基于最紧密状态的沥青混合料配合比设计方法技术

本发明专利技术提出一种基于最紧密状态的沥青混合料配合比设计方法。它包括：（１）确定用于评价混合料矿料紧密程度的三个参数是矿料间隙率、粗集料矿料间隙率、混合料的矿料干密度；（２）论证了这三个参数的相关性，并采用二次曲线模型分析，确认相应参数曲线的极值为混合料的最紧密状态；（３）取相应参数的极值所对应的油石比，即：矿料间隙率ＶＭＡ、粗集料矿料间隙率ＶＣＡ最小时对应的油石比以及混合料的矿料干密度最大时对应的油石比，为混合料处于最紧密状态下的油石比；（４）为减少误差，取上述三个油石比的平均值为设计油石比。本发明专利技术适用于粗集料断级配沥青混合料，采用本发明专利技术设计出的沥青混合料具有很好的路用性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种沥青混合料配合比设计方法，尤其涉及，属于公路与城市道路学科，沥青路面专业，沥青混凝土设计的技术领 域。
技术介绍
沥青混合料配合比设计的核心是针对某一固定的矿料级配确定其处于某种最佳 性能状态下的油石比(或称沥青用量)。 当前国际上和国内的相关规范一般采用5参数(稳定度、流值、空隙率、毛体积密 度、饱和度)或4参数方法确定混合料的油石比，这种方法考虑因素过多，反而导致工程意 义不明确，实际工程表明，特别是对于重载交通和粗集料断级配混合料采用这种方法确定 的混合料油石比明显偏大。 近十年来，美国SUPERPAVE设计方法的创立，提出了按照设计空隙率方法确定混 合料的油石比(一般设计空隙率的标准为4%)。这种技术思路目前已逐渐在我国许多工 程上使用。这种方法的核心是确保混合料具有足够的密实性和空隙，使得混合料具有高温 稳定和低温稳定的平衡，从而提高混合料的耐久性。但这种方法有一个致命的缺陷，在实际 工程中，由于矿料的变化，对于一个固定级配的混合料其密实程度并不明确，但一味追求混 合料的空隙率，则通过沥青用量的增、减而调整。如果混合料矿料级配本身密实性不足，为 追求空隙率，则导致混合料油石比偏高，反之，油石比则偏低。这样混合料油石比的确定仍 存在一定的盲目性。
技术实现思路
针对当前重载的交通环境和复杂的自然环境，优化沥青混合料的配合比设计是提 高沥青路面使用耐久性的重要环节之一。而其中关键在于沥青混合料最佳力学状态下的油 石比确定。 在实际工程中，当混合料的矿料级配一旦确定，则对应的混合料中沥青用量(即油石比)的确定则显得至关重要。油石比过高，混合料的高温稳定性不足，容易导致车辙、泛油等病害；而油石比过低，则容易导致混合料的耐久性不足，力学性能衰减。 在一个标准的压实条件下，对于一种级配的矿料，随着沥青用量的增加，由于沥青的浸润和润滑作用，使得矿料间紧密程度增加，逐渐形成一种力学状态；但如果沥青用量含量过高，在矿料间存在过多的自由沥青，则导致混合料的矿料结构逐渐被撑开，力学性能下降。为此，将这种沥青混合料的最紧密程度所对应的油石比作为混合料的最佳油石比。这样，对于不同的矿料级配、不同的压实标准，有其固定的紧密状态，油石比确定就不会存在以往的盲目性问题。 本专利技术的目的是提出一种更适用于粗集料骨架密实型沥青混合料的最佳油石比 确定方法，以保证所设计的沥青混合料达到最紧密嵌挤状态。也即基于最紧密状态的沥青3混合料配合比设计方法。 对于一个特定的沥青混合料，评价混合料体积特性的指标常用的有空隙率VV、矿 料间隙率VMA和粗集料矿料间隙率VCA。空隙率是常用来评价混合料密实程度的指标，但并 不是评价混合料矿料紧密程度的指标。评价混合料矿料紧密程度的指标应是矿料间隙率 和粗集料矿料间隙率。此外，还有一种国外常用的混合料体积指标——混合料的矿料干密 度。这三个指标能够共同反映混合料在特定条件下的紧密状态，且相互等效。 这三个参数具体的表达形式如下 矿 料 间G 100 隙FM4 = 1 — 100 + <yn(式1)(式l)FC4,鮮=1 —式中Gm :混合料的毛体积密度； Gm,s :混合料中全部矿料的毛体积密度 。混合料中油石比。 粗 集 料 矿G 100料100+吼间 隙 (式2)(式2) &，c式中Gb,。a :混合料中粗集料的毛体积密度 P' 。a :矿料中粗集料的重量百分率。 混 合 料 的 矿100100+饥料 干(《3)(式3) 对于某一个固定级配的混合料，粗集料的毛体积密度Gb,。a、矿料毛体积密度Gm,s以 及矿料中粗集料的重量百分率P' 。a都相对固定，因此，在计算VMA、VCA和混合料的矿料干 密度(简称干密度)这三个参数时，可以认为是常数。这样，这三个参数都是混合料毛体积 密度Gm和油石比。的函数，且唯一。也即这三个参数是紧密相关的。从计算公式可以看 出，VMA和VCA是正相关，而与干密度负相关。 因此，当采用二次曲线模型分析不同油石比条件下混合料体积参数性能时，VMA与 VCA最小时对应的油石比理论上应完全相等，且等于干密度最大时的油石比。即三个条件下 的油石比应当一致。 在实际的试验数据分析中，由于试验误差的影响，三个油石比有可能存在一定的 偏差，为了准确得到这个油石比，减小试验误差的影响，在实际数据的分析中，应分别计算 出这三个油石比，然后取平均值，作为这种混合料体积性能最紧密状态下的最佳油石比。 本专利技术具有如下的优点及效果 (1)本专利技术适用于粗集料-断级配沥青混合料的配合比设计，设计参数简单且符 合粗集料_断级配沥青混合料的内在组成机理，充分保证设计出的沥青混合料是该压实功 下的最紧密状态，且参数间可以相互校验，可靠性高。有效地避免参数过多、参数不合理以 及按固定空隙率设计带来的无法真正把握混合料的紧密状态的问题。 (2)按照本专利技术方法确定的沥青混合料油石比，相比于传统设计方法确定的油石 比更加合理，有利于节约沥青资源，且路用性能尤其是高温抗辙性能明显优于传统设计方附图说明图1--1是毛体积密度变化曲线；图1--2是空隙率变化曲线；图1--3是矿料间隙率变化曲线；图1--4是粗集料矿料间隙率变化曲线；图1--5是干密度变化曲线；图1--6是饱和度变化曲线；图2--1是不同油石比的动稳定度变化曲线;图2--2是不同油石比的相对变形变化曲线。具体实施例方式以下结合具体实施例来进一步说明本专利技术，下述实施例仅用于说明本专利技术而非对 本专利技术的限制。 根据本专利技术的基于最紧密状态沥青混合料配合比设计方法，其设计流程规范如 下 1.根据经验确定涵盖该级配最佳油石比的范围，一般以0. 3 0. 4%为间隔设定5 6个油石比进行试验，每种油石比下平行试件样本量一般不低于4个。 2.按照石料配比称取所需石料，按照现行规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的方法进行试件成型前的准备工作。根据选定的成型方法进行成型，方法可以根据设计需求选择马歇尔击实、SGC旋转压实成型、GTM旋转压实成型等多种方法。 3.成型完毕的试件经过不少于12个小时的养生，测定试件的毛体积密度，以此为基础按照前述三个公式计算各油石比条件下的矿料间隙率、粗集料矿料间隙率以及矿料干密度。以二次曲线模型拟合试验数据，相关系数应达到0.97以上，确定曲线的极值点，即VMA的最小值OAQ和VCA的最小值OAC2，干密度的最大值OAC3。从三个指标数值的结果判断试验的精度是否满足要求，在满足精度要求的前提下，以三者的均值作为设计油石比，完成设计。 以某具体目标配合比设计为例，原材料各项物理指标均符合现行规范《公路沥青路面施工技术规范》标准，要求针对给定级配确定其油石比。其设计流程如下 1.已知目标级配曲线，首先根据经验选择了 3.8 5%的5个油石比作为试验范围，平行样本的数量为4个。 2.采用马歇尔击实成型方法，双面击实75次。 3.待试件养生充分，测定各试件的毛体积密度，并按照本专利技术中所提出的三个公 式，计算矿料间隙率VMA，粗集料矿料间隙率VCA以及干密度值，结果如表1。 表1沥青混合料试件体积指标 5<table>table see original document 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于最紧密状态的沥青混合料配合比设计方法，其特征在于，　　（１）确定用于评价混合料矿料紧密程度的以下三个参数，具体的表达形式如下：　　矿料间隙率，ＶＭＡ＝１－Ｇ↓［ｍ］／Ｇ↓［ｍ，ｓ］×１００／（１００＋ω↓［０］）（式１）　　式中：Ｇ↓［ｍ］：混合料的毛体积密度；　　Ｇ↓［ｍ，ｓ］：混合料中全部矿料的毛体积密度；　　ω↓［０］：混合料中油石比；　　粗集料矿料间隙率，ＶＣＡ↓［ＭＩＸ］＝１－Ｇ↓［ｍ］／Ｇ↓［ｂ，ｃａ］×１００／（１００＋ω↓［０］）×Ｐ↓［ｃａ］′（式２）　　式中：Ｇ↓［ｂ，ｃａ］：混合料中粗集料的毛体积密度；　　Ｐ′↓［ｃａ］：矿料中粗集料的重量百分率；　　混合料的矿料干密度，Ｇ↓［ｇ，ｍ］＝Ｇ↓［ｍ］×１００／（１００＋ω↓［０］）（式３）　　（２）论证了这三个参数的相关性，并采用二次曲线模型分析，确认相应参数曲线的极值为混合料的最紧密状态；　　（３）取相应参数的极值所对应的油石比，即：矿料间隙率ＶＭＡ、粗集料矿料间隙率ＶＣＡ最小时对应的油石比以及混合料的矿料干密度最大时对应的油石比，为混合料处于最紧密状态下的油石比；（４）为了减少计算误差，可取上述三个油石比的平均值作为该混合料在最紧密状态下的设计油石比。...

【技术特征摘要】
一种基于最紧密状态的沥青混合料配合比设计方法，其特征在于，(1)确定用于评价混合料矿料紧密程度的以下三个参数，具体的表达形式如下矿料间隙率， <mrow><mi>VMA</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac> <msub><mi>G</mi><mi>m</mi> </msub> <msub><mi>G</mi><mrow> <mi>m</mi> <mo>,</mo> <mi>s</mi></mrow> </msub></mfrac><mo>&times;</mo><mfrac> <mn>100</mn> <mrow><mn>100</mn><mo>+</mo><msub> <mi>&omega;</mi> <mn>0</mn></msub> </mrow></mfrac> </mrow>(式1)式中Gm混合料的毛体积密度； Gm，s混合料中全部矿料的毛体积密度； ω0混合料中油石比；粗集料矿料间隙率， <mrow><msub> <mi>VCA</mi> <mi>MIX</mi></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac> <msub><mi>G</mi><mi>m</mi> </msub> <msub><mi>G</mi><mrow> <mi>b</mi> <mo>,</mo> <mi>ca</mi></mrow> </msub></mfrac><...

【专利技术属性】
技术研发人员：王旭东，张蕾，李美江，周兴业，
申请(专利权)人：交通部公路科学研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]