集料设计

集料设计（精选8篇）

集料设计 篇1

引言

水泥稳定碎石基层在我国各级公路建设中占有特殊的重要地位, 是最为广泛的路面基层材料, 具有强度高、承载能力较高和整体性好等优点。然而随着水泥稳定碎石混合料的大量运用, 逐渐发现水泥稳定碎石基层存在着一些亟待解决的问题, 如对温度、湿度的敏感性以及耐冲刷性能较低等。随着近些年来基层材料技术的提高和对材料路用性能的深入认识, 集料在混合料的分布状态对其路用性能的影响显得越来越关键[1]。因此, 较好的水泥稳定碎石级配设计是近年来基层混合料的发展趋势。通过采用良好的水泥稳定碎石级配设计, 改变水泥稳定碎石的结构类型, 即由传统的悬浮密实结构转变为骨架密实结构, 可以改善其路用性能不足之处。

目前, 国内外对矿料级配设计的研究较多, 本文从逐级填充法、试验法和体积法等三个方面, 总结了骨架密实型水泥稳定碎石级配设计的研究成果, 评述了存在的缺点, 阐述了今后的研究与发展方向。

1 逐级填充法

逐级填充法是以嵌挤为原则, 以填充理论为基础, 以追求空隙率最小的密实结构为目的的一种级配设计方法。其主要思想是基于填充理论、粒子干涉理论以及最大密度曲线理论的级配原则。依据填充理论, 集料最松散状态下的空隙率为48%, 用细小粒径的颗粒来填充主骨料的空隙而不用次级粒料填充能得到更好的效果。而粒子干涉理论认为, 为达到最大密度, 在次一级颗粒粒径不大于前一级颗粒间隙之距离的条件下, 由次一级颗粒填充前一级颗粒之间的空隙, 进行逐级填充, 否则大、小颗粒粒子之间势必发生干涉现象[2]。最大密度曲线理论则认为, 矿质混合料的颗粒级配曲线越接近抛物线, 则密度越大[2]。填充理论确保集料更加密实, 增加内摩阻力, 粒子干涉理论以及最大密度曲线理论则赋予混合料拥有较高的凝聚力。

国内谭学政[3]、彭波等[4]依据逐级填充嵌挤原则确定粗集料级配, 采用I法进行细集料级配设计, 通过7 d无侧限抗压强度来确定粗集料与细集料的比例, 从而得到骨架密实型级配;蒋应军[5]利用嵌挤原理从理论上计算不同级别集料的空隙率, 再进行逐级填充, 从而得到主骨料的级配;徐永丽等[6]采用逐级振捣填充方法, 通过最大密实度曲线确定出粗集料级配和粗细集料的填充比例, 得到理想的骨架密实结构。

综观上述文献, 逐级填充法是一种比较成熟的设计方法, 国内大部分学者主要采用这种方法进行骨架密实型水泥稳定碎石级配设计研究。逐级填充法虽然易于理解和操作, 但是结果的离散性较大, 主要追求混合料的最大密实, 缺乏对混合料骨架嵌挤特性的研究和施工和易性的考虑, 难以满足目前水泥稳定碎石基层的路用性能要求。

2 试验法

试验法是通过对集料进行击实或振动试验, 确定各级集料的孔隙率, 然后进行逐级填充, 从而确定混合料的级配。国外对采用试验法确定集料级配的研究较少, 国内刘红瑛等[7]采用试验法设计骨架密实型级配, 从31.5~19 mm, 19~9.5 mm, 9.5~4.75 mm, 4.75~2.36 mm, 2.36~1.18 mm, 1.18~0.6 mm分别逐级填充;腾旭秋从4.75 mm以上开始逐级填充, 采用传统重型击实和振动成型击实法来确定各级集料的孔隙率, 从而确定主骨料的级配[8]。

张嘎吱等[9]利用圆型试筒对大颗粒集料 (20~30 mm) 进行振动试验, 确定其剩余孔隙率, 然后按照前一级集料质量的5%递增, 加入次一级粒径的集料, 从而确定集料级配;为避免细集料与结合料产生离析的现象, 又将5~10 mm与10~20 mm粒径的集料按照95%∶5%、90%∶10%、85%∶15%等比例分别掺配成混合料, 并将各种混合料在圆型试筒内振动装满后进行称重, 然后绘制混合料质量与高一级集料百分比的关系曲线, 从而确定最大掺量[9]。李伟雄[8]根据悬浮-密实的设计方法, 考虑到规范要求98%的压实度而预留的孔隙率, 最终确定的骨架密实型水泥稳定碎石配比为:粗集料∶细集料∶水泥 (质量比) =72.4∶22.7∶4.9。

由上述文献可知, 试验法通过具体的试验来确定集料的级配, 能够较准确地得到混合料的孔隙率, 从而判定其密实度, 同时兼顾了不同石料的物理特性, 更加灵活和有针对性。但运用试验法确定集料级配时, 对粗、细集料所占的比例存在较大差异, 并且缺乏对混合料结构的综合考虑, 没有系统地评价粗集料是否形成骨架嵌挤。

3 体积法

体积法是将集料含量和结合料配合比独立设计, 用体积比来确定混合料的组成。通过捣实或振实密度来确定混合料的集料含量, 再以最大干密度的结合料来填充连续级配集料间的空隙。对体积法的研究, 国外主要有贝雷法和Superpave设计法。贝雷法是由美国伊利诺伊州的罗伯特·贝雷发明的一种集料级配设计方法, 其主要思想是以形成的集料骨架作为混合料的承重主体, 同时通过调整粗细集料的比例, 获得合适的矿料间隙率, 以保证设计的混合料具有较好的耐久性[10]。贝雷法通过设计密度来保证骨架密实, 利用粗、细集料各组分的密度, 确定矿质混合料的总质量, 并根据各级粗集料体积与各级细集料体积之和为单位体积, 来确定各集料的合成质量百分比。Superpave设计法采用0.45次方级配图定义集料的级配, 通过控制点来控制骨架密实, 但没有给出明确的设计原则, 属于经验性的方法[11]。

国内沙爱民等[12]根据基层材料结构划分的定义, 通过控制粗集料与细集料及结合料的体积关系来进行水泥稳定碎石级配设计;沙庆林院士[13]对水泥碎石基层的设计, 采用多碎石沥青混凝土SAC设计方法, 将粗、细集料分开设计, 以获得较好的密实性;冯德成等[14]借鉴沥青玛蹄脂碎石混合料 (SMA) 的设计思想, 采用次一级石料填充上一级石料的空隙, 最后计算骨架结构的空隙体积, 并将其用水泥胶砂填充。

从上述文献可知, 国内外在采用体积法进行级配设计时, 主要考虑粗集料的空隙与细集料体积之间的关系, 未考虑体积法运用于水泥稳定类材料时其最佳预留空隙率是多少, 即水泥稳定类材料达到最佳结构时, 其预留空隙率是多少。其次, 进行水泥稳定碎石级配设计时, 往往没有考虑水的体积。

4 结语

影响水泥稳定碎石基层路面使用性能的关键因素之一是其级配设计, 同时水泥稳定碎石级配设计也是影响其材料功能发挥的关键。对于骨架密实型水泥稳定碎石级配设计今后的研究, 可以从以下几个方面进行。

一是骨架性。即水泥稳定碎石基层级配设计不仅要考虑其密实度, 还应充分考虑其骨架的形成。骨架的形成会使水泥稳定碎石材料发挥更大的功能, 能有效地延缓基层病害的产生, 从而为面层提供稳定可靠的支撑。

二是全面性。即进行骨架密实型水泥稳定碎石级配设计时, 不仅要考虑粗集料的空隙与细粒料之间的关系, 还应考虑水泥砂浆的体积, 以防止水泥砂浆可能将粗集料形成的骨架撑开, 从而影响其路用性能。

三是实用性。即所设计的骨架密实型水泥稳定碎石级配能够指导生产实践, 使用效果明显, 便于广泛应用。以上几种级配设计方法大部分是建立在室内试验和理论计算的基础之上, 而检验其设计质量的标准应是工程上的实际应用效果。

摘要：逐级填充法、试验法与体积法是骨架密实型水泥稳定碎石集料级配设计方法的重要内容。为了解骨架密实型水泥稳定碎石级配设计的研究现状, 在分析水泥稳定碎石特点的基础上, 从逐级填充设计法、试验设计法与体积设计法等三个方面, 总结了国内外有关骨架密实型水泥稳定碎石级配设计的研究成果, 评述了存在的不足, 阐述了今后的研究与发展趋势。

关键词：水泥稳定碎石,级配设计,逐级填充法,试验法,体积法,发展趋势

集料设计 篇2

集料试验是公路工程中必做的经常性试验工作之一。公路工程集料试验项目有混凝土骨料、沥青混凝土集料、路面磨耗料、底基层或基层材料等单项试验，结构层材料因其部位、用途不同，其试验指标有差别。

埃塞俄比亚公路工程标准技术规范要求的粗集料试验项目，及所采用的标准与国内对比的差异见表1。

表1.粗集料试验项目及引用标准

二、粗集料试验的主要差异

（一）级配试验

埃塞公路工程集料级配试验主要采用美国标准，国内标准在试验筛和试验程序和计算上与其一致，只是在方孔筛规格上与AASHITO M92-05（或ASTM E11-04）标准有所差异，在级配要求上以累积过筛率为表达方式。由于筛孔尺寸的进制标准不同，除我国国标规定的标准筛尺寸外，美国标准中筛孔尺寸还有很多，级配要求更为细致、严格。

（二）针片状试验

BS812 Part 105-1990试验标准，与国内标准中针片状规准仪相比，虽然在试验规程和结果计算方法基本一致，但仪器规格的不同，导致了试验区间的不同，最后的试验结果也就不同。

图1.埃塞公路采用的集料试验片状仪图2.埃塞公路采用的集料试验针状仪

图3.国内采用的集料试验片状仪图4.国内采用的集料试验针状仪

（三）洛杉矶磨耗试验

洛杉矶磨耗值试验是公路工程集料的一项非常重要的试验项目。美国有ASTM和AASHTO两个标准规程，其中ASTMC 535适合于特粗集料。根据集料粒径的不同，使用12个钢球，试样总质量5000±25g，转动1000转后测定磨耗损失。试验条件如表2。

表2.洛杉矶磨耗值试验条件（特粗集料）

ASTMC 131及AASHTOT 96适用于一般集料，钢球数有所不同，集料粒级根据实际情况规定了4种，试验时，转动500转后测定磨耗损失，试验条件如表3。

表3.洛杉矶磨耗值试验条件（粗集料）

（四）集料压碎值试验

集料压碎值（ACV）试验，英国BS812：Part110:1990试验规范，与国内规范要求对比，主要试验步骤基本一致，其不同之处主要体现在试验结果的精度和准确性。此外，标准试样区间因标准筛规格的差异而稍有不同，国际标准试样区间为14～10mm，而国内为13.2～9.5mm。

英国标准骨料压碎值试验步骤中，在试验过程中分别记录M1（试验前试样总质量）和M2（通过2.36试验筛的细料质量），M3（筛余在2.36试验筛上的试样质量）。M2+M3后与M1进行试验损失比较，如果大于10g，该试验需废弃，应重新制备试样，按照试验程序另行试验。

骨料压碎值的计算结果，精确到一位小数，计算公式如下：

ACV = M2/M1 × 100 （式1）

计算两个平行试验结果的平均值，取整数，以平均值作为骨料压碎值的最终结果。将两个样品的试验结果分别同试验平均值做偏差表较，如果有个别试样结果偏差超过7%，则需再制备两个试样，进行重复试验，取四个试样结果的中值，以中值作为骨料压碎值的最终结果。

（五）集料坚固性试验

1.在AASHTO104-99（2003）中既有硫酸钠也有硫酸镁的试剂配制方法。配制方法要求的水的温度不同，配硫酸钠溶液所需水的温度为25℃，最大不超过30℃，配硫酸镁溶液所需水的温度要高于35℃。而国内规范只要求了使用硫酸钠溶液，并要求配制时水温为35～50℃。

2.粗集料试验所需各粒级试样质量不同，细集料坚固性试验均要求为100g。美国标准、国内标准规范对粗集料试样质量的要求见表4、表5。

3.AASHTO试验标准中，对试验循环次数和间隔时间要求与国内要求不一致。其对浸泡时间要求，每循环均为16～18h，试验时溶液温度要求控制在21±1℃，而国内则要求第一循环为20小时，其余四个试验循环为4小时，试验时溶液温度要求控制在20～25℃。前者对试验中试样在液面下的高度要求为15mm，而国内标准对网篮和其间距都做了规定。

4.试验报告成果记录和计算的方法有明显差异。

国内标准采用的计算公式为：

试样中各粒级颗粒的分计质量损失率按下式计算：

式中：Qi ——各粒级颗粒的分计质量损失百分率（%）；

mi ——各粒级试样试验前的烘干质量（g）；

ni——经硫酸钠溶液法试验后各粒级筛余颗粒的烘干质量（g）；

Q——试样总质量损失百分率（%）。

美国标准采用的计算公式为：

Q = ΣQi×%Retained （式4）

即：试样总质量损失百分比=Σ试样分计质量损失百分比×原样品分计筛余百分率

为了说明美国标准与国内标准之间的差异，此处以粗集料坚固性计算作以对比、分析：

表6.ASTMC88和AASHITO标准坚固性试验记录和计算成果

从表6、表7可以看出，式3可准确计算出试样中各粒级集料的总损失百分率为：

Q =（1.8%×510+1.1%×1000+6.7%×300）/1810=0.022=2%（取整數）

而式4则准确地计算出样品每粒级代表的该粒级材料的总质量损失率，对材料整体来说更具代表性，更准确地反映了试验样品的坚固性指标。其试样总质量损失百分率为：

Q =1.8%×45+1.1%×35+6.7%×20=2.535%=3%（取整数）

很显然，无论是在试验程序细节还是结果计算上，国际、国内标准都有较大差异。

表7.国标(JTG E42-2005)标准坚固性试验记录和计算成果

（六）10%细料值（TFV）

10%细料值试验在国内建筑材料试验中没有要求，但在埃塞公路工程中作为一项很重要的指标来要求。其试验方法与骨料压碎值（ACV）试验类似，现主要从其试验程序和结果计算上简要分析其不同之处。

1.试验程序

从试验样品的制备看，不管是干试样还是浸泡后试样的制备，同骨料压碎值测定都是一致的。从试验的具体操作程序看，与骨料压碎值试验不同的是：

（1）同样是在10分钟之内完成加压，但本试验不是以最大加压荷载400kN而是以试样总贯入度为匀速加压的依据，近似的归类为：

a.鹅卵石或砾石；总贯入 15mm；

b. 标准破碎石；总贯入 20mm；

c. 蜂窝结构的骨料如矿渣；总贯入 24mm.。

（2）按照要求完成加压和匀速贯入后，记录最大荷载值。按照骨料压碎值试验（ACV）中的步骤完成M1、M2、M3等值的称量并计算出细料过筛率即为本试验的细料值（取值精确到1g），其中对试样损失要求同样不得超过10g。如果其百分率小于7.5%，需另外制备试样，采用修改过的加荷最大值，来取得细料通过百分率，使其获得值在7.5%～12.5%范围内。试验均采用两组试样，进行平行试验。

2.结果计算

计算在骨料试样经过加压后通过2.36mm筛的细料值为10%时的试样受压力值，取整数，每个试样必须完成10%细料值的试验步骤，其通过百分比同样都在7.5%～12.5%范围内，计算采用以下公式：

式中：f——试验最大加压荷载(单位KN)

ｍ——试样材料在最大加压荷载时，细料通过2.36试验筛的百分比（结果必须在7.5%～12.5%范围内）

两组平行试验的平均值，如其值（荷载）≥100kN，其结果精确到10kN（两位数），如其值（荷载）﹤100kN，其结果精确到5kN。两组试验结果的平均值即为10%细料值（TFV）。

三、结束语

集料设计 篇3

关键词：程序,集料,级配设计

0引言

目前国内集料级配设计数据处理常用图解法,即先将集料分别进行筛分,得出各粒径集料的通过率,然后在x坐标为筛孔孔径,y坐标为通过率的表上分别画出通过率曲线,再用各集料曲线交叉距离或相隔距离的中点与此表对角线进行相交,得出点在y轴投影得到的比例即集料初步比例,然后反复调整。另一种方法即利用Excel表格,先将筛分结果输入,然后一步步将计算公式编辑完成,通过反复调整集料之间的比例,去寻求符合规范上下限要求的圆滑曲线,从而得出集料级配数据。这两种方法工作量较大,需进行反复调整,有时还会出现人为误差,以致得不到最佳结果。我们综合计算机C++程序语言进行编辑,发现此法数据自动给出,不需调整,方便快捷,准确实效。

1算法的实现

在交通、市政路基路面施工过程中,涉及到无机结合料稳定基层、沥青路面等,均有集料级配设计一项内容,它是将不同粒径的多种集料通过一定的比例掺配,以寻求满足一个有上下限要求的通过率。因此利用矩阵相乘原理,我们作如下设想:

假设有n种集料,需要过m个筛,那么可以获得n个关于通过率的数组,分别为A1[m],A2[m],…,An[m],而级配组合数组为B[j],通过率的上下限控制数组分别为C1[i]和C2[i]。显然,对于任何满足条件的级配,都应当满足:

$C{}_1[i]\le {\displaystyle \sum _{j=0}^{n-1}B}[j]A{}_j[i]\le C{}_2[i](i\in [0,m-1])$。

在本程序中,设计采用集料种类数目最大为5种,有效筛9个。

首先产生A1[m],A2[m],A3[m],A4[m],A5[m]5个数组,并对其赋值,并定义一个采用集料种类数组D[5]={0,0,0,0,0}(辅助程序设计),每采用一种料,就将D数组中的一位置为100。Kua为步长。

可见当mz=0时所获得的数组符合级配的要求。

当同一组数据进入以后,往往会出现数组符合条件的数据,此时,就要对其中的数据进行判断来得到最优解,在此,采用马歇尔体系中值最佳的说法。

由上面的代码,每次获得的数组为:

B[5]={100-l-k-j-i,l,k,j,i}。

其与中值的方差为:

${\displaystyle \sum _{i=0}^{m-1}(}C{}_1[i]/2+C{}_2[i]/2-{\displaystyle \sum _{j=1}^{n}A}{}_j[i]B[j-1]){}^2$。

通过求值最小的数据组即为最接近中值的数据。

2实例

沥青上面层AC-13不同规格集料筛分结果如表1所示。

集料合成级配要求采用交通部公路科学研究所推荐的工程级配范围,见表2。

我们将这两组数据输入对话框,即得出图1。

3结语

1)集料合成级配中,符合工程设计级配范围的比例有很多种,以接近中值为原则,得到最优组合,结果自动给出,避免人为误差,且方便快捷。2)通过实例的计算结果,说明利用C++程序对集料级配进行设计,优点较多,具有推广应用价值。

参考文献

[1]JTG E42-2005,公路工程集料试验规程[S].

[2]JTG F40-2004,公路沥青路面施工技术规范[S].

集料设计 篇4

( 1) 施工后缩裂阶段。刚完工时半刚性材料模量较高, 但同时由于干湿、温度等环境因素的影响作用, 半刚性材料会发生收缩开裂, 使整体结构层开裂成板块状 ( 板块长度都大于层厚的5倍) , 荷载作用于板块边缘 ( 裂缝两侧) 处产生的应力或位移量要大于板中, 因此, 按层状体系解计算得到的应力或应变值应乘以增大系数。

( 2) 疲劳开裂阶段。半刚性材料在荷载作用下出现疲劳裂缝, 并逐渐扩展, 半刚性材料从开裂的大块结构进一步开裂成细块, 从开始的裂块尺寸为厚度的1 ~ 5倍, 到最后小于厚度, 其模量进一步衰减。

( 3) 疲劳开裂成等效的粒料层阶段。在荷载反复作用下最终碎裂成小块, 各性能接近于粒料材料, 此时, 其不具有抗拉的疲劳性能, 此后的路面寿命取决于沥青面层疲劳开裂、粒料抗剪切破坏和路基的永久变形。

1三阶段设计方法步骤

为了使设计时的路面结构工作状态与实际的使用状况基本一致, 考虑半刚性材料在使用过程中强度和模量衰减特性, 半刚性基层沥青路面按以下三个阶段进行设计并计算其寿命, 才能达到耐久性的目的, 如图1所示。

(1) 半刚性材料层缩裂阶段的疲劳寿命。

(2) 水稳材料疲劳阶段的疲劳寿命。

( 3) 水稳材料破裂成等效的粒料阶段, 直到沥青面层疲劳损坏或者路基土车辙变形超过标准值, 导致路面的最终损坏阶段。

半刚性基层路面结构的总寿命为以上三个阶段疲劳寿命的总和。由于各个阶段的强度和模量发生了较大变化, 因此各个阶段的疲劳寿命应按相应阶段的强度和模量分别计算。

以下为半刚性基层沥青路面三个阶段设计的具体过程。对于半刚性基层材料, 本文的研究对象为水泥稳定再生集料。

第一阶段为水泥稳定再生集料基层和水泥稳定再生集料底基层均处于正常疲劳开裂阶段; 第二阶段为水泥稳定再生集料底基层破裂成等效的粒料层, 而水泥稳定再生集料基层处于正常的疲劳开裂阶段; 第三阶段为水泥稳定再生集料基层、底基层均破裂为等效的粒料层阶段。

为了使半刚性基层沥青路面结构达到耐久性, 第一阶段与第二阶段的疲劳寿命总和应不小于设计的使用寿命。即在水泥稳定再生集料底基层破裂成等效的粒料层, 而水泥稳定再生集料基层还处于正常的疲劳开裂时, 已达到路面的设计年限, 此时只需对路面的面层进行维修改造即可而不需要开膛剖肚式的维修基层。结合目前我国半刚性沥青路面的设计流程, 提出以下基于三阶段设计方法的耐久性再生集料半刚性基层沥青路面结构设计步骤, 具体如下:

( 1) 调查交通、气候、地质水文、筑路材料等状况, 并取样材料进行相关的试验, 以确定路面结构的设计参数, 确定土基回弹模量, 计算累计标准轴次Ne。

( 2) 初拟路面结构组合及厚度方案, 对各结构层分阶段 ( 半刚性层正常疲劳开裂阶段和半刚性层疲劳破坏为等效粒料层阶段) 进行受力分析, 得出最不利位置处面层层底拉应变 εt、半刚性材料层层底拉应力 σt、土基顶面压应变 εz。

( 3) 路面结构层底拉应力验算。路面结构层底拉应力 σt≤σＲ容许拉应力。如果满足上式的要求则进行下一步设计, 否则调整路面结构厚度或组合或材料组成及配合比。路面结构容许拉应力 σＲ按式 ( 1) 计算。

式 ( 1) 中: σs为路面结构材料的极限劈裂强度 ( MPa) , 对沥青混凝土是指15 ℃ 时的劈裂强度, 对水泥稳定类材料为龄期90 d的劈裂强度; Ks为抗拉强度结构系数, 对沥青混凝土:

对无机结合料稳定集料类:

式中: Ac为公路等级系数, 高速公路、一级公路为1. 0, 二级公路为1. 1; Ne为设计年限内一个车道的累计当量轴次 ( 次/车道) 。

( 4) 根据半刚性基层沥青路面三阶段设计方法, 按相应阶段各路面结构层的强度和模量分别计算各阶段中, 由面层、基层层底拉应变控制的沥青层和半刚性基层疲劳开裂的疲劳寿命Na, 以及由土基顶面压应变控制路面结构永久变形的疲劳寿命Ns。

由于我国对半刚性基层沥青路面各结构层的强度和模量的衰减及其破坏模式对应的传递函数缺乏相应的研究和数据, 为此本研究引用相关研究的成果［2］, 如表1、表2所示。

为设计出耐久性的、设计参数与性能指标相匹配的、协调性良好的骨架密实型水泥稳定再生集料, 确保水泥稳定再生集料不易出现开裂, 抗疲劳性能和水稳定等路用性能良好, 水泥稳定再生集料的推荐弹性模量如表3、表4所示。

沥青混合料的传递函数:

式 ( 4) 中: Nf为累计轴载作用次数; εt为沥青层临界拉应变。

水泥稳定再生集料在即将发生压碎破坏模式前的过程传递函数:

水泥稳定再生集料在发生压碎发展破坏模式时的过程传递函数:

式中: Nci和Nca为水泥稳定再生集料在即将发生压碎破坏模式时和在发生压碎发展破坏模式时的过程对应的累计轴载作用次数; σV为水泥稳定再生集料受到的正压力; UCS为水泥稳定再生集料无侧限抗压强度。

土基材料的破坏模式是永久变形, 其传递函数分为在道路表面产生10 mm或20 mm的车辙变形, 其传递函数如下:

系数A的取值如表5所示。

式 ( 7) 中: εV为土基顶面竖向应变。

( 5) 比较Na、Ns和Ne, 若第一阶段与第二阶段的疲劳寿命总和Na不小于设计的使用寿命Ne, 于是拟定的路面结构满足要求, 否则重新进行路面结构设计。

( 6) 技术经济比较, 确定最佳路面结构方案。

2三阶段设计实例

2. 1路面结构设计

我国目前对于特重交通等级的高速公路半刚性基层沥青路面的设计累计轴载作用次数均达108次, 其结构一般为: 18 cm沥青混凝土面层+ 40 cm水泥稳定碎石基层+ 20 cm水泥稳定碎石底基层, 南方多雨地区一般还会在土基上增加20 cm级配碎石垫层, 以改善地质水文状况等。

为使研究的路面结构具有代表性, 为此本研究对设计累计轴载作用次数均达108次的沥青路面进行基于骨架密实型水泥稳定再生集料的沥青路面耐久性结构设计, 初拟结构为18 cm沥青混凝土面层+ 40 cm水泥稳定再生集料基层+ 20 cm水泥稳定再生集料底基层。直接采用以上研究的试验数据, 路面结构层的参数取值如表6、表7所示。标准荷载: 100 k N, 土基和松散材料顶面永久变形引起的路表面产生20 mm的车辙变形。

2. 2拉应力验算

对以上路面结构设定以下边界条件:

( 1) 路面结构为多层线弹性体系, 各结构层的材料采用弹性模量和泊松比表征。

( 2) 路面各结构层的材料为均质、各向同性, 路面各层在水平方向为无限大。

( 3) 荷载为单轴双轮组圆形均布荷载。

采用基于多层弹性层状体系理论的BISAR3. 0进行以上路面结构的受力分析及拉应力验算, 具体的计算结果表8所示。

2. 3三阶段设计

2.3.1第一阶段

本阶段为水泥稳定再生集料基层和水泥稳定再生集料底基层均处于正常疲劳开裂阶段, 水泥稳定再生集料底基层即将发生压碎破坏模式, 路面结构层输入参数如表9所示。

根据各阶段对应的传递函数公式计算, 得出路面各结构层的寿命如表10所示。

由路面各结构层的寿命对比可得, 底基层的寿命最短, 在此路面结构中, 底基层最先被破坏。为此, 在第一阶段此路面结构的寿命, 即是底基层的寿命Nca= 8. 239 × 107次。

2. 3. 2第二阶段

本阶段为水泥稳定再生集料底基层破裂成等效的粒料层, 而水泥稳定再生集料基层处于正常的疲劳开裂阶段, 且水泥稳定再生集料底基层即将发生压碎破坏模式, 路面结构层输入参数如表11所示。

根据各阶段对应的传递函数公式, 计算得出路面各结构层的寿命如表12所示。此阶段由于水泥稳定再生集料底基层破裂成等效的粒料层, 所以该层的寿命不进行计算。

由路面各结构层的寿命对比可得, 基层的寿命最短, 在此路面结构中, 基层最先被破坏。为此, 在第二阶段此路面结构的寿命, 即是基层的寿命Nca= 7. 823 × 107次。

2. 3. 3第三阶段

本阶段为水泥稳定再生集料基层、底基层均破裂为等效的粒料层阶段, 路面结构层输入参数如表13所示。

根据各阶段对应的传递函数公式, 计算得出路面各结构层的寿命如表14。此阶段因水泥稳定再生集料基层、底基层破裂成等效的粒料层, 所以此两层的寿命不进行计算。

由路面各结构层的寿命对比可得, 沥青面层的寿命最短, 在此路面结构中, 沥青面层最先被破坏。 为此, 在第三阶段此路面结构的寿命, 即是沥青面层的寿命Nca= 3. 645 × 105次。这是由于水泥稳定再生集料基层、底基层破裂成等效的粒料层, 其受力状态发生了很大的改变, 此阶段的路面结构与第一阶段的路面结构在应力和应变方面已进行了重新分布, 水泥稳定再生集料基层、底基层破裂成等效的粒料层, 交通荷载基本由沥青面层和土基承担, 沥青面层也即将发生破裂。

由以上计算可得, 第一阶段与第二阶段的路面结构寿命之和为1. 606 × 108次, 大于设计累计轴载作用次数1. 0 × 108次, 满足要求。

如果采用以90 d抗压回弹模量和90 d劈裂强度进行计算路表面回弹弯沉值, 并验算沥青混凝土的层底拉应力及半刚性材料层的层底拉应力的方法, 则按表15所示路面结构设计参数, 路面结构的计算寿命为1. 024 × 108次。

由此可见, 基于再生集料半刚性基层沥青路面三阶段结构设计更能体现此结构层在不同的状况下其受力所对应的路面寿命, 分阶段选用的材料参数与实际路面结构层材料的工作状态基本吻合, 设计的路面结构使用状况与实际荷载作用下的使用状况基本接近, 比采用唯一不变的设计参数的弯沉设计方法更吻合于现实, 更反映了路面结构状态的发展过程。避免出现沥青路面弯沉值理想, 但路面出现破坏或是路面寿命短的现象。

3小结

结果表明, 基于再生集料半刚性基层沥青路面三阶段结构设计更能体现此结构层在不同的状况下其受力所对应的路面寿命, 分阶段选用的材料参数与实际路面结构层材料的工作状态基本吻合, 设计的路面结构使用状况与实际荷载作用下的使用状况基本接近, 比采用唯一不变的设计参数的弯沉设计方法更符合现实, 更反映了路面结构状态的发展过程。

参考文献

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集料设计 篇5

与普通混凝土相比, 影响轻集料混凝土性能的因素比较复杂。在此选用4种高强陶粒为粗骨料, 在相同配合比条件下对陶粒混凝土性能与组成进行试验研究, 主要讨论陶粒形状与表观密度对混凝土强度的影响。

1 试验材料与配合比

试验中4种高强陶粒 (见表1) 采用相同的配合比, 可以清楚的比较出陶粒的形状和表观密度对混凝土性能的影响。42.5普通硅酸盐水泥∶Ⅱ级粉煤灰∶Ⅱ区级配中粗砂∶陶粒∶水∶高效减水剂=284∶92∶732∶612∶170∶4.08∶水灰比为0.47;砂率为0.39%;坍落度为170 mm。

搅拌投料顺序为陶粒+砂+水泥及掺合料搅拌约30 s, 然后加水+外加剂, 再搅拌约2.5 min后出料, 人工成型, 尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。所有试件成形后24 h拆模, 标准养护到试验龄期后测试立方体强度及应力和应变。

2 结果与分析

达到试验龄期后测试结果见表1和图1。

2.1 陶粒的表观密度与混凝土强度的关系

对于普通混凝土来说, 由于粗骨料的强度远远高于砂浆的强度, 所以砂浆的强度成为影响混凝土强度的主要因素;对于轻集料混凝土来说, 影响其强度的因素包括轻集料的强度和砂浆的强度, 其中, 砂浆的强度高于轻集料的强度, 所以轻集料的强度成为影响该种混凝土强度的主要因素。而对于轻集料来说, 决定强度的主要因素是该集料的密实程度:集料越密实, 强度越高;相反, 集料越松散, 强度越低。对于集料来说, 表观密度即堆积密度, 是陶粒本身的密实度, 它不仅与陶粒形状有关, 还与级配情况有关。一般我们可以认为:集料的级配越连续, 则它的表观密度越大, 密实程度也越高, 相反, 集料的级配越均匀, 则它的表观密度越小, 密实程度就越低。从而, 我们也可以总结出:陶粒的表观密度也相应影响了陶粒混凝土的表观密度, 因此也影响了陶粒混凝土的强度等级。

由试验结果进行分析:

1) 不同陶粒的表观密度也不相同, 其对应混凝土的表观密度也会有一定的差别, 从而引起混凝土的强度产生一定的偏差。陶粒混凝土的强度随着陶粒表观密度的增大而提高。又因为陶粒的强度有限, 所以陶粒的强度和砂浆的强度均为影响陶粒混凝土强度的因素。不同形状、不同表观密度、不同强度的陶粒配制出的混凝土强度分别有一个上限值, 当混凝土强度接近上限值时陶粒的强度起到决定性的作用, 但当混凝土强度低于强度上限时, 砂浆的强度成为影响混凝土强度的主要因素, 要提高砂浆的强度必须增加水泥用量, 但是此法却是一种非常不经济的做法。由此可见:用某种陶粒配制混凝土时, 要配制出高强度、高密度的陶粒混凝土, 必须开发出高强度和高密度的高性能陶粒。

2) 在该试验配比范围内, 4种陶粒所配制的混凝土强度所达到的最大值分别是:碎石型陶粒:Rmax=67.2 MPa;短柱型陶粒:Rmax=64.1 MPa;废渣型陶粒:Rmax=58.8 MPa;圆球型陶粒:Rmax=53.6 MPa;4种陶粒所对应的筒压强度为:碎石型陶粒:8.2 MPa、短柱型陶粒:7.5 MPa、废渣型陶粒:11.0 MPa、圆球型陶粒:11.2 MPa。将4种陶粒的筒压强度与混凝土强度相比较发现:陶粒的筒压强度与混凝土强度之间没有直接的联系, 有的文献也得出了同样的结果, 文献[1]认为这是由筒压强度测试方法的局限性决定的。从试验结果发现:陶粒的形状与混凝土强度的关系密切。碎石型陶粒混凝土的强度最高, 而圆球型陶粒混凝土的强度最低。圆球型陶粒表面光滑, 吸水率低, 不利于与水泥石形成良好的界面粘结;轻集料混凝土破坏时, 通常表现为轻集料被劈裂破坏, 但考虑到轻集料自身的粒型, 圆球型陶粒更有利于裂缝沿球型界面扩展, 当裂缝扩展至和集料颗粒相遇时, 其扩展形式多为裂缝沿集料界面破坏, 降低了混凝土的强度。

3) 对于轻集料混凝土的应力-应变全曲线的典型特点是强度越高, 线性越显著, 下降段越陡[2,3]。强度低的陶粒混凝土应力-应变全曲线的下降段比较平缓, 相对来说有较好的延性, 而强度高的陶粒混凝土达到最大峰值应变后, 曲线骤然下跌, 表现出很大的脆性。而且强度越高, 下跌越陡。当考虑陶粒的形状时, 由图1可见, 碎石型陶粒混凝土的强度最高, 曲线最陡;圆球型陶粒混凝土的强度最低, 曲线最缓, 说明陶粒混凝土应力-应变全曲线下降段的陡缓与所组成的陶粒形状无关。

3 结 论

a.陶粒混凝土强度随着陶粒表观密度的增大而提高。

b.对于同种陶粒, 当它的形状不同时, 配制出混凝土的强度也不同。其中, 碎石型陶粒配制出的混凝土强度最高, 短柱型次之, 废渣型第三, 圆球型最低。

c.用不同形状的陶粒配制出的陶粒混凝土的应力-应变全曲线与普通混凝土基本一致, 曲线下降段的陡缓只随混凝土的强度不同而改变, 与所组成的陶粒形状无关。

参考文献

[1]刘巽伯.轻集料强度和强度标号[J].房材与应用, 1999 (1) :6-9.

[2]Almusallam T H, Alsayed S H.Stress-strain Relationshipof Normal, High-strength and Lightweight Concrete[J].Magazine of Concrete Research, 1995, 47 (70) :39-44.

广西石灰岩集料特性调研 篇6

关键词：道路工程,矿产资源分布,石灰岩,集料特性

1 广西石灰岩地区分布特点

广西地区石灰岩一般可以分为三种:硅质石灰岩、泥质灰岩、纯质石灰岩。

1.1 纯质石灰岩类

纯质石灰岩类的石山分布面积为1万5平方公里左右, 占整个广西地区裸露石山面积的1/3左右。其中多分布在都安峰丛区以及桂林阳朔一带。

1.2 硅质石灰岩类

该种石灰岩构成的石山分布面积达27841.15平方公里, 占广西地区裸露石山面积的60%, 几乎所有县市均有分布。其中以都安、梧州、北部湾、柳江、融安、南宁等分布最多, 面积均达1000平方公里以上。

1.3 含泥质灰岩

由石灰岩夹砂页岩或火成岩构成的石山丘陵面积约26580.45平方公里, 占整个广西地区面积的23%。主要分布在南丹、河池、鹿寨等地区[1]。

广西的石灰岩有矿区岩层厚度大、岩质优的特点。截至2010年底, 广西省已探明的矿床地共109处。其中大型18处, 中型41处, 小型36处, 矿点20处, 累计探明储量共46亿吨。广西地质调查院罗允义研究表明广西地区现已探明储量的石灰岩矿床有大型16处、中型31处、小型25处, 并综合地质法和遥感法调查发现, 石灰岩总面积达到了5万多平方公里, 占广西总面积五分之一, 估算总量达7.2万亿吨。引进遥感技术重新进行广西石灰岩分布区圈定和资源量估算, 相关统计结果如下表1所示[2]。

2 广西石灰岩的集料性能

如果将石灰岩石料作为沥青混凝土路面和水泥混凝土路面的路用材料, 那么一般来说评价石灰岩的指标主要有:抗压强度、压碎值、坚固性、洛杉矶磨耗损失和磨光值等。本文有代表性的选取了广西各个不同地区石场生产的石灰岩粗集料, 进行了一系列的粗集料物理力学性能调研, 分析石灰岩作为路用材料的可行性和适用性。

2.1 抗压强度

抗压强度, 是能够反映石灰岩相关性能的关键参数之一, 决定了矿石的坚硬与否。一般认为石灰岩岩质中二氧化硅等含量比玄武岩少, 其抗压强度比玄武岩相对较低, 因此施工单位偏好使用密度更大, 硅质矿物含量更高的玄武岩。表2为广西主要石灰岩矿场的岩石抗压强度。

从以上图表可以看出, 对广西地区大量石料场的石灰岩的抗压强度值进行汇总, 最大抗压强度为126.5Mpa, 最小的仅仅为82.1Mpa, 不过这依然大于规范要求的60MPa, 属于比较坚硬的岩石, 可以用于高速公路的使用条件。

2.2 坚固性能

高速公路表面层的集料长时间暴露在外界环境, 虽然有沥青膜保护, 但是集料本身还是要受自然环境对它的侵蚀, 使集料内部发生较大的物化反应, 岩石本身会发生风化, 破碎和松散, 影响了面层的耐久性。规范中采用集料坚固性试验来模拟集料在硫酸钠溶液多次浸泡与循环作用下抵抗硫酸钠结晶的能力, 测定石灰岩集料安定性。《沥青路面施工技术规范》中对路用石料坚固性做出了明确的要求。不管是高速公路还是一级公路, 或者等级比较低的公路, 这些公路所使用的集料的坚固性都应≤12%。

结合调研的广西地区各石料场的石料坚固性进行统计可得, 该地区石料的坚固值在2.97%-6.2%之间, 大大低于规范12%的限值。所调研的石灰岩坚固性都能满足沥青路面施工技术规范中的要求。由此可以推出:广西地区石灰岩应用于沥青面层中时, 在坚固性这一方面是满足规范要求的。

2.3 压碎性能

在机械荷载逐渐增大的情况下, 石料抵抗压碎的能力即为集料压碎值。它是集料的一种力学指标, 其值越大, 其在公路工程中的适用性就越好。《沥青路面施工技术规范》对所用石料的压碎值做出了明确要求。对于高速公路及一级公路的表面层, 石料的压碎值应该≤26%;其他面层所用石料的压碎值≤28%。长沙理工大学的祝明对广西省南宁市外环公路沿线碎石料场、靖那高速公路和河都高速公路所用碎石压碎值情况进行了汇总[3], 可以看出, 将所调研的广西地区各石料场的石料压碎值进行统计可得, 该地区石料的压碎值在11.3%-22.3%之间, 高于规范标准, 均能够很好地满足《沥青路面施工技术规范》的要求。由此我们可以推断出:广西地区的石灰岩在应用于各等级公路的沥青面层时, 在压碎值这一方面是能满足规范要求的。

2.4 磨耗性能

洛杉矶磨耗损失同样也是集料的一个重要指标, 该指标能很好地反映沥青路面的耐久性和安全使用性能。磨耗值越高, 说明粗集料越能经受汽车轮胎的磨耗, 不至于被早早磨光, 降低行驶安全性;经过统计广西主要石灰岩矿场的磨耗值[4]。将所调研的广西地区各石料场的石料磨耗损失进行统计可得, 该地区石料的磨耗损失最大为25.2%, 最小为15.5%。

在《沥青路面施工技术规范》中, 对石料的磨耗损失主要如下:高速公路及一级公路的表面层, 洛杉矶磨耗损失≤28%;其他面层, 洛杉矶磨耗损失≤30%。而对于一级公路以下的公路, 洛杉矶磨耗损失应该≤35%。可以推断出, 均满足《沥青路面施工技术规范》中对石料应用与沥青路面面层的要求。由此可以推出:广西地区石灰岩应用于沥青面层中时, 在磨耗损失这一方面是满足规范要求的。

2.5 磨光性能

高速公路路面表面层粗集料受到汽车轮胎荷载的反复摩擦, 从而其表面的沥青膜被轮胎磨失, 粗集料在沥青磨掉后暴露在外, 经过相当时间后, 道路抗滑就主要依靠粗集料了。因此, 用集料磨光值来表征路面集料的耐摩擦性, 当磨光值较大, 对于路面来说越有积极效应。磨光值小, 路面越容易被磨光, 对于汽车安全驾驶越不利。而广西省所属区域作为为潮湿区, 当石灰岩石料应用于高速公路及一级公路的表面层, 磨光值应满足>42。从相关广西主要石灰岩矿场的磨光值汇总中可以看出, 各石料场的石料磨光值基本维持在38-43, 仅仅略微小于规范要求的42, 而仅仅只有个别石料场的石料满足规范的磨光值要求。由此可以看出, 广西石灰岩应用与沥青路面表面层时, 在磨光值这一方面只有个别料场的石料满足规范要求, 绝大多数的料场是不满足规范要求的。

3 结语

(1) 广西石灰岩矿物储量相当巨大, 分布范围广泛, 分布在广西西北地区, 西南地区以及东北地区, 在广西省各大厂区均有分布。储量大, 岩质好, 开采方便将是广西石灰岩应用与沥青路面面层的一大优势, 亟待开发, 对于当地经济有很好的提升作用。

(2) 广西石灰岩应用于沥青路面面层中时, 在单轴抗压强度性能、坚固性能、压碎性能、磨耗性能等方面均能满足规范的要求, 在磨光性能方面只有个别石料厂的石灰岩能满足要求。如果磨光值能够满足要求, 那么在公路建设时就可以用石灰岩替代玄武岩, 可以节约工程成本。建议铺设试验路进行验证。

参考文献

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[2]罗允义.广西石灰岩成矿预测、资源总量估算及综合开发利用研究[J].桂林工学院学报, 2002 (03) :328-332.

[3]祝明.广西地区石灰岩碎石压碎值特性及对混凝土抗压强度的影响[J].长沙理工大学, 2012.

沥青-集料黏附性能简化计算模型 篇7

1 数字图像的采集

在自然光线下使用数码相机采集沥青-集料黏附性能试验试样, 进行图像处理时易出现下列问题: (1) 难以区分深色集料与集料上裹覆沥青之间的边界 (图1黄色部分) ; (2) 在水中的沥青会产生光的反射产生亮斑 (图1蓝色部分) ; (3) 侧向光对试样照射产生的阴影会被误划分为集料部分 (图1红色部分) 。这些问题都会导致试验结果产生误差。

为解决上述问题, 引入了光的反射及成像原理[2]。相对于沥青, 集料表面光感粗糙, 表面的变化在波长上比沥青大几个数量级。在散射的自然光照射条件下无论是沥青表面镜面反射还是集料表面漫反射, 二者的反射光线都是杂乱无章, 如图2所示。因此获取的图片上, 沥青与集料的亮度差异较小, 计算机难以准确区分。但如果采用小光谱带宽并具有定向性的照明光源, 粗糙的集料表面发生的漫反射的反射光线会发散到各个方向, 而光滑的沥青表面发生的镜面反射的光线都是朝同一个方向反射, 此种情况下沥青与集料的反射率差异较大, 选取合适的角度采集图像, 能够成功将沥青与集料区别开。

基于上述理论, 采用定向光源, 设计了一种自动图像采集系统[3]。采集到的黏附试验试样图像上有三种不同的颜色, 即黑色 (沥青面积) 、红色 (集料面积) 、橙色 (背景部分) 。采用Image Pro-plus软件计算出不同颜色区域的面积, 就可得到集料表面剩余的沥青面积占整个集料表面的百分比即沥青-集料黏附性能。

2 数字图像处理

2.1 数字图像采集误差

由于数码相机获得的照片是二维平面图形, 在自动测量系统中拍照成像时最能反映真实颜色的面是与镜头平行的面。而裹附沥青的集料是一个三维实体, 这就可能造成人眼能够观察到的集料侧面上裹附的沥青不能真实地呈现在图像上。如图3所示, (a) 为从集料正上方采集的图像, 从图像可以看出集料的四周均未裹附沥青, (b) 为从集料侧面采集的图像, 从图像可以看出集料的侧面仍裹附沥青。在成像过程中, 考虑光线的强度、色彩的对比度, 需要从试样的正上方采集图像;在这种情况下使用Image Pro-plus软件对图片上的黑色部分 (沥青) 进行勾选时, 在图像上选出的沥青部分少于真实的沥青部分, 这样会产生较大的误差。

樊亮等人[4]用图像分析法进行沥青剥落面积定量化研究时也发现类似的问题, 他建议使用平面型的集料进行分析。但扁平状的集料不宜作为筑路材料;且路面实际使用的集料大多都为立体型集料, 在图像采集过程中为保证集料摆放平稳, 也容易使得集料表面较扁平的一面朝下放置。为解决二维图像不能够完全表达三维物体的真实情况的问题, 本文提出一个简化模型及修正系数, 以减少数据处理误差。

2.2 模型的选择

考虑试样的实际情况以及为了计算简便, 将所有摆放的集料试样简化等效为一个四棱台体。简化模型的俯视和立面图如图4所示, 其中黑色部分为与镜头平行的集料表面部分, 此部分集料表面裹附的沥青可很好地呈现在数字图像中;红色部分为集料的侧面, 其表面裹附的沥青由于拍摄角度问题在图像中难以呈现。理论上根据软件分析得到的沥青面积与集料面积的比值就可得到集料表面沥青残留率, 但由于光线的问题, 无法获取图3中红色部分 (即集料侧面的) 上的沥青。因此引入一个修正系数ki, 将观测到的集料总面积SAi=ai2转换为集料有效面积

随着黏附性试验时间的增加, 每隔一段时间, 试样被取出拍照以计算沥青的残留率。在每次在摆放过程中, 集料的底面可能会略有不同, 造成不同时段集料总面积SAi及有效面积S'Ai略有变化。不论试样何时取出, 其体积V不变;为计算简便, 假设等效的正棱台体高度h不变。

已知正棱台体体积V为

将修正系数ki代入式 (1) 得

式中, m为集料的总质量 (g) ;ρ为集料的表观密度 (g/cm3) ;PAi为i时段集料的像素点数与整个图片的像素点数之比;PBi为i时段沥青的像素点数与整个图片的像素点数之比;Ri为i时段集料表面的沥青残留率 (%) 。

对于0 h的黏附性试样, 集料表面完全由沥青所覆盖, 由软件从照片中分析出的沥青与集料的总面积比值即为。此时集料的有效面积内全部为沥青, 沥青残留率R0为100%, 。根据公式 (2) , 可获得假设模型的体积及高度。当黏附性试验进展i h, 使用图像处理软件从试样的数字图像中可算得PAi、PBi, 通过采集图片中固定长度参照物的像素值, 可获得SAi及ai, 根据公式 (1) 可求得对应i小时的a'i, 根据式 (2) 、式 (3) 从而推算出ki及Ri。

2.3 模型在黏附性试验中的运用

黏附性试验采用一种玄武岩, 取三组平行试样, 其中一组试样所用的集料质量m=102.33 g, 表观密度ρ=2.921 g/cm3。在黏附性试验开始时 (0 h) 以及以后的每0.5 h (0.5 h, 1.0 h, 1.5 h, 2.0 h, 2.5 h) 这6个时间点试样进行图像采集。

以2.5 h沥青在集料表面残留率计算为例, 利用Image Pro-plus软件对0 h以及2.5 h采集的试样图片进行处理, 获得图像处理数据见表1。根据0 h采集图像处理数据可以计算出该时段集料总面积SA0与有效面积S'A0的比值k0=3.098。由式 (1) 、式 (2) 可得简化等效的四棱台体高度h=0.768 cm。由于假设四棱台体高度随时间不发生变化, 因此依据0 h算得的高度h, 2.5 h采集图像处理数据获得SA2.5=76.71 cm2及a2.5=8.759 cm, 以及式 (1) 、式 (2) 可得a'2.5=4.526 cm, k2.5=3.745, 最终可算得2.5 h集料表面的沥青残留率R2.5=61.85%。

按照上述的方法, 获得不同时段集料表面沥青残留度平均值见表2。从结果可以看出, 通过简化模型的计算, 减少了图像处理带来的误差, 并能较好区分不同时段沥青-集料黏附性能。

3 结论

为减少人为观测对黏附性试验结果造成的主观误差, 引入数字图像处理技术。但由于物体成像的缺陷, 造成集料侧表面沥青不易反映在试验结果内。因此将集料简化为一四棱台体, 引入一修正系数, 只考虑四棱台体上底面的沥青残留量, 即与相机平行集料表面的残留沥青。通过这种简化模型计算方法, 能快速计算出不同时段沥青-集料粘附性能, 有效地减小了由于集料侧面表面沥青不能在图像上反映所带来的误差。

参考文献

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浅议沥青与集料的粘附性 篇8

1 沥青与集料粘附性基本理论

1.1 力学理论

沥青与集料之间的粘附性主要是由于其间分子力的作用[1]。从微观角度看,集料的表面是粗糙和高低不平的,这种粗糙增加了集料的表面积,使沥青和集料的粘合(界)面积增大,提高了两者之间总的粘结力。此外,集料的表面存在着各种形状、各种取向、各种大小的孔隙和微裂缝,由于吸附与毛细作用,沥青渗入上述孔隙与裂缝,增加了两者结合的总内表面积,从而提高了总的粘结力。再者,沥青在高温时以液相渗入骨料孔隙与微裂隙中,当温度降低后,沥青则在孔隙中发生胶凝硬化,这种锲入与锚固作用,增强了沥青与集料之间的机械结合力[2]。

1.2 化学反应理论

沥青与集料之间的粘附性主要来源于沥青与集料表面发生化学反应。石油沥青中含有大量的酸性及碱性化合物,且酸性组分高于碱性组分。碱性集料如石灰岩表面存在碱性活性中心,容易与沥青中的酸性成分发生化学反应,生成不溶于水的化合物,故粘附性好。而酸性集料如花岗岩表面缺乏这种碱性活性中心,故较少发生化学反应,所以粘附性差。

1.3 分子定向理论

沥青与集料之间的粘附性是由于沥青中的表面活性物质对集料表面的定向吸附而形成的。如果一个分子中的正电荷与负电荷排列不对称,就会引起电性不对称,因而分子的一部分有较显著的阳性,另一部分有较显著的阴性,这些分子能互相吸引而成较大的分子。表面活性物质的分子是由极性基和非极性基组成的不对称结构,偶极矩较大,故能表现出力场。沥青可视为表面活性物质在非极性化合物中的溶液,根据所含表面活性物质数量的不同而具有不同活性。沥青粘附在集料表面后,沥青在石料表面首先发生极性分子定向排列而形成吸附层,与此同时,在极性力场中的非极性分子,由于得到极性的感应而获得额外的定向能力,从而构成致密的表面吸附层。因此认为,沥青的极性是粘附的本质,是导致集料吸附沥青的根本原因。

1.4 静电理论

静电理论认为当沥青与集料接触时,沥青—集料体系形成双电层而产生静电引力。它可以看作一个电容器由于两种不同的物质接触而充电,界面的作用力就是双电层之间的作用力。

2 粘附性的影响因素

2.1 沥青性质对粘附性的影响

沥青是一种成分极为复杂的化合物,按照色谱分析法可将其分解成沥青质、饱和分、芳香分和胶质四种组分。研究表明:饱和分和芳香分都作为油分,在沥青中起着润滑和柔软作用,且均属于低分子化合物,是非极性物质,主要以范德华力与矿料表面发生吸附[3],故与集料的粘附力较弱,很容易脱附。而胶质与沥青质均为带有极性或是表面活性的物质,沥青中具有化学活性组分的沥青酸、沥青酸酐等极性组分基本都集中在胶质和沥青质中,这些成分与集料表面发生化学吸附,故吸附力较强。

此外,沥青组分中属于酸性的物质有环烷酸、地沥青酸。沥青酸和沥青酸酐是沥青中活性最大的组分,它改善了沥青对矿物质的浸润性,特别是提高了沥青与集料的粘附强度。沥青的酸性越大,与矿料的粘附性就越好,在沥青混合料中沥青从矿料表面的剥落度就越小。

2.2 集料性质对沥青与集料粘附性的影响

集料在沥青混合料中与沥青发生复杂的物理化学作用,集料的化学性质在很大程度上影响着混合料的物理力学性质。集料的酸碱性也会影响到沥青与集料的粘附性。一般认为碱性较强的集料与沥青的粘附性好,酸性集料与沥青的粘附性差[4]。

此外,集料表面电荷及比表面等性质可以在很大程度上反映集料与沥青的粘附性。当集料被粉碎成细颗粒作为分散相分散于介质水中,在每个颗粒周围会形成双电层。由于在组成双电层之一的扩散层内,存在着过剩反离子的净电荷,这些离子在电场的作用下发生移动。由于这些离子是水合离子,故在其本身运动的同时,将带动水的运动,运动方向取决于矿料表面普遍带有电荷的性质。矿料表面普遍带有电荷的性质不同,其方向也异。故可根据液体运动的方向判定矿料表面所带电荷的性质。而所测试的电势,就是矿料与水两相发生相对运动的边界处与液体内部的电位差。这个电位的大小,在双电层厚度一定的情况下,取决于矿料表面占主导地位的电荷密度,即电荷密度越大, ζ电位越大。研究表明:ζ电位越大,即矿料表面的电荷密度越大,集料与沥青的粘附性越好[5]。

2.3 水及荷载对集料和沥青粘附性的影响

影响沥青与集料粘附性的因素除了沥青、集料本身的性质等内因外,还包括水和荷载等外因。水及交通荷载的存在是沥青与集料发生粘附性破坏而剥离的先决条件。洁净的集料在干燥条件下与沥青粘附良好,然而水在沥青路面施工过程中,以及在以后的服务期内都是不可避免的。首先,集料在与沥青拌和前可能未被充分干燥,尤其是多孔性石料,水分容易渗透到骨料内部的毛细管中,并在以后会慢慢渗出进入沥青与集料的界面之间,使其相互分离。其次,在雨季,尤其是在梅雨季节,尽管雨量不大,但持续时间很长,可能达数月之久。沥青混合料长时间处于水的包围之中,水分就很容易浸润到集料与沥青的界面上,导致沥青膜被水置换,发生剥离。交通荷载的反复作用是加速水损坏进程的重要因素。当路面上有水时,汽车的通过会形成一种水力冲刷现象,在轮胎前面的水受轮胎挤压挤入路表面的空隙中,造成水压力,轮胎通过后在轮胎的后方又形成负压,将空隙中的水吸出,这种挤入和吸出的反复循环,便形成了水力冲刷,使集料松散、掉粒、继而成为坑槽而造成路面破坏。

3 粘附性试验方法

3.1 水煮法

水煮法在我国应用非常广泛,适用于基质沥青、改性沥青、经过热处理的掺加抗剥落剂的沥青。大致步骤为:将集料置于105±5℃烘箱中1h,将沥青加热,将加热的集料颗粒浸入沥青45s后取出,挂于试验架上15min。将冷却的集料颗粒浸入保持微沸状态的水中,3min后观察沥青膜剥落情况。水煮法因为其判断结果是人为肉眼判断,故主观因素导致有时试验结果区分度不够大,很难判断两种外观接近的试验试件哪个粘附性能更好,并且没有建立与现场的相关关系。但水煮法亦具有试验时间短、设备简单、容易操作、沥青膜剥落情况直观明显等优点。

3.2 水浸法

水浸法是日本的标准方法,试验时选用20颗已用沥青拌和裹覆的石料,浸泡在80℃的恒温水槽中30min,然后评价沥青膜剥离面积的百分率。与水煮法相比,水浸法的温度恒定,没有人为因素;但水没有沸腾,完全处于静止状态,更缺乏水力的冲刷作用,所以要延长时间到30min来弥补。与水煮法一样,水浸法同样存在主观因素对剥落率的评价影响大的缺点。

3.3 光电比色法

光电比色法的基本原理是基于物质在光的激发下,对光波长的选择性吸收,而有各自的吸收光带,当已色散后的光谱通过某一溶液时,某些波长的光线会被溶液吸收,在通过溶液的光谱中出现相应的黑暗谱带。根据波尔定律,在一定的波长下,溶液中某一种物质的浓度与光的吸收效应存在一定关系,即有色溶液的吸光度与溶液的浓度、液层厚度成正比。光电分光光度计就是将透过溶液的光线通过光电转换器将光能装换成电能,从指示器上读出相应的吸光度,通过吸光度与浓度的关系曲线,可以得到原集料及裹覆沥青膜的集料在吸附试验后染料残留的浓度,并计算出原集料的吸附量,混合料剥落试验后的吸附量,以及沥青膜的剥落率。

光电比色法测得的粘附性指标完全量化,试验过程中人为因素影响较小。但是试验操作要求较高,试验数据普遍偏大,因为试验结果不仅包括了沥青自矿料表面剥落的百分率,也包括了沥青自矿料表面剥离但未剥落的百分率。

3.4 SHRP净吸附法

美国SHRP研究内容中,曾经报道过采用一种搅动水净吸附法测定沥青与集料的粘附性的方法。它是基于矿料表面对沥青有吸附作用,以及遇水后水对沥青膜的置换作用,即水使沥青膜剥落的特性,将一定粒级的集料放在沥青-甲苯溶液中一段时间进行循坏回流,则会有一部分沥青吸附到集料表面,之后,向沥青-甲苯溶液中加入一定量的水,让水对吸附在集料表面的沥青进行置换。这一系列的过程便会使沥青-甲苯溶液中沥青的浓度发生变化,利用光电分光光度计测定溶液的吸光度,即可计算出矿料对沥青的吸附量及加水后沥青的剥落量,以及计算出自矿料表面剥落的沥青剥落率或吸附率[6]。

这种方法不再使用染料示踪,直接用沥青-甲苯溶液中沥青浓度的改变来计算剥落率,误差小,外界干扰因素小,数据客观、重现性好。但是试验操作复杂,要求高,时间长,并且与现行规范没有联系。

由此可见,每种试验方法都存在自己的优点以及无法避免的缺点,相较而言,水煮法和水浸法属于半量化的试验方法,试验结果受人为因素的影响较大,但是试验操作简单,容易掌握;光电比色法和净吸附法属于量化的试验方法,试验结果受人为影响因素小,但是试验操作复杂。就我国目前的状况,水煮法和水浸法显得更易于接受及普及,将在很长一段时期内仍作为我国评价沥青与集料的粘附性的主要试验方法。

4 结论

(1)沥青与集料的粘附是一个复杂的物理化学过程,目前有力学理论、化学反应理论、分子定向理论、静电理论等四种理论可用来解释其粘附机理。但以上几种理论均是从沥青与集料粘附机理的某一个方面进行的解释,任何一种单独的理论都无法全面系统地解释沥青与集料的粘附性。

(2)影响沥青和集料粘附性的因素有很多,其中沥青、集料、水及荷载的影响更为显著。一般认为,沥青的酸性越大,与矿料的粘附性就越好;碱性较强,矿料表面的电荷密度越大的集料与沥青的粘附性越好;而水及交通荷载的存在是沥青与集料发生粘附性破坏而剥离的先决条件。

(3)沥青与集料粘附性的试验方法有很多,其中水煮法和水浸法属于半量化的试验方法,试验结果受人为因素的影响较大,但操作简单;光电比色法和净吸附法属于量化的试验方法,试验结果受人为影响因素小,但是试验操作复杂。

参考文献

[1]王抒音,周纯秀.提高沥青—酸性集料抗水损害的试验研究[J].中国公路学报,2003,16(1):6-9

[2]周卫峰.沥青与集料粘附性研究[D].长安大学硕士论文,2002年4月

[3]延西利,梁春雨.沥青与石料间的剪切粘附性研究[J].中国公路学报,2001,14(4):25-27

[4]王华.沥青混合料的水稳性研究[D].长安大学硕士学位论文,2004年5月

[5]周卫锋,张秀丽,原健安等.影响粘附性的集料性质分析[J].石油沥青,2003,17(4):19-24