一种钢渣沥青混凝土配合比设计方法与流程

1.本发明属于公路工程领域技术领域，涉及一种钢渣沥青混凝土配合比设计方法。


背景技术：

2.我国，钢渣普遍被当作工业废弃物。为了实现废料利用，一部分钢渣被用于水泥混凝土中，但增加了混凝土自身的容重；一部分钢渣则被磨细用于水泥或水泥配料，增加了处理成本，其膨胀特性又会带来安全隐患；一部分钢渣则被用于了道路工程铺筑基层，但并不能实现其最高利用价值。若把钢渣作为沥青混合料的集料用于路面面层，则会大幅度提高钢渣的利用率，实现废料的高价值利用，甚至还会提升路面质量，蕴藏着不可估量的社会、经济和环境效益。
3.国内外钢渣沥青混凝土研究方向主要是应用钢渣高硬度、高耐磨性的特性替代天然砂石作为粗骨料。但是，钢渣碱度高，比表面积大且多孔，c-h键与沥青酸结合，表明易形成大量结构沥青，且沥青膜厚度较厚。由于钢渣中含有极易膨胀的游离氧化钙(f-cao)和氧化镁(f-mgo)，使其具有体积不稳定性，因此使用大颗粒钢渣存在安全风险。实践证明，大部分钢渣的浸水膨胀率都可控制在3％以下，可以满足公路沥青路面施工技术规范要求，另外沥青膜也可以起到抑制钢渣膨胀的作用。因此，开展钢渣沥青混凝土配合比设计研究，在沥青混合料中采用钢渣替代部分或全部天然石料，在保证路面质量的前提下，还会带来经济社会效益。
4.目前，钢渣沥青混凝土设计指标与普通沥青混凝土完全雷同，需要额外确定限制条件以规范钢渣的合理应用。钢渣独特的多微孔结构及大比重特征导致其设计体系不能完全照搬普通沥青混凝土的设计方法。对钢渣沥青混凝土通常采用的“杂合型组成设计”，在不考虑钢渣比重的情况下会造成各集料组成比例失衡。又在不考虑钢渣多孔结构的情况下，钢渣沥青混凝土中的沥青含量会比初始设计值低，影响耐久性。普适性较强的设计指标，如集料比表面积和钢渣集料沥青膜厚度等也需要重新确定。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种钢渣沥青混凝土配合比设计方法。
6.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
7.一种钢渣沥青混凝土配合比设计方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
8.1)将混合料按照毛体积相对密度进行密度换算；
9.2)运用沥青浸渍法计算集料有效相对密度，算得的有效密度按照公式(1)，反解实际的沥青吸收系数c：
10.有效密度＝c
×
表观相对密度 (1-c)
×
毛体积相对密度(1)
11.3)对试验用原材料包括沥青、粗集料(钢渣)、细集料(石灰岩)进行技术性能检测并收集数据，确定建议级配范围并画出级配曲线；
12.4)将沥青混合料确定5个油石比并按gtm设计方法成型试件；
13.5)测定试件毛体积相对密度，并计算沥青混合料最大理论相对密度，然后计算出各油石比下的空隙率vv、矿料间隙率vma及沥青饱和度vfa；
14.6)根据gsi稳定系数、gtm试验结果并参考体积参数的大小及变化趋势，确定钢渣沥青混合料最佳油石比。
15.而且，所述步骤2)中沥青浸渍法计算集料有效相对密度的计算步骤为：
16.1)预备2.36mm～4.75mm、4.75mm～9.5mm和9.5mm～13.2mm粒径范围的钢渣烘干备用，选用较大的金属盆用来装集料和沥青，每个铝锅各配一个金属小勺，用以搅拌，另外，还要准备相应的水中重称量装置；
17.2)将钢勺放入1号碗中，称量钢勺及1号碗的总质量(m1)及水中重(m2)，称量用来测定沥青密度的2号碗的质量(m6)及水中质量(m7)；
18.3)将烘干至衡重的集料500～800g装入放钢勺的1号碗中，准确称量钢勺 1号碗 集料的总质量(m3)；
19.4)将装有钢勺及集料的1号碗放入180℃(非改性沥青160℃)的烘箱中加热4小时；
20.5)将沥青加热至150～160℃(非改性沥青为130℃～140℃)，取出装有钢勺及混合料的1号碗，将大量沥青加入碗中，同时将沥青倒入2号碗中，1号碗用钢勺搅拌3分钟，排出气泡，2号碗不用搅拌，放入温度140～145℃(非改性沥青为125℃～130℃)的烘箱中，每隔30分钟搅拌一次，共搅拌3次(即从第一次搅拌开始，30分钟、60分钟后各搅拌一次、90分钟后各搅拌一次)，每次3分钟，然后观察，如表面无气泡，即可将1号碗、2号碗取出在室温下放置12～24小时；
21.6)称量装有钢勺、沥青及混合料的1号碗的总质量(m4)及水中质量(m5)；
22.7)称量装有沥青的2号碗的总质量(m8)及水中质量(m9)；
23.8)计算集料有效相对密度，公式如下：
[0024][0025][0026]
而且，所述步骤4)中的油石比按照0.3％为公差进行确定，所述gtm设计方法的成型条件为：垂直压力0.8mpa；集料加热温度为180℃，拌和温度180℃；成型温度160℃～165℃；控制方式为极限平衡状态。
[0027]
本发明的优点和有益效果为：
[0028]
本发明的钢渣沥青混凝土配合比设计方法，把钢渣作为沥青混合料的集料用于路面面层，解决了钢渣作为沥青混凝土集料的密度换算问题和有效密度确定问题，根据此配合比设计方法成型的试件，与公路路面铺筑实际情况联系更紧密，能够满足一般范围内的沥青混凝土强度，有效降低了钢渣沥青混凝土配合比的设计难度，实用性较强。
附图说明
[0029]
图1为本发明的矿料级配曲线图；
[0030]
图2a)为本发明不同油石比与毛体积相对密度的曲线图；图2b)为不同油石比与稳定度的曲线图；图2c)为不同油石比与空隙率的曲线图；图2d)为不同油石比与流值的曲线图；图2e)为不同油石比与vma的曲线图；图2f)为不同油石比与vfa的曲线图；图2g)为不同油石比与密度、孔隙率、稳定度、流值、vma及vfa的对比图。
具体实施方式
[0031]
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0032]
一种钢渣沥青混凝土配合比设计方法，其创新之处在于：该设计方法的步骤为：
[0033]
1、配合比设计的密度换算
[0034]
将混合料按照毛体积相对密度进行密度换算；换算方法如表1.1所示，将混合料按下表进行质量换算。
[0035]
表1.1密度换算方法
[0036][0037]
设计的目标级配为sma-13中值，混合集料设定为试验组和对照组，试验组中粗集料(2.36mm及以上)采用钢渣，对照组的粗集料采用玄武岩，而细集料(2.36mm以下)统一采用石灰岩。依据上述换算方法分别得到试验组和对照组sma-13中值的各档集料的质量配合比，试验组和对照组各配置三份混合干料。釆用1l的容量筒，对每份干料3次测定松装密度和捣实密度，并取平均值，计算方差。最大理论密度的确定釆用理论计算法，根据各种矿料的毛体积相对密度计算矿料间隙率，结果见表1.2。
[0038]
表1.2自然松堆和捣实状态下，混合集料的矿料间隙率
[0039][0040]
由表1.2可以得出，捣实状态下，钢渣实验组与玄武岩对照组的vca基本一致，仅相差了0.10％，说明了钢渣实验组和玄武岩对照组的混合料类型相同。
[0041]
2、沥青浸渍法实测钢渣有效密度
[0042]
预备2.36mm～4.75mm、4.75mm～9.5mm和9.5mm～13.2mm的钢渣烘干备用。准备装集料和沥青的容器，这里选用了金属盆用来装更多的样品。每个铝锅各配一个金属勺，用以搅拌。另外，还要准备相应的水中重称量装置。
[0043]
(1)试验用具：钢勺、沥青混合料容器(碗、盆等均可)、水中重法全套仪器、烘箱。
[0044]
(2)试验方法：
[0045]
a.将钢勺放入1号碗中，称量钢勺及1号碗的总质量(m1)及水中重(m2)。称量用来测定沥青密度的2号碗的质量(m6)及水中质量(m7)。
[0046]
b.将烘干至衡重的集料500～800g装入放钢勺的1号碗中，准确称量钢勺 1号碗 集料的总质量(m3)。
[0047]
c.将装有钢勺及集料的1号碗放入180℃(非改性沥青160℃)的烘箱中加热4小时。
[0048]
d.将沥青加热至150～160℃(非改性沥青为130℃～140℃)，取出装有钢勺及混合料的1号碗，将大量沥青加入碗中，同时将沥青倒入2号碗中，1号碗用钢勺搅拌3分钟，排出气泡，2号碗不用搅拌，放入温度140～145℃(非改性沥青为125℃～130℃)的烘箱中，每隔30分钟搅拌一次，共搅拌3次(即从第一次搅拌开始，30分钟、60分钟后各搅拌一次、90分钟后各搅拌一次)，每次3分钟，然后观察，如表面无气泡，即可将1号碗、2号碗取出在室温下放置12～24小时。
[0049]
e.称量装有钢勺、沥青及混合料的1号碗的总质量(m4)及水中质量(m5)。
[0050]
f.称量装有沥青的2号碗的总质量(m8)及水中质量(m9)。
[0051]
g.计算集料有效相对密度，公式如下：
[0052]
[0053][0054]
测得的有效相对密度按照下式，可以反解出实际的沥青吸收系数c：
[0055]
有效密度＝c*表观相对密度 (1-c)*毛体积相对密度
[0056]
试验结果见表1.3。
[0057]
表1.3沥青浸渍法试验结果整理
[0058][0059]
同时，实测吸收系数为0.515，计算吸收系数1.025。
[0060]
3、钢渣沥青混凝土的设计
[0061]
(1)矿料级配设计
[0062]
确定sma-13的gtm设计方法和马歇尔设计方法的矿料级配，合成级配见表1.4和1.5，级配曲线见图1。
[0063]
表1.4矿料筛分及各组初试级配矿料组成计算表
[0064][0065][0066]
表1.5各组初试级配的捣实状态下的粗集料松装间隙率vcadrc试验结果
[0067][0068]
确定sma-13型改性沥青混合料的初试油石比为6.3％。在该初试油石比条件下对各初试级配沥青混合料成型马歇尔试件(双面击实50次，木质素纤维掺量为沥青混合料总质量的3.5
‰
，木质素纤维密度，取1.13)，按t0705—2011(表干法)测定试件毛体积相对密度，根据沥青浸渍法实测合成级配矿料混合料的有效相对密度(见表1.6)并计算沥青混合料最大理论相对密度。然后根据附录c.3.8、b.5.10计算各组初试级配下沥青混合料马歇尔试件的粗集料骨架间隙率vcamix、空隙率vv、矿料间隙率vma、沥青饱和度vfa等体积参数。各初试级配下sma-13型沥青混合料马歇尔试件体积参数见表1.7。
[0069]
表1.6合成集料有效相对密度试验结果
[0070][0071][0072]
表1.7各初试级配下sma-13型改性沥青混合料马歇尔试件体积参数
[0073][0074]
由表1.7可见，级配2混合料马歇尔试件的各项参数指标均满足规范要求；级配1混合料马歇尔试件的沥青饱和度不满足规范要求；级配3混合料马歇尔试件的空隙率不满足规范要求。综合考虑，选择级配2作为设计级配。
[0075]
(2)最佳油石比的确定
[0076]
①
gtm法确定最佳油石比
[0077]
试件成型条件为：垂直压力0.8mpa；拌和温度180℃；成型温度160℃～165℃；控制方式为极限平衡状态；木质素纤维掺加比例以沥青混合料总量的质量百分率计算，其掺量为0.35％。根据所确定的设计级配及其在初试油石比下的马歇尔成型试件的空隙率结果，分别选择油石比5.8％、6.1％、6.4％，按上述条件成型gtm试件测定试件毛体积相对密度，根据沥青浸渍法实测合成级配矿料混合料的有效相对密度并计算沥青混合料最大理论相对密度。然后，计算gtm成型试件的空隙率vv、矿料间隙率vma、沥青饱和度vfa等体积参数。gtm试件体积参数及马歇尔试验结果见表1.8，gtm试验结果见表1.9。
[0078]
表1.8gtm试件体积参数及马歇尔稳定度试验结果
[0079][0080]
表1.9gtm试验结果
[0081][0082]
表1.9可见，判定沥青混合料这种粒状塑性材料是否会出现塑性变形过大现象的指标gsi(稳定系数)随油石比的增加而增加；当油石比大于6.1％后，gsi大幅度增大，曲线已呈急剧增加趋势，表明混合料中的改性沥青已过量，试件的塑性变形过大；从反映改性沥
青混合料抗剪强度方面的参数gsf(安全系数)随油石比的变化情况来看，油石比等于6.1％时，gsf值最大，而当油石比大于6.1％时，随油石比的增加，gsf值减小。综合考虑gtm试验结果并参考体积参数的大小及变化趋势，确定sma-13型改性沥青混合料最佳油石比确定为6.1％。
[0083]
②
马歇尔法确定最佳油石比
[0084]
试件成型条件为：拌和温度180℃；成型温度160℃～165℃，试件双面各击实50次。选择油石比5.2％、5.7％、6.2％、6.7％、7.2％，按上述条件成型马歇尔试件。测定试件毛体积相对密度，根据沥青浸渍法实测合成级配矿料混合料的有效相对密度并计算沥青混合料最大理论相对密度。马歇尔试件体积参数及马歇尔试验结果见表1.10，其中沥青混合料试件的矿料间隙率vma采用矿料混合料的合成毛体积相对密度计算。
[0085]
表1.10马歇尔试件体积参数及马歇尔稳定度试验结果
[0086][0087][0088]
根据1.10试验数据绘出相应的油石比与毛体积相对密度、稳定度、空隙率、流值、vma及vfa的相关曲线图，如图2所示。
[0089]
如图2所示，a1＝6.20％，a2＝5.70％，a3＝6.35％，a4＝6.42％。根据《公路沥青路面施工技术规范》(jtgf40-2004)b.6.2的规定，经计算得出oac1＝(6.20％ 5.70％ 6.35％ 6.42％)/4＝6.26％，根据b.6.3的规定以各项指标均符合技术标准(不含vma)的沥青用量oacmin～oacmax的中值计算得到oac2＝(6.25％ 6.70％)/2＝6.4，则oac＝(oac1 oac2)/2＝(6.26％ 6.48％)/2＝6.37％。考虑到该工程所处的地区气候特点、公路渠化交通的特点以及便于施工控制，建议该沥青混合料的最佳油石比为6.4％。
[0090]
由以上总结确定，gtm和马歇尔设计方法下的最佳油石比分别为：6.1％、6.4％，gtm＜马歇尔。马歇尔与gtm差值为0.3％；最佳油石比对应的毛体积相对密度为：2.729、2.712，gtm＜马歇尔；最佳油石比对应的空隙率为：2.5、3.2，gtm＜马歇尔。最佳油石比对应
的矿料间隙率为：16.5、17.2，gtm＜马歇尔；最佳油石比对应的沥青饱和度为：84.5、82.5，gtm＞马歇尔。
[0091]
就材料方面，密度大、空隙率小的沥青混凝土抵抗荷载、光、空气、水等对沥青造成的性能衰变是有利的，用gtm方法成型试件更为实用。
[0092]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。