一种矿料骨架堆积密度、间隙率的测定及骨架堆积状态的判断方法与流程

1.本发明涉及道路工程领域，具体涉及一种矿料骨架堆积密度、间隙率的测定及骨架堆积状态的判断方法。


背景技术：

2.我国沥青路面以骨架密实型沥青混合料为主，骨架的形成以粗集料石-石结构来实现，粗集料的骨架嵌挤程度对沥青路面的性能有很大的影响，因此准确的计算出矿料骨架的嵌挤程度具有重要的意义。为此在sma沥青混合料中定义以关键筛孔以上的粗集料骨架之间的间隙率vca作为粗集料嵌挤作用的衡量标准。沥青混合料粗集料骨架间隙率试验方法为：把大于关键筛孔以上的粗集料部分装入容量筒中捣实，测定捣实状态下得间隙率vca，将此数值作为衡量粗集料嵌挤作用的标准。其测试方法存在以下问题：
①
矿料具有一定的粒度范围，公称粒径越大，越容易产生粗、细集料的离析，导致试验结果离散性大；
②
采用捣实方法测定骨架密度及间隙率，与实际路面骨架排列结构存在很大区别，做为衡量粗集料嵌挤作用的标准不够准确；
③
不同人的捣实力度、表面刮平原则等操作复现性差，受人为因素影响极大。


技术实现要素：

3.本发明在于克服现有技术的不足，提供一种矿料骨架堆积密度、间隙率的测定及骨架堆积状态的判断方法。
4.发明概述：
5.本发明采用沥青-矿粉胶浆的方式增加粗集料矿料间粘聚力使各粒径范围集料能够均匀分布、形成粗集料骨架胶团而不产生离析，又不对骨架形成干涉，同时采用恒定压实条件，用旋转压实仪设备模拟沥青路面揉搓压实效果进行试验，模拟混合料实际骨架嵌挤状态，使粗集料骨架重新排列更接近路面实际骨架情况，大大降低了人为因素的干扰，试验复现性更高、数据更加准确、切合实际；根据密度变化率指标定义矿料嵌挤状态(松散骨架状态、捣实骨架状态)，进行矿料骨架密度及间隙率的计算，做为衡量矿料骨架嵌挤作用的标准，更准确、更具信服力，可用于用来检验骨架密实结构沥青混合料和sma结构沥青混合料嵌挤状态，提高沥青路面工程质量，具有非常良好的推广价值。
6.具体

技术实现要素：

7.第一方面，本发明提供了一种矿料骨架堆积密度及间隙率的测定方法，包括下述步骤：
8.(1)制备粗集料矿料混合料：按级配要求配置矿料混合料，根据沥青混合料类型和公称最大粒径，确定起骨架作用的关键筛孔，将矿料混合料中关键筛孔以上的颗粒筛出备用；
9.(2)将沥青、矿粉加入粗集料中拌合制备矿料混合料样品；
10.(3)将上述混合料样品拌合后压实；
11.(4)将样品放入燃烧炉中进行试验，待试验完成样品冷却后，采用筛网筛出粗集料，并称取其质量记作m，即粗集料质量；
12.(5)计算粗集料骨架堆积密度ρi(g/cm3)。
13.进一步的，所述步骤(2)中沥青、矿粉用量如下：
[0014][0015]
p
矿粉
＝p
沥青
×
fb
[0016]
式中，p
沥青
为沥青用量，％；h为沥青-矿粉胶浆膜厚度，μm；p
≥4、75
、p
4、75
、p
2.36
、p
1.18
分别为粒径大于4.75mm以及粒径为4.75mm、2.36mm、1.18mm矿料关键筛孔下的通过率，％，其中大于4.75mm部分通过率按最大粒径对应部分只计算一次；fa
≥4.75
、fa
4.75
、fa
2.36
、fa
1.18
分别为粒径大于4.75mm以及粒径为4.75mm、2.36mm、1.18mm矿料的比表面积系数，m2/kg；ρ
沥青
为沥青的密度，g/cm3；fb为粉胶比，即矿粉与沥青的质量比；p
矿粉
为矿粉用量，％。
[0017]
本文中，所述p
沥青
、p
矿粉
均为沥青、矿粉在混合料样品中的质量百分比。
[0018]
上述步骤(2)中，矿粉中0.6mm的通过率为100％。
[0019]
优选的，所述步骤(2)中矿料混合料样品中外掺絮状木质素纤维，所述木质纤维用量为0.1％-0.3％。
[0020]
本文中所述木质纤维用量均为木质纤维在混合料样品中的质量百分比。
[0021]
优选的，上述步骤(2)中，为保证矿料混合料间粘聚力，使矿料颗粒均匀分散、不离析，同时又不对矿料混合料骨架造成干涉，矿粉胶浆膜厚度h为20μm-30μm，粉胶比fb为1.8-2.5。
[0022]
优选的，上述步骤(2)中，为提高矿料混合料颗粒间的粘度，使级配不离析，拌和温度较常规沥青混合料温度降低10-15℃，对于普通基质沥青拌和温度控制在130℃-135℃，对于改性沥青拌和温度控制在150℃-155℃。
[0023]
进一步的，所述步骤(3)中矿料压实的具体操作为：
[0024]
称量质量为m的混合料样品加入到圆柱型试模中，采用旋转压实仪进行旋转压实试验，记录第i次旋转压实高度hi(mm)。
[0025]
优选的，上述步骤(3)中，混合料样品的质量m为5000-7000g。
[0026]
优选的，上述步骤(3)中所述半径r为50或75mm。
[0027]
进一步地，上述步骤(3)中，旋转压实仪加载装置垂直压力为600kpa
±
18kpa，有效内旋转角度为1.16
°±
0.02
°
旋转压实速度为30r/min
±
0.5r/min。
[0028]
进一步地，上述步骤(3)中，旋转压实次数不小于20次；
[0029]
优选的，旋转压实次数为20次。
[0030]
进一步的，上述步骤(4)的试验方法按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》t0735-2011进行；
[0031]
优选的，所述步骤(4)中筛网孔径为0.6mm。
[0032]
进一步的，上述步骤(5)中，粗集料骨架堆积密度ρi的计算公式如下：
[0033]
[0034]
其中，ρi为第i此旋转压实时粗集料骨架堆积密度，g/cm3；m为粗集料质量,g；r为圆柱型试模的半径，mm；hi为第i次旋转压实高度。
[0035]
第二方面，本发明提供了一种根据上述矿料骨架堆积密度计算矿料骨架间隙率vca(％)的测定方法，计算公式如下：
[0036][0037]
其中，vca为矿料骨架间隙率，％；ρb为粗集料毛体积密度，g/cm3。
[0038]
第三方面，本发明还提供了一种根据上述矿料骨架密度判断矿料骨架状态的方法，具体步骤如下：
[0039]
按下列公式计算密度变化率ni：
[0040]
ni＝ρ
i-ρ
i-1
[0041]
其中，ni为第i次旋转压实时矿料骨架密度变化率，g/cm3；ρi以及ρ
i-1
分别为第i次、第i-1次旋转压实时粗集料骨架堆积密度。
[0042]
当ni为(0.02
±
0.002)g/cm3时，则此时矿料混合料达到石-石接触的开始状态，即松散状态骨架；当ni为(0.01
±
0.002)g/cm3时，则此时矿料混合料达到骨架嵌挤状态，即嵌挤状态骨架。
[0043]
本发明的优点和有益效果为：
[0044]
(一)本发明采用矿粉、沥青、纤维组成沥青-矿粉胶浆，通过对沥青-矿粉胶浆膜厚度及粉胶比的指标控制，使胶浆具有很强的粘结力和和易性，可使矿料形成稳固的粗集料骨架胶团，又不对骨架造成干涉影响，使各粒度范围矿料颗粒均匀分布、不离析，减少了试验的离散性，数据更加准确。
[0045]
(二)本发明通过旋转压实进行揉搓，模拟路面压路机碾压状态，同时在矿粉胶浆的作用下，使粗集料矿料骨架重新排列，形成更稳健的嵌挤结构，更加准确的模拟出混合料受碾压状态下的骨架结构。
[0046]
(三)本发明通过旋转压实设备直接读取高度值，与现行方法中用适合的集料填充表面的大空隙，用直尺大体刮平，目测使表面凸起和凹陷部分大致相等的方法进行比较，本发明方法直接省去此步骤，极大的减少了人为误差的影响，提高了试验的准确性和复现性。
[0047]
(四)本发明通过旋转压实设备固定压实功率，与现行方法中用采用三次装入捣实相比较，本发明减少了人为误差的影响，提高了试验的准确性和复现性。
[0048]
(五)本发明采用堆积密度变化率指标做为判断粗集料骨架状态的标准，更能准确衡量混合料中粗集料的嵌挤作用，用来检验骨架密实结构沥青混合料和sma结构沥青混合料嵌挤状态，提高沥青路面工程质量。
附图说明
[0049]
图1t0309-2005方法得到的粗集料离散状态；
[0050]
图2本发明得到的粗集料离散状态。
具体实施方式
[0051]
下面通过具体实施实例对本发明做进一步详述，以下实例只是描述性的，不是限
定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0052]
实施例1：
[0053]
以sma-13改性沥青混合料为例详细说明骨架密度及骨架间隙率计算过程：
[0054]
(1)制备粗集料矿料混合料：按sma-13级配要求配置矿料混合料，根据沥青混合料类型和公称最大粒径，确定起骨架作用的关键筛孔4.75mm，将矿料混合料中4.75mm以上的颗粒筛出备用。
[0055]
(2)确定沥青-矿粉胶浆用量：根据粉胶比fb、沥青-矿粉胶浆膜厚度h，按下列公式计算矿粉用量p
矿粉
(％)、沥青用量p
沥青
(％)，并根据计算比例制备矿料混合料样品。
[0056][0057]
式中，p
≥4.75
为100％，p
4、75
、p
2.36
、p
1.18
均为0，各粒径矿料的比表面积系数如表7所示，沥青的密度ρ
沥青
近似为1g/cm3。
[0058]
沥青-矿粉胶浆的对矿料混合料间的粘聚力影响极大，沥青-矿粉胶浆太薄将影响混合料的粘聚力，使粗细颗粒不能均匀分布；当沥青-矿粉胶浆太厚又会对骨架造成干涉，影响骨架的嵌挤，因此需严格按照要求选择沥青-矿粉胶浆膜厚度，本次选用25μm，同样粉胶比fb也是如此，本次粉胶比fb选用2.0；根据公式计算沥青用量p
沥青
为3.4％，矿粉用量p
矿粉
为：6.8％，为进一步提高矿粉胶浆的粘度外掺絮状木质素纤维用量选用0.2％。
[0059]
(3)旋转压实试验：按确定比例采用拌和锅拌和混合料样品，沥青采用sbs(1-d)，沥青拌和温度设置为150℃，称量6000g混合料样品加入到r为75mm的圆柱型试模中，设置旋转压实次数为20次，进行旋转压实试验，记录第i次旋转压实高度hi(mm)，如表1所示。
[0060]
表1第i次压实高度
[0061]
压实次数i(次)12345678910高度h(mm)205.7200.5196.9194.4192.3190.6189.2187.9186.9186.1压实次数i(次)11121314151617181920高度h(mm)185.3184.6183.9183.4182.9182.5182.0181.7181.2181.0
[0062]
(4)燃烧炉试验：按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》t0735-2011方法将全部样品放入到燃烧炉中进行试验，待试验完成样品冷却后，采用0.6mm筛网筛出以上部分，并称取其质量为5359g。
[0063]
(5)确定骨架状态：根据公式
[0064][0065]
计算密度变化率，如表2所示，当ni为(0.02
±
0.002)g/cm3时，旋转压实次数为4次，此时矿料混合料达到石-石接触的开始状态，即松散状态骨架；当ni为(0.01
±
0.002)g/cm3时，旋转压实次数为9次，此时矿料混合料达到骨架嵌挤状态，即嵌挤状态骨架。
[0066]
表2第i次压实骨架密度
[0067]
压实次数i(次)12345678910骨架密度(g/cm3)1.47421.5131.5401.5601.5771.5911.6031.6141.6231.630密度变化率(g/cm3)—0.0380.0270.0200.0170.0140.0120.0110.0090.007压实次数i(次)11121314151617181920
骨架密度(g/cm3)1.6361.6431.6491.6541.6581.6621.6671.6691.6731.676密度变化率(g/cm3)0.0060.0060.0060.0050.0040.0040.0050.0030.0040.003
[0068]
(6)计算粗集料骨架堆积密度ρi，并根据粗集料毛体积密度ρb，计算粗集料骨架间隙率vca(％)，其中，ρb为2.791g/cm3：
[0069]
矿料混合料达到石-石接触的开始状态，即松散状态骨架：
[0070][0071][0072]
矿料混合料达到骨架嵌挤状态，即嵌挤状态骨架：
[0073][0074][0075]
对比例1：
[0076]
对比本发明与现行规范中t0309-2005方法，本发明实验步骤均同实施例1。
[0077]
(1)制备20份sma-13级配类型的粗集料矿料混合料，将矿料混合料中4.75mm以上的颗粒筛出备用。
[0078]
(2)将20份样品平均分成2组，分别按本发明方法和现行规范中t0309-2005方法进行试验，试验结果见下表：
[0079]
表3根据两种方法得到的粗集料骨架间隙率
[0080][0081]
(3)试验结果分析：
[0082]
①
本发明方法于t0309-2005相比较，本方法极差为0.7、0.8，t0309-2005方法极差为2.6、2.1，本发明方法数值离散型更加小，其主要原因有三个：a、t0309-2005集料采用人工捣实进行试验，人工捣实的力度、深度、位置等复现性差，捣实的结果就会存在很大偏差，而本发明方法采用旋转压实固定力值和旋转角度离散型就会小很多；b、t0309-2005刮平方法采用人工刮平，原则以眼观表面凸起和凹陷部分大致相同为原则，这样人为影响影响极大，而本发明方法采用旋转压实设备，顶面受力面平整度极好，完全无人为因素的干扰；c、t0309-2005方法采用集料直接捣实，集料间并无粘结力，会产生离析，试验筒中存在三种状态：粗集料间的嵌挤、细集料间的嵌挤、粗细集料间的嵌挤，状态的不同均会影响试验结果的准确定，离散型也会变大，而本发明采用矿粉-胶浆的方法可解决此问题，如图1、图2所示两种方法粗集料离散型比较。
[0083]
②
通过两种方法试验均值来看，本发明方法较t0309-2005方法试验间隙率vca小，更接近沥青路面实际嵌挤状态，其主要原因在于本发明采用旋转压实模拟路面实际碾压形式，通过沥青-矿粉胶浆的增黏和润滑作用，粗集料骨架在试验中重新进行了排列，更接近于粗集料骨架在沥青路面中的实际嵌挤效果，更加切近于实际，因此vca会小。
[0084]
实验例1：
[0085]
验证沥青-矿粉胶浆来增加骨架集料间黏度，减少离析作用的可行性，本发明实验步骤均同实施例1。
[0086]
(1)首选通过试验适配出一组满足要求的沥青-矿粉胶浆比例，沥青-矿粉胶浆膜厚度为25μm，粉胶比为2.0,木质素纤维含量为0.2％,以此为基础固定粉胶比确定最适宜的沥青-矿粉胶浆膜厚度；再通过固定沥青-矿粉胶浆膜厚度确定最适宜的粉胶比。试验结果如下：
[0087]
表4不同配料的试验结果
[0088][0089]
(2)试验结果分析：
[0090]
①
沥青-矿粉胶浆膜厚度的确定：通过a-h组试验数据来看，胶浆膜厚度小于20μm时，其胶浆膜厚度太薄，集料仍存在松散、离析情况，其离析和缺少沥青膜的润滑导致粗集料骨架嵌挤vca大；当胶浆膜厚度大于30μm时，胶浆膜过厚、集料完全被裹覆、混合料虽然均匀，但vca开始增大，其主要因为胶浆膜过后对骨架造成干涉所致，因此沥青-矿粉胶浆膜厚度控制在20-30μm为宜，即保证粗集料骨架的混合均匀，又不至于干涉骨架影响试验结果的准确性，在此范围内vca值变异性很小。
[0091]
②
粉胶比的确定：通过i-m组试验数据来看，粉胶比小于1.8时，拌制混合集料粘结力不足，表面油亮、多自由沥青、集料离析，vca值偏大；当粉胶比大于2.7时，拌制混合集料间无粘结力，沥青大部分被矿粉吸收，vca同样偏大，因此粉胶比控制在1.8-2.5为宜，能够
保证粗集料骨架的混合均匀和粗集料间的粘结力使集料不离析，在此范围内vca值变异性很小。
[0092]
实验例2：
[0093]
本实施例提供了两种骨架状态判断方法及判断结果，其中，本实验例集料的总质量m同实施例1。
[0094]
(1)分别制备常用石灰岩、玄武岩两种集料各20份，以同一sma-13级配类型的粗集料矿料混合料为例，将矿料混合料中4.75mm以上的颗粒筛出备用。
[0095]
(2)将石灰岩和玄武岩集料各20份样品平均分成2组，每组10份，一份按现行规范中t0309-2005方法进行试验，试验结果如下：
[0096]
表5根据t0309-2005方法测得的粗集料骨架间隙率
[0097][0098]
(3)将另一组石灰岩和玄武岩分别按照旋转压实1次、2次、3次、4次、6次、8次、10次、12次、14次、16次进行压实，并在压实完成进行集料筛分试验，通过下式计算集料在旋转压实过程中集料破碎值q(％)。
[0099][0100]
式中，m为集料的总质量(g)；mi为试验前在i型号筛网上集料的质量(g)，其中i为标准筛各筛网如，0.075mm、1.18mm、2.36mm、4.75mm、9.5mm、13.2mm、16mm、19mm、26.5mm；mi′
为试验后在i型号筛网上集料的质量(g)。
[0101]
表6根据旋转压实测得的试验结果
[0102][0103]
(4)试验结果分析：
[0104]
①
第一组石灰岩和玄武岩集料采用t0309-2005方法进行，通过试验数据可以发现
试验结果离散性大，因此采用10组数据的平均值做为试验结果，石灰岩松散空隙率为44.6％,、嵌挤空隙率为42.6％；玄武岩松散空隙率为45.8％，嵌挤空隙率为43.4％。
[0105]
②
第二组石灰岩和玄武岩集料采用本发明方法进行，通过试验数据可以发现，石灰岩破碎点从第三次开始，玄武岩破碎点从第四次开始，此时的松散空隙率都接近于t0309-2005方法，此时的密度变化率为0.021、0.019，经验证，采用密度变化率0.02来表征松散状态是可行的。
[0106]
③
通过试验发现本发明石灰岩集料破碎点的从第8次开始增大，玄武岩集料破碎点从第12次开始增大；此时集料的破碎料均在1％的范围内，其破碎均为针片状颗粒的脆断引起的，当大于1％时，集料的破碎会发生在方形颗粒间，因次骨料的嵌挤在1％时达到的间隙率可做为嵌挤状态，通过以上数据发现在破碎值在1％时，的密度变化率0.009、0.011，经验证，采用密度变化率0.01来表征嵌挤状态是可行的。
[0107]
综上所述，通过两种岩石试验结果发现，要确定骨料松散状态和嵌挤状态通过密度变化率来做为评价标准更具科学性和准确度。
[0108]
表7各矿料粒径的比表面积
[0109]