CN113931023A - 一种确定半刚性基层材料中的集料级配的方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种确定半刚性基层材料中的集料级配的方法，所述集料的级配利用如下所示的函数模型进行确定：y＝ax^b；其中，x为集料的粒径,mm；y为集料在该粒径下对应的通过率,％；a、b均为回归系数，所述回归系数a、b通过“碎石或砾石的推荐级配范围”确定。相比于经验法或者参考沥青混合料，本公开提供了一种利用数学模型确定集料级配的方法，可以简单、快捷的确定集料中各级粒径颗粒的分布情况，进而可以确定半刚性基层材料的各组分配合比，更准确、更便捷。

Description

一种确定半刚性基层材料中的集料级配的方法

技术领域

本公开涉及半刚性基层材料配合比设计技术领域，尤其涉及一种确定半刚性基层材料中的集料级配的方法。

背景技术

半刚性路面包括基层和面层，其中，面层为沥青面层，基层为用水泥、石灰等无机结合料处治的土或碎(砾)石及含有水硬性结合料的工业废渣修筑的基层。半刚性基层沥青路面在开通后几年内会出现不同程度的早期破坏，此外反射裂缝、水损害等也降低了路面的使用寿命；基层材料的性能不仅与其组成有关，更是由其结构所决定的。

根据基层材料中粗集料和细集料的分布状态，可以将基层材料的结构划分为4种类型：骨架密实结构、骨架孔隙结构、悬浮密实结构、均匀密实结构。其中骨架密实结构以粗骨料形成嵌挤提高摩阻力，细集料填充骨架间的空隙提高密实度，具有嵌挤、密实的特点，从而使混合料具有骨架性与密实性，其强度、耐久性较其他类型普遍高很多。

目前常用的半刚性基层材料包括水泥稳定类、水泥粉煤灰稳定类和石灰粉煤灰稳定类等，在进行半刚性基层材料的配合比设计以及集料级配设计时，通常多采用经验法或根据沥青混合料配合比设计，往往导致设计的基层材料不能满足应用要求。同时，目前对于极重和特重交通路面，半刚性基层材料中往往需要添加5～9％的水泥才能满足一定的抗压强度要求。

因此，想要寻找一种既可以确定集料级配，又能采用相对少的水泥量的方法得到半刚性基层材料，使之满足极重或特重交通的要求。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种确定半刚性基层材料中的集料级配的方法。

本公开提供了一种确定半刚性基层材料中的集料级配的方法，所述集料的级配利用如式I所示的函数模型进行确定：

y＝ax^b 式I；

其中，x为集料的粒径,mm；y为集料在该粒径下对应的通过率,％；a、b均为回归系数，所述回归系数a、b通过“碎石或砾石的推荐级配范围”确定。

集料的级配指的是集料各级粒径颗粒的分配情况，集料的各级粒径分别为0.075mm、0.15mm、0.3mm、0.6mm、1.18mm、2.36mm、4.75mm、9.5mm、13.2mm、16mm、19mm、26.5mm、31.5mm等。

在实际应用过程中，并不是任意一种集料都可以进行任意应用，为了满足道路的应用需求，通常需要选用特定级配的集料。

相比于经验法或者参考沥青混合料，本公开提供了一种利用数学模型确定集料级配的方法，可以简单、快捷的确定集料中各级粒径颗粒的分布情况，进而可以确定半刚性基层材料的各组分配合比，更准确、更便捷。

为了使函数模型更符合极重和特重交通对基层材料的要求，参照《公路路面基层施工技术细则》(JTJ/T F20-2015)中提供的特重、极重交通等级强度要求，所述回归系数a、b通过《细则》中的“水泥稳定级配碎石或砾石的推荐级配范围”确定，进一步优选通过C-B-1、C-B-2、C-B-3推荐级配范围确定，所述C-B-1、C-B-2、C-B-3推荐级配范围选自水泥稳定级配碎石和砾石的推荐级配范围(％)，其中，C-B-1和C-B-2属于悬浮密实结构，C-B-3属于骨架密实结构。

所述水泥稳定级配碎石和砾石的推荐级配范围(％)见表1：

表1

集料以4.75mm为分界线分为粗集料和细集料，所述集料包括粗集料和细集料，粗集料和细集料级配函数并不相同，所述粗集料和细集料分别对应不同的回归系数a和不同的回归系数b。

作为本公开的一种优选技术方案，回归系数a、b的确认方法如下：

对于粗集料对应数学模型的回归系数a、b，在“推荐级配范围”中，x值分别取4.75mm、9.5mm、13.2mm、16mm、19mm、26.5mm，y值分别取不同筛孔对应的通过率范围的中值，然后作图，得到a、b值。

对于细集料对应数学模型的回归系数a、b，在“推荐级配范围”中，x值分别取0.075mm、0.15mm、0.3mm、0.6mm、1.18mm、2.36mm、4.75mm，y值分别取不同筛孔对应的通过率范围的中值，然后作图，得到a、b值。

具体的，例如粗集料的回归系数a、b由C-B-1推荐级配范围确定，在C-B-1中，x分别取4.75、9.5、13.2、16、19、26.5，则y分别取值40、57.5、68.5、76、84、100，即对于由C-B-1推荐级配范围确定的粗集料对应的数学模型的a、b值，取(4.75，40)、(9.5，57.5)、(13.2，68.5)、(16，76)、(19，84)、(26.5，100)，利用上述6点作图，即得粗集料对应的数学模型的a、b值，或者说，即可得到粗集料对应的数学模型。

细集料同样参照上述方法得到对应的数学模型。

作为本公开的一种优选技术方案，所述回归系数a、b通过C-B-1推荐级配范围确定，所述粗集料的级配利用y＝15.599x^0.5676确定，所述细集料的级配利用y＝20.926x^0.6301确定。

作为本公开的一种优选技术方案，所述回归系数a、b通过C-B-2推荐级配范围确定，所述粗集料的级配利用y＝16.276x^0.6214确定，所述细集料的级配利用y＝15.243x^0.5670确定。

作为本公开的一种优选技术方案，所述回归系数a、b通过C-B-3推荐级配范围确定，所述粗集料的级配利用y＝11.254x^0.6490确定，所述细集料的级配利用y＝12.328x^0.5209确定。

在本公开中，按照上述数学函数分别计算各筛孔通过率，即可完成集料级配设计。

第二方面，本公开提供了一种半刚性基层材料配合比设计的方法，所述半刚性基层材料包括水泥、粉煤灰、粗集料和细集料；

其中，所述粗集料和细集料的级配利用第一方面所述的方法确定。

作为本公开的一种优选技术方案，所述粉煤灰的添加量为所述半刚性基层材料总质量的1-4％，例如2％、3％等，优选4％。

作为本公开的一种优选技术方案，所述水泥的添加量通过制备试验试件，且使试验试件的7天无侧限抗压强度≥5/(1-Z_α×C_V)确定；

其中，5为5MPa；Z_α为保证率系数，保证率为95％时，Z_α为1.645；C_V为变异系数,％。

为了确保抗压强度的准确性，一般需要制备多个试样，且在计算最终结果时，要求：

R_平均≥R_设计/(1-Z_α×C_V)；

其中，R_平均为多个试件试验得到的无侧限抗压强度的平均值,MPa；R_设计为设计抗压强度，对于极重和特重交通而言，设计抗压强度需要达到5MPa以上，即在本公开中，R_设计取值5MPa；Z_α为保证率系数，保证率为95％时，Z_α为1.645；C_V为变异系数,％。

在极重或特重交通道路中，半刚性基层材料中的水泥含量通常在5～9％，而水泥的具体添加量，通常是选择预设添加量点值，制备7天无侧限抗压强度的试验试件，试验试件的强度满足≥5MPa即可，为了使水泥的添加量尽可能小，选择的点值可以为4％、5％、6％等，通过试验确定水泥能够满足极重、特重交通的强度要求的最小添加量，达到采用相对少的水泥，获得较大强度的目的，同时降低了成本，且较大的强度可以提高道路使用寿命。

第三方面，本公开提供了一种利用第二方面所述的方法得到的半刚性基层材料。

第四方面，本公开提供了第三方面所述的半刚性基层材料在极重或特重交通道路中的应用。

本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

(1)相较于采用经验法或者根据沥青混合料设计集料级配，本公开采用数学模型计算半刚性基层材料中的集料的级配，方法简单，且更严谨规范；

(2)利用本公开提供的数学函数确定集料级配后，可以减少水泥的用量，降低成本投入；

(3)利用本公开提供的数学函数确定集料级配，进而能确定半刚性基层材料各组分的配合比，最终能够确保道路具有较高的强度，提高道路的使用寿命；

(4)在实际应用过程中，可以根据不同的实际情况，选择不同的集料推荐级配，构建不同的数学函数进行基层材料中的集料配合比设计。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1通过C-B-1推荐级配范围确定的粗集料对应的数学模型。

图2为实施例1通过C-B-1推荐级配范围确定的细集料对应的数学模型。

图3为实施例1通过C-B-2推荐级配范围确定的粗集料对应的数学模型。

图4为实施例1通过C-B-2推荐级配范围确定的细集料对应的数学模型。

图5为实施例1通过C-B-3推荐级配范围确定的粗集料对应的数学模型。

图6为实施例1通过C-B-3推荐级配范围确定的细集料对应的数学模型。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

下述实施例采用的部分原料指标：粗集料采用石灰岩，细集料采用机制砂，水泥、粉煤灰各项指按照相关试验规范标进行试验，见表2～5：

表2粗集料技术

表3细集料技术

表4水泥技术指标

表5粉煤灰技术指标

实施例1

本实施例提供了一种确定半刚性基层材料中的集料级配的方法及确定的集料级配。

(1)集料的级配利用如式I所示的函数模型进行确定：

y＝ax^b 式I；

其中，x为集料的粒径,mm；y为集料在该粒径下对应的通过率,％；a、b均为回归系数；

(2)对于回归系数a、b的确定，方法如下：

1.对于a、b通过《细则》中的“水泥稳定级配碎石或砾石的推荐级配范围”中的C-B-1推荐级配范围确定

对于粗集料，(x，y)取值(4.75，40)、(9.5，57.5)、(13.2，68.5)、(16，76)、(19，84)、(26.5，100)，利用6点作图，如图1所示，得到粗集料对应的数学模型y＝15.599x^0.5676，R²＝0.9991；

对于细集料，(x，y)取值(2.36，26.5)、(1.18，17.5)、(0.6，11.5)、(0.3，7.5)、(0.15，5)，(0.075，3.5)，利用6点作图，如图2所示，得到粗集料对应的数学模型y＝20.926x^0.6301，R²＝0.9719。

2.a、b通过《细则》中的“水泥稳定级配碎石或砾石的推荐级配范围”中的C-B-2推荐级配范围确定

对于粗集料，(x，y)取值(4.75，40)、(9.5，65.5)、(13.2，81)、(16，90.5)、(19，100)，利用5点作图，如图3所示，得到粗集料对应的数学模型y＝16.276x^0.6214，R²＝0.9953；

对于细集料，(x，y)取值(4.75，40)、(2.36，26.5)、(1.18，17.5)、(0.6，11.5)、(0.3，7.5)、(0.15，5)，(0.075，3.5)，利用7点作图，如图4所示，得到粗集料对应的数学模型y＝15.243x^0.5670，R²＝0.9597。

3.a、b通过《细则》中的“水泥稳定级配碎石或砾石的推荐级配范围”中的C-B-3推荐级配范围确定

对于粗集料，(x，y)取值(4.75，27)、(9.5，48)、(19，77)、(31.5，100)，利用4点作图，如图5所示，得到粗集料对应的数学模型y＝11.254x^0.6490，R²＝0.9885；

对于细集料，(x，y)取值(4.75，27)、(2.36，22)、(0.6，11.5)、(0.075，1.5)，利用4点作图，如图6所示，得到粗集料对应的数学模型y＝12.328x^0.5209，R²＝0.9917。

得到的函数模型见表6：

表6

对于表6提供的函数计算得到的集料级配见表7：

表7

在表7中，“实际”指的是，通过利用函数计算得到的在配置C-B-1、C-B-2、C-B-3的集料实际级配。

实施例2

本实施例提供了一种半刚性基层材料配合比设计的方法及得到的半刚性基层材料。

(1)设定粉煤灰的添加量为半刚性基层材料总质量的4％；

(2)设定水泥的添加量为半刚性基层材料总质量的4％、5％、6％，其余为集料；

(3)参照表7确定集料的实际级配1-3；

(4)测定半刚性基层材料的最佳含水率和最大干密度试验，试验结果见表8～10：

表8集料实际级配1

表9集料实际级配2

粉煤灰/％	水泥/％	最佳含水率/％	最大干密度(g/cm<sup>3</sup>)
				4	4	4.86	2.288
4	5	5.06	2.305
				4	6	5.25	2.321

表10集料实际级配3

粉煤灰/％	水泥/％	最佳含水率/％	最大干密度(g/cm<sup>3</sup>)
				4	4	4.54	2.351
4	5	4.58	2.368
				4	6	4.67	2.378

(5)根据最佳含水率数据，制备无侧限抗压强度试验试件，每组制备10个试件，对于无侧限抗压强度的试验结果见表11～13：

表11集料实际级配1

表12集料实际级配2

表13集料实际级配3

注：标准值的计算公式为：

R_标＝R_平均×(1-Z_α×C_V)

其中，R_标为标准值,MPa，R_平均为10个试件试验得到的无侧限抗压强度的平均值,MPa；Z_α为保证率系数，保证率为95％时，Z_α为1.645；C_V为变异系数,％；

(5)由表11～13可知，无论是C-B-1、C-B-2、C-B-3，当水泥的添加量在5％时，标准值可以达到5MPa以上，即在本实施例中，无论是采用骨架密实型(C-B-3)的水泥稳定材料，还是采用悬浮密实型(C-B-1、C-B-2)的水泥稳定材料，可以满足极重、特重交通的强度要求的水泥的最低添加量均为5％。

有上述实施例可知，基于本公开提供的函数分别构建悬浮密实型和骨架密实型水泥稳定碎石粗细集料级配，可以在水泥仅添加5％，粉煤灰添加4％时，其7d水泥稳定碎石无侧限抗压强度可以满足“细则”中对于极重、特重交通的强度要求，即本公开可以实现在采用相对更少的水泥用量的同时，获得较大的强度，进而可以延长道路使用寿命。

对比例1

本对比例提供了一种半刚性基层材料配合比设计的方法及得到的半刚性基层材料。

(1)集料的级配利用如式II所示的函数模型进行确定：

y＝ae^bx 式II；

其中，x为集料的粒径,mm；y为集料在该粒径下对应的通过率,％；a、b均为回归系数，所述回归系数a、b通过《公路路面基层施工技术细则》(JTJ/T F20-2015)中的“水泥稳定级配碎石或砾石的推荐级配范围”中的C-B-1推荐级配范围确定，确定的函数模型见表14：

表14

(2)利用步骤(1)确定的函数模型，计算得到的集料实际级配见表15：

表15

由表15可知，利用y＝ae^bx最终确定的实际级配，并不能满足C-B-1推荐级配的范围。

(3)设定粉煤灰的添加量为半刚性基层材料总质量的4％；

(4)设定水泥的添加量为半刚性基层材料总质量的4％、5％、6％，其余为集料，集料的实际级配见表15；

(5)测定半刚性基层材料的最佳含水率为5.07％和最大干密度为2.311g/cm³；

(6)根据最佳含水率数据，制备无侧限抗压强度试验试件，平行试验试件要求每组制备10个试件，对于无侧限抗压强度的试验结果见表16：

表16

由表16可知，利用y＝ae^bx确定的集料的实际级配并不能满足C-B-1的推荐级配要求，同时，最终得到的水泥稳定材料的7d水泥稳定碎石无侧限抗压强度并不能满足“细则”中对于极重、特重交通的强度要求。

对比例2

本对比例提供了一种半刚性基层材料配合比设计的方法及得到的半刚性基层材料。

(1)集料的级配利用如式III所示的函数模型进行确定：

y＝alnx+b 式III；

其中，x为集料的粒径,mm；y为集料在该粒径下对应的通过率,％；a、b均为回归系数，所述回归系数a、b通过《公路路面基层施工技术细则》(JTJ/T F20-2015)中的“水泥稳定级配碎石或砾石的推荐级配范围”中的C-B-1推荐级配范围确定，确定的函数模型见表17：

表17

(2)利用步骤(1)确定的函数模型，计算得到的集料实际级配见表18：

表18

由表18可知，利用y＝alnx-b最终确定的实际级配无法匹配C-B-1推荐级配的范围。

(3)设定粉煤灰的添加量为半刚性基层材料总质量的4％；

(4)设定水泥的添加量为半刚性基层材料总质量的4％、5％、6％，其余为集料，集料的实际级配见表18；

(5)测定半刚性基层材料的最佳含水率为5.14％和最大干密度为2.291；

(6)根据最佳含水率数据，制备无侧限抗压强度试验试件，平行试验试件要求每组制备10个试件，对于无侧限抗压强度的试验结果见表19：

表19

由表19可知，利用y＝alnx-b确定的集料的实际级配并不能满足C-B-1的推荐级配要求，最终得到的水泥稳定材料的7d水泥稳定碎石无侧限抗压强度并不能满足“细则”中对于极重、特重交通的强度要求。

由实施例1-2和对比例1-2的对比可知，采用本公开提供的确定半刚性基层材料中的集料级配的方法，可以确保集料级配能够满足要求，并且，最后可以保证在半刚性基层材料中的水泥含量较低的前提下，获得较高的强度，既满足了极重或特重交通的强度要求，同时强度较高还可以增加道路的使用寿命，且使用的水泥量较少还可以降低生产成本。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种确定半刚性基层材料中的集料级配的方法，其特征在于，所述集料的级配利用如式I所示的函数模型进行确定：

y＝ax^b 式I；

其中，x为集料的粒径,mm；y为集料在该粒径下对应的通过率,％；a、b均为回归系数，所述回归系数a、b通过“碎石或砾石的推荐级配范围”确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述回归系数a、b通过“水泥稳定级配碎石或砾石的推荐级配范围”确定，进一步优选通过C-B-1、C-B-2、C-B-3推荐级配范围确定。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述集料包括粗集料和细集料，所述粗集料和细集料分别对应不同的回归系数a和不同的回归系数b。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述回归系数a、b通过C-B-1推荐级配范围确定，所述粗集料的级配利用y＝15.599x^0.5676确定，所述细集料的级配利用y＝20.926x^0.6301确定。

5.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述回归系数a、b通过C-B-2推荐级配范围确定，所述粗集料的级配利用y＝16.276x^0.6214确定，所述细集料的级配利用y＝15.243x^0.5670确定。

6.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述回归系数a、b通过C-B-3推荐级配范围确定，所述粗集料的级配利用y＝11.254x^0.6490确定，所述细集料的级配利用y＝12.328x^0.5209确定。

7.一种半刚性基层材料配合比设计的方法，其特征在于，所述半刚性基层材料包括水泥、粉煤灰、粗集料和细集料；

其中，所述粗集料和细集料的级配利用权利要求1-6中的任一项所述的方法确定。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述粉煤灰的添加量为所述半刚性基层材料总质量的1-4％，优选4％；

和/或，所述水泥的添加量通过制备试验试件，且使试验试件的7天无侧限抗压强度的平均值≥5/(1-Z_α×C_V)确定；

其中，5为5MPa；Z_α为保证率系数，保证率为95％时，Z_α为1.645；C_V为变异系数,％。

9.利用权利要求7或8所述的方法得到的半刚性基层材料。

10.权利要求9所述的半刚性基层材料在极重或特重交通道路中的应用。

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