一种基于矿料间隙率的矿料级配优化方法

摘要

本发明提供了一种基于矿料间隙率的矿料级配优化方法，包括以下步骤：一、对矿料进行筛分，得到具有多级不同粒径尺寸的分级矿料；二、将步骤一中所述各级矿料的质量通过百分率换算为体积通过百分率；三、进行迭代计算，得到混合矿料的间隙率；四、根据混合矿料的间隙率对矿料级配进行优化。本发明充分考虑到工程实际，能够前期在没有进行压实混合料试件的前提下合理地预估矿料间隙率而进行级配优化，大大降低配合比设计阶段的工作量和盲目性，显著提高工程效率。

说明书

技术领域

本发明属于公路与城市道路设计技术领域，具体涉及一种基于矿料间隙率的矿料 级配优化方法。

背景技术

沥青混合料是由沥青结合料、集料和空隙组成的三相体系。传统的沥青混合料级 配设计方法(如马歇尔法)以及一些新的级配设计法(如贝雷法)，其设计思想都是通过合理 调整这三相体系的组成比例，以使沥青混合料获得适宜的体积组成，其表征指标有矿料间 隙率(VMA)、剩余空隙率(VV)和沥青填隙率(VFA)。在剩余空隙率一定的情况下，沥青混合料 的性能在很大程度上取决于矿料间隙率。因此，VMA在热拌沥青混合料设计中是一个非常重 要的体积参数。

在目前规范推荐的混合料配合比设计方法中，矿料间隙率VMA是优化矿料级配的 一个关键性控制指标。通常在配合比设计时，首先就是预调级配，然后根据预估油石比进行 马歇尔试验，测定矿料间隙率VMA，若测得的VMA不满足规范要求，则就需要修改级配，若测 得的VMA满足规范要求，方可进行下一步试验。然而这样做存在两个问题：一是如果初选的 级配VMA不合格，则需要做大量的马歇尔试验，这就导致沥青混凝土配合比设计周期延长， 且试验人员工作量大量增加；二是预估的油石比是一个经验值，其与最佳油石比往往相差 甚远，不仅不能体现最佳油石比与级配之间的密切关系，也不能真实反映最佳油石比时混 合料内部空隙分布特征，因此在预估油石比下成型的马歇尔试件其VMA及空隙率也很难满 足规范要求，即级配的优化并没有真正实现。

然而如果在试验之前，VMA就能够被准确地估算出来，那么在沥青混合料设计过程 中基于预估的VMA优化出来的级配必将具有更佳的混合料性能。

因此，有必要发明一种基于矿料间隙率VMA的矿料级配优化方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于矿料间 隙率的矿料级配优化方法。该方法充分考虑到工程实际，能够前期在没有进行压实混合料 试件的前提下合理地预估矿料间隙率而进行级配优化，大大降低配合比设计阶段的工作量 和盲目性，显著提高工程效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于矿料间隙率的矿料级 配优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、对矿料进行筛分，得到n级具有不同粒径尺寸的分级矿料，其中第i级分级 矿料的粒径尺寸为d_i，第i级分级矿料的质量通过百分率为m_i，其中i＝1、2、3、…、n，n为大于 4的自然数；

步骤二、将步骤一中所述第i级分级矿料的质量通过百分率m_i换算为体积通过百 分率V_i；

步骤三、采用公式(1)和公式(2)进行迭代计算，公式(1)为

公式(2)为d_mix＝(d_t)^m×(d_s)ⁿ，公式(1)和公式(2)中：m为混合矿料中粗集料的体积百分含 量；n为混合矿料中细集料的体积百分含量；e_mix为混合矿料的空隙率；e_t为粗集料的空隙 率；e_s为细集料的空隙率；d_mix为混合矿料的粒径尺寸，单位为mm；d_t为粗集料的粒径尺寸，单 位为mm；d_s为细集料的粒径尺寸，单位为mm；k为集料形态特征系数；所述迭代计算的具体过 程为：

步骤301、采用第1级分级矿料作为细集料，采用第2级分级矿料作为粗集料，将第1 级分级矿料与第2级分级矿料混合均匀，得到第2级混合矿料，然后根据公式(1)计算出第2 级混合矿料的空隙率，根据公式(2)计算出第2级混合矿料的粒径尺寸；

步骤302、采用第j级混合矿料作为细集料，将第j+1级分级矿料作为粗集料，将第j 级混合矿料与第j+1级分级矿料混合均匀，然后根据公式(1)计算出第j+1级混合矿料的空 隙率，根据公式(2)计算出第j+1级混合矿料的粒径尺寸，其中j＝2、3、…、n-1；

步骤303、重复步骤302，直至得到第n级混合矿料，然后根据公式(1)计算出第n级 混合矿料的空隙率e_n，之后根据公式计算出第n级混合矿料的间隙率VMA_n；

步骤四、根据步骤303中所述第n级混合矿料的间隙率VMA_n对矿料的级配进行优 化，具体过程为：将第n级混合矿料的间隙率VMA_n与矿料的目标间隙率VMA_标进行对比分析， 若VMA_n＝VMA_标，则第n级混合矿料的级配即为矿料的目标级配；否则，调整步骤一中所述d_i和 m_i，直至使VMA_n＝VMA_标为止，最终得到矿料的目标级配。

上述的一种基于矿料间隙率的矿料级配优化方法，其特征在于，步骤一中第1级分 级矿料的粒径尺寸d₁＝0.005mm，第1级分级矿料的质量通过百分率m₁＝0％。

上述的一种基于矿料间隙率的矿料级配优化方法，其特征在于，步骤一中所述n＝ 11，第11级分级矿料的粒径尺寸d₁₁＝16mm，第11级分级矿料的质量通过百分率m₁₁＝100％。

上述的一种基于矿料间隙率的矿料级配优化方法，其特征在于，步骤二中所述第i 级分级矿料的体积通过百分率V_i通过公式换算得到，式中：r_i为第i级分级矿料 的相对密度，r₀为矿料的相对密度。

上述的一种基于矿料间隙率的矿料级配优化方法，其特征在于，步骤三中集料形 态特征系数k的取值为：粗集料的形态特征系数k＝1.01，细集料的形态特征系数k＝1.30， 矿粉的形态特征系数k＝1.60，所述粗集料的粒径＞2.36mm，所述矿粉的粒径＜0.075mm，所 述细集料的粒径为0.075mm～2.36mm。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明基于级配来计算矿料间隙率时，考虑了级配是影响矿料间隙率的关键因 素并且矿料间隙率是表征混合料内部体积关系的指标，因此首次提出将描述矿料级配的集 料质量通过百分率换算为体积通过百分率，得到了更科学和更准确的矿料间隙率计算值。

2、本发明基于级配来计算矿料间隙率时，由于VMA的大小与集料粒径大小、级配组 成、几何形状、表面微观纹理和颗粒间排列组合方式有关，因此提出计算VMA时需要考虑以 上影响因素，采用集料体积通过百分率、空隙率和集料形态特征系数三个基本参数表征这 些影响因素，全面综合考虑了影响矿料间隙率的因素，使得到的计算值更加准确和合理。

3、规范推荐用矿料间隙率VMA来优化级配，其常用方法是：用预估油石比做马歇尔 试件，测定矿料间隙率VMA，若不满足规范要求，则修改级配来实现级配优化。这样做导致沥 青混凝土设计周期很长，本发明提供的基于矿料级配的矿料间隙率计算方法可提前预估矿 料间隙率，通过矿料间隙率实现了级配优化，大大缩短了设计周期，有效地节约了工程成 本，提高了工程效率。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

本发明提供了一种基于矿料间隙率的矿料级配优化方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、对矿料进行筛分，得到n级具有不同粒径尺寸的分级矿料，其中第i级分级 矿料的粒径尺寸为d_i，第i级分级矿料的质量通过百分率为m_i，其中i＝1、2、3、…、n，n为大于 4的自然数；

步骤二、将步骤一中所述第i级分级矿料的质量通过百分率m_i换算为体积通过百 分率V_i；

步骤三、采用公式(1)和公式(2)进行迭代计算，公式(1)为

公式(2)为d_mix＝(d_t)^m×(d_s)ⁿ，公式(1)和公式(2)中：m为混合矿料中粗集料的体积百分含 量；n为混合矿料中细集料的体积百分含量；e_mix为混合矿料的空隙率；e_t为粗集料的空隙 率；e_s为细集料的空隙率；d_mix为混合矿料的粒径尺寸，单位为mm；d_t为粗集料的粒径尺寸，单 位为mm；d_s为细集料的粒径尺寸，单位为mm；k为集料形态特征系数；所述迭代计算的具体过 程为：

步骤301、采用第1级分级矿料作为细集料，采用第2级分级矿料作为粗集料，将第1 级分级矿料与第2级分级矿料混合均匀，得到第2级混合矿料，然后根据公式(1)计算出第2 级混合矿料的空隙率，根据公式(2)计算出第2级混合矿料的粒径尺寸；

步骤302、采用第j级混合矿料作为细集料，将第j+1级分级矿料作为粗集料，将第j 级混合矿料与第j+1级分级矿料混合均匀，然后根据公式(1)计算出第j+1级混合矿料的空 隙率，根据公式(2)计算出第j+1级混合矿料的粒径尺寸，其中j＝2、3、…、n-1；

步骤303、重复步骤302，直至得到第n级混合矿料，然后根据公式(1)计算出第n级 混合矿料的空隙率e_n，之后根据公式计算出第n级混合矿料的间隙率VMA_n；

步骤四、根据步骤303中所述第n级混合矿料的间隙率VMA_n对矿料的级配进行优 化，具体过程为：将第n级混合矿料的间隙率VMA_n与矿料的目标间隙率VMA_标进行对比分析， 若VMA_n＝VMA_标，则第n级混合矿料的级配即为矿料的目标级配；否则，调整步骤一中所述d_i和 m_i，直至使VMA_n＝VMA_标为止，最终得到矿料的目标级配。

优选地，第1级分级矿料的粒径尺寸d₁＝0.005mm，第1级分级矿料的质量通过百分 率m₁＝0％。n＝11，第11级分级矿料的粒径尺寸d₁₁＝16mm，第11级分级矿料的质量通过百分 率m₁₁＝100％。第i级分级矿料的体积通过百分率V_i通过公式换算得到，公式中 r_i为第i级分级矿料的相对密度，所述r₀为矿粉的相对密度。粗集料(粒径＞2.36mm)的形态 特征系数k＝1.01。细集料(粒径在0.075mm～2.36mm之间)形态特征系数k＝1.30，矿粉(粒 径＜0.075mm)的形态特征系数k＝1.60。细集料和矿粉的表观相对密度以及粗集料的毛体 积相对密度均依据JTGE42-2005《公路工程集料试验规程》中的T0308-2005、T0328-2005 和T0352-2005进行测定。粗集料的矿料间隙率根据《公路工程集料试验规程》中T0309- 2005采用捣实下的矿料间隙率，细集料的矿料间隙率根据《公路工程集料试验规程》中T 0331-1994的测试方法，采用紧装状态下的紧堆空隙率。

实施例1

本实施例基于矿料间隙率的矿料级配优化方法包括以下步骤：

步骤一、对矿料进行筛分，得到n级具有不同粒径尺寸的分级矿料，其中第i级分级 矿料的粒径尺寸为d_i，第i级分级矿料的质量通过百分率为m_i；所述i＝1、2、3、…、n，n为大于 4的自然数；

本实施例矿料的级配组成见表1。

表1实施例1矿料的级配组成(质量参数)

由表1可知，本实施例矿料级配包括n＝11级不同的粒径尺寸，其中最大粒径尺寸 为16mm，最小粒径尺寸为0.005mm；

步骤二、将步骤一中所述第i级分级矿料的质量通过百分率m_i换算为第i级分级矿 料的体积通过百分率V_i；

所述第i级分级矿料的体积通过百分率V_i通过公式换算得到，公式中r_i为第i级分级矿料的相对密度，所述r₀为矿粉的相对密度；

本实施例换算后的级配组成见表2。

表2实施例1矿料的级配组成(体积参数)

本实施例矿料中粗细集料及矿粉的空隙率见表3。

表3实施例1矿料中粗细集料及矿粉空隙率

粒径，mm 16～13.2 13.2～9.5 9.5～4.75 4.75～2.36 2.36～1.18 空隙率 0.64 0.71 0.75 0.76 0.77 粒径，mm 1.18～0.6 0.6～0.3 0.3～0.15 0.15～0.075 0.0075～0.005 空隙率 0.77 0.80 0.82 0.84 1.60

本实施例矿料中粗细集料及矿粉的空隙率见表4。

表4实施例1矿料中粗细集料及矿粉的形态特征系数

粒径，mm 16～13.2 13.2～9.5 9.5～4.75 4.75～2.36 2.36～1.18 形态特征系数 1.01 1.01 1.01 1.01 1.30 粒径，mm 1.18～0.6 0.6～0.3 0.3～0.15 0.15～0.075 0.075～0.005 形态特征系数 1.30 1.30 1.30 1.30 1.60

步骤三、采用公式(1)和公式(2)进行迭代计算，所述公式(1)为

所述公式(2)为d_mix＝(d_t)^m×(d_s)ⁿ，公式中各符号分别代表：m-混合矿料中粗集料的体积百 分含量；n-混合矿料中细集料的体积百分含量；e_mix-混合矿料的空隙率；e_t-粗集料的空隙 率；e_s-细集料的空隙率；d_mix-混合矿料的粒径尺寸，mm；d_t-粗集料的粒径尺寸，mm；d_s-细集 料的粒径尺寸，mm；k-集料形态特征系数；所述迭代计算的具体过程为：

步骤301、采用第1级分级矿料作为细集料，采用第2级分级矿料作为粗集料，将第1 级分级矿料与第2级分级矿料混合均匀，得到第2级混合矿料，然后根据公式(1)计算出第2 级混合矿料的空隙率，根据公式(2)计算出第2级混合矿料的粒径尺寸；

步骤302、采用第j级混合矿料作为细集料，将第j+1级分级矿料作为粗集料，将第j 级混合矿料与第j+1级分级矿料混合均匀，然后根据公式(1)计算出第j+1级混合矿料的空 隙率，根据公式(2)计算出第j+1级混合矿料的粒径尺寸；所述j＝2、3、…、n-1；

步骤303、重复步骤302，直至得到第n级混合矿料，然后根据公式(1)计算出第n级 混合矿料的空隙率e_n，之后根据公式计算出第n级混合矿料的间隙率VMA_n；

本实施例迭代计算结果见表5。

表5实施例1迭代计算结果

矿料 筛孔尺寸，mm m n d_mixk e_mix第2级混合矿料 0.005 1 0 0.02 1.6 0.92 第3级混合矿料 0.075 0.25 0.75 0.11 1.3 0.79 第4级混合矿料 0.15 0.24 0.76 0.21 1.3 0.68 第5级混合矿料 0.3 0.16 0.84 0.42 1.3 0.59 第6级混合矿料 0.6 0.13 0.87 0.84 1.3 0.51 第7级混合矿料 1.18 0.14 0.86 1.67 1.3 0.43 第8级混合矿料 2.36 0.33 0.67 3.35 1.3 0.36 第9级混合矿料 4.75 0.65 0.35 6.72 1.01 0.36 第10级混合矿料 9.5 0.34 0.66 11.20 1.01 0.36 第11级混合矿料 13.2 0.05 0.95 14.53 1.01 0.36(e_n)

由表3可知，e_n＝0.36，由此计算出VMA＝26.5％；

步骤四、根据步骤303中所述第n级混合矿料的间隙率VMA_n对矿料的级配进行优 化，具体过程为：将第n级混合矿料的间隙率VMA_n与矿料的目标间隙率VMA_标进行对比分析， 若VMA_n＝VMA_标，则第n级混合矿料的级配即为矿料的目标级配；否则，调整步骤一中所述d_i和 m_i，直至使VMA_n＝VMA_标为止，最终得到矿料的目标级配。

本实施例中，实际施工所要求的矿料的目标间隙率VMA_标＝28％，而本实施例计算 出的第n级混合矿料的间隙率VMA_n＝26.5％，二者存在差异，因此，返回步骤一，对矿料的原 始级配d_i和m_i进行调整，并利用本实施例所述方法重新计算调整后矿料的VMA_n值并使之与 VMA_标进行对比分析，直至使矿料的VMA_n＝28％以满足设计要求，从而得到了矿料的目标级 配，最终实现了利用VMA对矿料级配优化的目的。

实施例2

本实施例基于矿料间隙率的矿料级配优化方法包括以下步骤：

步骤一、对矿料进行筛分，得到n级具有不同粒径尺寸的分级矿料，第i级分级矿料 的粒径尺寸为d_i，第i级分级矿料的质量通过百分率为m_i；所述i＝1、2、3、…、n，n为大于4的 自然数；

本实施例矿料的级配组成见表6。

表6实施例2矿料的级配组成(质量参数)

由表6可知，本实施例矿料级配包括n＝11级不同的粒径尺寸，其中最大粒径尺寸 为16mm，最小粒径尺寸为0.005mm；

步骤二、将步骤一中所述第i级分级矿料的质量通过百分率m_i换算为第i级分级矿 料的体积通过百分率V_i；

所述第i级分级矿料的体积通过百分率V_i通过公式换算得到，公式中r_i为第i级分级矿料的相对密度，所述r₀为矿粉的相对密度；

本实施例换算后的级配组成见表7。

表7实施例2矿料的级配组成(体积参数)

本实施例矿料中粗细集料及矿粉的空隙率见表8。

表8实施例2矿料中粗细集料及矿粉空隙率

粒径，mm 16～13.2 13.2～9.5 9.5～4.75 4.75～2.36 2.36～1.18 空隙率 0.64 0.71 0.75 0.76 0.77 粒径，mm 1.18～0.6 0.6～0.3 0.3～0.15 0.15～0.075 0.0075～0.005 空隙率 0.77 0.80 0.82 0.84 1.60

本实施例矿料中粗细集料及矿粉的空隙率见表9。

表9实施例2矿料中粗细集料及矿粉的形态特征系数

粒径，mm 16～13.2 13.2～9.5 9.5～4.75 4.75～2.36 2.36～1.18 形态特征系数 1.01 1.01 1.01 1.01 1.30 粒径，mm 1.18～0.6 0.6～0.3 0.3～0.15 0.15～0.075 0.075～0.005 形态特征系数 1.30 1.30 1.30 1.30 1.60

步骤三、采用公式(1)和公式(2)进行迭代计算，所述公式(1)为

所述公式(2)为d_mix＝(d_t)^m×(d_s)ⁿ，公式中各符号分别代表：m-混合矿料中粗集料的体积百 分含量；n-混合矿料中细集料的体积百分含量；e_mix-混合矿料的空隙率；e_t-粗集料的空隙 率；e_s-细集料的空隙率；d_mix-混合矿料的粒径尺寸，mm；d_t-粗集料的粒径尺寸，mm；d_s-细集 料的粒径尺寸，mm；k-集料形态特征系数；所述迭代计算的具体过程为：

步骤301、采用第1级分级矿料作为细集料，采用第2级分级矿料作为粗集料，将第1 级分级矿料与第2级分级矿料混合均匀，得到第2级混合矿料，然后根据公式(1)计算出第2 级混合矿料的空隙率，根据公式(2)计算出第2级混合矿料的粒径尺寸；

步骤302、采用第j级混合矿料作为细集料，将第j+1级分级矿料作为粗集料，将第j 级混合矿料与第j+1级分级矿料混合均匀，然后根据公式(1)计算出第j+1级混合矿料的空 隙率，根据公式(2)计算出第j+1级混合矿料的粒径尺寸；所述j＝2、3、…、n-1；

步骤303、重复步骤302，直至得到第n级混合矿料，然后根据公式(1)计算出第n级 混合矿料的空隙率e_n，之后根据公式计算出第n级混合矿料的间隙率VMA_n；

本实施例迭代计算结果见表10。

表10实施例2迭代计算结果

矿料 筛孔尺寸，mm m n d_mixk e_mix第2级混合矿料 0.005 1 0 0.02 1.6 0.77 第3级混合矿料 0.075 0.32 0.68 0.11 1.3 0.66 第4级混合矿料 0.15 0.3 0.7 0.21 1.3 0.58 第5级混合矿料 0.3 0.18 0.82 0.42 1.3 0.5 第6级混合矿料 0.6 0.15 0.85 0.84 1.3 0.43 第7级混合矿料 1.18 0.12 0.88 1.67 1.3 0.36 第8级混合矿料 2.36 0.33 0.67 3.35 1.3 0.35 第9级混合矿料 4.75 0.62 0.38 6.72 1.01 0.34 第10级混合矿料 9.5 0.29 0.71 11.20 1.01 0.32 第11级混合矿料 13.2 0.03 0.97 14.53 1.01 0.32(e_n)

由表10可知，e_n＝0.32，由此计算出VMA_n＝24.2％；

步骤四、根据步骤303中所述第n级混合矿料的间隙率VMA_n对矿料的级配进行优 化，具体过程为：将第n级混合矿料的间隙率VMA_n与矿料的目标间隙率VMA_标进行对比分析， 若VMA_n＝VMA_标，则第n级混合矿料的级配即为矿料的目标级配；否则，调整步骤一中所述d_i和 m_i，直至使VMA_n＝VMA_标为止，最终得到矿料的目标级配。

本实施例中，实际施工所要求的矿料的目标间隙率VMA_标＝28％，而本实施例计算 出的第n级混合矿料的间隙率VMA_n＝24.2％，二者存在差异，因此，返回步骤一，对矿料的原 始级配d_i和m_i进行调整，并利用本实施例所述方法重新计算调整后矿料的VMA_n值并使之与 VMA_标进行对比分析，直至使矿料的VMA_n＝28％以满足设计要求，从而得到了矿料的目标级 配，最终实现了利用VMA对矿料级配优化的目的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技 术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案 的保护范围内。