矿料的级配和组成设计31页PPT
ATB-30配合比设计
为应对高速公路通车后交通量迅速增长，大型车辆和严重超载等现象，避免沥青路面早期破坏，近几年我国开始应用推广以沥青碎石为代表的柔性基层。
沥青碎石基层可以增强路面排水能力，减少沥青层的温度收缩裂缝和防止反射裂缝的发生，改善路面使用性能，提高其使用寿命。
ATB称为密级配沥青稳定碎石混合料，它与普通沥青混凝土的区别主要是公称粒径的的不同，公称最大粒径通常≥26.5mm。
ATB沥青稳定碎石一般设计空隙率为3%－6%，铺筑层厚度较厚。
路面铺筑后具有良好的骨架结构，且具有防水、高温稳定、低温抗裂等特性，因此柔性基层路面结构具有优良的路面性能以及抵抗。
环境和重交通荷载疲劳作用的能力。
采用ATB—30沥青稳定碎石结构，是为了减少路面反射裂缝的出现，延长路面使用寿命。
2 ATB-30结构的特点原材料的技术标准要求如见表1、表2。
表1 沥青稳定碎石矿料级配范围表2 沥青稳定碎石混合料马歇尔技术标准3.1.2 确定矿料合成级配该过程是确定各矿料的比例，并具有足够的密度和矿料间隙要求，使粗集料相互接触形成骨架，及较高的粘聚力和较高的内摩阻角。
根据单粒级集料筛分结果最终确定矿料合成级配见表6和矿料级配组成设计图。
为了反映其可比性，在ATB-30的工程级配范围内设计了三条合成级配曲线。
从表6和图2可以看出曲线走势为：级配A几乎走级配范围的中值，级配B走级配中值与上限之间，级配C走级配中值与下限之间。
采用上述三种级配进行一系列马歇尔试验。
表6矿料级配组成设计矿料级配组成设计图3.1.3 最佳沥青用量的确定三种级配分别采用2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%的油石比制作马歇尔试件和轮碾成型后钻取芯样进行相关试验。
通过马歇尔试验测定试件密度、空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度、稳定度、流值等，结果见表7。
表7沥青稳定碎石混合料马歇尔性能指标测定结果由表7的试验数据可以看出不同的制件方法对混合料性能有所影响。
用马歇尔试验方法确定最佳石油比。
矿料配合比
有A、B、C三种集料，要配制成M混合 料，求出各自的比例X%、Y%、Z%。
列出方程 x y z 100 a A( i ) x a B ( i ) y aC ( i ) z aM ( i )
式中 a A(i )、aB (i )、aC (i )分别为 A、B、C aM (i )为要配制的集料混合料 在i号筛上 所要求达到的分计筛余 百分率。
（2）图解法
修正平衡面积法 图解法步骤： 假设有A、B、C、D四种规格的矿质集 料和已知的工程级配要求范围。 通过筛分析已知它们各自的通过百分 率（%）。 用修正平衡面积法求出满足工程级配 要求的矿质混合料配合比。
①绘出一矩形框，从0~100标出纵坐标。
100
50
0
②作一对角线
4
5
2
1 3
级配曲线在图中的位置和形状所反映的集 料的级配性质 曲线1：连续级配 曲线2：间断级配 曲线3：粗集料的级配 曲线4：细集料的级配 曲线5：单一粒径集料的级配
目前工程应用上的常用集料分类：
1#料：9.5 ~ 13.2 mm 2#料：4.75 ~ 9.5 mm 3#料：2.36 ~ 4.75 mm 4#料：<2.36 mm 矿粉：<0.075 mm（占70% ~ 100%）
采用幂指数的坐标，便于分析集料级配的技术特性，评 价各级配组成结构变化趋势，因而是各种不同级配曲线同最大 理论密度曲线联系起来的最佳表述方式。
2.矿质混合料的组成设计方法
问题的提出
P% 100
C
B A
0 Lg dmin Lg d
100 90 80
P（%）
D
70
60 50 40 30
检测培训《粗、细集料试验、矿料级配设计
An=α1+α2+α3+α4+α5+… +αn
通过百分率/%
P0 =100 P1=100- A1 P2=100- A2 P3=100- A3 P4=100- A4 P5=100- A5 ┇ Pk=100- Ak ┇ Pn=100- An
备注
n
∑mi = m
1
n ∑αi =100 1
4. 粗集料针片状颗粒含量
m2 m1
V (5)含水率粗集料含水率是粗集料在自然状态条件下的 含水量的大小。
3. 级配(Gradation)
级配:
粗集料中各组成颗粒的分级和搭配称为 级配，级配通过筛分试验确定。
集料级配有关的参数：分计筛余百分率、 累计筛余百分率和通过百分率。
1、分计筛余百分率 是指某号筛上的筛余质量占试样总质量百分率
(二)粗集料的力学性质
道路与桥梁建筑用粗集料的力学性质，主要是压 碎值和磨耗损失，其次是磨光值、道瑞磨耗值和冲击值。 不同道路等级抗滑表层集料的磨光值、道瑞磨耗值和冲 击值有不同的技术要求
表1-8 抗滑表层和集料技术要求
指标
石材磨光值 (PSV)不大于 道瑞磨耗值 (AAV)不大于
高速 公路 一级 公路
42
14
其他公 路
3Hale Waihona Puke 161．集料压碎值集料压碎值是集料在连续增加的荷载下，抵抗压 碎的能力。它作为衡量石材强度的一个相对指标，用 以评价石料在公路工程中的适用性。
[集料压碎值测定方法]：按照现行《公路工程集料试验
规程JTG E42—2005》规定，有关路用沥青混凝土集
料压碎值测定的规定(水泥混凝土集料压碎值的测定方
篮法，将粗集料在规定条件(105℃±5℃烘干至恒 重)下烘干后称其质量为ma，再将干燥粗集料装在 金属吊篮中浸水24h，使开口孔隙饱水，然后在浸
矿质混合料级配理论分析及组成设计方法研究
２０１８年 第８期（总第２９４期）黑龙江交通科技ＨＥＩＬＯＮＧＪＩＡＮＧＪＩＡＯＴＯＮＧＫＥＪＩＮｏ．８，２０１８（ＳｕｍＮｏ．２９４）矿质混合料级配理论分析及组成设计方法研究郑东辉（东莞市交业工程质量检测中心，广东东莞 ５２３１２５）摘 要：分析了最大密度曲线和粒子干涉两大矿质混合料级配理论，并对富勒（Ｗ．Ｂ．Ｆｕｌｌｅｒ）理论、泰波理论、我国规范所采用的连续级配理论以及魏矛斯（Ｇ．Ａ．Ｗｅｇｍｏｕｔｈ）粒子干涉理论的原理和应用范围进行了深入探讨。
采用数解法、图解法、计算机求解法以及正规方程法可进行矿质混合料配比设计。
关键词：最大密度曲线理论；级配指数；粒子干涉理论；矿质混合料；合成级配中图分类号：Ｕ４１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－３３８３（２０１８）０８－０００６－０２收稿日期：２０１８－０６－１３作者简介：郑东辉（１９８３－），男，广东陆河人，工程师，从事路桥试验检测工作。
１ 级配曲线根据矿质混合料粒径组成的特点，级配类型根据不同的理论可分为连续级配曲线和间断级配曲线。
若用半对数坐标表示筛孔尺寸，则曲线为凹型，如图１所示。
图１ 级配曲线图由级配曲线可知，曲线斜率代表着某粒径范围内的颗粒数量，斜率越大说明相应颗粒越多，呈平台状时说明相应粒径的缺失。
２ 最大密度曲线理论２．１ 富勒理论富勒（Ｗ．Ｂ．ＦｕＬｌｅｒ）早在２０世纪初便对级配曲线进行试验研究，试验采用１ｍ３箱子，将不同粒径的集料堆积进去进行筛分试验，记录每一次的质量通过率和筛孔尺寸之间的关系，发现当二者呈现抛物线关系时，矿质混合料组合具有最大密度，富勒公式可表示为ｐｉ＝１００ｄｉｄ()ｍａｘ０ ５（１）公式中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。
矿质混合料级配
计算步骤：（先计算粗集料，在计算细料，最后计算中间料）
①、计算A（粗集料）料在混合料中的用量 按A料占优势粒径计算，设A料在i(mm)筛孔占优势，此时忽略B C两种集料在此粒径的含量（及aB（i）＝0、aC（i）＝0），故 a A（i）*X＝aM（i） X＝（aM（i）／aA（i））*100
②、 计算C（细集料）料在混合料中的用量 按C料占优势粒径计算，设C料在j(mm)筛孔占优势，此时忽略 B、C两种集料在此粒径的含量（及aA（j）＝0、aC（j）＝0），故 aC（j）*Z＝aM（j） Z＝（aM（j）／aC（j））*100
筛孔尺寸di(mm)
30
20
10
5
2.5
1.25
0.63
0.315
0.16
各筛孔尺寸的 对数值㏒Dx
1.48
1.30
1
0.7
0.4
0.1
－0.2
－0.5
－0.7
各筛孔距0.16mm 筛孔距离Sx(mm)
100
92
79
66
52
39
26
13
0
n=0.3 不同泰波 指数时的 通过百分 率
100
88.5
71.9
78～88
48～68 36～53 24～41 18～30 17～22 8～16 4～ 8
79.0
58.0 44.5 32.5 24.0 19.5 12.0 6.0 0
21.0
42.0 55.5 67.5 76.0 80.5 88.0 94.0 100
18.5
21.0 13.5 12.0 8.5 4.5 7.5 6.0 6.0 100
矿质混合料的组成设计方法
矿料组成设计-最大密度曲线
矿料的组成设计道路与桥梁用砂石材料，大多数是以矿料与各种结合料（如水泥或沥青等）组成混合料使用。
为此，对矿料必须进行组成设计，以确定合理的级配，其主要内容包括理论级配范围的确定及基本组成的设计两方面。
矿料的级配理论，矿料是用于沥青混合料的粗集料、细集料、填料的总称。
各种不同粒径的集料，按照一定的比例搭配起来，以达到较高的密实度（或较大摩擦力），可以采用连续级配和间断级配两种级配组成。
连续级配：是某一矿料在由标准筛配成的筛系列中进行筛分析时，所得的级配曲线平顺圆滑，具有粒级连续的（不间断的）性质，相邻粒径的颗粒之间，有一定的比例关系（按质量计）。
这种由大到小，逐级粒径均有，并按比例相互搭配组成的矿料，称为连续级配矿料。
间断级配：是在矿料中剔除其中一个（或几个）粒级，形成一种粒级不连续的混合料，称为间断级配矿料。
级配曲线范围，按配理论公式计算出各级集料在矿料的通过百分率，以通过百分率为纵坐标，以粒径为横坐标，绘制成曲线。
图解法，采用图解法来确定矿料的组成，常用的有适用于两种集料组成的“矩形法”和适用于三种集料组成的“三角形法”等。
对于三种以上集料级配的图解法，可采用“平衡面积法”，该法是采用一条直线来代替集料的级配曲线，这条直线使曲线左右两边的面积平衡（即相等），这样简化了曲线的复杂性。
这个方法又经过许多研究者的修正，故称为“修正平衡面积法”，简称图解法。
最大密度曲线理论：是通过试验提出的一种理想曲线,认为固体颗粒按粒度大小，有规则地组合排列，粗细搭配，可以得到密度最大、空隙最小的混合料。
初期研究的理想曲线是：细集料以下的颗粒级配曲线为椭圆形级配曲线，粗集料级配曲线为与椭圆曲线相切的直线，由这两部分组成的级配曲线，可以达到最大密度。
后来经过许多研究改进，提出简化的“抛物线最大密度理想曲线”认为：“矿料的颗粒级配曲线愈接近于抛物线，则其密度愈大。
”① 最大密度曲线公式：根据上述理论，当矿料的级配曲线为抛物线时，如图10-1所示，最大密度理想曲线可用颗粒粒径（d）与通过量（p）表示：d=p2/k式中：d矿料各级颗粒粒径（mm）；p 各级颗粒粒径集料的通过量（%）；k常数。
矿质混合料的组成设计(道路建筑材料课件)
2 5. 0 (1 5. 0)
8.0 ( 8.0)
9 7.5 ( 97.5)
9 5～1 00 98
筛孔尺寸（方孔筛）/mm
9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15
通过百分率/%
26
O
O
知识要点
图解法确定各种矿料的组成比例 试算法确定各种矿料的组成比例
（1）图解法 1）绘制级配曲线坐标图
（1）图解法 2）确定各种集料用量
① 两相邻级配曲线重叠，等分； ② 两相邻级配曲线相接，连分； ③ 两相邻级配曲线相离，平分。
（1）图解法
（1）图解法
3）校 核
按图解所得的各种集料用量，校核计算所得合成级配是否符合要 求。如不能符合要求，即超出级配范围，应调整各集料的用量。
70～88 48～68 36～53 24～41 18～30 12～22 8～16
79
58
45
33
24
17
12
0 .075
O O O 83 0 ( 0) 0 ( 0)
0 ( 0)
6 .6 ( 6.6)
6 .6 ( 6.6)
4～8 6
结论
经调整，各种材料用量为碎石:石屑:砂:矿=41%:36%:15%:8%。 按此结果重新计算合成级配，计算结果如表1.4(表中括号部分) 并绘图，可见调整后的合成级配曲线光滑、平顺，且接近级配 曲线的下限。
80 7
70 9
M
60 5
50 7
4
40 5
N
30 20
3 32 41
10 71 0 26
矿料级配设计方法及评述
矿料级配设计方法及评述
矿料级配设计方法是一种技术，主要用于将不同的矿物质成份的矿料进行分类分级、分类分析和分级优选。
它可以根据矿料的性质及其产出的产品的要求，通过矿料的化学分析、物理测试和理化性质的测定，根据矿料的性质来配制合理的矿料级配，以满足矿料加工的要求。
矿料级配设计方法主要包括如下几个步骤：
（1）收集并分析可用矿料信息，以便对矿料进行分类；
（2）对矿料进行分类，并对产品的质量要求进行分析；
（3）选择合适的化学分析、物理测试和理化性质的测定方法，对矿料进行详细测定；
（4）分析矿料的性质，根据产品的要求和矿料的性质，进行矿料级配设计；
（5）通过实验、分析和优化，选择合理的矿料级配。
矿料级配设计方法能够有效地控制矿料加工过程中产品质量的变化，从而达到节约能源、提高生产效率的目的。
此外，根据矿料的性质制定合理的矿料级配也能有效
地保证矿料的质量，避免因矿料质量的不稳定导致的产品质量问题。
矿料级配设计方法的优点在于:
1.可以准确的掌握矿料的性质，以便制定合理的矿料级配；
2.可以提高产品的质量，并降低生产成本；
3.可以提高加工工艺的灵活性，以便应对不同特征的矿料；
4.可以提高矿料加工的效率，减少矿料的损失。
然而，矿料级配设计方法也有一定的局限性：由于矿料本身的不确定性，矿料的性质可能会受环境影响而发生变化，从而影响矿料级配的设计；另外，矿料的性质会受到加工工艺的影响，矿料级配的设计必须考虑这一因素。
总之，矿料级配设计方法是矿料加工行业开展矿料加工的重要手段，能够显著提高矿料加工过程中的生产效率和产品质量，从而提高企业的竞争优势。
矿料配合比解读
（2）典型级配理论
①最大密实度曲线 （富勒公式）
理想级配曲线——抛物线
P2 k d 当d Dmax时， P 100, 则 1 k 100 Dmax
2
d P 100 D
0 .5
100
80 60 40
P（%）
常用坐标中为一抛物线
20 0 D/16 D/8 D/4 D/2 dmax=D
4
5
2
1 3
级配曲线在图中的位置和形状所反映的集 料的级配性质 曲线1：连续级配 曲线2：间断级配 曲线3：粗集料的级配 曲线4：细集料的级配 曲线5：单一粒径集料的级配
筛分析参数：
分计筛余百分率ai（%）
累计筛余百分率Ai（%） 通过百分率Pi（%） 根据集料通过标准筛筛分后的计算关系， 通过百分率和累计筛余百分率的和为 100%（即Pi+Ai=100)。
②间断级配曲线
定义—— 是一种剔除了一个或几个中间 粒径分级，形成一种颗粒尺寸不连续的 矿质混合料曲线。
（3）矿料级配曲线图的绘制
①半对数横坐标的确定 确定矿料的最大粒径Dmax和横坐标长度L； 求出各粒径尺寸的对数数值 lg di； 求出粒径间距 lg di －lg di-1； 求出间距系数 ki；
lg di lg di 1 Ki lg di lg di1
（四）矿质混合料的组成设计
1.级配理论
（1）级配曲线
①连续级配曲线 定义—— 是一种各级粒径颗粒均有，由 大到小且相互有一定比例关系的平滑曲 线。 横坐标用粒径尺寸的对数表示——lgdi 纵坐标用通过百分率Pi（%）表示，常用 坐标。
矿料级配和组成设计
二、级配
• 级配的定义：级配是指集料中各种粒径颗粒的搭配比例或 分布情况。
由于粗细集料的粒径范围不同，筛分实验中采用的标准套筛尺寸范围 及式样质量有所不同，如下表，通常情况下，细集料的筛分式样取 500g。
集料筛分用的式样质量
某细集料筛分实验的结果示例
级配的表示方法
2.细集料的细度模数 细度模数是用于评价细集料粗细程度的指
标分，率为之M 细 和f集 ，料 按(A 0 筛 下.1 5 分式A 实计0 .3 验算A 1 0 中：.6 0 各A A 1 0 4 .号1 .7 8 5 筛A 2 上.3)6 的5A 累4 .7 计5筛余百
间断级配：间断级配是在矿质混合料中 剔除其中一个不同或级配几类个型的分级级配曲而线如形下成图所一示种不连续 的混合料，这种混合料称为间断级配混合。
a）连续型密集配
b）连续型开级配
c）间断型密集配
矿质混合料的级配
（二）级配理论 1.富勒理论（最大密度曲线） 富勒（W B ）认为“级配曲线愈接近抛物线，则其密度愈
矿质混合料的级配
3.级配曲线范围的绘制 在工程实践中，集料的最大理论密度曲线为级
配指数0.5的级配曲线，如下图中曲线A。常用矿 质混合料的级配指数一般在0.3~0.7之间，将级配 指数0.3和0.7代入上式进行计算，并可绘制相应 的级配曲线，如下图曲线范围B
矿质混合料的配合比设计方法
• 矿质混合料的组成设计就是根据实际工程中现有的各种 集料的级配参数（即筛分结果），针对设计要求或技术规 范要求，采用一定的方法确定各规格集料在合成矿料中所 占比例的操作过程。
矿料的级配和组成设计共33页
矿料的级配和组成设计
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
1-1-3 矿质混合料的组成设计方法 (1)
8 100 100 24～ 50
2 90 100 15～ 38
1 60 100 10～ 28
0 7 5～ 15
0 1 88 4～8
砂 矿粉
标准级配范围
2014-2-1
25
砂石材料 第四步：校核 第一章 表1-2 矿质混合料的组成校核表
筛孔尺寸／mm 原材料 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3
第一章 砂石材料
u教学目的:了解和掌握砂石材料的技术性质和技
术要求，结合工程实例合理选择和应用砂石料
u重点：砂石材料的物理性质、力学性质 u难点:矿质混合料的级配设计
1
第一章 砂石材料
学习内容
p 1.砂石材料的技术性质 p 2.矿质混合料的组织设计 p 3.试验课内容：
ü 12 集料的筛分试验 ü 15 粗集料针片状颗粒含量试验
筛孔尺寸／mm 原材料 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3
0.15 O.075
通过百分率/% 碎石
各矿质集 料通过百 分率（%）
100 100 100 100
95 100 100 90～ 100
63 100 100 68～ 85
28 100 100 38～ 68
2014-2-1
14
第一章 砂石材料
修正平衡面积法（图解法）
l纵坐标按算术坐标，标出通过百分率(0～100％)。 l横坐标筛孔尺寸位置的确定：将合成级配范围中值标于 纵坐标上，从各纵坐标点引水平线与对角线相交，从交 点做垂线与横坐标相交，其各交点所对应的值即为各相 应筛孔孔径。
2014-2-1
15
A.N.泰波认为富勒曲线是一种理想曲线，实际矿料应允 许有一定的波动范围，故将富勒最大密度曲线改为几次幂 的通式
矿质混合料的组成设计PPT学习教案
aC( ）
即C集料在混合料中比例是：
Z aM( j) 100
（ 1-41）
aC( j)
最后得到B集料在混合料中的比例：
Y 100 X Z
（ 1-42）
第26页/共53页
2007.5
（4）校核调整 对以上计算得到的各集料的比例即配合
比进行验算，如得到的合成级配不在所要求的 级配范围，应调整初步配合比重新验算，直到 满足级配要求为止。如经数次调整仍不能达到 要求，可掺加单粒级集料或调换其它集料。
2007.5
第18页/共53页
p2 kd
（ 1-30）
式中：
p ——各级颗粒粒径集料的通过量（%）； d ——矿料各级颗粒粒径（mm）；
k ——常数。
2007.5
第19页/共53页
2007.5
p 100 。
所以
当希望计算任何一级颗粒粒径
当颗粒粒径等于最大粒径时，则通过 量
，即
时
p 100%
d D
k 100 2 1 D
d
的通过量
（ 1-32）
p
时，则计算公式为
d
p 100
（ 1-33）
D
或
p
100
d
0.5
（ 1-34）
D
第20页/共53页
2007.5
上式是最大密度理想曲线的级配组成计算公 式，根据此公式可以计算出某矿料达到最大密 度时各级颗粒粒径的通过量。
但在实际应用过程中，这一公式的指数并 不一定固定为0.5。对于沥青混合料，当指数是 0.45时的密度最大；对于水泥混凝土指数在 0.25-0.45时工作性更好。因此，矿料的级配计 算公式的指数通常在0.3-0.7之间，允许矿料的 级配曲线在一定的范围内变动，所以上述最大 密度曲线公式采用n次幂的通式来表达。即：