CN113936751A - 一种骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法，属于级配设计技术领域，按该方法设计的水泥稳定碎石既能形成骨架嵌挤结构，又使水泥剂量使用较少，采用分粗、细段设计的级配设计方法,包括以下步骤：在进行各档粗集料及细集料的筛分试验后，在给定的级配范围内，以中值曲线为目标拟定一条级配曲线，根据级配曲线划分细集料和粗集料，得到粗集料的总占比；通过试验获得粗集料骨架松装间隙率；根据粗集料骨架松装间隙率，获得实际粗细分界筛孔通过率；根据该实际粗细分界筛孔通过率及粗集料与细集料分界筛孔的通过率，重新获得粗、细集料各自的用量，进而得到实际的骨架密实级配。

Description

一种骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法
技术领域
本发明属于级配设计技术领域，具体涉及一种骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法。
背景技术
水泥稳定碎石是由水泥及级配碎石组成的具有一定强度的半刚性材料，是路面结构经常采用的一种典型基层或底基层结构，在路面结构中起主要的承重层，承受行车荷载及向下的应力传递，因此，对其有较高的强度要求，譬如《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)规定高速公路、一级公路的基层当交通荷载属于极重、特重交通时7d无侧限抗压强度标准为5-7MPa。为了满足这种较高强度性能要求，就需要从矿料级配与水泥剂量两个要素上予以考虑，力求有一个科学合理的级配与水泥用量。为此，《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20- 2015)(以下简称细则)一方面提供了适用于不同公路等级的矿料级配范围，供设计人员进行级配设计选用，另一方面也提供了水泥用量的推荐范围值。基于细则的组成设计方法，工程上要么通过不断调整级配和变化水泥剂量，借助大量试探性试验获得强度符合要求的配比；要么拟定一条级配曲线后通过不断加大水泥用量来获得满足强度要求的配比。两种做法均不具备优化设计思想，前者的试验工作量太大，设计效率低，后者则往往设计的水泥用量较大，造成水稳碎石基层发生较多的裂缝。
长期以来，研究工作者对水泥稳定碎石的配比设计进行了研究，提供了多种技术思路，但总体而言试验工作量较大，设计、试验的周期长，效率低，工程中难以获得推广应用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法，按该方法设计的水泥稳定碎石既能形成骨架嵌挤结构，又使水泥剂量使用较少，最终形成一种低剂量骨架密实型的水泥稳定碎石结构；既可保证强度要求，又可保障结构层较少的横向裂缝。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明的技术方案提供了一种骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法，采用分粗、细段设计的级配设计方法，包括以下步骤：
在进行各档粗集料及细集料的筛分试验后，在给定的级配范围内，以中值曲线为目标拟定一条级配曲线；
根据级配曲线划分细集料和粗集料，得到粗集料的总占比，并通过试验获得粗集料骨架松装间隙率；
根据粗集料骨架松装间隙率，使用调整系数和干涉系数获得实际粗细分界筛孔通过率；
根据该实际粗细分界筛孔通过率及粗集料与细集料分界筛孔的通过率，获得粗、细集料各自的用量，进而得到实际的骨架密实级配。
进一步的，获得实际粗细分界筛孔通过率之前，还获得额定粗细分界筛孔通过率，选择调整系数，并以粗集料骨架松装间隙率和调整系数之积作为分子，以粗集料骨架松装间隙率和调整系数之积与实数1之和作为分母。
进一步的，所述调整系数与所述粗集料骨架松装间隙率符合阶跃函数。
进一步的，获得实际粗细分界筛孔通过率时，选取干涉系数和调整系数，以干涉系数和调整系数的积作为干涉调整系数，并以粗集料骨架松装间隙率和干涉调整系数之积作为分子，以粗集料骨架松装间隙率和干涉调整系数之积与实数1 之和作为分母。
进一步的，进行所述筛分试验时，分界筛的筛孔具有多种，根据分界筛的筛孔的孔径选择不同的粗集料与细集料分界筛孔的通过率计算方式。
进一步的，所述粗集料与细集料分界筛孔的通过率是以所述粗集料骨架松装间隙率为分子，以所述粗集料骨架松装间隙率和实数1的和为分母，得到的值。
进一步的，所述粗集料与细集料分界筛孔的通过率是以实数1与所述粗集料骨架松装间隙率、细集料骨架松装间隙率积之差为分母，以所述粗集料骨架松装间隙率为第一分子，以实数1与细集料骨架松装间隙率之差为第二分子，得到的值。
进一步的，计算所述粗集料与细集料分界筛孔的通过率时，引入调整系数，将调整系数和粗集料骨架松装间隙率之积作为调整后的粗集料骨架松装间隙率，以调整后的粗集料骨架松装间隙率为分子，以调整后的粗集料骨架松装间隙率和实数1的和为分母。
进一步的，通过试验获得粗集料骨架松装间隙率时，按照组成初拟级配各档粗集料的比例，混合得到粗集料，进行粗集料的捣实或振实试验，获得其骨架松装间隙率。
进一步的，当粗集料骨架松装间隙率为40-43％时，调整系数取值1.1；当粗集料骨架松装间隙率大于43％时，调整系数取值1.2。
上述本发明的技术方案的有益效果如下：
1)按该方法设计的水泥稳定碎石既能形成骨架嵌挤结构，又使水泥剂量使用较少，最终形成一种低剂量骨架密实型的水泥稳定碎石结构；既可保证强度要求，又可保障结构层较少的横向裂缝。该发明既具有很强的理论意义，又具有极大的工程价值。
2)该方法因为仅需要通过实验测定一个参数(粗集料骨架松装间隙率)，因而十分简便快速，避免了工程中通过多试验试探性寻找骨架密实级配的做法。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法流程示 意图。
具体实施方式
应该指出，以下实施例之间可以任意组合。
实施例1
本发明的一种典型实施方式中，本实施例公开了一种骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法，采用分粗、细段设计的级配设计方法,包括以下步骤：
S1、在进行各档粗集料及细集料的筛分试验后，在给定的级配范围内，以中值曲线为目标拟定一条级配曲线；此步骤是现有的级配操作，在此不再赘述；
S2、根据级配曲线划分细集料和粗集料，得到粗集料的总占比，通过试验获得粗集料骨架松装间隙率；此步骤中获取的粗集料骨架松装间隙率为本实施例所公开的设计方法中唯一一个需要测定的值；
S3、根据粗集料骨架松装间隙率，使用调整系数和干涉系数获得实际粗细分界筛孔通过率；此步骤中，使用调整系数和干涉系数免除现有计算步骤中的复杂计算步骤，调整系数和干涉系数根据粗集料骨架松装间隙率直接调用即可；
S4、根据该实际粗细分界筛孔通过率及粗集料与细集料分界筛孔的通过率，获得粗、细集料各自的用量，进而得到实际的骨架密实级配。
获得实际粗细分界筛孔通过率之前，还获得额定粗细分界筛孔通过率，选择调整系数，并以粗集料骨架松装间隙率和调整系数之积作为分子，以粗集料骨架松装间隙率和调整系数之积与实数1之和作为分母。
所述调整系数与所述粗集料骨架松装间隙率符合阶跃函数。
获得实际粗细分界筛孔通过率时，选取干涉系数和调整系数，以干涉系数和调整系数的积作为干涉调整系数，并以粗集料骨架松装间隙率和干涉调整系数之积作为分子，以粗集料骨架松装间隙率和干涉调整系数之积与实数1之和作为分母。
筛分试验时，分界筛的筛孔具有多种，根据分界筛的筛孔的孔径选择不同的粗集料与细集料分界筛孔的通过率计算方式。
通过试验获得粗集料骨架松装间隙率时，按照组成初拟级配各档粗集料的比例，混合得到粗集料，进行粗集料的捣实或振实试验，获得其骨架松装间隙率。
从组成结构看，水泥稳定碎石分为骨架空隙、骨架密实与悬浮密实三种类型，其中骨架密实级配具有最小的矿料间隙率，较小的骨架间隙率既能充分发挥粗集料的嵌挤作用，又能使用较少的水泥剂量就可形成密实结构，水泥用量少，有利于减少水稳碎石的收缩裂缝，进而减轻反射裂缝的发生。
在相关文献中，基于将整体矿料级配看作是由粗集料与细集料合成得到理念建立了骨架密实级配时理论意义上的细集料用量或粗细分界筛孔通过率计算公式(1)。
Figure BDA0003233359480000051
式中，VCA为粗集料骨架松装间隙率，通常意义下是指粗集料颗粒彼此石-石接触状态的值，推荐采用密实效果较好的振实试验获得，以小数计；vfa为细集料的松装间隙率，推荐采用不加外力作用的自然松装试验获得，以小数计；γca、γfa分别为合成粗集料、合成细集料的表观相对密度；P0t为理论意义上的细集料用量或粗细分界筛孔通过率，当分界筛孔粒径为2.36mm时表示为P2.36t，当分界筛孔粒径为4.75mm时表示为P4.75t，以小数计。
如前所述，筛分试验时，分界筛的筛孔具有多种，根据分界筛的筛孔的孔径选择不同的粗集料与细集料分界筛孔的通过率计算方式；下面详细说明分界筛的尺寸分别为2.36mm、4.75mm两种情况时，具体的计算方式：
①当分界筛孔尺寸为2.36mm时，一般情况下粗集料的毛体积相对密度较细集料的稍大一些，但差别不是太大，因此可近似认为γca/γfa＝1；当粗集料的松装间隙率VCA为振实试验得到、且粗细分界粒径为2.36mm时，也可认为较小的细集料松装间隙率vfa≈VCA；因此，式(1)可近似简化为：
Figure BDA0003233359480000061
式(2)为一近似公式，揭示了矿料形成骨架密实级配时，2.36mm筛孔的通过率与粗集料骨架松装间隙率VCA之间的数量关系，具有十分简单的形式，参数测定由原来的4个减少为一个，而VCA的测定也不复杂，因此使用起来十分简便。
②式(2)适用于粗细分界粒径为2.36mm的情况；而水泥稳定碎石一般将 4.75mm作为粗细分界筛孔尺寸，当分界筛孔尺寸为4.75mm时，因这时细集料的vfa与粗集料的VCA相差较大，如仍认为vfa≈VCA而直接使用式(2)则带来较大偏差。但仍可认为粗细集料的密度近似相等，因此，根据式(1)有：
Figure BDA0003233359480000062
从上述公式(3)中可以看出，在本实施例的筛孔孔径中，粗集料与细集料分界筛孔的通过率P4.75t是以实数1与粗集料骨架松装间隙率、细集料骨架松装间隙率积之差为分母，以粗集料骨架松装间隙率为第一分子，以实数1与细集料骨架松装间隙率之差为第二分子，得到的值。为使式(3)与式(2)具有统一的形式，令λ＝(1-vfa)/(1-VCA)，解得vfa的表达式代入式(3)，得到式(4)。
Figure BDA0003233359480000071
式中：λ为调整系数，由于4.75mm以上粗集料的间隙率较大，此种情况下 vfa<VCA，因此调整系数λ>1。
从上述公式(4)中可以看出，引入调整系数λ后，在计算粗集料与细集料分界筛孔的通过率P4.75t值时，将调整系数和粗集料骨架松装间隙率之积作为调整后的粗集料骨架松装间隙率，以调整后的粗集料骨架松装间隙率为分子，以调整后的粗集料骨架松装间隙率和实数1的和为分母。
上述公式(3)和公式的(4)所计算得到的粗集料与细集料分界筛孔的通过率P4.75t只是计算出来的理论值，其虽然具有一定的指导意义，但是在实际使用中仍然需要进一步修正。因此可以将上述公式(3)和公式的(4)所计算得到的粗集料与细集料分界筛孔的通过率P4.75t称为额定粗细分界筛孔通过率。
关于调整系数λ的取值，根据已有经验，4.75mm以下细集料的松装间隙率vfa一般在34-36％之间，粗集料骨架松装间隙率VCA一般在42-45％之间，其具体大小与级配及最大粒径有关；因此，根据上述λ的表达式计算得到系数值如表1所示。
表1调整系数λ取值
Figure BDA0003233359480000072
Figure BDA0003233359480000081
λ的取值可以进一步简化。一般情况下可认为vfa＝34-36％；分析上表中调整系数λ值特点，当粗集料骨架松装间隙率VCA＝40-43％时，调整系数可取值λ＝1.1；当VCA大于43％时可取值λ＝1.2。
因此，当粗细分界筛孔粒径为4.75mm时，只要测得粗集料的间隙率VCA，即可依据表1选择λ取值，由式(4)计算得到4.75mm的筛孔通过率，进一步可计算得到整条级配曲线，该级配曲线就是理论意义上的骨架密实级配曲线。
由于实际存在细集料(特别是2.36mm～4.75mm之间的集料颗粒)，而细集料对4.75mm以上粗集料排列必然产生一定的干涉作用，导致实际意义上的骨架密实级配在4.75mm筛孔的通过率P4.75P应大于P4.75t，因此在式(4)中再考虑一个大于1的干涉系数β，即：
Figure BDA0003233359480000082
根据试验获得的经验，式中β＝1.10～1.20之间，一般可取1.15。
从上述的公式(5)中可以看出，获得实际粗细分界筛孔通过率P4.75p时，选取干涉系数和调整系数，以干涉系数和调整系数的积作为干涉调整系数，并以粗集料骨架松装间隙率和干涉调整系数之积作为分子，以粗集料骨架松装间隙率和干涉调整系数之积与实数1之和作为分母。
得到实际骨架密实级配后，即可添加水泥进行水稳碎石的组成设计。由于矿料级配已经是骨架密实型了，因此需要的水泥剂量必然较少，施加的水泥剂量可在3.0～4.0％之间(水泥质量占矿料质量的百分比)。据此可得到一种低剂量的骨架密实型水泥稳定碎石。
在一个具体的级配设计中，某沥青路面结构层将水泥稳定碎石作为基层，试对其级配进行设计。首先对各档粗集料、细集料进行筛分与密度试验；其次根据《公路路面基层施工技术细则》(JTGT F20-2015)中给出的级配范围拟定一条级配曲线(在4.75mm筛孔的通过率为29.5％)，从而得知各档粗集料的用量比例为20～30mm：10～20mm：5～10mm＝22.1：66.2:11.7，按此比例混合，并筛除其中4.75mm以下的细集料，然后进行振实试验，获得粗集料的振实骨架松装间隙率为VCA＝44.5％，因此，根据表1选择λ＝1.2，取干涉系数β＝1.15，代入式(5) 得到：
Figure BDA0003233359480000091
即，在考虑了细集料对粗集料的干涉作用后，按照上述比例混合的级配曲线在4.75mm筛孔的通过率为38％时级配矿料的间隙率较小，即可获得骨架密实级配，骨架密实级配时所用水泥剂量较小，强度还渴望能满足要求。
由于初拟级配在4.75mm筛孔的通过率为29.5％与P4.75p＝38.0％不相等，即初拟级配不是骨架密实级配，因此需要根据粗集料与细集料在4.75mm的通过率很容易获得粗集料与细集料新的混合比例，按新的比例混合得到的级配就是骨架密实级配。接下来即可进行后续的强度试验工作。
实施例2
本发明的一种典型实施方式中，本实施例公开了一种骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法，与实施例1不同的是，针对本实施例的筛孔孔径，粗集料与细集料分界筛孔的通过率是以粗集料骨架松装间隙率为分子，以粗集料骨架松装间隙率和实数1的和为分母，得到的值。适用于上述式(2)进行计算。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法，采用分粗、细段设计的级配设计方法,其特征在于，包括以下步骤：
在进行各档粗集料及细集料的筛分试验后，在给定的级配范围内，以中值曲线为目标拟定一条级配曲线；
根据级配曲线划分细集料和粗集料，得到粗集料的总占比，并通过试验获得粗集料骨架松装间隙率；
根据粗集料骨架松装间隙率，使用调整系数和干涉系数获得实际粗细分界筛孔通过率；
根据实际粗细分界筛孔通过率及粗集料与细集料分界筛孔的通过率，重新获得粗、细集料各自的用量，进而得到实际的骨架密实级配。
2.如权利要求1所述的骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法，其特征在于，获得实际粗细分界筛孔通过率之前，还获得额定粗细分界筛孔通过率，选择调整系数，并以粗集料骨架松装间隙率和调整系数之积作为分子，以粗集料骨架松装间隙率和调整系数之积与实数1之和作为分母。
3.如权利要求2所述的骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法，其特征在于，所述调整系数与所述粗集料骨架松装间隙率符合阶跃函数。
4.如权利要求1所述的骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法，其特征在于，获得实际粗细分界筛孔通过率时，选取干涉系数和调整系数，以干涉系数和调整系数的积作为干涉调整系数，并以粗集料骨架松装间隙率和干涉调整系数之积作为分子，以粗集料骨架松装间隙率和干涉调整系数之积与实数1之和作为分母。
5.如权利要求1所述的骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法，其特征在于，进行所述筛分试验时，分界筛的筛孔具有多种，根据分界筛的筛孔的孔径选择不同的粗集料与细集料分界筛孔的通过率计算方式。
6.如权利要求1或5所述的骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法，其特征在于，所述粗集料与细集料分界筛孔的通过率是以所述粗集料骨架松装间隙率为分子，以所述粗集料骨架松装间隙率和实数1的和为分母，得到的值。
7.如权利要求1或5所述的骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法，其特征在于，所述粗集料与细集料分界筛孔的通过率是以实数1与所述粗集料骨架松装间隙率、细集料骨架松装间隙率积之差为分母，以所述粗集料骨架松装间隙率为第一分子，以实数1与细集料骨架松装间隙率之差为第二分子，得到的值。
8.如权利要求1或5所述的骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法，其特征在于，计算所述粗集料与细集料分界筛孔的通过率时，引入调整系数，将调整系数和粗集料骨架松装间隙率之积作为调整后的粗集料骨架松装间隙率，以调整后的粗集料骨架松装间隙率为分子，以调整后的粗集料骨架松装间隙率和实数1的和为分母。
9.如权利要求1所述的骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法，其特征在于，通过试验获得粗集料骨架松装间隙率时，按照组成初拟级配各档粗集料的比例，混合得到粗集料，进行粗集料的捣实或振实试验，获得其骨架松装间隙率。
10.如权利要求1～4任意一项所述的骨架密实型水泥稳定碎石级配设计方法，其特征在于，当粗集料骨架松装间隙率为40-43％时，调整系数取值1.1；当粗集料骨架松装间隙率大于43％时，调整系数取值1.2。
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