[发明专利]基于颗粒堆积理论的沥青混合料级配设计方法

说明书

本发明公开了一种基于颗粒堆积理论的沥青混合料级配设计方法，包括步骤：一、确定粗集料颗粒掺配，101、计算沥青混合料粗集料颗粒的当量球体半径，102、计算在约束条件下粗集料颗粒的当量球配位数，103、获取在约束条件下粗集料颗粒混合球体总表面积的极大值，104、获取粗集料颗粒的最大配位数优化模型，105、获取粗集料颗粒的最大表面积优化模型；二、确定细集料颗粒掺配；三、确定沥青混合料级配。本发明以矿质集料配位数和表面积为确定不同粒径矿料掺配比例的两个控制性因素，以减少沥青混合料级配选择的盲目性与变异性，对沥青混合料级配控制提供合理的依据。

技术领域

本发明属于沥青混合料级配设计技术领域，具体涉及一种基于颗粒堆积理论的沥青混合料级配设计方法。

背景技术

沥青混合料是将沥青与矿料按照一定比例混合压实形成的满足一定力学性能与路用性能的复合材料。通常无机矿料占沥青混合料总质量的95％以上，且沥青混合料70％～80％的中长期性能由矿料提供。矿料自身的物理力学性质和工程性能以及良好的矿料级配是保证与提高沥青混合料性能的关键。长期以来，沥青混合料设计以体积设计法为核心，从传统的马歇尔设计法，到Superpave设计法、多级嵌挤骨架填充、SAC多碎石沥青混合料设计法都是以体积设计方法为基础发展起来的，通过致力于不断改进级配设计寻求集料最优组合，“最优组合”的评价标准通常包括密实性、粗集料骨架空隙率或者骨架强度CBR等，缺乏混合料骨架结构的有效评价。

矿质集料形成骨架结构，更好的进行应力传递，必须通过集料颗粒间的相互接触，即接触点是应力荷载传递的中介。对于沥青混合料矿料级配的设计，使其如何提供最大的骨架强度或者说如何增加颗粒间接触点数量，即增加配位数的个数应该成为级配设计的重要考虑因素。良好的沥青混合料矿料级配设计组成，其空隙率在热稳定性容许的条件下最小且有充分的表面积以裹覆足够的结构沥青，使矿料颗粒处于最紧密装填从而最大限度地发挥其结构强度应以最好的使用品质。

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中的不足，提供一种基于颗粒堆积理论的沥青混合料级配设计方法，以矿质集料配位数和表面积为确定不同粒径矿料掺配比例的两个控制性因素，以减少沥青混合料级配选择的盲目性与变异性，对沥青混合料级配控制提供合理的依据，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于颗粒堆积理论的沥青混合料级配设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、确定粗集料颗粒掺配：将颗粒粒径不小于4.75mm的颗粒视为粗集料颗粒，根据颗粒堆积理论确定粗集料颗粒掺配，过程如下：

步骤101、计算沥青混合料粗集料颗粒的当量球体半径：根据颗粒堆积理论，粗集料颗粒掺配中粗集料颗粒混合球体总质量与粗集料颗粒当量球体总质量相同，粗集料颗粒混合球体总表面积与粗集料颗粒当量球体总表面积相同，则得出粗集料颗粒当量球体半径其中，m_粗为粗集料颗粒当量球体个数，ρ_粗为粗集料颗粒密度，M_粗为粗集料颗粒混合球体总质量，α_粗为粗集料颗粒混合球体总表面积且n为粗集料颗粒中球体颗粒种数，i为粗集料颗粒中球体颗粒编号，r_i为粗集料颗粒中第i种球体颗粒的粒径，x_i为粒径r_i的球体颗粒的个数；

步骤102、计算在约束条件下粗集料颗粒的当量球配位数：根据公式计算在约束条件下粗集料颗粒当量球配位数N_粗当，其中，粗集料颗粒的当量球配位数的约束条件为S_粗为粗集料颗粒当量包裹球面积且为粗集料颗粒当量球的平均球冠投影面积且N_粗为粗集料颗粒中各球体颗粒自然堆积状态下配位数；

步骤103、获取在约束条件下粗集料颗粒混合球体总表面积α_粗的极大值：粗集料颗粒混合球体总表面积的约束条件为max(·)为极大值函数，η_粗为粗集料骨架退化系数；