干涉颗粒的堆积密实度γd，填充颗粒的堆积密实度γf和主骨架颗粒的堆积密实度γm；三、通过CPM模型和级配信息，干涉系数Dd和填充系数Df分别通过公式计算，比较干涉系数和填充系数的数值大小，从而评价沥青混合料骨架填充状态。本发明通过干涉系数计算公式和填充系数计算公式分别得出干涉系数和填充系数，用于评价沥青混合料骨架填充状态。

Description

一种沥青混合料骨架填充体系的评价方法
技术领域
本发明属于沥青混合料细观结构评价技术领域，具体涉及一种沥青混合料骨架填充体系的评价方法。
背景技术
沥青混合料材料组成包括集料、矿粉和沥青，其中集料属于弹性材料，强度较高，沥青属于粘弹性材料，高温容易软化变形。当荷载作用于沥青混合料时，集料承受并传递荷载属于承载结构，然而颗粒散体结构不能承受拉力，沥青、矿粉和小颗粒形成的沥青砂浆粘结集料，并控制沥青混合料内部密实性，因此，从功能上划分沥青混合料，可以分为集料的承载骨架体系和砂浆的填充体系。
沥青混合料骨架填充功能体系影响力的传递、粘结特性和密实性，因此有必要对骨架-填充体系进行研究。骨架-填充体系研究的基础是提出评价方法以及相应的评价指标。目前，对于沥青混合料骨架性评价方法，Fuller和Bailey方法属于经验性评价方法，主骨架颗粒理论相比Fuller和Bailey方法有较大改进，但沥青混合料是多粒径堆积体，仅考虑单一粒径作为主骨架则会忽略其他大颗粒的骨架作用。同时，对砂浆的填充作用在目前骨架研究方面没有涉及，然而填充作用是区别骨架空隙型和骨架密实型沥青混合料的关键。
发明内容
本发明目的是为了解决目前沥青混合料骨架状态评价方法不精确，同时缺乏填充状态评价方法的问题，而提供一种沥青混合料骨架填充体系的评价方法。
本发明沥青混合料骨架填充体系的评价方法按照以下步骤实现：
一、基于颗粒堆积理论的沥青混合料颗粒分级：
将沥青砂浆中小于1.18mm的颗粒定义为填充颗粒；
结合贝雷法和主骨架颗粒理论分级方法，将接近0.225倍级配颗粒最大粒径的标准筛孔定义为干涉颗粒最大粒径，1.18mm的颗粒定义为干涉颗粒最小粒径；
大于干涉颗粒最大粒径的颗粒粒径范围作为主骨架颗粒粒径范围；
分别确定主骨架颗粒粒径范围、干涉颗粒粒径范围和填充颗粒粒径范围，主骨架颗粒和干涉颗粒统称为骨架颗粒；
二、基于CPM模型(可压缩堆积模型)颗粒堆积密实度计算：
设堆积颗粒共有n组，当以第i组颗粒为主时，混合体的堆积密实度为：
式中：yi为第i组颗粒固体体积含量比(体积分数)，yj为第j组颗粒固体体积含量比，βi为第i组颗粒剩余堆积密度，βj为第j组颗粒剩余堆积密度，aij为松开效应系数，bij为壁效应系数，最终得出虚拟堆积密实度为：
其中堆积颗粒分别出自主骨架颗粒粒径范围、干涉颗粒粒径范围、填充颗粒粒径范围和骨架颗粒粒径范围；
从而分别得到干涉颗粒的堆积密实度γd，填充颗粒的堆积密实度γf，主骨架颗粒的堆积密实度γm，骨架颗粒的堆积密实度γs；
三、填充系数计算：
通过CPM模型和级配信息，干涉系数Dd和填充系数Df分别通过公式(6)和(7)计算：
式中Vdp为干涉颗粒的堆积体积，Vfp为填充颗粒的堆积体积；
VVmp为主骨架颗粒堆积形成空隙体积，VVsp为骨架颗粒堆积形成空隙体积；
Vdr为干涉颗粒的体积，Vfr为填充颗粒的体积，Vmr为主骨架颗粒的体积，Vsr为骨架颗粒的体积；
γd为干涉颗粒的堆积密实度，γf为填充颗粒的堆积密实度，γm为主骨架颗粒的堆积密实度，γs为骨架颗粒的堆积密实度；
α为合成比表面积系数；
通过公式(6)和公式(7)计算得出干涉系数和填充系数，比较干涉系数和填充系数的数值大小，从而评价沥青混合料骨架填充状态。
本发明首先对沥青混合料进行颗粒分级，进而通过颗粒堆积理论和CPM模型计算颗粒堆积体积及空隙率，根据堆积体积和孔隙率之间的关系，提出表征沥青混合料骨架填充状态的干涉系数和填充系数为沥青混合料骨架填充状态评价奠定基础，同时，为未来基于骨架填充状态的路用性能评价及高性能沥青混合料设计提供技术支持。
本发明通过干涉系数计算公式和填充系数计算公式分别得出干涉系数和填充系数，用于评价沥青混合料骨架填充状态，干涉系数越高，说明骨架嵌挤越不稳定，越容易使沥青混合料高温稳定性降低，填充系数越高，说明砂浆填充程度较高，对集料粘结能力较强。本发明提出的干涉系数和填充系数为沥青混合料骨架填充状态评价提供方法，量化评价沥青混合料骨架的填充状态，能够用于路用性能评价及高性能沥青混合料设计等方面。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式沥青混合料骨架填充体系的评价方法按照以下步骤实现：
一、基于颗粒堆积理论的沥青混合料颗粒分级：
将沥青砂浆中小于1.18mm的颗粒定义为填充颗粒；
结合贝雷法和主骨架颗粒理论分级方法，将接近0.225倍级配颗粒最大粒径的标准筛孔定义为干涉颗粒最大粒径，1.18mm的颗粒定义为干涉颗粒最小粒径；
大于干涉颗粒最大粒径的颗粒粒径范围作为主骨架颗粒粒径范围；
分别确定主骨架颗粒粒径范围、干涉颗粒粒径范围和填充颗粒粒径范围，主骨架颗粒和干涉颗粒统称为骨架颗粒；
二、基于CPM模型(可压缩堆积模型)颗粒堆积密实度计算：
设堆积颗粒共有n组，当以第i组颗粒为主时，混合体的堆积密实度为：
式中：yi为第i组颗粒固体体积含量比(体积分数)，yj为第j组颗粒固体体积含量比，βi为第i组颗粒剩余堆积密度，βj为第j组颗粒剩余堆积密度，aij为松开效应系数，bij为壁效应系数，最终得出虚拟堆积密实度为：
其中堆积颗粒分别出自主骨架颗粒粒径范围、干涉颗粒粒径范围、填充颗粒粒径范围和骨架颗粒粒径范围；
从而分别得到干涉颗粒的堆积密实度γd，填充颗粒的堆积密实度γf，主骨架颗粒的堆积密实度γm，骨架颗粒的堆积密实度γs；
三、填充系数计算：
通过CPM模型和级配信息，干涉系数Dd和填充系数Df分别通过公式(6)和(7)计算：
式中Vdp为干涉颗粒的堆积体积，Vfp为填充颗粒的堆积体积；
VVmp为主骨架颗粒堆积形成空隙体积，VVsp为骨架颗粒堆积形成空隙体积；
Vdr为干涉颗粒的体积，Vfr为填充颗粒的体积，Vmr为主骨架颗粒的体积，Vsr为骨架颗粒的体积；
γd为干涉颗粒的堆积密实度，γf为填充颗粒的堆积密实度，γm为主骨架颗粒的堆积密实度，γs为骨架颗粒的堆积密实度；
α为合成比表面积系数；
通过公式(6)和公式(7)计算得出干涉系数和填充系数，比较干涉系数和填充系数的数值大小，从而评价沥青混合料骨架填充状态。
本实施方式步骤一中对于不同最大公称粒径的沥青混合料，主骨架颗粒、干涉颗粒和填充颗粒粒径范围如表2所示；
表2粒径范围划分
本实施方式步骤三中Vdr/Vmr和Vfr/Vsr可以通过级配中颗粒质量比确定。
本实施方式首先对沥青混合料进行颗粒分级，进而通过颗粒堆积理论和Compressible Packing Model(CPM)模型计算颗粒堆积体积及空隙率，根据堆积体积和孔隙率之间的关系，提出表征沥青混合料骨架填充状态的干涉系数和填充系数，可以用于沥青混合料细观结构、路用性能评价等方面。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中aij和bij通过以下经验公式计算：
bij＝1-(1-di/dj)1.50 (j＝1，…，i-1) (3)
式中：di为第i组颗粒特征粒径，dj为第j组颗粒特征粒径。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤二中每一组集料的特征粒径di按照以下公式(5)进行计算，
log10(di)＝[log10(dmax)+log10(dmin)]/2 (5)
式中：dmax为某一组集料中的最大粒径，dmin为某一组集料中的最小粒径。
本实施方式步骤二确定堆积体虚拟堆积密度的计算过程中，需要确定每一级颗粒的特征粒径di、剩余堆积密度βi和体积分数yi。由于各组集料之间的密度相差较小，各组集料的体积分数yi可以近似为级配中的各组集料质量分数，每一组集料的剩余堆积密度βi是在假定颗粒粒径相同的情况下的堆积密度，假设颗粒堆积为最紧密堆积的菱面体堆积，则各组集料剩余堆积密度为0.74。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二中根据路用集料筛孔分级标准确定堆积颗粒的组数n。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三中根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)获取不同粒径颗粒比表面积系数αi，通过如下公式(8)计算合成比表面积系数α，计算公式(8)如下：
式中：αi为不同(组)粒径颗粒比表面积系数；Pi为某一(组)颗粒体积占总填充颗粒体积百分比。
本实施方式不同粒径颗粒比表面积系数如下表所示。
表1不同颗粒比表面积系数
实施例：本实施例沥青混合料骨架填充体系的评价方法按照以下步骤实施：
一、基于颗粒堆积理论的沥青混合料颗粒分级：
将沥青砂浆中小于1.18mm的颗粒定义为填充颗粒；
结合贝雷法和主骨架颗粒理论分级方法，将接近0.225倍级配颗粒最大粒径的标准筛孔定义为干涉颗粒最大粒径，1.18mm的颗粒定义为干涉颗粒最小粒径；
大于干涉颗粒最大粒径的颗粒粒径范围作为主骨架颗粒粒径范围；
分别确定主骨架颗粒粒径范围、干涉颗粒粒径范围和填充颗粒粒径范围，主骨架颗粒和干涉颗粒统称为骨架颗粒；
二、基于CPM模型(可压缩堆积模型)颗粒堆积密实度计算：
对于AC-16规范级配中值沥青混合料，计算骨架颗粒堆积密实度分为19mm-16mm、16mm-13.2mm、13.2mm-9.5mm、9.5mm-4.75mm、4.75mm-2.36mm、2.36mm-1.18mm共6组；计算主骨架颗粒堆积密实度分为19mm-16mm、16mm-13.2mm、13.2mm-9.5mm、9.5mm-4.75mm共4组；计算干涉颗粒堆积密实度分为4.75mm-2.36mm、2.36mm-1.18mm共2组；计算填充颗粒堆积密实度可以分为1.18mm-0.6mm、0.6mm-0.3mm、0.3mm-0.15mm、0.15mm-0.075mm和小于0.075mm共5组，当以第i组颗粒为主时，混合体的堆积密实度为：
式中：yi为第i组颗粒固体体积含量比(体积分数)，yj为第j组颗粒固体体积含量比，βi为第i组颗粒剩余堆积密度，βj为第j组颗粒剩余堆积密度，aij为松开效应系数，bij为壁效应系数，最终得出虚拟堆积密实度为：
其中aij和bij通过以下经验公式计算：
bij＝1-(1-di/dj)1.50 (j＝1，…，i-1) (3)
式中：di为第i组颗粒特征粒径，dj为第j组颗粒特征粒径；
从而分别得到干涉颗粒的堆积密实度γd，填充颗粒的堆积密实度γf，主骨架颗粒的堆积密实度γm，骨架颗粒的堆积密实度γs；
三、填充系数计算：
通过CPM模型和级配信息，干涉系数Dd和填充系数Df分别通过公式(6)和(7)计算：
式中Vdp为干涉颗粒的堆积体积，Vfp为填充颗粒的堆积体积；
VVmp为主骨架颗粒堆积形成空隙体积，VVsp为骨架颗粒堆积形成空隙体积；
Vdr为干涉颗粒的体积，Vfr为填充颗粒的体积，Vmr为主骨架颗粒的体积，Vsr为骨架颗粒的体积；
γd为干涉颗粒的堆积密实度，γf为填充颗粒的堆积密实度，γm为主骨架颗粒的堆积密实度，γs为骨架颗粒的堆积密实度；
α为合成比表面积系数；
对于AC-16规范级配中值沥青混合料，计算得出γd为0.783，γf为0.878，γm为0.780，γs为0.85，α为1.04；
通过公式(6)和公式(7)计算得出干涉系数和填充系数，对于AC-16规范级配中值沥青混合料，计算得出Dd为2.05，Df为2.23，比较干涉系数和填充系数的数值大小，干涉系数越高，说明骨架嵌挤越不稳定，越容易使沥青混合料高温稳定性降低，填充系数越高，说明砂浆填充程度较高，对集料粘结能力较强，从而评价沥青混合料骨架填充状态。

Claims (5)

1.一种沥青混合料骨架填充体系的评价方法，其特征在于该评价方法按以下步骤实现：
一、基于颗粒堆积理论的沥青混合料颗粒分级：
将沥青砂浆中小于1.18mm的颗粒定义为填充颗粒；
将接近0.225倍级配颗粒最大粒径的标准筛孔定义为干涉颗粒最大粒径，1.18mm的颗粒定义为干涉颗粒最小粒径；
大于干涉颗粒最大粒径的颗粒粒径范围作为主骨架颗粒粒径范围；
分别确定主骨架颗粒粒径范围、干涉颗粒粒径范围和填充颗粒粒径范围，主骨架颗粒和干涉颗粒统称为骨架颗粒；
二、基于CPM模型颗粒堆积密实度计算：
设堆积颗粒共有n组，当以第i组颗粒为主时，混合体的堆积密实度为：
式中：yi为第i组颗粒固体体积含量比，yj为第j组颗粒固体体积含量比，βi为第i组颗粒剩余堆积密度,βj为第j组颗粒剩余堆积密度,aij为松开效应系数，bij为壁效应系数，最终得出虚拟堆积密实度为：
其中堆积颗粒分别出自主骨架颗粒粒径范围、干涉颗粒粒径范围、填充颗粒粒径范围和骨架颗粒粒径范围；
从而分别得到干涉颗粒的堆积密实度γd，填充颗粒的堆积密实度γf，主骨架颗粒的堆积密实度γm，骨架颗粒的堆积密实度γs；
三、填充系数计算：
通过CPM模型和级配信息，干涉系数Dd和填充系数Df分别通过公式(6)和(7)计算:
式中Vdp为干涉颗粒的堆积体积，Vfp为填充颗粒的堆积体积；
VVmp为主骨架颗粒堆积形成空隙体积，VVsp为骨架颗粒堆积形成空隙体积；
Vdr为干涉颗粒的体积，Vfr为填充颗粒的体积，Vmr为主骨架颗粒的体积，Vsr为骨架颗粒的体积；
γd为干涉颗粒的堆积密实度，γf为填充颗粒的堆积密实度，γm为主骨架颗粒的堆积密实度，γs为骨架颗粒的堆积密实度；
α为合成比表面积系数；
通过公式(6)和公式(7)计算得出干涉系数和填充系数，比较干涉系数和填充系数的数值大小，从而评价沥青混合料骨架填充状态。
2.根据权利要求1所述的一种沥青混合料骨架填充体系的评价方法，其特征在于步骤二中aij和bij通过以下经验公式计算：
bij＝1-(1-di/dj)1.50(j＝1,…,i-1) (3)
式中：di为第i组颗粒特征粒径，dj为第j组颗粒特征粒径。
3.根据权利要求2所述的一种沥青混合料骨架填充体系的评价方法，其特征在于步骤二中每一组集料的特征粒径di按照以下公式(5)进行计算，
log10(di)＝[log10(dmax)+log10(dmin)]/2 (5)
式中：dmax为某一组集料中的最大粒径，dmin为某一组集料中的最小粒径。
4.根据权利要求1所述的一种沥青混合料骨架填充体系的评价方法，其特征在于步骤二中根据路用集料筛孔分级标准确定堆积颗粒的组数n。
5.根据权利要求1所述的一种沥青混合料骨架填充体系的评价方法，其特征在于步骤三中根据《公路沥青路面施工技术规范》获取不同粒径颗粒比表面积系数αi，通过如下公式(8)计算合成比表面积系数α，计算公式(8)如下：
式中：αi为不同粒径颗粒比表面积系数；Pi为某一颗粒体积占总填充颗粒体积百分比。
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