矿质混合料设计理论与方法.ppt

组员 王福成蒋怡范世孟罗斌廖慧亮指导 艾长发老师 矿质混合料级配设计理论与方法 目录 第一章 矿质混合料的类型第二章 矿质混合料设计理论与方法第三章 矿质混合料对沥青混合料性能影响机理 矿质混合料的类型 矿质混合料定义 矿质混合料 粗集料 细集料 矿粉沥青混合料 矿质混合料 沥青 纤维 级配类型 连续级配 由大到小 各级粒径的颗粒都有 各级颗粒按照一定的比例搭配 绘制出的级配曲线平顺圆滑不间断 间断级配 缺少一级或几个粒级的颗粒 大颗粒与小颗粒之间有较大的 空档 所作出的级配曲线是非连续的 中间间断的曲线 开级配 由粗集料组成 细集料和填料较少 压实后空隙率大于15 级配类型 半开级配 适当比例的粗集料 细集料及少量填料 或不加填料 与沥青结合料拌和而成的沥青混凝土 压实后剩余空隙率在10 以上 密集配 各种粒径的颗粒级配连续 相互嵌挤密实 与沥青结合料拌和而成的沥青混凝土 压实后剩余空隙率小于10 连续级配曲线与间断级配曲线对比 沥青混合料的级配设计理论 沥青混合料的配合比设计 简单的说就是确定粗集料 细集料 矿粉和沥青结合料相互配合的比例 使之既能满足相应的性能要求又符合经济性的最佳方案 沥青混合料的配合比设计包括矿质混合料的级配设计和最佳沥青含量的设计 沥青混合料矿料级配是白各种不同粒径集料 按照一定的比例搭配起来 以达到较高的密实度或强度 沥青混合料的级配设计理论 堆积理论 理论模型与实际情况存在较大差异最大密度曲线理论 描述连续级配的粒径分布逐级填充理论级配理论描述间断 连续级配的粒径布粒子干涉理论分形理论 随着材料学的发展 将分形几何理论应用于路面材料矿料级配研究而出现的一种新方法 目前研究很少 最大密度曲线理论 最大密度曲线是W B富勒 Fuller 通过试验提出的一种理想曲线 认为固体颗粒按粒度大小有规律的排列 粗细搭配 便可以达到密度最大 空隙最小的混合料 该理论认为 矿质混合料的颗粒级配曲线愈接近抛物线 则其密度愈大 空隙率越小 级配理论公式 P 集料颗粒在筛孔尺寸d上的通过百分率 d 集料中颗粒的筛孔尺寸 mmD 集料的最大粒径 mm 泰波级配理论 泰波认为富勒公式是一种理想的级配曲线 实际要获得最大密度会有一定的波动范围 于是将富勒公式进行了修正 泰波根据理论分析和实验认为 当n 0 25 0 35 集料可以达到最大密度 日本的研究认为n 0 35 0 45集料的级配最好 美国Superpave混合料设计规范 规定 集料的级配曲线指数应取n 0 45 林秀贤级配理论 同济大学林秀贤于1970提出直接以通过百分率的递减率i为参数的计算公式 此公式适用粒径以递减的情况 逐级填充理论 1 相同粒径的颗粒排列时 空隙率与其粒径的大小无关 仅与排列和填充方式有关 2 间断填充比逐级填充得到的空隙率更小 故间断级配较连续级配能形成更小的骨架间隙率 具有更加密实的骨架结构 3 利用逐级填充理论设计集料级配 其骨架空隙率与填充方式和各级集料的填充比例相关 粒子干涉理论 要达到最大密实度 前一级颗粒之间的空隙应由次一级颗粒填充 剩余空隙再由更次一级颗粒填充 但填充的颗粒粒径不得大于其间隙的距离 否则大小颗粒之间势必发生干涉现象 分形级配理论 不仅可以计算连续级配 还可以计算间断级配 分形级配理论可以涵盖现有的级配设计理论主要原因 分形是集料级配的本质集料粒径分布 连续级配 一重分形分布间断级配 二重分形分布 设计方法 试算法图解法设计方法线性规划法最小二乘法贝雷法 试算法 1 建立基本计算方程设A B C三种集料在混合料中的比例为X Y Z A B C三种集料在某一筛孔的分级筛余百分率分别为混合料M在相应筛孔的分级筛余百分率为 2基本假设假设混合料中某一粒径的颗粒仅有这三种集料的一种集料来提供而其他两种集料中不含这一粒径的颗粒 3计算4校核调整 图解法 1 绘制级配曲线坐标图绘一方形图框 通常纵坐标 通过率 取10cm 横坐标 筛孔尺寸或粒径 取15cm 连对角线作为要求级配曲线中值 标出通过百分率 各相应筛孔尺寸的位置 2 确定各种集料用量 两相邻级配曲线重叠 等分 两相邻级配曲线相接 连分 两相邻级配曲线相离 平分 20 1009080706050403020100 Pi di mm 98 79 57 45 33 24 17 12 6 16 0 13 2 9 5 4 75 2 36 1 18 0 6 0 3 0 15 0 075 A B C D A32 B44 C12 D12 A A B B C C M R 级配中值线 N 校核按图解所得的各种集料用量 校核计算所得合成级配是否符合要求 如不能符合要求 即超出级配范围 应调整各集料的用量 再重新计算和复核配合比 经几次调整 直到符合要求为止 最小二乘法 最小二乘法理论通常与Excel中 规划求解 功能结合可以优化设计矿料的合成级配 此方法理论根据清晰操作简单 贝雷法 Baileymethod 贝雷法主要特点 1 贝雷法是通过控制粗集料与细集料关键筛孔尺寸通过率的比例关系 使沥青混合料的矿料级配获得良好的骨架结构 2 它是以干涉理论为设计的理论依据 他的数学基础是平面圆模型 3 贝雷法是以最大公称粒径 D 的0 22倍对应的筛孔尺寸作为混合料粗细集料的分界点 大于分界点是粗集料 小于是细集料 贝雷法设计方法 1 对集料进行筛分 然后确定各种粗细集料的表观密度 毛体积密度 吸水率 2以最大公称粒径 D 的0 22倍对应的筛孔尺寸作为混合料粗细集料的分界点 3计算各组合成集料的毛体积密度 视密度 计算各组合成集料松散和捣实状态下空隙率 4确定各细集料的含量 粗集料CA比检验 采用CA指标的目的 是对粗集料的级配进行约束 CA过大不能形成粗集料骨架结构 过小容易出现压实和离析方面问题 PD 2 粒径为D 2的通过率 PPCS 第一控制筛孔的通过率 细集料FA值检验 PSCS 第二控制筛孔的通过率 PTCS 第三控制筛孔的通过率 PPCS 第一控制筛孔的通过率 PSCS 第二控制筛孔的通过率 目的通过细集料各筛孔FA值确定细集料级配曲线 贝雷法要求所有FA值介于0 3 0 5之间 细集料中中间尺寸细集料不能过多 否则矿料间隙率低 不能容纳足够沥青 贝雷法优缺点 优点 1贝雷法集料级配设计理论可以达到多级嵌挤密实形要求 因而是即抗车辙又防渗水 2通过对CA FA检验 可以对粗集料进行控制使其不离析 不推挤 同时FA检验防止细集料出现 驼峰级配 缺点 1模型 平面三圆模型 与实际状态相差甚远 2嵌挤点控制和级配参数计算采用的都是标准筛孔值 3没有考虑矿粉的填充作用 级配对沥青混合料性能影响机理 沥青混合料的级配组成对沥青混合料的性质和路用性能有直接影响 矿料的级配组成影响到水泥混凝土或者沥青混合料的强度 耐久性和施工和易性 机理 在以沥青作为胶结材料的沥青混合料中 粗集料分布在由细集料和沥青组成的沥青浆中 而细集料又分布在沥青与矿粉构成的沥青浆中 形成具有一定内摩阻力和黏聚力的多级空间网络结构 由于各材料用量不同 压实后矿料颗粒分布状态 剩余空隙率不同 形成不同组成结构 这导致沥青混合料在使用时表现出不同性质 沥青混合料结构类型 悬浮密实结构结构类型骨架空隙结构骨架密实结构 悬浮密实结构 特点 粗颗粒之间不能直接接触 也不能相互支撑形成嵌挤结构 处于彼此分离悬浮于较小颗粒和沥青胶浆中间优点沥青混合料密实程度高 空隙率低 因此沥青混合料具有水稳定性好 低温抗裂性和耐久性好的特点 缺点 该结构处于一种悬浮状态 整个混合料缺少粗集料颗粒骨架支撑作用 所以高温使用时 容易产生变形 形成车辙造成高温稳定性降低 骨架空隙结构 特点 粗粒径颗粒相互接触 形成嵌挤骨架 细颗粒少 粗颗粒形成的骨架空隙无法填充 混合料中留有较多空隙 优点 具有较高的强度和高温稳定性 依靠粗集料形成的骨架可防止高温季节混合料变形 减缓路面车辙的形成 缺点 压实后有较多空隙容易引起沥青老化或将矿料粘附性变差 使混合料耐久性下降 骨架密实结构 特点 粗颗粒相互支撑嵌挤形成骨架 细颗粒填充骨架空隙中间 使整个矿料结构呈现密实状态 优点 具有良好的高温稳定性 低温抗裂性 耐疲劳性能 耐老化性能 而且具有良好的水稳定性 总结 粗 细级配沥青混合料的路用性能优点表现不一样 粗级配沥青混合料