矿质混合料设计理论与方法

1、 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矿质混合料级配设计理论与方法理论与方法目录目录第一章：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

2、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

3、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

4、粒的筛孔尺寸，mm D集料的最大粒径，mm0.5dPD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=0.250.35，集料可以达到最大密度。日本的研究认为n=0.350.45 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。ndPD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。xxp= 1 0 0 i%（）xx=lgdD3.32（）12逐级填充理论1.相同粒径的颗粒排列时，

5、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；3.3.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

6、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 ( i )A(i)B(i)C(i)M100%XYZ(i)( )( )( )AB iC iM iXYZ2 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 (i)( )AM iX( )( )C jM jZ100%YX Z 图解法1.绘制级配曲线坐标图 绘一方形图框。通常纵坐标（

7、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。 2.2.确定各种集料用量确定各种集料用量 两相邻级配曲线重叠，等分；两相邻级配曲线重叠，等分； 两相邻级配曲线相接，连分；两相邻级配曲线相接，连分； 两相邻级配曲线相离，平分。两相邻级配曲线相离，平分。201001009090808070706060505040403030202010100 0Pi(%)didi（mmmm）989879795757454533332424171712126 616.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075

8、ABCDA 32%B 44%C 12%D 12%A AAAB BBBC CCCM MR R级配中值线级配中值线N N筛孔尺寸筛孔尺寸/mm1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075级配中值级配中值/%/%10098795745332417126校核校核 按图解所得的各种集料用量，校核计算所得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，和复核配合比，经几次调整，直到符合要求为

9、止直到符合要求为止。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（Bailey method）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

10、,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0.30.5之间，细集料中中间尺寸细集料不能

11、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

12、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