專利名稱：：骨架型瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：近十五年來，我國(guó)的公路建設(shè)，特別是高速公路建設(shè)跨入了一個(gè)前所未有的時(shí)代，中國(guó)高速公路建設(shè)僅用了IO多年時(shí)間，就走過了發(fā)達(dá)國(guó)家一般需要40年才能走過的路程。1988年IO月滬嘉高速公路建成通車，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)大陸高速公路零的突破，1995年底建成通車的高速公路已超過2000km，1998年底建成通車的高速公路達(dá)到6258km，位居世界第八位。1999年10月我國(guó)高速公路通車總里程突破1萬公里，2000年底高速公路通車總里程達(dá)到1.6萬公里，位居世界第三位。2001年，我國(guó)高速公路建設(shè)取得新的突破，全年新增通車?yán)锍?152公里，使全國(guó)高速公路總里程達(dá)19437公里，超過加拿大(1.7萬公里)躍居世界第二位。目前，我國(guó)高速公路通車總里程僅次于美國(guó)的8.9萬公里，截至2004年底已達(dá)到3.42萬公里。在看到我國(guó)高速公路建設(shè)所取得的巨大成就的同時(shí)，也應(yīng)看到我國(guó)的公路建設(shè)質(zhì)量與發(fā)達(dá)國(guó)家還有明顯的差距。在我國(guó)已大量使用進(jìn)口瀝青、進(jìn)口設(shè)備的同時(shí)，我國(guó)瀝青路面的建設(shè)水平與先進(jìn)國(guó)家還有明顯的差距。因此，如何更有效的提高我國(guó)公路建設(shè)質(zhì)量，成為擺在所有公路建設(shè)者面前的歷史使命。影響公路質(zhì)量的因素很多，包括設(shè)計(jì)、施工、材料和管理等多方面。其中材料因素占據(jù)了相當(dāng)大的比例；目前我國(guó)高等級(jí)公路面層中80%以上是瀝青路面，因此，瀝青混合料的性能直接關(guān)系到公路的質(zhì)量。瀝青混合料是由礦質(zhì)骨料和瀝青膠結(jié)料所組成的復(fù)合材料，是一種具有空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多相分散體系，其力學(xué)強(qiáng)度主要由礦質(zhì)顆粒之間的內(nèi)摩阻力和嵌擠力，以及瀝青膠結(jié)料與礦料之間的粘結(jié)力所構(gòu)成。由于骨架密實(shí)型瀝青混合料，如SMA、LSAM等，可以同時(shí)提供較好的內(nèi)摩阻力和粘聚力，因此骨架密實(shí)型已成為目前瀝青混合料的發(fā)展方向。但骨架密實(shí)型瀝青混合料的級(jí)配構(gòu)成，多是以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，缺少嚴(yán)格的理論指導(dǎo)。在現(xiàn)有的級(jí)配設(shè)計(jì)理論中，通常是以最大密實(shí)度作為級(jí)配的設(shè)計(jì)目標(biāo)，缺少對(duì)骨架構(gòu)成的判斷；貝雷法是將骨架構(gòu)成作為首要設(shè)計(jì)目標(biāo)的級(jí)配設(shè)計(jì)方法，但該方法是以平面模型為基礎(chǔ)，并且在設(shè)計(jì)過程中需要依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)過程中的參數(shù)進(jìn)行修正，設(shè)計(jì)過程較為煩瑣。因此，建立直觀、明確的骨架型瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)方法是目前工程界和理論界的急需。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供骨架密實(shí)型瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是步驟1:確定瀝青混合料中直徑為A的最粗一級(jí)集料單獨(dú)構(gòu)成混合料時(shí)的體積填充率F。，^步驟2:在確定最粗一級(jí)集料的單獨(dú)填充率之后，根據(jù)^=(1+1)3計(jì)算由直徑為A)的最粗一級(jí)集料和由直徑為《的第二級(jí)集料的兩級(jí)集料體^中的粗一級(jí)集料的體積填充率Vj，步驟3:根據(jù)上式，在扣除A所占的體積K之后，計(jì)算由直徑為《的第二級(jí)集料和直徑為《的第三級(jí)集料的兩級(jí)集料體系中，粗一級(jí)集料的體積填充率，步驟4:重復(fù)步驟2和步驟3，直至瀝青混合料的最后一級(jí)細(xì)集料。步驟1中直徑為A的最粗一級(jí)集料單獨(dú)構(gòu)成混合料時(shí)的體積填充率&由其堆積密度與表觀密度的比值確定。步驟2和步驟3中，A和《、《和《必須是瀝青混合料級(jí)配的相鄰控制篩孔直徑。直徑為A的最粗一級(jí)集料單獨(dú)構(gòu)成混合料時(shí)的體積填充率K一般為60%左右，計(jì)算時(shí)可采用統(tǒng)一的Vo值。有益效果本發(fā)明是設(shè)計(jì)骨架密實(shí)型瀝青混合料的重要方法，發(fā)明在以下幾方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。(1)與瀝青混合料級(jí)配的經(jīng)典干涉理論相比，干涉理論以集料處于臨界干涉狀態(tài)，使混合料的密實(shí)度最大；而多點(diǎn)支承骨架結(jié)構(gòu)的級(jí)配設(shè)計(jì)方法，以集料間接觸點(diǎn)數(shù)量最大化為設(shè)計(jì)目標(biāo)，追求混合料承載能力的最大化。(2)多點(diǎn)支承骨架結(jié)構(gòu)的級(jí)配設(shè)計(jì)方法克服了目前瀝青混合料設(shè)計(jì)方法對(duì)級(jí)配選擇不夠重視的缺陷，且直觀、明確，易于為廣大工程技術(shù)人員所接受。(3)根據(jù)多點(diǎn)支承骨架結(jié)構(gòu)的級(jí)配設(shè)計(jì)方法確定的混合料具有很強(qiáng)的抗車轍能力，確保了瀝青路面良好的高溫穩(wěn)定性能，滿足了現(xiàn)代重載交通的要求。圖1為礦質(zhì)骨架的內(nèi)部荷載傳遞示意圖。圖2為不同粒徑的顆粒間的點(diǎn)接觸示意圖，具體實(shí)施例方式1、瀝青混合料骨架支承模型當(dāng)不同粒徑的顆粒混合時(shí)，顆粒間的接觸狀態(tài)可以采用如圖1所示的三維模型進(jìn)行描述。假設(shè)礦料顆粒的形狀為球體，當(dāng)粒徑為D的粗一級(jí)顆粒被粒徑為d的細(xì)一級(jí)顆粒包裹時(shí)，粗顆粒與細(xì)顆粒間的接觸點(diǎn)的個(gè)數(shù)，取決于在粗顆粒表面可排布的細(xì)顆粒的個(gè)數(shù)。分布在粗集料表面的細(xì)顆粒相互接觸，覆蓋在粗集料表面；連接相互接觸的三個(gè)細(xì)顆粒球體的球心，形成一個(gè)等邊三角形，三角形的邊長(zhǎng)近似等于細(xì)顆粒的粒徑d?？梢钥闯?，由已粗顆粒球心為球心，直徑為(D+d)的虛擬球體，其球面穿過細(xì)顆粒球心；該虛擬球體的球面被細(xì)顆粒球心所組成的等邊三角形劃分為多面體結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)冗吶切巫銐蚨鄷r(shí)，三角形面積的總和與虛擬球體的表面積較為接近。因此，可以據(jù)此計(jì)算粗顆粒表面可分布的細(xì)顆粒的個(gè)數(shù)，也即粗、細(xì)集料間的接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)。其計(jì)算過程如下虛擬球面的面積為S-4;r(^^)2(1)2等邊三角形的面積為S-f"2(2)由于理想狀態(tài)下，每個(gè)小球體可參與6個(gè)三角形的構(gòu)成，因此，虛擬球面上可分布的細(xì)顆粒個(gè)數(shù)為AT丄與(l+蘭)2。)當(dāng)圖1所示的體系重受著豎向荷載時(shí)，粗一級(jí)顆粒的橫截面上所承受的荷載，均由粗一級(jí)顆粒與細(xì)一級(jí)顆粒間的接觸點(diǎn)向下傳遞。假設(shè)粗一級(jí)顆粒D的橫截面上承受著均布應(yīng)力q，則各個(gè)接觸點(diǎn)承受的荷載p可按下式計(jì)算5<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(4)當(dāng)圖l體系中的顆粒為粒徑相同的顆粒時(shí)，即0=(1=00，則上式變化為-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(5)2、粗集料多點(diǎn)支撐骨架結(jié)構(gòu)的級(jí)配設(shè)計(jì)模型由式(4)和式(5)，為確保骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，必須在粗一級(jí)顆粒的周圍分布盡可能多的細(xì)一級(jí)顆粒，通過大量的接觸點(diǎn)為粗一級(jí)顆粒提供足夠的保護(hù)。因此，本發(fā)明提出如圖2所示的級(jí)配模型，在該模型中，粗一級(jí)顆粒D的周圍密布細(xì)一級(jí)顆粒d，本文將此模型稱為粗集料多點(diǎn)支撐骨架結(jié)構(gòu)。在該模型中，粗一級(jí)顆粒D周圍分布著盡可能多的細(xì)一級(jí)顆粒d，在此種條件下粗一級(jí)顆粒和細(xì)一級(jí)顆粒間可獲得最多的接觸點(diǎn)，從而確保該骨架體系可獲得最大的承載能力。同理，對(duì)于細(xì)一級(jí)顆粒d應(yīng)有盡可能多的更細(xì)一級(jí)顆粒包圍在其周圍，以此類推，直到最細(xì)一級(jí)顆粒。為確定該模型中不同粒徑顆粒的含量，可選取圖2中的虛線所示的單元，并將此單元拓展為三維立方體模型單元，該三維立方體模型單元的邊長(zhǎng)為(D+d)，在該立方體中僅有一個(gè)大顆粒集料D，在其周圍滿布著小顆粒集料d;因此大顆粒D在該單元內(nèi)的體積填充率為(。如果圖2的模型中僅有大顆粒D，而沒有小顆粒d時(shí)，則三維立方體模型單元的邊長(zhǎng)為D，在該立方體中，大顆粒D在單一粒徑混合料中的體積填充率為(7)將上述兩式相除，則得到多點(diǎn)支撐骨架結(jié)構(gòu)模型中粗一級(jí)顆粒D應(yīng)占的體積百分率公式(8)其中粗一級(jí)顆粒單獨(dú)填充時(shí)的填充率V。-堆積密度/表觀密度。根據(jù)公式(8)計(jì)算出第一級(jí)顆粒D的含量后，可按同樣模型和公式計(jì)算細(xì)一級(jí)顆粒d和更細(xì)小顆粒按多點(diǎn)支撐組合時(shí)，細(xì)一級(jí)顆粒d應(yīng)占的體積比，但此時(shí)應(yīng)扣除D所占的體積V,，如此遞推直到追后一級(jí)顆粒。3、計(jì)算參數(shù)的確定為確定礦質(zhì)混合料的級(jí)配，需對(duì)不同粒徑的單獨(dú)填充時(shí)的體積填充料V。進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于粗集料(》4.75rran)V。與基本不隨粒徑而變化，而趨于穩(wěn)定的某一值，且當(dāng)不同粒徑的粗集料相互混合時(shí)，V。的變化量也較小，如表l和表2所示；因此，計(jì)算中可采用統(tǒng)一的V。值進(jìn)行計(jì)算。表1和表2中的試驗(yàn)方法與中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)范》(JTJ058—2000)T0309—2000中的要求基本相同。為了減少人為誤差本次試驗(yàn)采用在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)密實(shí)，且在試筒上面加2000克的配重來加強(qiáng)密實(shí)及自動(dòng)找平。操作方法如下在試筒中加入大約一半的混合料，加上配重，閉合電源開關(guān)，機(jī)器振動(dòng)l分鐘；然后裝滿試筒，振動(dòng)30秒鐘，人工粗平，再振動(dòng)30秒鐘，人工精平。表l單一粒徑的體積填充百分率<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求1、一種骨架密實(shí)型瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法，其特征在于該設(shè)計(jì)方法包括如下步驟步驟1確定瀝青混合料中直徑為D0的最粗一級(jí)集料單獨(dú)構(gòu)成混合料時(shí)的體積填充率V0，步驟2在確定最粗一級(jí)集料的單獨(dú)填充率之后，根據(jù)<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>V</mi><mn>0</mn></msub><msup><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>D</mi><mn>0</mn></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mn>3</mn></msup></mfrac></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2009100286990002C1.tif"wi="23"he="15"top="67"left="131"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>計(jì)算由直徑為D0的最粗一級(jí)集料和由直徑為d1的第二級(jí)集料的兩級(jí)集料體系中的粗一級(jí)集料的體積填充率V1，步驟3根據(jù)上式，在扣除D0所占的體積V1之后，計(jì)算由直徑為d1的第二級(jí)集料和直徑為d2的第三級(jí)集料的兩級(jí)集料體系中，粗一級(jí)集料的體積填充率，步驟4重復(fù)步驟2和步驟3，直至瀝青混合料的最后一級(jí)細(xì)集料。2、如權(quán)利要求1所述的骨架密實(shí)型瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟i中直徑為A)的最粗一級(jí)集料單獨(dú)構(gòu)成混合料時(shí)的體積填充率K由其堆積密度與表觀密度的比值確定。3、如權(quán)利要求1所述的骨架密實(shí)型瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟2和步驟3中，A和《、《和《必須是瀝青混合料級(jí)配的相鄰控制篩,孔直徑。4、如權(quán)利要求2所述的骨架密實(shí)型瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法，其特征在于直徑為A的最粗一級(jí)集料單獨(dú)構(gòu)成混合料時(shí)的體積填充率K一般為60%左右，計(jì)算時(shí)可采用統(tǒng)一的Vo值。全文摘要骨架密實(shí)型瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法是一種混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法，該方法包括如下步驟步驟1確定瀝青混合料中直徑為D₀的最粗一級(jí)集料單獨(dú)構(gòu)成混合料時(shí)的體積填充率V₀。步驟2在確定粗一級(jí)集料的單獨(dú)填充率之后，根據(jù)V₁＝V₀/((1+d₁/D₀)³)計(jì)算由直徑為D₀和d₁的粗細(xì)兩級(jí)集料體系中，粗一級(jí)集料的體積填充率。步驟3根據(jù)上式，在扣除D₀所占的體積V₁之后，計(jì)算由直徑為d₁和d₂的粗細(xì)兩級(jí)集料體系中，粗一級(jí)集料的體積填充率。步驟4重復(fù)步驟2和步驟3，直至瀝青混合料的最后一級(jí)細(xì)集料。本發(fā)明為骨架密實(shí)型瀝青混合料級(jí)配提供合理的設(shè)計(jì)步驟，是改善瀝青路面高溫性能的重要技術(shù)措施。文檔編號(hào)C04B26/16GK101492270SQ200910028699公開日2009年7月29日申請(qǐng)日期2009年1月5日優(yōu)先權(quán)日2009年1月5日發(fā)明者趙永利,黃曉明申請(qǐng)人:東南大學(xué)