沥青混合料中矿粉掺量的控制方法与流程

本发明涉及沥青混合料技术领域，特别涉及一种沥青混合料中矿粉掺量的控制方法。

背景技术：

矿粉填料是沥青混合料中必须添加的一种粉体颗粒材料，在混合料的制备过程中矿粉填料与热熔态沥青充分混合，一方面可以提高沥青胶浆的粘稠度从而避免混合料在搅拌、运输、摊铺、碾压等工序中发生离析；另一方面，沥青结合料中混入矿粉填料形成沥青胶浆后，其强度也会产生较大幅度的增加，对于提升沥青混合料的强度指标也会有显著作用。所以矿粉填料是沥青混合料的重要组成部分，对该种材料进行合理化应用是沥青混合料设计中一项重要设计环节。

实践证明矿粉填料的掺量会显著影响沥青混合料的低温路用性能，矿粉填料掺量较小时沥青胶浆及沥青混合料的低温强度效应并未充分发挥，但是矿粉填料掺量过大时沥青胶浆及混合料的低温强度又会出现衰减，而且矿粉填料掺量的影响效应与温度又存在显著关联性。所以在矿粉填料的应用过程中其最佳掺量应该得到合理的确定。

截止到目前，依然没有明确、可行的技术策略对矿粉填料最佳掺量进行有效确定的方法。在实践的过程中往往基于经验或者依靠常规沥青胶浆或者沥青混合料的常规路用性能指标对矿粉填料掺量进行控制，但是由于研究者的所选用的控制指标不尽相同，试验技术手段也存在差异，同时并未能明确矿粉填料对沥青胶浆及混合料低温性能的影响机理，尤其是忽视了矿粉填料细观粉体特征的影响，所以当前阶段得出的矿粉填料最佳掺量存在显著的差异，影响和制约了矿粉填料的有效应用。所以研究一种能够有效确定矿粉填料最佳掺量的方法对于提升沥青路面的技术性能具有重要意义。

技术实现要素：

本发明要解决矿粉填料有效应用的技术问题，提供一种控制机理明确、测试手段客观、测试方法容易掌握的沥青混合料中矿粉掺量的控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种沥青混合料中矿粉掺量的控制方法，包括：

步骤一：对矿粉样本进行细观特征测试，获取单位质量矿粉所含有的细观空隙V_g；

步骤二：采用沥青胶浆低温粘结强度和沥青胶浆低温弯曲蠕变劲度变化率为双控标准，确定某温度条件下基于临界破坏及疲劳破坏控制指标所确定的沥青胶浆中结构沥青和自由沥青的最优比例R_JZ；

步骤三：按照式(1)计算矿粉掺量R_FB：

$\frac{m\×R_{FB}\×V_g\×\mathrm{\ρ}}{m-m\×R_{FB}\×V_g\×\mathrm{\ρ}}=R_{JZ}---\left(1\right);$

其中，m为沥青质量，ρ为沥青的密度。

在上述技术方案中，所述步骤一具体为：按照下式求解单位质量矿粉所含有的细观空隙V_g：

$RV=V_{fb}-\frac{W_{fs}}{G_{fs}}$$V_g=\frac{RV}{W_{fs}}$

式中：RV为矿粉样本冲击压实后内部残余的细观空隙；V_fb为矿粉样本冲击压实后矿粉实体与内部残余空隙的总体积；W_fs为矿粉样本的质量；G_fs为用于制备矿粉的石灰岩石料的密度。

在上述技术方案中，所述步骤二具体为：

比较沥青胶浆低温粘结强度最大时的结构沥青与自由沥青的比例，与沥青胶浆低温弯曲蠕变劲度变化率最大时的结构沥青与自由沥青的比例，选取其中较小的比例作为某温度条件下沥青胶浆中最优的结构沥青与自由沥青的比例。

本发明具有以下的有益效果：

沥青路面建设中矿粉填料的应用是必要的，但是在低温区沥青混合料设计过程中，矿粉填料的掺量精准控制缺乏行之有效的技术措施，工程实践中往往通过实验对比的方式同时依据工程经验对其进行粗放控制。本发明的沥青混合料中矿粉掺量的控制方法为沥青混合料设计环节中矿粉掺量的精准确定提供了一种行之有效且理论及实践都很合理的技术措施，对今后沥青混合料的合理设计具有重要意义。

本发明的沥青混合料中矿粉掺量的控制方法，理论及实践过程表达清晰，充分考虑了矿粉填料细观粉体特征及矿粉填料宏观掺量对沥青胶浆中结构沥青与自由沥青比例的耦合影响效应，而此项分析在过去的研究中是未被考虑的。同时将温度环境作为一项重要的影响因素进行分析，并确定采用沥青胶浆低温粘结强度及沥青胶浆低温弯曲蠕变劲度变化率作为确定沥青胶浆中结构沥青与自由沥青最佳比例的控制。上述技术措施为精准确定矿粉填料的掺量提供了充分的技术保障。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是矿粉填料细观级配测试图；

图2是沥青胶浆中结构沥青与自由沥青形成机理示意图；

图3是矿粉填料细观空隙(单位质量所含有的细观空隙)测试图；

图4是沥青胶浆中结构沥青与自由沥青比例对沥青胶浆低温粘结强度的影响规律图；

图5是沥青胶浆中结构沥青与自由沥青比例对沥青胶浆低温弯曲蠕变劲度变化率的影响规律图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：本发明以沥青胶浆中结构沥青与自由沥青比例为核心控制要素，充分考虑矿粉填料细观粉体特征和其宏观掺量的耦合影响效应，对矿粉掺量进行精准确定。

如图2所示，矿粉填料混入到沥青中以后，在沥青胶浆中形成结构沥青和自由沥青，沥青胶浆中结构沥青与自由沥青的比例特征是影响沥青胶浆低温性能的主要因素。矿粉填料的宏观掺量及矿粉填料的细观粉体特征对会显著影响沥青胶浆中结构沥青与自由沥青的比例，而后者未得到充分的重视。本发明充分重视矿粉填料宏观掺量与细观粉体特征对沥青胶浆中结构沥青与自由沥青比例的耦合影响效应，以沥青胶浆低温粘结强度及低温弯曲蠕变劲度变化率作为双控指标确定与某一低温条件高度匹配的沥青胶浆中结构沥青与自由沥青的最优比例，在预先确定矿粉填料残余细观空隙的前提下，基于矿粉填料宏观掺量与细观粉体特征对沥青胶浆中结构沥青与自由沥青比例的耦合影响效应反算矿粉填料合理掺量。

本发明实现了沥青混合料设计过程中矿粉填料掺量的精准确定。在确定的过程中充分考虑了矿粉填料宏观掺量与其细观粉体特征对沥青胶浆中结构沥青与自由沥青比例的耦合影响效应，充分考虑了温度和沥青胶浆中结构沥青与自由沥青最优比例的配伍性，充分论证了确定沥青胶浆中结构沥青与自由沥青最优比例的控制策略。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

一种沥青混合料中矿粉掺量的控制方法，具体包括以下步骤：

(1)沥青胶浆低温性能控制指标的确定。针对当前沥青胶浆(沥青+矿粉)低温性能控制指标较为混乱的现状，本发明的开发团队经过大量的试验比较分析，得出对沥青胶浆进行低温粘结强度及沥青胶浆的流变特征进行双重控制可以制备出适用于低温地区的沥青胶浆进而制备沥青混合料。所以本发明中采用沥青胶浆低温粘结强度及沥青胶浆低温弯曲蠕变劲度变化率作为沥青胶浆低温性能的控制指标。

(2)充分考虑矿粉宏观掺量与细观粉体特征耦合效应，确定将沥青胶浆中结构沥青与自由沥青比例特征作为中间控制手段，并在后续的工作中基于反算过程精准确定矿粉填料的掺量。

(3)确定与温度高度匹配的沥青胶浆中结构沥青与自由沥青比例。以沥青胶浆低温粘结强度、沥青胶浆低温弯曲蠕变劲度变化率为双控指标，同时充分考虑温度因素，确定某一低温条件下(如-30℃)沥青胶浆中结构沥青与自由沥青的最优比例。

(4)矿粉填料细观残余空隙率的测试。基于Rigden空隙率测试原理测试矿粉填料样本残余空隙率，计算单位质量矿粉所含有的细观空隙。

(5)基于反算精准确定矿粉填料宏观掺量。

求解过程中，假设沥青质量为m，R_FB表征沥青胶浆的粉胶比(沥青质量/矿粉质量)、V_g为前述中单位质量矿粉所含有的细观空隙、ρ为沥青的密度、R_JZ为基于临界破坏及疲劳破坏控制指标所确定的沥青胶浆中结构沥青与自由沥青的最优比例，上述各参数满足式(1)，将式(1)可进一步简化为式(2)。

$\frac{m\×R_{FB}\×V_g\×\mathrm{\ρ}}{m-m\×R_{FB}\×V_g\×\mathrm{\ρ}}=R_{JZ}---\left(1\right)$

$\frac{R_{FB}\×V_g\×\mathrm{\ρ}}{1-R_{FB}\×V_g\×\mathrm{\ρ}}=R_{JZ}---\left(2\right)$

基于上述测试流程，通过预先测试矿粉填料样本的单位质量所含有的细观空隙V_g、与某一低温条件高度匹配的沥青胶浆中结构沥青与自由沥青最优比例R_JZ，基于矿粉填料宏观掺量R_FB与细观空隙V_g对沥青胶浆中结构沥青与自由沥青比例的耦合效应(式1、2)可以通过反算精准确定矿粉填料的宏观掺量(矿粉掺量)R_FB。

结合附图及公式对本发明做进一步详细描述：

沥青为SBS改性沥青，低温环境为-30℃，四种矿粉样本，以本发明的方法为指导，充分考虑四种矿粉样本的细观粉体特征(单位质量所含有的细观空隙V_g)，以沥青胶浆中结构沥青与自由沥青最优比例为核心控制手段，逐一确定四种矿粉的合理掺量。

图1为四种矿粉的细观级配，从图中可以看出四种矿粉的细观级配显著不同，而此种级配效应在传统技术中是未被关注的(传统研究由于测试手段的局限性，对矿粉的细观粉体特征未做要求)。由于矿粉填料残余空隙率V_g是细观级配、平均比表面积、长径比、圆形度等细观特征参数的综合反映，同时该参数与沥青胶浆中结构沥青的比例直接关联，所以在进行后续演算之前，矿粉填料残余空隙率V_g必须预先测定。

图3为基于Rigden空隙率测试原理测定四种矿粉样本的残余空隙率V_g。冲击重量为350g，冲击锤头直径为25mm，锤头连续冲击次数为100次。单位质量的矿粉填料所含有的细观空隙可按照下述关系求解：

$RV=V_{fb}-\frac{W_{fs}}{G_{fs}}$$V_g=\frac{RV}{W_{fs}}$

式中：RV为矿粉样本冲击压实后内部残余的细观空隙；V_fb为矿粉样本冲击压实后矿粉实体与内部残余空隙的总体积；W_fs为矿粉样本的质量；G_fs为经过查阅资料获得的用于制备矿粉的石灰岩石料的密度；V_g为每克矿粉样本所含有的细观空隙。

四种矿粉的测试结果见表1所示。

表1四种矿粉单位质量所含空隙量的测试结果

为考察矿粉填料宏观掺量与细观粉体特征对沥青胶浆中结构沥青与自由沥青比例的耦合影响效应，采用1:0.6、1:0.8、1:1、1:1.2、1:1.5五个粉胶比与四种矿粉样本(V_g分别为0.26、0.11、0.19、0.32)进行组合设计，制备沥青胶浆样本，并计算100g沥青结合料与不同矿粉在不同粉胶比条件下混合时结构沥青与自由沥青的各自质量大小，见表2所示。

表2粉胶比与矿粉类别组合条件下每100g沥青中结构沥青与自由沥青质量

经过沥青混合料室内及室外试验的充分论证，采用沥青胶浆低温粘结强度及沥青胶浆低温弯曲蠕变劲度变化率作为沥青胶浆低温性能的双控标准，即通过分析沥青胶浆中结构沥青与自由沥青的比例特征对典型温度条件下(本例为-30℃)沥青胶浆低温粘结强度及低温弯曲蠕变劲度变化率的影响规律，确定本典型温度条件下沥青胶浆中最优的结构沥青与自由沥青的比例。具体的说是比较沥青胶浆低温粘结强度最大时的结构沥青与自由沥青的比例，与沥青胶浆低温弯曲蠕变劲度变化率最大时的结构沥青与自由沥青的比例，选取较小的比例为本典型温度条件下沥青胶浆中最优的结构沥青与自由沥青的比例。由图4所示的结构沥青与自由沥青比例对沥青胶浆低温粘结强度的影响规律、图5所示的结构沥青与自由沥青比例对沥青胶浆低温弯曲蠕变劲度变化率的影响规律可知：-30℃条件下，沥青胶浆低温粘结强度最大时的结构沥青与自由沥青的比例为0.30，沥青胶浆低温弯曲蠕变劲度变化率最大时的结构沥青与自由沥青的比例为0.25，选取其中较小的0.25为最优的结构沥青与自由沥青的比例。综上所述，-30℃条件下在上述两个控制指标的综合控制下，沥青胶浆中最优的结构沥青与自由沥青的比例为0.25。

基于反算精准确定矿粉填料宏观掺量。本例求解过程中沥青质量为100g，R_FB表征沥青胶浆的粉胶比(沥青质量/矿粉质量)、本例中四种矿粉的单位质量所含有的细观空隙V_g分别为0.26、0.11、0.19、0.32。ρ为沥青的密度、R_JZ为基于临界破坏及疲劳破坏控制指标所确定的沥青胶浆中结构沥青与自由沥青的最优比例，本例中为0.25，采用下式可以最终精准的确定算例中四种矿粉在-30℃条件下的最合理的矿粉填料掺量，即确定沥青胶浆中合理的粉胶比R_FB。确定的最终结果见表3所示。

$\frac{R_{FB}\×V_g\×\mathrm{\ρ}}{1-R_{FB}\×V_g\×\mathrm{\ρ}}=R_{JZ}$

表3四种矿粉的最合理粉胶比

本发明开发了一种沥青混合料中矿粉掺量的控制方法，该种方法充分考虑了矿粉填料细观特征对沥青胶浆低温性能的影响效应，以矿粉填料宏观掺量与细观特征耦合效应为研究基础，以沥青胶浆中结构沥青与自由沥青最优比例为核心控制手段，开发了矿粉填料掺量的反算程式，实现了矿粉填料最优掺量的精准确定。本发明对今后沥青混合料更加合理的设计具有重要指导意义。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。