一种橡胶沥青混合料的级配优化方法及其应用
阅读说明：本技术 一种橡胶沥青混合料的级配优化方法及其应用 (Grading optimization method of rubber asphalt mixture and application thereof ) 是由 张苏龙 李华 王捷 陈广辉 于 2021-03-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种橡胶沥青混合料的级配优化方法及其应用,属于级配技术领域。该方法包括以下步骤：将橡胶沥青混合料原料中的每档物料均通过多个不同孔径的标准孔筛进行筛分,基于每档物料对应不同孔径的标准孔筛的通过率得到相应的级配曲线。调整各档物料在橡胶沥青混合料原料中的质量百分数并重复上述筛分过程以得到在橡胶沥青混合料原料的级配上限和级配下限之间的另外至少两条级配曲线。以所得的多条级配曲线中同时具有较小PS空隙率n-(PS)及较大PS接触数cn-(ps)的级配曲线作为最优级配曲线并对应获得最优级配方案。该方法能够获得抗车辙性能较好的橡胶沥青混合料。该级配方法尤其适用于中上面层橡胶沥青混合料的设计。(The invention discloses a grading optimization method of a rubber asphalt mixture and application thereof, belonging to the technical field of grading. The method comprises the following steps: screening each grade of material in the raw material of the rubber asphalt mixture through a plurality of standard hole sieves with different hole diameters, and obtaining a corresponding grading curve based on the passing rate of each grade of material corresponding to the standard hole sieves with different hole diameters. And adjusting the mass percentage of each grade of material in the rubber asphalt mixture raw material and repeating the screening process to obtain at least two other grading curves between the upper grading limit and the lower grading limit of the rubber asphalt mixture raw material. With the obtained multiple grading curves simultaneously having smaller PS void ratio n PS And a larger PS contact number cn ps The grading curve is used as the optimal grading curve and the optimal grading scheme is correspondingly obtained. The method can obtain the rubber asphalt mixture with better anti-rutting performance. The grading method is particularly suitable for the rubber asphalt of the middle and upper surface layersAnd (5) designing a mixture.)
技术领域
本发明涉及级配技术领域，具体而言，涉及一种橡胶沥青混合料的级配优化方法及其应用。
背景技术
橡胶沥青混合料是解决废旧轮胎的有效手段之一，可以实现对废旧轮胎的废物利用，避免“黑色污染”。然而，将橡胶粉加入到沥青当中，橡胶粉颗粒在沥青中会发生溶胀反应，导致体积增大，因此，目前国内外对于胶粉改性橡胶沥青的使用经验多为大油石比、大VMA，级配多采用间断级配以及开级配以减少胶粉的溶胀作用对级配的影响。
在级配设计过程中，通常有最大密度曲线和粒子干涉两大矿质混合料级配理论。
(1)最大密度曲线如富勒理论、泰波理论，公式如下所示：
富勒公式：泰波公式：
其中，pi为某级颗粒粒径集料的通过率，dmax为最大粒径。富勒公式描述的抛物线是理论上矿质混合料的最大密实状态，但这种状态通常只在试验室能完成，在工程实践中很难找到集料能掺配成满足这条曲线的级配组成。另外，在配置沥青混合料时，这种级配曲线本身计算得到的细集料偏多，不利于高温稳定性。与富勒公式相比，泰波公式对富勒公式的级配指数进行了调整，将富勒最大密实度曲线用n幂公式来描述。
(2)粒子干涉理论，即级配在设计时为了达到最大密度，前一集颗粒之间的空隙应由次一级的颗粒所填充，其所余空隙又由再次小颗粒所填充，但填隙的颗粒粒径不得大于其空隙的距离，否则大小颗粒粒子之间将发生干涉现象。根据该理论，溶胀之后的橡胶粉将对粒径范围在0.075-2.36mm的细集料产生干涉作用，对级配产生影响，对骨架结构尤其不利。所以国内外在进行胶粉改性橡胶沥青混合料设计时，多采用开级配或者间断级配，以提供足够的VMA用于容纳胶粉的溶胀所造成的体积膨胀。
现有的橡胶沥青混合料的级配范围，均基于以上两种主要理论结合工程经验所得，但其无法根据级配特征来评估混合料的特定性能，如抗车辙性能。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种橡胶沥青混合料的级配优化方法，该方法能够获得抗车辙性能较好的橡胶沥青混合料。
本发明的目的之二在于提供一种上述橡胶沥青混合料的应用。
本申请可这样实现：
第一方面，本申请提供一种橡胶沥青混合料的级配优化方法，包括以下步骤：将橡胶沥青混合料原料中的每档物料均通过多个不同孔径的标准孔筛进行筛分，基于每档物料对应不同孔径的标准孔筛的通过率得到相应的级配曲线。
调整各档物料在橡胶沥青混合料原料中的质量百分数并重复上述筛分过程以得到在橡胶沥青混合料原料的级配上限和级配下限之间的另外至少两条级配曲线。
所得的多条级配曲线中接近级配上限的级配曲线对应的筛孔通过率与级配上限对应的筛孔通过率之间的差值不超过5％，级配曲线中接近级配下限的级配曲线对应的筛孔通过率与级配下限对应的筛孔通过率的差值不超过5％，级配曲线中接近级配中值的级配曲线对应的筛孔通过率与级配中值对应的筛孔通过率的差值不超过3％。其中，就特定的橡胶沥青混合料而言，其所对应的级配上限和级配下限均是特定的。
以所得的多条级配曲线中同时具有较小PS空隙率nPS及较大PS接触数cnps的级配曲线作为最优级配曲线并对应获得最优级配方案。
其中，橡胶沥青混合料原料是按预设档数和预设的每档集料在橡胶沥青混合料中的质量百分数得到；橡胶沥青混合料包括骨架结构和游离于骨架结构以外的超粒径集料，骨架结构包括由互相浅挤的粗集料组成的PS结构以及用于填充PS中空隙的SS结构。
在可选的实施方式中，PS空隙率nPS经计算而得，其中，为橡胶沥青混合料中PS结构的体积占比，为PS结构中的空隙。
在可选的实施方式中，经计算而得，其中，m为橡胶沥青混合料的总质量；a1至an为各标准孔筛上的超粒径集料的毛体积密度，b1至bn为各标准孔筛上的超粒径集料的质量在整个橡胶沥青混合料中的质量占比；VT为橡胶沥青混合料中矿物集料的总体积。
在可选的实施方式中，经计算而得，其中，ρPS为PS结构的干捣密度，GmPS为PS结构的最大理论密度。
在可选的实施方式中，ρPS经计算而得，其中，mPS为PS结构的质量，D为橡胶沥青混合料经成型压实试验后得到的试件直径，V为试件的体积，h为试件的高度。
在可选的实施方式中，GmPS经计算而得，其中，P1至Pn为PS结构中各粒径集料的质量百分比；G1至Gn为PS结构中各粒径集料的毛体积密度。
在可选的实施方式中，PS结构通过以下方式确定：
按照计算相邻两个筛孔之间的集料的加权平均粒径，其中：D1和D2是任意连续的两个方孔筛筛孔尺寸，D1>D2；和是筛分后两个筛孔上残留的集料百分比。
通过公式dw,avg＝0.732Dw,avg确定最大的空隙粒径dw,avg的大小。
当计算出的dw,avg满足时，在直径为D1和D2的两个方孔筛的筛孔上的集料为PS结构。
在可选的实施方式中，PS接触数cnPS通过公式计算而得。
第二方面，本申请还提供如前述实施方式级配优化方法的应用，例如用于中上面层橡胶沥青混合料的设计。
在可选的实施方式中，上面层橡胶沥青混合料包括ARAC-13混合料或AR-SMA13混合料。
本申请的有益效果包括：
本申请提供的橡胶沥青混合料的级配优化方法基于松散集料的堆积理论进行混合料的级配优化设计，并且在级配设计中，设置关键参数，根据所设的关键参数进而指导级配设置，从而可直接根据级配特征来评估混合料的特定性能，获得抗车辙性能较好的橡胶沥青混合料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为用单一粒径为Dw,avg的球体进行立方体堆积的堆积示意图；
图2为实施例1中nPS与沥青混合料车辙试验的动稳定度之间的关系图；
图3为实施例1中cnps与沥青混合料车辙试验的动稳定度之间的关系图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请提供的橡胶沥青混合料的级配优化方法及其应用进行具体说明。
本申请提出一种橡胶沥青混合料的级配优化方法，其包括以下步骤：将橡胶沥青混合料原料中的每档物料均通过多个不同孔径的标准孔筛进行筛分，基于每档物料对应不同孔径的标准孔筛的通过率得到相应的级配曲线。
调整各档物料在橡胶沥青混合料原料中的质量百分数并重复上述筛分过程以得到在橡胶沥青混合料原料的级配上限和级配下限之间的另外至少两条级配曲线。
所得的多条级配曲线中接近级配上限的级配曲线对应的筛孔通过率与级配上限对应的筛孔通过率之间的差值不超过5％，级配曲线中接近级配下限的级配曲线对应的筛孔通过率与级配下限对应的筛孔通过率的差值不超过5％，级配曲线中接近级配中值的级配曲线对应的筛孔通过率与级配中值对应的筛孔通过率的差值不超过3％。
以所得的多条级配曲线中同时具有较小PS空隙率nPS及较大PS接触数cnps的级配曲线作为最优级配曲线并对应获得最优级配方案。
上述橡胶沥青混合料原料是按预设档数和预设的每档集料在橡胶沥青混合料中的质量百分数得到。
通常的，橡胶沥青混合料原料的档数设置为3档或4档，优选为4档。其中，3档具体设置为0-5mm、5-10mm和10-15mm，4档具体设置为0-3mm、3-5mm、5-10mm和10-15mm。
以4档为例，每档集料在橡胶沥青混合料中的质量百分数可以设置成10％、30％、20％和40％。
将集料按照上述质量百分数和档数进行混合，即可得到橡胶沥青混合料原料。在优选地实施方式中，上述橡胶沥青混合料原料的总质量不低于10kg。
橡胶沥青混合料包括骨架结构和游离于骨架结构以外的超粒径集料，骨架结构包括由互相浅挤的粗集料组成的PS结构以及用于填充PS中空隙的SS结构。
值得说明的是，本申请中所涉及的不同孔径的标准孔筛可按常规尺寸设置，如16mm、13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm或0.075mm。
在可选的实施方式中，多条级配曲线中接近级配上限的级配曲线对应的筛孔通过率与级配上限对应的筛孔通过率之间的差值不超过5％可按照以下范围进行控制：
在可选的实施方式中，多条级配曲线中接近级配下限的级配曲线对应的筛孔通过率与级配下限对应的筛孔通过率的差值不超过5％可按照以下范围进行控制：
在可选的实施方式中，多条级配曲线中接近级配中值的级配曲线对应的筛孔通过率与级配中值对应的筛孔通过率的差值不超过3％可按照以下范围进行控制：
其中，级配中值指级配上限与级配下限的中间值。
值得说明的是，多条级配曲线中同时具有较小PS空隙率nPS及较大PS接触数cnps的级配曲线是指：若多条级配曲线中存在同时具有最小PS空隙率nPS及最大PS接触数cnps的级配曲线时，该级配曲线即为最优级配曲线；若多条级配曲线中不存在同时具有最小PS空隙率nPS及最大PS接触数cnps的级配曲线时，具有更接近最小PS空隙率nPS及同时更接近最大PS接触数cnps级配曲线即为最优级配曲线，具体可根据实际结果权衡确定。
本申请中，PS空隙率(nPS)是指PS结构中的空隙在所有橡胶沥青混合料中矿物集料(VT)的所占的比例。PS空隙率nPS经计算而得，其中，为橡胶沥青混合料中PS结构的体积占比，为PS结构中的空隙。
其中，可通过在VT中减掉超粒径集料的体积(Vagg>PS)获得。具体的，可经计算而得，其中，m为橡胶沥青混合料的总质量；a1至an为各标准孔筛上的超粒径集料的毛体积密度，b1至bn为各标准孔筛上的超粒径集料的质量在整个橡胶沥青混合料中的质量占比；VT为橡胶沥青混合料的总体积。
在筛分过程中，某一筛孔上一级筛孔上剩余的集料即为超粒径集料，如9.5mm筛孔上一级13.2mm筛孔上剩余的集料即为超粒径集料。值得说明的是，超粒径集料可能出现在多个筛孔中，例如，如果PS的范围是2.36mm-4.75mm，则超粒径集料应包含9.5mm以及13.2mm筛孔中残留的集料，也即需要分别计算这两个筛孔上集料的毛体积密度(称之为a1和a2)以及这两个筛孔上集料的质量在整个橡胶沥青混合料的矿物集料中的质量占比(称之为b1和b2)；
PS结构中的空隙可由SS结构的体积以及矿物集料间隙率两部分组成。具体的，可经计算而得，其中，ρPS为PS结构的干捣密度，GmPS为PS结构的最大理论密度。
进一步地，ρPS经计算而得，其中，mPS为PS结构的质量，D为橡胶沥青混合料经成型压实试验后得到的试件直径，V为试件体积，h为试件的高度。
具体的，可按照已知的0-3、3-5、5-10、10-15mm4档集料的比例(如10％、30％、20％、40％)，将4档原材料进行混合，使用旋转压实仪，在600Kpa、旋转角1.25°、30rpm转速下压实100次后，整体矿物集料混合料的体积为即为V。在一些可选的实施方式中，D可以取值为15cm。
上述成型压实试验参照《T 0736-2011沥青混合料旋转压实试件制作方法(SGC方法)》进行。
GmPS经计算而得，其中，P1至Pn为PS结构中各粒径集料的质量百分比；G1至Gn为PS结构中各粒径集料的毛体积密度。
可以理解地，根据PS的计算结果，如果PS的范围为2.36mm,4.75mm,9.5mm，根据橡胶沥青混合料原料的筛分情况，取在筛分时，2.36mm,4.75mm,9.5mm方孔筛上残留的集料，测定他们之间的相互质量比例，即为PS中不同粒径集料的百分比，即P1至Pn。
在本申请中，PS结构通过以下方式确定：
按照计算相邻两个筛孔之间的集料的加权平均粒径，其中：D1和D2是任意连续的两个方孔筛筛孔尺寸(mm)，D1>D2；和是筛分后两个筛孔上残留的集料百分比(％)。
通过公式dw,avg＝0.732Dw,avg确定最大的空隙粒径dw,avg的大小。
当计算出的dw,avg满足时，在直径为D1和D2的两个方孔筛的筛孔上的集料为PS结构。
上述dw,avg称之为在一个三维环境中，用单一粒径为Dw,avg的球体进行立方体堆积时，最大的空隙粒径，其堆积示意图如图1所示。则dw,avg和Dw,avg之间的相对关系为：dw,avg＝0.732Dw,avg，当D1和D2满足公式时，可认为D1和D2筛孔上筛余的集料可作为PS的一部分。
本申请中，PS接触数cnPS通过公式计算而得。集料之间的接触点数对于荷载的传递有着重要的作用，接触点越多，结构更稳定。
第二方面，本申请还提供如前述实施方式级配优化方法的应用，例如用于中上面层橡胶沥青混合料的设计。
在可选的实施方式中，上面层橡胶沥青混合料包括ARAC-13混合料或AR-SMA13混合料。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
在集料、橡胶沥青等原材料相同的条件下，通过改变混合料的级配(如表1所示，相应的级配曲线图未示出)，设计了不同的橡胶沥青混合料，并按照本项目的方法，分别计算了nPS和cnp等指标，如下表2所示：
表1级配设计表
表2指标结果表
其中，PS空隙率(nPS，以PS porosity表示)与沥青混合料车辙试验的动稳定度(以DS表示)之间的关系如图2所示，cnps与沥青混合料车辙试验的动稳定度之间的关系如图3所示。
从上述结果可以看出，动稳定度指标随着nPS升高而降低，随着cnps的增加而上升，故此两个参数可以用于指导级配的优化，从而优选出抗车辙性能较好的沥青混合料。
实施例2
以实施例1中的ARAC-13混合料为例，调整级配设计如下表3(A、B、C三个级配)：
表3级配设计表
基于堆积理论的级配指标计算，其结果如下表4：
表4指标结果表
从计算结果来看，选择级配B进行混合料性能的验证，如下表5所示：
表5性能结果表
参数
单位
值
限制要求
VV
％
5.2
4.5-6.5
VMA
％
21.93
≥19
VFA
％
79.9
70-85
稳定度
KN
9.4
≥6
马歇尔残留稳定度
％
92.1
≥85
冻融劈裂强度比
％
89.7
≥80
动稳定度
次/mm
4648
≥3000
低温破坏应变
10-6
3195.5
≥2000
由上表可以看出，通过本申请提供的方法得到的优化级配方案能够满足相应规范的要求，说明本申请提供的方法可行。
综上所述，本申请提供的橡胶沥青混合料的级配优化方法可根据级配特征来评估混合料的特定性能，获得抗车辙性能较好的橡胶沥青混合料。该方法简单可行，尤其适用于中上面层橡胶沥青混合料的设计。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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