CN117585941A - 一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法，将集料、尾矿砂进行级配合成，并测定其捣实密度，确定其捣实状态下空隙率VC，胶粉、沥青填充在VC中，形成的空隙率为VV；采用胶粉体积变化量与沥青油份变化量关系，控制两者掺入比例，并确定沥青组份发生变化后的密度，确定胶粉体积变化后的比表面积，沥青裹附集料、尾矿砂、体积变化后的胶粉表面形成沥青膜，并进行体积填充。通过胶粉吸收沥青油份，以及沥青裹附集料、尾矿砂、胶粉在体积填充及成膜状态，使混合料各方性能处于较好平衡状态，并考虑胶粉吸收油份后沥青、胶粉在体积和密度上的变化，进一步提升设计准确性，将胶粉、尾矿砂再利用，实现低碳环保。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，尤其涉及一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法。
背景技术
浇注式沥青混合料内部空隙率接近零,具有非常好的抗渗性,水分和其他物质都无法渗人到混合料内部,可避免沥青混合料在使用过程中因接触空气(水)而老化、脆化,产生性能衰变。较高的沥青含量使得铺装层在气候和交通条件作用下具有很好的柔韧性,可适应反复弯曲变形及与结构层的同步变形,且不会出现开裂等破坏现象。同时，高温拌和可采用浇注自流成型的摊铺工艺，避免摊铺碾压埋下质量隐患，如温度离析、骨料离析等。冷却后其自然形成强度,具有非常强的整体性。
浇注式沥青混合料所具有密实、抗老化、变形能力的结构特点，决定了其除拥有沥青混凝土的性能外，还具有不同于普通碾压沥青混凝土的特性,而这些性能优势恰恰适应了桥面铺装等一些特殊铺装工程的使用要求，一般被用作钢桥面铺装层下层中。浇筑式沥青混合料在设计过程中，主要依据规范中级配要求，掺入天然沥青、硬质沥青、改性沥青等胶结材料，以空隙率、贯入度、流动性作为相关指标，配制不同油石比、级配的浇筑式沥青混合料，采用试验方法进行验证，这种混合料设计方法主要依赖试验，对浇筑式沥青混合料构成机理和材料之间相互作用不明确，各方面的性能往往容易顾此失彼，难以达到较好的平衡状态，导致试验量大，且浇筑式沥青混合料设计结果难以达到较优状态。公路建设快速发展的同时，所带来的资源与环境问题日趋严重，筑路材料短缺问题日益严重，而大宗固废诸如胶粉、尾矿砂的堆积逐年增加，一直没有有效处理措施。
因此，需要提出一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法，较胶粉、尾矿砂等固体废弃物进行利用，并通过控制胶粉、集料、尾矿砂、沥青的掺入量及相互作用，保证浇筑式沥青混合料密实性、流动性以及路用性能方面均处于较优状态。
发明内容
本发明针对浇筑式沥青混合料设计过程中路用性能、密实度、流动性难以控制的问题，旨在提供一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法，通过胶粉吸收沥青油份，以及沥青裹附集料、尾矿砂、胶粉在体积填充及成膜状态，使混合料各方性能处于较好平衡状态，并考虑胶粉吸收油份后沥青、胶粉在体积和密度上的变化，进一步提升设计准确性，将胶粉、尾矿砂再利用，实现低碳环保。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法其特征在于：包括以下步骤：
(1)低碳型浇筑式沥青混合料：沥青、胶粉、尾矿砂、集料组成，对各档集料和尾矿砂进行筛分，确定各档集料及尾矿砂的级配组成；
(2)将集料、尾矿砂按照规范要求级配范围，进行级配合成，并测定其捣实密度，按照下式确定其捣实状态下空隙率VC。
式中：ρc——合成级配捣实密度，g/cm3；ρsc——合成级配的密度，g/cm3；
按照混合料体积填充原理，集料和矿粉捣实形成空隙率为VC，胶粉、沥青填充在VC中，形成的空隙率为VV，按照如下公式确定各类原材料体积填充时掺入量：
Pc＝1000×(1-VC)×ρc
式中：Pa——1m3浇筑式沥青混合料中沥青的掺量，kg；Pc——1m3浇筑式沥青混合料中尾矿砂和集料的掺量，kg；Pj——1m3浇筑式沥青混合料中胶粉的掺量，kg；ρj——胶粉密度，g/cm3；ρa——沥青的密度，g/cm3；
(3)加入到混合料中的沥青，被胶粉吸收部分轻质油份后，胶粉体积发生膨胀，沥青的组份发生变化，沥青的质量发生变化，采用胶粉体积变化量与沥青油份变化量关系，控制两者掺入比例，并按照如下公式进行沥青密度和沥青与胶粉关系的确定：
式中：ρq——轻质油份密度，g/cm3；ρ’a——沥青被吸收油分后的密度，g/cm3；γ——沥青油分变化量，％；β——胶粉体积变化量，％。
(4)沥青中部分轻质油份被胶粉吸收后，沥青的密度发生变化，胶粉的体积发生变化，沥青裹附集料、尾矿砂、胶粉表面形成沥青膜，并进行体积填充，按照下式确定沥青裹附及填充时原材料掺量关系。
Pa＝u×(Pc×SAc+Pj×SAj)×ρ’a
SAc＝0.41+0.0041a+0.0082b+0.0164c+0.0287d+0.0614e+0.1229f+0.3277g
式中：SAc——合成级配比表面积，m2/kg；SAj——胶粉体积增加后的比表面积，m2/kg；u——沥青膜厚度，um；dj—胶粉目数折算的粒径，mm；a、b、c、d、e、f、g分别为4.75mm及其以下各筛孔通过率。
所述的沥青为湖沥青与硬质沥青按照一定比例调和成的改性沥青。
所述的集料由粒径3～5mm、5～10mm、10～15mm掺配组成，所述的尾矿砂为细粒度的尾矿砂，最大粒径为2.36mm，其中0.075mm通过率不低于65％。
所述的空隙率VV为1.5～2％。
所述的沥青膜厚度为5～8um，胶粉体积变化量为5～15％。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法，通过掺入胶粉吸收沥青的轻质油份，以胶粉体积变化反演计算轻质油份变化量，从而有效控制浇筑式沥青混合料的流动性和路用性能，在两者之间取得较好平衡。
本发明提供一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法，沥青包裹胶粉、尾矿砂、集料表面，形成沥青膜，通过表面成膜理论，确定沥青最佳用量，并根据沥青包裹后混合料体积变化，确定沥青填充量，从而有效发挥沥青填充效果和其在混合料中作用。
本发明提供一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法，以体积填充原理，根据体积参数来控制混合料的空间构成状态，从而确定原材料的掺入量，确保浇筑式沥青混合料的密实度，并提出了胶粉吸收沥青油份后，沥青与胶粉体积、密度变化计算方法，提高沥青与胶粉在体积填充以及沥青裹附过程中精准度，保证浇筑式沥青混合料达到设计要求。
本发明采用尾矿砂、胶粉作为浇筑式沥青混合料的原材料，将工业废弃物进行再生使用，实现废物资源化利用，资源节约，高效环保。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。
一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法，包括对尾矿砂、10～15mm集料、5～10mm集料、3～5mm集料进行筛分，其结果如下所示：
表1原材料筛分结果
表2原材料密度
按照规范要求级配范围进行集料级配合成，确定各档集料、尾矿砂的掺配比例如下：
表3浇筑式沥青混合料级配设计结果
按照级配设计结果，对集料10～15mm、5～10mm、3～5mm、尾矿砂进行级配合成，计算理论最大密度如下所示：
按照10～15mm占5％、5～10mm占23％、10～20mm占40％、尾矿砂占32％进行配制材料，采用紧密捣实的方法，测定其捣实后的密度ρc＝1.924g/cm3，捣实后的孔隙率VC＝29.5％，按照1m3浇筑式沥青混合料进行设计，集料及尾矿砂用量为1924kg。
按照级配设计结果，按照空间体积构成各类原材料掺入量，空隙率取1.5％：
胶粉吸收沥青轻质油份，胶粉体积变化量取10％，计算胶粉与沥青比例关系如下，并计算吸收油份后沥青密度：
按照集料合成级配、尾矿砂筛分结果，计算其比表面积分别为SAC＝15.45m2/kg。
胶粉取40目胶粉，胶粉粒径为0.425mm，按照以下公式计算胶粉的比表面积：
沥青裹附集料、尾矿砂、胶粉表面形成沥青膜，沥青膜厚度取6um，沥青用量按照如下式计算：
Pa＝u×(1924×15.45+Pj×12.7)×ρ’a
经计算，1m3浇筑式沥青混合料设计时，各类原材料的用量为：10～15mm档集料96.2kg，5～10mm档集料442.5kg，3～5mm档集料769.6kg，尾矿砂615.68kg，胶粉100kg，沥青192.9kg。
按照上述比例制备出浇筑式沥青混合料，进行性能试验，结果如下表所示：
表4浇筑式沥青混合料性能试验结果
| 试验项目 | 试验结果求 |
| 流动性(240℃)(s) | 15.4 |
| 贯入度(40℃)(mm) | 2.5 |
| 动稳定度(60℃，0.7MPa)(次/mm) | 850 |
| 弯曲极限应变(-10℃)(με) | 10200 |
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)低碳型浇筑式沥青混合料包括沥青、胶粉、尾矿砂、集料组成，对各档集料和尾矿砂进行筛分，确定各档集料及尾矿砂的级配组成；
(2)将集料、尾矿砂按照规范要求级配范围，进行级配合成，并测定其捣实密度，确定其捣实状态下空隙率VC，按照混合料体积填充原理，胶粉、沥青填充在VC中，形成的空隙率为VV；
(3)加入到混合料中的沥青，被胶粉吸收部分轻质油份后，胶粉体积发生膨胀，沥青的组份发生变化，采用胶粉体积变化量与沥青油份变化量关系，控制两者掺入比例，并确定沥青组份发生变化后的密度；
(4)沥青中部分轻质油份被胶粉吸收后，胶粉的体积发生变化，重新确定胶粉体积变化后的比表面积，沥青裹附集料、尾矿砂、体积变化后的胶粉表面形成沥青膜，并进行体积填充。
2.如权利要求1所示的一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法，其特征在于，集料、尾矿砂级配合成后，捣实状态下空隙率VC按照如下公式计算：
式中：ρc——合成级配捣实密度，g/cm3；ρsc——合成级配的密度，g/cm3。
3.如权利要求2所示的一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法，其特征在于，混合料空间体积构成原理，按照如下公式确定各类原材料掺入量：
Pc＝1000×(1-VC)×ρc
式中：Pa——1m3浇筑式沥青混合料中沥青的掺量，kg；Pc——1m3浇筑式沥青混合料中尾矿砂和集料的掺量，kg；Pj——1m3浇筑式沥青混合料中胶粉的掺量，kg；ρj——胶粉密度，g/cm3；ρa——沥青的密度，g/cm3；空隙率VV取1.5～2％。
4.如权利要求3所示的一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法，其特征在于，沥青油份变化量控制胶粉的掺入比例，沥青的密度发生变化，按照如下公式进行沥青密度、沥青与胶粉关系的确定：
式中：ρq——轻质油份密度，g/cm3；ρ’a——沥青被吸收油分后的密度，g/cm3；γ——沥青油分变化量，％；β——胶粉体积变化量，％。
5.如权利要求4所示的一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法，其特征在于，沥青裹附集料、尾矿砂、胶粉表面形成沥青膜，并进行体积填充，按照下式确定沥青裹附及填充时原材料掺量关系，并计算胶粉体积变化后的比表面积：
Pa＝u×(Pc×SAc+Pj×SAj)×ρ’a
SAc＝0.41+0.0041a+0.0082b+0.0164c+0.0287d+0.0614e+0.1229f+0.3277g
式中：SAc——合成级配比表面积，m2/kg；SAj——胶粉体积增加后的比表面积，m2/kg；u——沥青膜厚度，um；
dj—胶粉目数折算的粒径，mm；a、b、c、d、e、f、g分别为4.75mm及其以下各筛孔通过率。
6.如权利要求1所示的一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法，其特征在于，所述的集料由粒径3～5mm、5～10mm、10～15mm掺配组成。
7.如权利要求1所示的一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法，其特征在于，所述的尾矿砂为细粒度的尾矿砂，最大粒径为2.36mm，其中0.075mm通过率不低于65％。
8.如权利要求1所示的一种低碳型浇筑式沥青混合料设计方法，其特征在于，所述的沥青膜厚度为5～8um，胶粉体积变化量为5～15％。
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