CN112669917A - 一种基于堆积压实法的再生rap混凝土配合比设计方法 - Google Patents

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时宁
苏焕
肖宏宇
郭宏
刘福明
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Abstract

本发明公开了一种基于堆积压实法的再生RAP混凝土配合比设计方法，涉及混凝土生产技术领域，该方法基于可压缩堆积密实度计算模型提出级配优化理论，针对旧沥青路面材料的特性，通过构建可配制最佳混凝土的集料级配带，提出了在满足混凝土工作性能的级配带上寻找混凝土最大堆积密实度的级配优化确定方法，另外还构建了体积混凝土模型和体积平衡方程用于确定各组分用量，还给出了再生混凝土配合比设计流程。本发明为旧沥青路面材料再生水泥混凝土提供了配合比设计方法，不仅考虑了旧沥青路面材料的表面形态，而且优化了混凝土的级配，另外还能保证混凝土的工作性能优良。

Description

一种基于堆积压实法的再生RAP混凝土配合比设计方法
技术领域
本发明涉及混凝土生产技术领域，特别是涉及一种基于堆积压实法的再生RAP混凝土配合比设计方法。
背景技术
目前我国每年产生旧沥青路面材料超过9000万吨且以年15％的速度递增，通常将旧沥青路面材料堆置或再生为沥青混凝土(即RAP混凝土)，但是普遍存在混合料粘度大、压实困难等问题，以致摊铺后的沥青路面路用性能一般，从而出现坑槽、开裂等早期破损。
将旧沥青路面材料再生为水泥混凝土路面为解决旧沥青路面材料提供了新的选择，长安大学博士论文《RAP混凝土路用性能及其在HMA/PCC路面应用研究》通过室内试验得出旧沥青路面材料中的沥青成份可以有效增强混凝土的抗裂作用，提高混凝土韧性，对提高混凝土的路用性能有较好的正面作用。
然而，将旧沥青路面材料再生为混凝土还是一种新型解决方案，尚未有实用的旧沥青路面材料再生混凝土配合比设计方法。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于堆积压实法的再生RAP混凝土配合比设计方法，可以解决现有技术中存在的问题。
本发明提供了一种基于堆积压实法的再生RAP混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：
步骤1，确定旧沥青路面材料再生混凝土的性能指标要求；
步骤2，选择满足性能指标的集料规格和材料组成，其中旧沥青路面材料和新集料按粒径大小分为大粒径集料、中等集料、细粒径集料三种规格，组成材料包括五种：水泥、水、大粒径集料、中等集料、细粒径集料；
步骤3，根据不同规格集料的质量情况分别计算工作性因子和粗糙因子，分别以工作性因子和粗糙因子为坐标轴建立坐标系，绘制两条级配曲线，两条级配曲线之间的区域为级配带；
步骤4，在级配带中选取多个点，确定每个选取点对应的工作性因子和粗糙因子，展开计算确定每个选取点的混合料级配组成，代入实际堆积密实度计算式，选取计算得到的最大实际堆积密实度，即得到单位体积混凝土中的集料体积分数；
步骤5，将单位体积混凝土中的集料体积分数带入体积平衡方程中，计算该方程确定再生混凝土中各种材料的体积用量，通过体积质量变换，把单位体积混凝土中的各组分体积比例转换为质量比例，完成混凝土配合比设计。
优选地，所述工作性因子和粗糙因子分别根据以下公式计算得到：
Figure BDA0002857802990000021
Figure BDA0002857802990000022
其中，mQA、mMA和mFA分别为大粒径集料、中等集料和细粒径集料的质量，ψ和ω分别表示工作性因子和粗糙因子。
优选地，所述实际堆积密实度计算式为：
Figure BDA0002857802990000023
其中，K表示堆积密实指数，yi表示第i种规格的集料的体积分数，βi表示第i种规格的集料的剩余堆积密实度，Φ表示实际堆积密实度，γi表示第i种规格的集料的堆积密实度。
优选地，γi采用下式计算：
Figure BDA0002857802990000031
其中，aij和bij分别表示第i种规格的集料和第j种规格的集料之间的松动效应系数和附壁效应系数。
优选地，所述松动效应系数和附壁效应系数的合理近似值以下式计算：
Figure BDA0002857802990000032
bij＝1-(1-di/dj)1.50 j＝1,...,i-1
其中，di和dj分别表示第i种规格的集料和第j种规格的集料的粒径；
采用细粒径集料依附率修正因子t，对旧沥青路面材料的松动效应系数和附壁效应系数进行修正，修正后的公式如下所示：
Figure BDA0002857802990000033
Figure BDA0002857802990000034
其中，ti和tj分别表示第i种规格的集料和第j种规格的集料细集料依附率。
优选地，所述体积平衡方程为：
VC+VW+VQA+VMA+VFA＝1
其中，VC、VW、VQA、VMA和VFA分别表示水泥、水、大粒径集料、中等集料和细粒径集料的体积分数；
单位体积混凝土中的集料体积分数g为：VQA+VMA+VFA＝g；
将上面的体积平衡方程变换为：
Figure BDA0002857802990000035
上式中的水灰比的最大值根据性能指标的要求和经验确定。
优选地，完成配合比设计后，根据配合比进行旧沥青路面材料混凝土试配；制成旧沥青路面材料再生混凝土试件，标准养生28d；检测旧沥青路面材料再生混凝土试件28d龄期抗弯拉强度，如果该指标满足规范和项目设计要求，确定混凝土配合比进入生产配合比调试。
优选地，在根据配合比试配旧沥青路面材料混凝土时，添加减水剂改善混凝土的工作性能，以确定完全满足设计和施工要求。
优选地，如果28d龄期旧沥青路面材料再生混凝土试件抗弯拉强度不能满足要求，则采取措施增强混凝土抗弯拉性能。
优选地，采取的措施为添加纤维或减小水灰比。
本发明中的设计方法，采用基于堆积密实度结合可配制最佳混凝土的集料级配带进行混合料级配优化设计，不仅考虑了旧沥青路面材料的表面形态，而且优化了混凝土的级配，另外还能保证混凝土的工作性能优良。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中设计方法的流程示意图；
图2为典型的三元混合料图；
图3为绘制的级配曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明提供了一种基于堆积压实法的再生RAP混凝土配合比设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，确定旧沥青路面材料再生混凝土的性能指标要求，如目标抗弯拉强度、最小水泥用量、最大水泥用量、最大水灰比和坍落度等。
步骤2，确定性能指标后，选择能够满足性能指标的集料规格和材料组成。
按照经济性原则选择靠近项目场地的地方性材料，减少运输费用，性能指标满足规范及项目要求。将旧沥青路面材料和新集料筛分为大粒径集料9.5～19mm、中等集料2.36～9.5mm、细粒径集料0～2.36mm三种规格，分开堆放，大粒径集料在混凝土中起骨架支撑作用，中等集料主要填充空隙和有助于提高混合物“流动性”，细粒径集料主要辅助混凝土工作性，如图2所示。分别测定每种规格旧沥青路面材料的沥青含量、含水率、细集料依附率、表观密度等指标。新集料按照《公路水泥混凝土路面施工技术细则》的要求指标分别检测，假设水泥混凝土拌合物有五种材料组成，水泥(C)，水(W)，大粒径集料(QA)，中等集料(MA)，细粒径集料(FA)。
步骤3，根据不同规格集料的质量情况分别计算工作性因子和粗糙因子，分别以工作性因子和粗糙因子为坐标轴建立坐标系，绘制级配曲线，两条级配曲线之间的区域为级配带，如图3所示。
所述工作性因子和粗糙因子分别根据以下公式计算得到：
Figure BDA0002857802990000051
Figure BDA0002857802990000052
其中，mQA、mMA和mFA分别为大粒径集料、中等集料和细粒径集料的质量，ψ和ω分别表示工作性因子和粗糙因子。
步骤4，在所述级配带中取多个点，确定每个选取点对应的工作性因子和粗糙因子，展开计算确定每个选取点的混合料级配组成，代入实际堆积密实度计算式，选取计算得到的最大实际堆积密实度，即得到单位体积混凝土中的集料体积分数。应理解，选取点的数量越多，计算得到的最大实际堆积密实度越准确。
所述实际堆积密实度计算式为：
Figure BDA0002857802990000061
其中，K表示堆积密实指数，yi表示第i种规格的集料的体积分数，βi表示第i种规格的集料的剩余堆积密实度，Φ表示实际堆积密实度，γi表示第i种规格的集料的堆积密实度，γi采用下式计算：
Figure BDA0002857802990000062
其中，aij和bij分别表示第i种规格的集料和第j种规格的集料之间的松动效应系数和附壁效应系数。
松动效应系数和附壁效应系数是堆积密实度模型中的重要参数，影响了集料级配分布。松动效应系数和附壁效应系数与集料粒径有关，通过分析和比较理论值和实验值之间的关系，松动和附壁等相关效应系数的合理近似值以下式计算：
Figure BDA0002857802990000063
bij＝1-(1-di/dj)1.50 j＝1,...,i-1
其中，di和dj分别表示第i种规格的集料和第j种规格的集料的粒径。
上式计算是基于普通石料生产混凝土的情况，然而采用旧沥青路面材料替普通集料，需要对集料的表面特性进行修正，通过理论计算，结合试验验证，采用细粒径集料依附率修正因子t，对旧沥青路面材料的松动效应系数和附壁效应系数进行修正，修正后的公式如下所示：
Figure BDA0002857802990000064
Figure BDA0002857802990000071
其中，ti和tj分别表示第i种规格的集料和第j种规格的集料细集料依附率。
步骤5，将单位体积混凝土中的集料体积分数带入体积平衡方程中，计算该方程，即可确定再生混凝土中各种材料的体积用量，通过体积质量变换，把单位体积混凝土中的各组分体积比例转换为质量比例。完成了混凝土配合比设计的基本工作。
所述体积平衡方程为：
VC+VW+VQA+VMA+VFA＝1
其中，VC、VW、VQA、VMA和VFA分别表示水泥、水、大粒径集料、中等集料和细粒径集料的体积分数。
单位体积混凝土中的集料体积分数g为：VQA+VMA+VFA＝g。
将上面的体积平衡方程变换为：
Figure BDA0002857802990000072
上式中的水灰比的最大值可根据性能指标的要求和经验确定。因此体积平衡方程中水泥体积可以表示为：
Figure BDA0002857802990000073
步骤6，根据计算得到的配合比进行旧沥青路面材料混凝土试配，其中各规格新集料和旧沥青路面材料都含有一定的水分，室内试验前，需要将各种规格集料烘干后使用。
步骤7，添加减水剂改善混凝土的工作性能，以确定完全满足设计和施工要求。试验室试拌旧沥青路面材料混凝土拌和物，根据混凝土工作性能要求，采用试拌法，确定减水剂添加量。
步骤8，旧沥青路面材料再生混凝土试件成型，标准养生28d。
步骤9，检测旧沥青路面材料再生混凝土28d龄期抗弯拉强度，如果该指标满足规范和项目设计要求，确定混凝土配合比进入生产配合比调试。如果不能满足要求，采取措施，增强混凝土抗弯拉性能，本发明选用添加纤维或减小水灰比等措施。
步骤10，耐磨性测试。混凝土耐磨性应满足相应等级公路的要求，如果试验结果不能满足相关要求，旧沥青路面材料再生混凝土可以考虑用于HMA/PCC路面的PCC层。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于堆积压实法的再生RAP混凝土配合比设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定旧沥青路面材料再生混凝土的性能指标要求；
步骤2，选择满足性能指标的集料规格和材料组成，其中旧沥青路面材料和新集料按粒径大小分为大粒径集料、中等集料、细粒径集料三种规格，组成材料包括五种：水泥、水、大粒径集料、中等集料、细粒径集料；
步骤3，根据不同规格集料的质量情况分别计算工作性因子和粗糙因子，分别以工作性因子和粗糙因子为坐标轴建立坐标系，绘制两条级配曲线，两条级配曲线之间的区域为级配带；
步骤4，在级配带中选取多个点，确定每个选取点对应的工作性因子和粗糙因子，展开计算确定每个选取点的混合料级配组成，代入实际堆积密实度计算式，选取计算得到的最大实际堆积密实度，即得到单位体积混凝土中的集料体积分数；
步骤5，将单位体积混凝土中的集料体积分数带入体积平衡方程中，计算该方程确定再生混凝土中各种材料的体积用量，通过体积质量变换，把单位体积混凝土中的各组分体积比例转换为质量比例，完成混凝土配合比设计。
2.如权利要求1所述的一种基于堆积压实法的再生RAP混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述工作性因子和粗糙因子分别根据以下公式计算得到：
Figure FDA0002857802980000011
Figure FDA0002857802980000012
其中，mQA、mMA和mFA分别为大粒径集料、中等集料和细粒径集料的质量，ψ和ω分别表示工作性因子和粗糙因子。
3.如权利要求1所述的一种基于堆积压实法的再生RAP混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述实际堆积密实度计算式为：
Figure FDA0002857802980000021
其中，K表示堆积密实指数，yi表示第i种规格的集料的体积分数，βi表示第i种规格的集料的剩余堆积密实度，Φ表示实际堆积密实度，γi表示第i种规格的集料的堆积密实度。
4.如权利要求3所述的一种基于堆积压实法的再生RAP混凝土配合比设计方法，其特征在于，γi采用下式计算：
Figure FDA0002857802980000022
其中，aij和bij分别表示第i种规格的集料和第j种规格的集料之间的松动效应系数和附壁效应系数。
5.如权利要求4所述的一种基于堆积压实法的再生RAP混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述松动效应系数和附壁效应系数的合理近似值以下式计算：
Figure FDA0002857802980000023
bij＝1-(1-di/dj)1.50 j＝1,...,i-1
其中，di和dj分别表示第i种规格的集料和第j种规格的集料的粒径；
采用细粒径集料依附率修正因子t，对旧沥青路面材料的松动效应系数和附壁效应系数进行修正，修正后的公式如下所示：
Figure FDA0002857802980000024
Figure FDA0002857802980000025
其中，ti和tj分别表示第i种规格的集料和第j种规格的集料细集料依附率。
6.如权利要求1所述的一种基于堆积压实法的再生RAP混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述体积平衡方程为：
VC+VW+VQA+VMA+VFA＝1
其中，VC、VW、VQA、VMA和VFA分别表示水泥、水、大粒径集料、中等集料和细粒径集料的体积分数；
单位体积混凝土中的集料体积分数g为：VQA+VMA+VFA＝g；
将上面的体积平衡方程变换为：
Figure FDA0002857802980000031
上式中的水灰比的最大值根据性能指标的要求和经验确定。
7.如权利要求1所述的一种基于堆积压实法的再生RAP混凝土配合比设计方法，其特征在于，完成配合比设计后，根据配合比进行旧沥青路面材料混凝土试配；制成旧沥青路面材料再生混凝土试件，标准养生28d；检测旧沥青路面材料再生混凝土试件28d龄期抗弯拉强度，如果该指标满足规范和项目设计要求，确定混凝土配合比进入生产配合比调试。
8.如权利要求7所述的一种基于堆积压实法的再生RAP混凝土配合比设计方法，其特征在于，在根据配合比试配旧沥青路面材料混凝土时，添加减水剂改善混凝土的工作性能，以确定完全满足设计和施工要求。
9.如权利要求7所述的一种基于堆积压实法的再生RAP混凝土配合比设计方法，其特征在于，如果28d龄期旧沥青路面材料再生混凝土试件抗弯拉强度不能满足要求，则采取措施增强混凝土抗弯拉性能。
10.如权利要求9所述的一种基于堆积压实法的再生RAP混凝土配合比设计方法，其特征在于，采取的措施为添加纤维或减小水灰比。
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