集料混合料的矿料间隙率及其特征值的测定方法.pdf

本发明涉及一种集料混合料的矿料间隙率及其特征值的测定方法，属于道路工程领域。一种集料混合料的矿料间隙率及其特征值的测定方法，通过测定待测集料混合料在每个捣实水平下的矿料间隙率，记录为VCA1～VCAn，建立矿料间隙率与捣实次数之间的数学模型：VCA＝a(1/N)2+b(1/N)+c，当捣实次数无限大时的VCA就是待测矿料间隙率的特征值；由于本发明的测定方法，将击碎率控在最小，可操作性强，人为因素影响小，数据真实反映相应捣实程度下的矿料间隙率，使得获得的特征值也能真实反映待测集料的矿料间隙率。

1.  一种集料混合料矿料间隙率的测定方法，步骤如下：
(1)按待测集料混合料的最大公称粒径选择相应尺寸的试桶，并称取集料混合料；
(2)第一层装入总质量的2/5集料混合料，整平表面并铺上软质垫片，捣实，取下垫片；第二层装入总质量的2/5集料混合料，操作方法同第一层；第三层装入总质量的1/5集料混合料，操作方法同第一层，垫片为硬质尼龙材料垫块；
(3)测量硬质尼龙材料垫块表面到试桶边沿的高度h’；
(4)称取捣实后集料混合料的质量m₀；
(5)按照如下公式计算集料混合料捣实密度
ρ_捣＝m₀/{π*(D₀/2)²*[H₀-(h+h’)]}
ρ_捣-集料混合料捣实密度(g/cm³)；
m₀——集料混合料质量(g)；
D₀-试桶内直径(mm)；
H₀-试桶的深度(mm)；
h-硬质尼龙材料垫块的厚度(mm)；
h’-硬质尼龙材料垫块表面到试桶边缘的高度(mm)；
集料混合料的矿料间隙率计算公式：

式中：VCA——集料混合料矿料间隙率(％)；
ρ_b——集料混合料合成毛体积密度(g/cm³)。

2.  根据权利要求1所述的集料混合料矿料间隙率的测定方法，所述装入集料混合料后用圆头的捣棒沿周边及中间插捣10-20次。

3.  根据权利要求1所述的集料混合料矿料间隙率的测定方法，所述捣实采用集料矿料间隙率捣实仪。

4.  根据权利要求3所述的集料混合料矿料间隙率的测定方法，所述捣实仪的捣实锤采用聚氨酯材料的锤头。

5.  根据权利要求1或2或3或4所述的集料混合料矿料间隙率的测定方法，所述测量h’时采用测深尺按十字垂直的四个方向量取硬质尼龙材料垫块表面到试桶边沿的高h₁～h₄，取h₁～h₄的平均值。

6.  一种集料混合料矿料间隙率特征值的测定方法，步骤如下：
(1)设定7个水平的捣实次数N₁～N₇，
(2)采用权利要求1或2或3或4所述的集料混合料矿料间隙率的测定方法测定待测集料混合料在每个捣实水平下的矿料间隙率，记录为VCA₁～VCA₇，
(3)建立矿料间隙率与捣实次数之间的数学模型：
VCA=a(1N)2+b(1N)+c]]>
式中：N——捣实次数，
a，b，c-为回归系数；
当N趋向于无穷大时，待测集料混合料的矿料间隙率特征值VCA^T＝C。

7.  根据权利要求6所述的集料混合料矿料间隙率特征值的测定方法，所述捣实次数N₁～N₇依次为28，56，84，112，140，168，196次。

集料混合料的矿料间隙率及其特征值的测定方法
技术领域
本发明设计道路工程领域，特别涉及一种集料混合料的矿料间隙率及其特征值的测定方法。
背景技术
矿料间隙率指的是集料混合料堆积在一起所形成的间隙，由于混合料颗粒的几何形状、搭配比例以及排列的方式和紧密程度存在差异，矿料间隙率值将有所不同。
对于指定的集料混合料其颗粒的几何形状特征和搭配比例是确定的，则在实际的捣实试验过程中，在矿料不被压碎的状态下，随着捣实次数的增加，矿料间的紧密程度将逐渐增加，矿料间隙率逐渐减小，并应趋近一个稳定值，该稳定值即为这种混合料的矿料间隙率特征值。
集料混合料的矿料间隙率是评价沥青混合料骨架紧密程度的一项重要指标，近年来随着骨架-密实型沥青混合料的广泛应用，粗集料矿料间隙率的测定和标准研究也越来越受到重视。作为评价骨架紧密程度的指标，其试验测定包括两个重要问题：(1)在没有细集料干涉作用下，任何状态下的粗集料堆积状态都是形成了骨架，但是不同的骨架排列方式，其紧密程度却差异巨大，因此采用哪种堆积状态下的矿料间隙率评价沥青混合料中粗集料的紧密程度更为合适？是设计所关心的问题；(2)粗集料的堆积密度如何测定？对于第一个问题，究竟采用什么状态下的堆积密度来评价沥青混合料中粗集料的紧密程度更为客观准确，在现有技术中，对于粗集料的捣实，我国《公路工程集料试验规程》规定采用人工捣实和振动台振动的方法，这些方法的主要弊端在于：捣实的试件表面需要人工填平，人为因素影响大，导致结果的重复性不高；其次捣实功无法量化，量化捣实功可以帮助我们与后期的沥青混合料设计建立起联系，可以作为一个设计参数固定下来，现有方法下所得到的VCA值与集料混合料中间隙率形成的状态差异大，采用干捣实方法作用的捣实功明显小于沥青混合料成型的捣实功，所形成的集料混合料空隙率偏大，作为集料混合料骨架紧密状态的评价标准过于宽松，失去了控制意义；有研究者为了避免上述问题，采取了直接应用马歇尔击实设备进行集料混合料的捣实，该方法虽然能够满足捣实功的要求，但是实验的结果显示集料的击碎率过大，实际形成的粗集料混合料已经偏离设计级配，测定的粗集料矿料间隙率不具有代表性，国外有研究采用过SGC(旋转压实仪)来进行粗集料的压实，并测定该状态下的矿料间隙率VCA值，但是同样存在压碎比较严重这样一个弊端。第二个问题，集料混合料的矿料间隙率VCA值如何测定，目前普遍采取公式计算矿料间隙率，VCA仅仅是一个捣实次数水平下的值，伴随着集料击碎率过大，该值与实际值严重偏离，参考意义不大，鉴于现有测定方法存在的问题，有必要对矿料间隙率测定方法进行改进。
发明内容
本发明针对上述领域存在的问题，提出一种集料混合料矿料间隙率及其特征值的测定方法，可操作性强，克服了测定过程人为影响因素，获得的数据重复性好且具有实际指导意义。
一种集料混合料矿料间隙率的测定方法，步骤如下：
(1)按待测集料混合料的最大公称粒径选择相应尺寸的试桶，并称取集料混合料；
(2)第一层装入总质量的2/5集料混合料，整平表面并铺上软质胶垫片，捣实，取下垫片；第二层装入总质量的2/5集料混合料，操作方法同第一层；第三层装入总质量的1/5集料混合料，操作方法同第一层，垫片为硬质尼龙材料垫块；
(3)测量硬质尼龙材料垫块表面到试桶边沿的高度h’；
(4)称取捣实后集料混合料的质量m₀；
(5)按照如下公式计算集料混合料捣实密度：
ρ_捣＝m₀/{π*(D₀/2)²*[H₀-(h+h’)]}
式中：ρ_捣-集料混合料捣实密度(g/cm³)；
m₀——集料混合料质量(g)；
D₀-试桶内直径；
H₀-试桶的深度(cm)；
h-硬质尼龙材料垫块的厚度(cm)；
h’-硬质尼龙材料垫块表面到试桶边缘的高度(cm)；
集料混合料的矿料间隙率计算公式：

式中：VCA——集料混合料矿料间隙率(％)；
ρ_b——集料混合料合成毛体积密度(g/cm³)。
所述装入集料混合料后用圆头的捣棒沿周边及中间插捣10-20次。
所述捣实采用集料矿料间隙率捣实仪。
所述捣实仪的捣实锤采用聚氨酯材料的锤头。
所述测量h’时采用测深尺按十字垂直的四个方向量取硬质尼龙材料垫块表面到试桶边沿的高h₁～h₄，取h₁～h₄的平均值。
一种集料混合料矿料间隙率特征值的测定方法，步骤如下：
(1)设定7个水平的捣实次数N₁～N₇，
(2)采用上述集料混合料矿料间隙率的测定方法测定待测集料混合料在每个捣实水平下的矿料间隙率，记录为VCA₁～VCA₇，
(3)建立矿料间隙率与捣实次数之间的数学模型：
VCA=a(1N)2+b(1N)+c]]>
式中：N——捣实次数，
a，b，c-为回归系数；
当N趋向于无穷大时，待测集料混合料的矿料间隙率特征值VCA^T＝C。
所述捣实次数N₁～N₇依次为28，56，84，112，140，168和196次。
本发明提供的集料混合料矿料间隙率的测定方法，将待测集料混合料装入相应规格的试桶，分层捣实，捣实时集料上铺有垫片，捣实锤不直接敲击在集料上，因此可以有效降低击碎率，使得到数据真实反映待测料的矿料间隙率；特别是操作表层时，整平所装入的集料后，所铺的垫片为硬质尼龙材料垫块，一边捣实一边实现表面的平整，这样在测量试件高度时，直接测量硬质尼龙材料垫块表面到试桶边沿的高度h’，用试桶深度H₀减去硬质尼龙材料垫块的厚度h与h’即得到试件的高度，不再需要人工填平，因此剔除了人为因素对数据的影响，使得到的结果真实、重复性好，本发明的测定方法克服了目前人工捣实方法因人为因素导致的数据重复性不高，克服了采用马歇尔设备所导致的击碎率过高的问题。
本发明中，在装入集料混合料后，用圆头的捣棒沿周边及中间插捣10-20次，圆头的捣棒不会击碎集料，对装入的集料插捣适当次数，提高捣实前集料的紧密程度，有利于得到高质量的捣实试件。
本发明的测定方法中，所述捣实采用集料矿料间隙率捣实仪，该仪器可量化捣实过程中的击实功。
本发明的测定方法中，所述捣实仪的捣实锤采用聚氨酯材料锤头，可使捣实过程中击碎率控制在最小程度，使获得的矿料间隙率更接近实际情况，提高测定数据的可靠性。
为了进一步提供测量数据的可靠性，本发明在测量硬质尼龙材料垫块表面到试桶边沿的高度h’时，采用测深尺按十字垂直的四个方向量取硬质尼龙材料垫块表面到试桶边沿的高h₁～h₄，取h₁～h₄的平均值。
采用本发明的测定方法，由于将击碎率控制在最小，可操作性强，人为因素影响小，数据真实反映相应捣实程度下的矿料间隙率，因此采用本发明的测定方法获得多个捣实次数水平下的矿料间隙率值，建立了捣实次数与矿料间隙率之间关系的数学模型，本发明所设计的捣实水平至少为7个，保证数学模型的精确性。从试验数据可知，如图1，该模型的相关系数R²可达9.969E-0.1，即本测定方法获得的数据之间相关性非常高，说明本测定方法获得矿料间隙率能最大程度地反映相应捣实程度下的实际矿料间隙率，当捣实次数无限大时，得出的矿料间隙率无限接近一个稳定值即矿料间隙率特征值。
本发明优先将捣实水平的捣实次数依次设为：28，56，84，112，140，168和196次，这些数据分布均匀，以此建立的数学模型的相关系数更有参考价值，从而能获得更可靠的矿料间隙率特征值。
附图说明
图1：捣实次数与矿料间隙率的相关曲线及回归公式
具体实施方式
实施例1测定集料混合料的矿料间隙率
试验所需仪器、设备
(1)粗集料矿料间隙率捣实仪；
(2)天平或台秤：量程不小于20kg，精度不低于1g；
(3)烘箱：能控温105℃±5℃；
(4)捣棒：直径10mm、长度300cm，一端为圆头的钢棒。
步骤1，集料的公称最大粒径为9.5mm，选取对应的直径为150mm的试桶，称取相应质量4500g；试桶的选择及相应的标准质量要求见表1所示，以《公路工程集料试验规程》所规定的四分法的方式，将集料按照总质量的2/5，2/5和1/5的比例分成三份备用。
表1 试桶的规格要求及对应的质量要求

(2)将试桶安放在仪器底座上，从四个方向用铁铲将集料混合料铲入试桶中，第一层装入总质量的2/5集料，用捣棒沿周边插捣15次，中间10次，整平表面后垫上软质垫片，捣实一定次数，取下垫片。按照相同方法捣实第二层集料。
(3)第三层即表面层操作步骤与前面两层基本相同，但为了在捣实的同时实现表层的平整性，在表层垫置硬质尼龙材料垫块后再进行捣实，捣实仪的捣实锤为聚氨酯材料的锤头。
(4)捣实结束后，用测深尺按十字垂直的方向量取硬质尼龙材料垫块表面到试筒边缘的高度h₁～h₄，记录h₁＝18.4mm、h₂＝18.5mm、h₃＝18.2mm、h₄＝18.4mm。
(5)将试筒拆下，称取集料的质量m₀＝4498.1g。
(6)按如下公式计算集料混合料的捣实密度：
计算至小数点后4位。

式中：ρ_捣——集料混合料捣实密度(g/cm³)；
m₀——集料混合料质量(g)；
D₀——试桶的内直径(mm)；
H₀——试桶高度(mm)；
h——硬质尼龙材料垫块的厚度(mm)；
h₁～h₄——硬质尼龙材料垫块表面到试桶边缘的高度(mm)
集料混合料的矿料间隙率

式中：VCA——集料混合料骨架矿料间隙率(％)；
ρ_b——集料混合料合成毛体积密度(g/cm³)
实施例2.测定集料混合料矿料间隙率特征值
(1)对待测集料混合料的捣实次数依次设为七个水平，分别为28，56，84，112，140，168和196次，每个水平两个处理。
(2)采用实施例1的步骤测定待测集料混合料在每种捣实次数下的矿料间隙率，每个水平两个处理，取平均值作为试验值，记为：VCA₁-VCA₇，见表2；
表2捣实试验结果

(3)对上述试验结果进行回归分析，捣实次数的倒数与矿料间隙率的相关关系用回归公式表示：y＝-1.639E+01x²+1.721E+00x+3.777E-01，R²＝9.969E-01。
X＝1/N，当捣实次数N趋向于无穷大时，以上方程右边的第一、第二项均趋于零，则该矿料将趋向于矿料间隙率特征值为：
VCA^T＝C＝37.77％
这一特征值即为待测的级配、集料几何形状条件下，矿料排列组合所能实现的极限特定值，该值比单次测定的矿料间隙率更有实际参考意义。