CN112726331A - 一种沥青混合料目标配合比的两阶段设计方法 - Google Patents

一种沥青混合料目标配合比的两阶段设计方法 Download PDF

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Abstract

一种沥青混合料目标配合比的两阶段设计方法，涉及一种沥青混合料目标配合比设计方法。第一阶段目标配合比设计：步骤一：选择原材料；步骤二：原材料质量监测及控制；步骤三：按集料中值配合比指导备料；第二阶段目标配合比设计：步骤一：备料过程筛分监测；步骤二：试配法计算合成级配矿料掺配比例；步骤三：掺配比例波动性分析；步骤四：最佳沥青用量与最终目标配合比的确定；步骤五：混合料性能检验；步骤六：修正后续备料的比例和数量。通过减少矿料配比的波动性，保证目标配合比结果能代表现场材料的平均特性，减少材料的浪费，保证材料的性能和质量。

Description

一种沥青混合料目标配合比的两阶段设计方法
技术领域
本发明涉及一种沥青混合料目标配合比设计方法，尤其是一种沥青混合料目标配合比的两阶段设计方法，属于沥青铺面工程技术领域。
背景技术
沥青混合料目标配合比设计是进行沥青路面施工过程中的一个重要环节，其本质是对沥青混合料内部材料组成比例与结构的设计，它的设计成果需要证明该配比下的混合料是否满足相关的性能要求，并用来指导施工，确定备料比例和数量，是进行施工质量控制的重要依据。
在传统的沥青路面设计与施工过程中，一般只进行一次目标配合比设计，主要分两种情况：一是采用碎石场加工的材料进行配合比设计，二是采用备料初期的材料进行配合比设计。这两种情形的材料分别处在不同的施工进程与空间位置，仅能代表各自料源场或备料初期的实际情况，并不能代表备料的全过程，也不能代表进场所有材料的平均状态。
而进行目标配合比设计时，备料的比例和数量需要依据配合比进行初步确定，配合比设计的成果，也需要代表现场所有材料的平均组成特性。而上述两种情形可能会造成与现场所有材料的平均组成偏差较大，导致目标配合比设计的失效，致使设计的沥青混合料结构组成不能很好的符合预期效果，不能科学的确定备料的比例和数量，容易造成材料的过剩或浪费，同时也不能保证料源的质量满足要求，有可能造成配合比设计结果不满足规范要求。
因此，亟需提供一种能够规避传统目标配合比设计缺陷，符合预期要求，并保证配合比在工程中实现的沥青混合料目标配合比设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种沥青混合料目标配合比的两阶段设计方法，它通过减少矿料配比的波动性，保证目标配合比结果能代表现场材料的平均特性，减少材料的浪费，保证材料的性能和质量。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种沥青混合料目标配合比的两阶段设计方法，包括以下步骤：
第一阶段目标配合比设计：
步骤一：选择原材料，包括粗集料、细集料、沥青和矿粉，其中粗集料与细集料根据《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)4.8.3的要求加工成多种规格；
步骤二：原材料质量监测及控制，对运送至现场的粗细集料的料堆进行离析监测，分别取料堆的上、中、下层矿料进行筛分试验，画出通过率曲线，监测矿料的离析和污染，不合格的按照上述步骤一重新调整，直到料堆的上、中、下层的通过率曲线最大差值不超过20％；
步骤三：按集料中值配合比指导备料，依据沥青混合料类型所对应的级配范围确定各种矿料的合成比例，根据各种矿料的筛分级配曲线和级配范围，采用试算法试配出所要求的接近中值的合成级配曲线，并得出该级配曲线下各种矿料的组成比例，以掺配比例作为各种矿料备料的比例；
第二阶段目标配合比设计：
步骤一：备料过程筛分监测，在备料的过程中，对每次所备矿料进行筛分监测试验，获取每次备料的筛分试验数据；
步骤二：试配法计算合成级配矿料掺配比例，在备料达60～70％时进行配合比设计，依据试算法将所备集料试配出按规范文件要求的接近上限、接近中值、接近下限的三种合成级配曲线，再分别得出各级配曲线所对应的矿料掺配比例；
步骤三：掺配比例波动性分析，利用上述三组各规格矿料的接近上限、接近中值、接近下限的掺配比例，结合质量控制监测得到的所有筛分试验数据，采用试算法进行级配合成，得到三组级配合成曲线集，计算集料合成级配各档筛孔通过率的变异系数，计算筛孔平均变异系数，分析三组级配合成曲线集对目标曲线的波动性；
步骤四：最佳沥青用量与最终目标配合比的确定，针对三组掺配比例，采用OAC法确定最佳沥青用量，分别计算OAC1与OAC2，OAC1与OAC2的平均值作为最佳沥青用量，综合沥青用量、施工与混合料特性与各掺配比例的波动性，确定最终的目标配合比与最佳沥青用量；
步骤五：混合料性能检验，对混合料的高温稳定性、水稳定性与低温抗裂进行检验，均满足规范要求则目标配合比设计合格，否则返回第二阶段的步骤二重新进行；
步骤六：修正后续备料的比例和数量，对后续需要备料的矿料，按照最终所确定的矿料掺配比例进行备料比例和数量的修正。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明考虑材料掺配比例的波动性，有效地保证了材料的合成掺配比例能代表所备材料的平均水平，提高了配合比设计的可实现性和方法的有效性，根据第一阶段设计方法确定的各种矿料的接近级配中值的掺配比例作为备料比例，提高了备料的效率，减少了材料的浪费，并结合质量控制，在第一阶段设计方法中保证了现场材料的性能和质量，对料堆进行离析监测，有效地减少了目标配合比设计的材料性能检测不满足要求的问题。
附图说明
图1是本发明的沥青混合料目标配合比的两阶段设计方法的流程图；
图2是实施例中细集料与粗集料的料堆离析监测的数据图；
图3是实施例中接近级配中值的级配合成曲线集的数据图；
图4是实施例中接近中值合成级配各筛孔通过率变异系数的数据图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
沥青混合料目标配合比是决定混合料组成结构的基础，它的配合比设计成果需要满足现场材料的实际情况，代表现场材料的平均特性，同时也是进行施工质量控制的依据，确定备料的比例和数量，可以用其成果来指导施工，这就需要设计一套合理有效的配合比设计方法来保证所设计的目标配合比满足以上要求，本发明通过将目标配合比按两个阶段进行设计，结合现场材料的质量控制技术，保证了对进场材料的质量控制，并指导备料过程，考虑合成级配的波动性，令所设计的目标配合比能够有效代表现场材料的实际情况，最终能够拌合出目标配合比设计的混合料，使沥青混合料的组成、结构和性能符合预期效果，进而保证耐久性和寿命。
参照图1所示，本发明公开了一种沥青混合料目标配合比的两阶段设计方法，包括以下步骤：
第一阶段目标配合比设计：
步骤一：选择原材料，包括粗集料、细集料、沥青和矿粉，其中粗集料与细集料根据《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)4.8.3的要求加工成多种规格；
步骤二：原材料质量监测及控制，选用上述粗集料、细集料、矿粉和沥青作为原材料，均符合《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，对运送至现场的粗细集料的料堆进行离析监测，分别取料堆的上、中、下层矿料进行筛分试验，画出通过率曲线，监测矿料的离析和污染，不合格的按照上述步骤一重新调整，直到料堆的上、中、下层的通过率曲线最大差值不超过20％；
步骤三：按集料中值配合比指导备料，依据沥青混合料类型所对应的级配范围确定各种矿料的合成比例，根据各种矿料的筛分级配曲线和级配范围，采用试算法试配出所要求的接近中值的合成级配曲线，并得出该级配曲线下各种矿料的组成比例，以掺配比例作为各种矿料备料的比例，按该比例进行备料；
第二阶段目标配合比设计：
步骤一：备料过程筛分监测，按照第一阶段所得出的备料比例进行备料，在备料的过程中，对每次所备矿料进行筛分监测试验，获取每次备料的筛分试验数据；
步骤二：试配法计算合成级配矿料掺配比例，在备料达60～70％时进行配合比设计，依据试算法将所备集料试配出按规范文件要求的接近上限、接近中值、接近下限的三种合成级配曲线，再分别得出各级配曲线所对应的矿料掺配比例；
步骤三：掺配比例波动性分析，利用上述三组各规格矿料的接近上限、接近中值、接近下限的掺配比例，结合质量控制监测得到的所有筛分试验数据，采用试算法进行级配合成，得到三组级配合成曲线集，计算集料合成级配各档筛孔通过率的变异系数，计算筛孔平均变异系数，分析三组级配合成曲线集对目标曲线的波动性；
步骤四：最佳沥青用量与最终目标配合比的确定，针对三组掺配比例，采用OAC法确定最佳沥青用量，分别计算OAC1与OAC2，OAC1与OAC2的平均值作为最佳沥青用量，综合沥青用量、施工与混合料特性与各掺配比例的波动性，确定最终的目标配合比与最佳沥青用量；
步骤五：混合料性能检验，对混合料的高温稳定性、水稳定性与低温抗裂进行检验，均满足规范要求则目标配合比设计合格，否则返回第二阶段的步骤二重新进行；
步骤六：修正后续备料的比例和数量，对后续需要备料的矿料，按照最终所确定的矿料掺配比例进行备料比例和数量的修正。
实施例(AC-20为例)
第一阶段目标配合比设计：
步骤一：选择原材料
本实施例以北古高速公路A2标段建设项目为例，沥青混凝土中面层级配采用AC-20C，粗细集料用石灰岩加工成四种规格，分为粗集料：1#料[15-25]mm、2#料[10-15)mm、3#料[5-10)mm和细集料：4#料(0-5)mm，沥青选用的规格为90#A，矿粉采用石灰岩加工成的矿粉；
步骤二：原材料质量监测及控制
选用上述粗集料、细集料、矿粉和沥青作为原材料，均符合《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，为便于区分下文将满足《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求的指标值称为要求值，将实验时所选用的材料的指标值称为实验值。其中，
粗集料的要求值及实验值如下表所示：
Figure BDA0002866512990000071
Figure BDA0002866512990000072
细集料的要求值及实验值如下表所示：
Figure BDA0002866512990000073
矿粉的要求值及实验值如下表所示：
Figure BDA0002866512990000074
沥青的要求值及实验值如下表所示：
Figure BDA0002866512990000075
Figure BDA0002866512990000081
进行原材料质量的监测和控制，对运送至现场的粗细集料的料堆进行离析监测，参照图2所示，分别取料堆的上、中、下层矿料进行筛分试验，画出通过率曲线，监测矿料的离析和污染，图2的料堆已经离析，不合格，应按照上述步骤一重新调整再进行离析监测，直到料堆的上、中、下层的通过率曲线最大差值不超过20％之后进行步骤三；
步骤三：按集料中值配合比指导备料
依据沥青混合料类型所对应的级配范围确定各种矿料(包括粗细集料和矿粉)的合成比例，根据各种矿料的筛分级配曲线和级配范围，采用试算法试配出所要求的接近中值的合成级配曲线，并得出该级配曲线下各种矿料的组成比例，参照下表1所示，以掺配比例作为各种矿料备料的比例，按该比例进行备料。
表1矿料组成比例
Figure BDA0002866512990000082
第二阶段目标配合比设计：
步骤一：备料过程筛分监测
按照第一阶段所得出的备料比例进行备料，在备料的过程中，对每次所备矿料进行筛分监测试验，获取每次备料的筛分试验数据，参照下表2所示。
表2备料过程各次筛分试验结果
Figure BDA0002866512990000091
步骤二：试配法计算合成级配矿料掺配比例
在备料达60～70％时进行配合比设计，依据试算法将所备集料试配出按规范文件要求的接近上限、接近中值、接近下限的三种合成级配曲线，再分别得出各级配曲线所对应的矿料掺配比例，参照下表3所示。
表3各级配组成及对应的矿料掺配比例
Figure BDA0002866512990000092
步骤三：掺配比例波动性分析
利用这三组各规格矿料的接近上限、接近中值、接近下限的掺配比例，结合前面质量控制监测得到的所有筛分试验数据，采用试算法进行级配合成，得到三组级配合成曲线集，以接近中值曲线集为例参照图3所示，并计算集料合成级配各档筛孔通过率的变异系数，参照图4所示，计算筛孔平均变异系数，分析三组级配合成曲线集对目标曲线的波动性，
变异系数计算公式：
Figure BDA0002866512990000101
其中，σ：样本标准差
μ：样本均值
筛孔平均变异系数：
Figure BDA0002866512990000102
分析波动性可采用面积法，通过计算三组曲线集各自所形成的面积，来评价各组级配的整体波动性大小，面积越小，整体波动性越小，再计算三组掺配比例所对应的各档合成级配筛孔通过率的变异系数，参照图4所示，并要求各筛孔最大通过率变异系数不得超过20％，再计算筛孔平均变异系数，最后综合评价三组掺配比例的波动性大小，参照下表4所示。
表4合成级配波动性分析
级配类型 合成级配曲线集面积 筛孔最大变异系数 筛孔平均变异系数
接近上限 大 20.91 11.45
接近中值 小 10.37 5.62
接近下限 中 14.82 8.21
综合以上可知，接近中值的级配合成比例的波动性最小，可优先考虑，接近上限的级配合成比例的波动性最大，且筛孔最大变异系数超过20％，应放弃选用该比例；
步骤四：最佳沥青用量与最终目标配合比的确定(以接近中值级配为例)
首先根据规范要求及所用沥青性质初步预估最佳沥青用量为4.9％，取预估沥青用量分别±5％和±10％，得到3.9％、4.4％、4.9％、5.4％、5.9％这五组沥青用量，成型马歇尔试件测定毛体积密度、计算空隙率、矿料间隙率、有效沥青饱和度四个体积参数，并测定马歇尔稳定度和流值，分别绘制各参数与五组沥青用量的关系曲线。
根据关系曲线，求出相应的密度最大值对应沥青用量a1＝5.12％，稳定度最大值对应沥青用量a2＝4.87％，目标空隙率对应的沥青的沥青用量a3＝4.60％，沥青饱和度中值对应的沥青用量a4＝4.79％，根据公式：
OAC1＝(a1+a2+a3+a4)/4＝4.85％
以密度、稳定度、流值、目标空隙率、沥青饱和度均符合要求的沥青用量范围OACmin＝4.52％，OACmax＝5.03％，其中值作为OAC2：
OAC2＝(OACmin+OACmax)/2＝4.78％
以OAC1和OAC2的中值计算最佳沥青用量OAC：
OAC＝(OAC1+OAC2)/2＝4.8％
按上述方法得到接近上限、接近中值与接近下限的掺配比例后，成型不同沥青用量的马歇尔试件，综合沥青用量、施工与混合料特性与各掺配比例的波动性，确定最终的目标配合比与最佳沥青用量，参照下表5所示。
表5各级配沥青用量确定标准对比
级配类型 沥青用量 施工与混合料特性 掺配比例波动性
接近上限 大 粗集料多，易离析 不合格
接近中值 中 较好 较好
接近下限 小 细集料多，蠕动性差 一般
所以，最终选用接近级配中值的混合料配合比，即1#料：2#料：3#料：4#料：矿粉＝24％：17％：18％：35％：6％，最佳沥青用量为4.8％；
步骤五：混合料性能检验
对混合料的性能进行检验，高温稳定性检验按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0719规定的方法和试验条件，进行标准车辙试验，测定动稳定度指标进行检验，水稳定性与低温抗裂性检验按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0709与T0729规定的方法与试验条件进行残留稳定度及冻融劈裂试验，测残留稳定度与残留强度比指标进行检验，参照下表6所示，若以上均满足规范要求，则目标配合比设计合格，否则返回第二阶段的步骤二重新进行。
表6冻融劈裂试验与车辙试验结果
Figure BDA0002866512990000121
步骤六：修正后续备料的比例和数量
对后续需要陆续备料的矿料，按照最终所确定的矿料掺配比例(即1#料：2#料：3#料：4#料：矿粉＝24％：17％：18％：35％：6％)进行备料比例和数量的修正，经过以上流程，完成目标配合比设计的全部工作。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种沥青混合料目标配合比的两阶段设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一阶段目标配合比设计：
步骤一：选择原材料，包括粗集料、细集料、沥青和矿粉，其中粗集料与细集料根据《公路工程沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)4.8.3的要求加工成多种规格；
步骤二：原材料质量监测及控制，对运送至现场的粗细集料的料堆进行离析监测，分别取料堆的上、中、下层矿料进行筛分试验，画出通过率曲线，监测矿料的离析和污染，不合格的按照上述步骤一重新调整，直到料堆的上、中、下层的通过率曲线最大差值不超过20％；
步骤三：按集料中值配合比指导备料，依据沥青混合料类型所对应的级配范围确定各种矿料的合成比例，根据各种矿料的筛分级配曲线和级配范围，采用试算法试配出所要求的接近中值的合成级配曲线，并得出该级配曲线下各种矿料的组成比例，以掺配比例作为各种矿料备料的比例；
第二阶段目标配合比设计：
步骤一：备料过程筛分监测，在备料的过程中，对每次所备矿料进行筛分监测试验，获取每次备料的筛分试验数据；
步骤二：试配法计算合成级配矿料掺配比例，在备料达60～70％时进行配合比设计，依据试算法将所备集料试配出按规范文件要求的接近上限、接近中值、接近下限的三种合成级配曲线，再分别得出各级配曲线所对应的矿料掺配比例；
步骤三：掺配比例波动性分析，利用上述三组各规格矿料的接近上限、接近中值、接近下限的掺配比例，结合质量控制监测得到的所有筛分试验数据，采用试算法进行级配合成，得到三组级配合成曲线集，计算集料合成级配各档筛孔通过率的变异系数，计算筛孔平均变异系数，分析三组级配合成曲线集对目标曲线的波动性；
步骤四：最佳沥青用量与最终目标配合比的确定，针对三组掺配比例，采用OAC法确定最佳沥青用量，分别计算OAC1与OAC2，OAC1与OAC2的平均值作为最佳沥青用量，综合沥青用量、施工与混合料特性与各掺配比例的波动性，确定最终的目标配合比与最佳沥青用量；
步骤五：混合料性能检验，对混合料的高温稳定性、水稳定性与低温抗裂进行检验，均满足规范要求则目标配合比设计合格，否则返回第二阶段的步骤二重新进行；
步骤六：修正后续备料的比例和数量，对后续需要备料的矿料，按照最终所确定的矿料掺配比例进行备料比例和数量的修正。
2.根据权利要求1所述的一种沥青混合料目标配合比的两阶段设计方法，其特征在于：所述第二阶段目标配合比设计的步骤三中分析波动性采用面积法，通过计算三组曲线集各自所形成的面积，评价各组级配的整体波动性大小，面积越小，整体波动性越小，再计算三组掺配比例所对应的各档合成级配筛孔通过率的变异系数，并要求各筛孔最大通过率变异系数不得超过20％，再计算筛孔平均变异系数，最后综合评价三组掺配比例的波动性大小。
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