一种提高水泥乳化沥青混合料强度的集料级配设计方法与流程

本发明属于道路工程材料领域，特别涉及一种提高水泥乳化沥青混合料强度的集料级配设计方法。

背景技术：

水泥乳化沥青混合料是一种非匀质，多层次(宏观、微观、细观)和多相(固相、液相、气相)的复合材料，它们广泛应用于路面、铁路、油井工程和建筑材料。

水泥乳化沥青胶浆中含有大量的水分，对混合料初期的强度的增长影响较大。而集料是水泥乳化沥青混合料的重要组成部分之一，其在混合料中占据四分之三以上体积空间，充当着骨架作用，对混合料的性能影响显著。根据集料之间的作用方式将混合料类型分为悬浮-密实结构、骨架-空隙结构和骨架-密实结构。但是现行标准中对集料级配的约束条件有限，很难控制级配曲线的光滑性和连续性，导致集料级配不能满足实际工程需求。

技术实现要素：

针对水泥乳化沥青混合料初期强度提高方面，本发明的目的在于提出一种提高水泥乳化沥青混合料强度的集料级配及其设计方法。

本发明提供的水泥乳化沥青混合料强度的集料级配设计方法包括：

(1)确定目标级配的多级筛孔尺寸、各级筛孔尺寸对应的级配上限和各级筛孔尺寸对应的级配下限；

(2)对目标级配的多级筛孔尺寸、各级筛孔尺寸对应的级配上限和各级筛孔尺寸对应的级配下限进行线性拟合，得到直线一：logp上(x)＝alog(x/xmax)+b和直线二：logp下(x)＝clog(x/xmax)+d，其中：x为筛孔尺寸，xmax为最大筛孔尺寸，p上(x)为筛孔尺寸x对应的级配上限，p下(x)为筛孔尺寸x对应的级配下限，a、b、c和d分别为线性拟合后的直线方程系数；

(3)所述直线一、直线二、y轴和直线x’＝log(xmin/xmax)组成四边形，其中xmin最小筛孔尺寸；

(4)做所述四边形的对角线，两条对角线的交点为s，两条对角线的斜率分别为k1和k2，且k1<k2；将[k1,k2]等区间分割为n个区间：[k1,k3]、[k3,k4]、[k4,k5]、……、[kn,kn+1]、[kn+1,k2]，得到k3、k4、……、kn+1，n大于等于4；

(5)过点s做斜率分别为k1、k2、k3、k4、k5、……和kn+1的n+1条直线；

(6)做n+1条直线各自对应的级配曲线，分别做n+1条集料级配曲线的混合料马歇尔稳定度试验和劈裂强度试验，得到每条级配曲线的混合料的马歇尔稳定度和劈裂强度，将k1、k2、k3、k4、k5、……、kn+1与对应的n+1个马歇尔稳定度值进行拟合，根据拟合结果得到马歇尔稳定度最大值对应的kmax1；将k1、k2、k3、k4、k5、……、kn+1对应的n+1个劈裂强度值进行拟合，根据拟合结果得到劈裂强度最大值对应的kmax2，过s点做斜率为(kmax1+kmax2)/2的直线，该直线为所得集料级配曲线。

一种具体实施方案中，本发明的n＝5。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(1)本发明中涉及的方法避免了传统理论中理想化的构思，即矿料级配越接近抛物线，矿料空隙率越小；且下一级集料的粒径尺寸等于上一级集料形成的空隙，更加接近工程应用。

(2)本发明中涉及的方法可以根据要求随意对级配进行调整而不会导致级配曲线不够光滑、级配性能不佳；运用该设计方法的混合料各基本指标优于传统理论方法。

(3)本发明中涉及的方法操作简单、控制变量少(级配斜率k和关键点s)。

附图说明

图1为本发明的级配设计模型示例；

图2为本发明的各斜率对应的级配曲线示例；

图3为本发明的不同斜率值对应的稳定度测试结果示例；

图4为本发明的不同斜率值对应的劈裂强度测试结果示例。

具体实施方式

沥青混合料属于一种多相复合材料，集料作为其主要技术支撑来源作用不可忽视。集料本身也具有多变性和复杂性，很难运用现行理论将其理论化和方法化。本设计方法下的矿料级配外界干扰因素少，集料之间按照同一种堆积和受力方式组合，性能更加优良。

以下给出本发明的具体实施例，用于进一步说明本发明。这些实施例仅用于本领域技术人员充分的理解本发明，而不是用来限制本发明的范围。凡是在本发明技术方案之上进行的等同变换或者替换均属于本发明要求保护的权利范围。

实施例1：

该实施例的乳化沥青混合料级配设计方法包括以下步骤：

(1)该实施例以ac-16为例，n值取5，其多级筛孔尺寸、各级筛孔尺寸对应的级配上限和各级筛孔尺寸对应的级配下限见表1；

(2)运用分形理论对级配累计通过百分率p(x)和x/xmax分别取双对数(x为筛孔尺寸，xmax为最大筛孔尺寸)，结果见表1；

表1集料级配(ac-16)

(3)利用最小二乘法对双对数坐标下的级配曲线(ac-16的上、下限)进行最佳线性拟合得到直线一、直线二，并在筛孔尺寸最大和最小处作垂直横坐标的直线三和直线四，四条直线(直线一、直线二、直线三、直线四)相互交叉构成四边形abcd，见图1；

(4)连接四边形abcd的对角线，并计算其对应方程l1，l2(k1<k2)，两条对角线的斜率是四边形中任意一条级配斜率k的最大值和最小值，见表2；

(5)将斜率区间(k1，k2)均分为五份，即得到k1，k3，k4，k5，k6，k2六个直线斜率(n大于等于4)。同时在四边形内选定一关键点s(此处选取四边形对角线的交点，坐标为(-0.4101,1.7780))，关键点s和直线斜率k即可确定直线方程，得到六条直线方程，见表2；

表2双对数坐标下级配拟合直线的斜率及其方程

(6)在双对数坐标系中，通过横坐标上的点(0.00000、-0.07463、-0.15818、-0.30103、-0.60206、-0.90584、-1.20687、-1.50060、-1.80163、-2.10266、-2.40369)，作垂直横坐标的垂线，得到垂线与六条直线(l1、l2、l3、l4、l5、l6)的交点，(以l1为例时交点坐标为，(0.00000，1.94081)、(-0.07463，1.91118)、(-0.15818，1.87801)、(-0.30103，1.82130)、(-0.60206，1.70179)、(-0.90584，1.58119)、(-1.20687，1.46168)、(-1.50060，1.33507)、(-1.80163，1.22556)、(-2.10266，1.10605)、(-2.40369，0.98654))，各交点对应的纵坐标即为双对数坐标下各筛孔的通过率，见表3。

表3双对数坐标下的级配累计通过率

(7)根据双对数坐标与直角坐标的对应关系(直角坐标是以筛孔尺寸x和该筛孔的累计百分通过率为横坐标和纵坐标；而双对数坐标是以x/xmax和筛孔的累计百分通过率p(x)的对数为横坐标和纵坐标)，将得到的双对数坐标系下的交点坐标换算到直角坐标系中，并将最大筛孔的累计通过百分率修正到100％(以l1为例时，直角坐标系中的交点坐标为(19.0，100.0)、(16.0，93.41)、(13.2，86.54)、(9.5，75.94)、(4.75，57.67)、(2.36，43.69)、(1.18，33.18)(0.6，25.37)、(0.3，19.26)、(0.15，14.63)、(0.075，11.11)，这些点组成一条级配曲线)，即可得到所要的六条级配曲线，结果见表4、图2。

表4设计级配累计筛孔通过百分率

(8)根据《公路工程集料试验规程》(jtge42-2005)和《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)进行六条级配曲线的马歇尔稳定度和劈裂强度实验，同时对结果进行拟合；结果如下：

实验用水泥：42.5r普通硅酸盐水泥，比表面积为332m²/kg，初凝时间108min，终凝时间286min；石灰岩集料：表观密度为2.818g/cm³，吸水率为0.3％，集料压碎值为14.3％；

阳离子乳化沥青：固含量为58％，筛上残留物(1.18mm筛)为0.03％，残留物含量为62.5％，残留物针入度(25℃)为78.5mm，残留物延度(15℃)为77.8cm。

六条集料级配见表4，按照以下步骤分别制备水泥乳化沥青马歇尔试件：

水泥取代集料质量的3％，乳化沥青：水泥：石灰岩集料质量比例为96：36：1164。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)首先将称量好的集料混合均匀，然后加入乳化沥青搅拌90s，最后添加相应质量的水泥再拌合60s，分3次将拌合好的混合料装入试模(φ101.6mm×h63.5mm)。双面各连续击实50次，室温下横向放置养生7d后脱模。分别测试混合料的稳定度和劈裂强度。

1.稳定度测试

测试前将时间置于60℃恒温水浴箱中水浴0.5h后测其马歇尔稳定度，加载速率为50mm/min，测试及拟合如图3。

从图3中可以明显的看出，随着斜率k的增大，混合料的稳定度出现先变大再减小的过程。这是因为斜率越大，集料的粒径越大。在沥青混合料中，粗集料抵抗外力的效果最好，粗集料之间相互构成骨架，当斜率k较小时，粗集料构成骨架，但是由于细集料含量较少，混合料的空隙过大，导致稳定度较低；随着分维数的增加，集料的粒径减小，混合料空隙减小，稳定度升高；但当空隙率减小到一定程度后，随着细集料的增多，混合料之间的骨架结构收到破坏，其稳定度又开始降低。从拟合结果可以看出此时的k值为0.513时性能最佳。

2.劈裂强度

劈裂试验中，试验温度为15±0.5℃，加载速率为50±5mm·min^-1，泊松比μ为0.25，压条宽度为12.7mm，测试结果见图4。

图4的测试结果表明，随着斜率k的增加，混合料的劈裂强度先升高后降低。因为斜率k越小，集料粒径越小，此时混合料的劈裂强度不大，主要是因为此时的细集料过多，不但混合料粗集料无法形成嵌挤结构，而且结构密实性也较差。随着斜率k的增大，粗集料逐渐增多，这些粗集料逐渐形成骨架结构，而且部分细集料很好的填充了粗集料之间的空隙，所以此时强度较高；当斜率k较大时，粗集料较多，相互形成骨架结构，但是由于细集料过少，导致混合料的空隙率过大，而引起强度的降低。从拟合结果可以看出此时k值为0.521最佳。

综合两个强度试验验证的混合料的k值，选取两者的平均值，即k为0.517。

(9)分别测试斜率k为0.517时的集料级配曲线混合料的矿料间隙率、空隙率、稳定度、劈裂强度和水稳定性试验。相关实验根据《公路工程集料试验规程》(jtge42-2005)和《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtge20-2011)进行，测试结果如下：

表5k为0.517时混合料的参数指标

实施例2：

按照试算法的原理设计一条ac-16型集料级配，然后验证该方法设计的级配与本发明方法设计级配的混合料性能上的差别。说明本发明设计级配的优势。

该实施例采用试算法，所得结果如表6所示。

9.5-16mm:4.75-9.5mm:2.36-4.75mm:0-2.36mm:矿粉＝28:24:18:25:5。试验原料与实施例1相同，乳化沥青：水泥：石灰岩集料质量比例为96：36：1164。相关性能实验结果如表7所示。

表6合成级配

表7合成级配混合料的参数指标