专利名称：：骨架型沥青混合料级配设计方法
技术领域：
：本发明属于沥青混合料的级配设计领域。
背景技术：
：近十五年来，我国的公路建设，特别是高速公路建设跨入了一个前所未有的时代，中国高速公路建设仅用了IO多年时间，就走过了发达国家一般需要40年才能走过的路程。1988年IO月沪嘉高速公路建成通车，实现了我国大陆高速公路零的突破，1995年底建成通车的高速公路已超过2000km，1998年底建成通车的高速公路达到6258km，位居世界第八位。1999年10月我国高速公路通车总里程突破1万公里，2000年底高速公路通车总里程达到1.6万公里，位居世界第三位。2001年，我国高速公路建设取得新的突破，全年新增通车里程3152公里，使全国高速公路总里程达19437公里，超过加拿大(1.7万公里)跃居世界第二位。目前，我国高速公路通车总里程仅次于美国的8.9万公里，截至2004年底已达到3.42万公里。在看到我国高速公路建设所取得的巨大成就的同时，也应看到我国的公路建设质量与发达国家还有明显的差距。在我国已大量使用进口沥青、进口设备的同时，我国沥青路面的建设水平与先进国家还有明显的差距。因此，如何更有效的提高我国公路建设质量，成为摆在所有公路建设者面前的历史使命。影响公路质量的因素很多，包括设计、施工、材料和管理等多方面。其中材料因素占据了相当大的比例；目前我国高等级公路面层中80%以上是沥青路面，因此，沥青混合料的性能直接关系到公路的质量。沥青混合料是由矿质骨料和沥青胶结料所组成的复合材料，是一种具有空间网络结构的多相分散体系，其力学强度主要由矿质颗粒之间的内摩阻力和嵌挤力，以及沥青胶结料与矿料之间的粘结力所构成。由于骨架密实型沥青混合料，如SMA、LSAM等，可以同时提供较好的内摩阻力和粘聚力，因此骨架密实型已成为目前沥青混合料的发展方向。但骨架密实型沥青混合料的级配构成，多是以实践经验为基础的，缺少严格的理论指导。在现有的级配设计理论中，通常是以最大密实度作为级配的设计目标，缺少对骨架构成的判断；贝雷法是将骨架构成作为首要设计目标的级配设计方法，但该方法是以平面模型为基础，并且在设计过程中需要依靠设计者的经验对设计过程中的参数进行修正，设计过程较为烦琐。因此，建立直观、明确的骨架型沥青混合料的配合比设计方法是目前工程界和理论界的急需。
发明内容技术问题本发明要解决的技术问题是提供骨架密实型沥青混合料级配设计方法。技术方案为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是步骤1:确定沥青混合料中直径为A的最粗一级集料单独构成混合料时的体积填充率F。，^步骤2:在确定最粗一级集料的单独填充率之后，根据^=(1+1)3计算由直径为A)的最粗一级集料和由直径为《的第二级集料的两级集料体^中的粗一级集料的体积填充率Vj，步骤3:根据上式，在扣除A所占的体积K之后，计算由直径为《的第二级集料和直径为《的第三级集料的两级集料体系中，粗一级集料的体积填充率，步骤4:重复步骤2和步骤3，直至沥青混合料的最后一级细集料。步骤1中直径为A的最粗一级集料单独构成混合料时的体积填充率&由其堆积密度与表观密度的比值确定。步骤2和步骤3中，A和《、《和《必须是沥青混合料级配的相邻控制筛孔直径。直径为A的最粗一级集料单独构成混合料时的体积填充率K一般为60%左右，计算时可采用统一的Vo值。有益效果本发明是设计骨架密实型沥青混合料的重要方法，发明在以下几方面具有明显的优势。(1)与沥青混合料级配的经典干涉理论相比，干涉理论以集料处于临界干涉状态，使混合料的密实度最大；而多点支承骨架结构的级配设计方法，以集料间接触点数量最大化为设计目标，追求混合料承载能力的最大化。(2)多点支承骨架结构的级配设计方法克服了目前沥青混合料设计方法对级配选择不够重视的缺陷，且直观、明确，易于为广大工程技术人员所接受。(3)根据多点支承骨架结构的级配设计方法确定的混合料具有很强的抗车辙能力，确保了沥青路面良好的高温稳定性能，满足了现代重载交通的要求。图1为矿质骨架的内部荷载传递示意图。图2为不同粒径的颗粒间的点接触示意图，具体实施例方式1、沥青混合料骨架支承模型当不同粒径的颗粒混合时，颗粒间的接触状态可以采用如图1所示的三维模型进行描述。假设矿料颗粒的形状为球体，当粒径为D的粗一级颗粒被粒径为d的细一级颗粒包裹时，粗颗粒与细颗粒间的接触点的个数，取决于在粗颗粒表面可排布的细颗粒的个数。分布在粗集料表面的细颗粒相互接触，覆盖在粗集料表面；连接相互接触的三个细颗粒球体的球心，形成一个等边三角形，三角形的边长近似等于细颗粒的粒径d。可以看出，由已粗颗粒球心为球心，直径为(D+d)的虚拟球体，其球面穿过细颗粒球心；该虚拟球体的球面被细颗粒球心所组成的等边三角形划分为多面体结构，当等边三角形足够多时，三角形面积的总和与虚拟球体的表面积较为接近。因此，可以据此计算粗颗粒表面可分布的细颗粒的个数，也即粗、细集料间的接触点个数。其计算过程如下虚拟球面的面积为S-4;r(^^)2(1)2等边三角形的面积为S-f"2(2)由于理想状态下，每个小球体可参与6个三角形的构成，因此，虚拟球面上可分布的细颗粒个数为AT丄与(l+兰)2。)当图1所示的体系重受着竖向荷载时，粗一级颗粒的横截面上所承受的荷载，均由粗一级颗粒与细一级颗粒间的接触点向下传递。假设粗一级颗粒D的横截面上承受着均布应力q，则各个接触点承受的荷载p可按下式计算5<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(4)当图l体系中的颗粒为粒径相同的颗粒时，即0=(1=00，则上式变化为-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(5)2、粗集料多点支撑骨架结构的级配设计模型由式(4)和式(5)，为确保骨架结构的稳定，必须在粗一级颗粒的周围分布尽可能多的细一级颗粒，通过大量的接触点为粗一级颗粒提供足够的保护。因此，本发明提出如图2所示的级配模型，在该模型中，粗一级颗粒D的周围密布细一级颗粒d，本文将此模型称为粗集料多点支撑骨架结构。在该模型中，粗一级颗粒D周围分布着尽可能多的细一级颗粒d，在此种条件下粗一级颗粒和细一级颗粒间可获得最多的接触点，从而确保该骨架体系可获得最大的承载能力。同理，对于细一级颗粒d应有尽可能多的更细一级颗粒包围在其周围，以此类推，直到最细一级颗粒。为确定该模型中不同粒径颗粒的含量，可选取图2中的虚线所示的单元，并将此单元拓展为三维立方体模型单元，该三维立方体模型单元的边长为(D+d)，在该立方体中仅有一个大颗粒集料D，在其周围满布着小颗粒集料d;因此大颗粒D在该单元内的体积填充率为(。如果图2的模型中仅有大颗粒D，而没有小颗粒d时，则三维立方体模型单元的边长为D，在该立方体中，大颗粒D在单一粒径混合料中的体积填充率为(7)将上述两式相除，则得到多点支撑骨架结构模型中粗一级颗粒D应占的体积百分率公式(8)其中粗一级颗粒单独填充时的填充率V。-堆积密度/表观密度。根据公式(8)计算出第一级颗粒D的含量后，可按同样模型和公式计算细一级颗粒d和更细小颗粒按多点支撑组合时，细一级颗粒d应占的体积比，但此时应扣除D所占的体积V,，如此递推直到追后一级颗粒。3、计算参数的确定为确定矿质混合料的级配，需对不同粒径的单独填充时的体积填充料V。进行测试，实验结果表明，对于粗集料(》4.75rran)V。与基本不随粒径而变化，而趋于稳定的某一值，且当不同粒径的粗集料相互混合时，V。的变化量也较小，如表l和表2所示；因此，计算中可采用统一的V。值进行计算。表1和表2中的试验方法与中华人民共和国行业标准《公路工程集料试验规范》(JTJ058—2000)T0309—2000中的要求基本相同。为了减少人为误差本次试验采用在振动台上振动密实，且在试筒上面加2000克的配重来加强密实及自动找平。操作方法如下在试筒中加入大约一半的混合料，加上配重，闭合电源开关，机器振动l分钟；然后装满试筒，振动30秒钟，人工粗平，再振动30秒钟，人工精平。表l单一粒径的体积填充百分率<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>权利要求1、一种骨架密实型沥青混合料级配设计方法，其特征在于该设计方法包括如下步骤步骤1确定沥青混合料中直径为D0的最粗一级集料单独构成混合料时的体积填充率V0，步骤2在确定最粗一级集料的单独填充率之后，根据<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>计算由直径为D0的最粗一级集料和由直径为d1的第二级集料的两级集料体系中的粗一级集料的体积填充率V1，步骤3根据上式，在扣除D0所占的体积V1之后，计算由直径为d1的第二级集料和直径为d2的第三级集料的两级集料体系中，粗一级集料的体积填充率，步骤4重复步骤2和步骤3，直至沥青混合料的最后一级细集料。2、如权利要求1所述的骨架密实型沥青混合料级配设计方法，其特征在于步骤i中直径为A)的最粗一级集料单独构成混合料时的体积填充率K由其堆积密度与表观密度的比值确定。3、如权利要求1所述的骨架密实型沥青混合料级配设计方法，其特征在于步骤2和步骤3中，A和《、《和《必须是沥青混合料级配的相邻控制筛,孔直径。4、如权利要求2所述的骨架密实型沥青混合料级配设计方法，其特征在于直径为A的最粗一级集料单独构成混合料时的体积填充率K一般为60%左右，计算时可采用统一的Vo值。全文摘要骨架密实型沥青混合料级配设计方法是一种混合料级配设计方法，该方法包括如下步骤步骤1确定沥青混合料中直径为D<sub>0</sub>的最粗一级集料单独构成混合料时的体积填充率V<sub>0</sub>。步骤2在确定粗一级集料的单独填充率之后，根据V<sub>1</sub>＝V<sub>0</sub>/((1+d<sub>1</sub>/D<sub>0</sub>)<sup>3</sup>)计算由直径为D<sub>0</sub>和d<sub>1</sub>的粗细两级集料体系中，粗一级集料的体积填充率。步骤3根据上式，在扣除D<sub>0</sub>所占的体积V<sub>1</sub>之后，计算由直径为d<sub>1</sub>和d<sub>2</sub>的粗细两级集料体系中，粗一级集料的体积填充率。步骤4重复步骤2和步骤3，直至沥青混合料的最后一级细集料。本发明为骨架密实型沥青混合料级配提供合理的设计步骤，是改善沥青路面高温性能的重要技术措施。文档编号C04B26/16GK101492270SQ200910028699公开日2009年7月29日申请日期2009年1月5日优先权日2009年1月5日发明者赵永利,黄晓明申请人:东南大学