基于分形理论的沥青胶浆膜厚获取方法

1.本发明涉及沥青胶浆技术领域，尤其涉及基于分形理论的沥青胶浆膜厚获取方法。

背景技术：

2.沥青路面凭借其优异的行驶舒适性，安全性及耐久性能等占据了我国道路总量的90％以上。而沥青路面是由沥青、集料及矿粉等材料通过拌合形成的沥青混合料铺筑而成的。
3.在沥青混合料中，矿粉的用量一般为集料总量的10％左右，但其表面积却占集料总面积的70％～90％；比表面积巨大的矿粉以细小颗粒的形式分散在沥青中，经高温拌合后形成沥青胶浆。沥青胶浆裹覆在集料表面形成沥青胶浆膜，将粗、细集料有机粘结在一起，最终形成沥青混合料。可以认为，沥青胶浆才是混合料中正真的粘结剂。
4.而沥青胶浆膜的厚度与沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、耐久性以及老化程度密切相关，其流变特性显著影响着混合料的各项力学性能，而其动态力学性能更是影响着沥青路面的路用性能；准确地计算出混合料中沥青胶浆膜厚度，可为多尺度沥青材料性能研究，尤其是沥青混合料乃至沥青路面性能的预估提供理论依据，对于沥青道路研究具有重要意义。
5.在道路领域，目前还没有一种准确的沥青胶浆膜厚度获取方法，严重阻碍了沥青路面性能的研究及预测，因此，有必要提出一种准确合理的沥青胶浆膜厚度获取方法。

技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的主要目的在于提供，基于分形理论的沥青胶浆膜厚获取方法，包括以下步骤:
7.根据集料中各档料的级配组成,获得矿料的总表面积sa0；
8.根据分形参数对矿料总表面积sa0进行修正，得到修正后的集料比表面积sa，修正公式如下：
[0009][0010]
其中，sa为修正后的集料比表面积，ρ
a'
为集料合成表观密度，cs为集料表面积分形维数；cv为集料体积分形维数；
[0011]
引入沥青的相对密度γb、沥青含量pb以及有效沥青含量p
be
，获得沥青胶浆膜厚tf：
[0012]
tf＝1000*p
be
/[(100-pb)*sa*γb]。
[0013]
所述矿料总表面积sa0的计算步骤：
[0014]
根据每档料的级配组成及毛体积密度计算每个筛孔上矿料的总体积；
[0015]
分别计算各档筛孔上单个颗粒的平均粒径体积和表面积；
[0016]
根据总体积与单个颗粒的平均粒径体积得到该档筛孔上矿料颗粒的数量计算公式如下：
[0017][0018][0019][0020][0021][0022][0023]
其中，v
n,i
为第n种矿料在第i级筛孔筛余部分的总体积，pcn为第n种矿料占混合料中矿料总质量的百分比，ps
n,i
为第n种矿料在第i级筛孔的通过百分率，为第n种矿料的毛体积密度，v
n,i0
为第n种矿料在第i级筛孔时，单个平均粒径颗粒的体积，di为第i级筛孔的孔径，n
n,i
为第n种矿料在第i级筛孔筛余矿料颗粒总数量，sa
n,i0
为第n种矿料在第i级筛孔上单个平均粒径颗粒的表面积，sa
n,i
为第n种矿料在第i级筛孔筛余部分的总表面积，sa为n种矿料的表面积总和。
[0024]
作为本发明的进一步优化，所述分形参数的取值范围为4.5～6.0，作为本发明的进一步优化，根据所述的沥青的相对密度γb以及集料的相对密度，获得有效沥青含量p
be
，计算公式如下：
[0025][0026]
p
ba
＝0.01*(100-pb)*k
ba
[0027]
p
be
＝p
b-0.01*(100-pb)*k
ba
[0028]
其中，k
ba
为集料吸收沥青系数，γ
se
为集料的有效相对密度，γ
sb
为集料的合成毛体积相对密度，γb为沥青的相对密度，p
ba
为被集料吸收沥青的含量；pb为沥青用量占混合料的百分比例，p
be
为有效沥青含量。
[0029]
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案，
[0030]
与现有技术相比较，本发明可以在进行集料比表面积计算时，并根据实际情况，引
入分形参数，对所得的集料比表面积sa0进行修正，得到修正集料比表面积sa；除考虑形成沥青胶浆膜的有效沥青外p
be
，还考虑被集料吸收的沥青量p
ba
，通过计算集料吸收沥青系数k
ba
以及被集料吸收的沥青含量p
ba
，从而得到有效沥青含量p
be
；根据修正集料比表面积sa与有效沥青含量p
be
，最终计算得到沥青胶浆膜厚tf，为实现多尺度沥青材料性能研究，尤其是沥青混合料乃至沥青路面性能的预估提供理论依据。
附图说明
[0031]
图1为本发明实施案例中的流程图；
[0032]
图2为沥青混合料试件使用环境扫描电镜的放大率从低到高的微观结构图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图1-2和实施方式对本发明作进一步说明。
[0034]
实施例：
[0035]
基于分形理论的沥青胶浆膜厚度获取方法，如图1所示，包括以下步骤在本实施例中，选用ac级配沥青混合料(各筛孔尺寸集料选用石灰石，沥青选用sbs改性沥青)进行说明。
[0036]
基于集料级配组成级数，可得到集料中各档料的比例，并测试每档料的毛体积密度、矿料合成表观密度、矿料有效相对密度、矿料合成毛体积相对密度，以及确定所用沥青的相对密度、沥青用量。得表1各档矿料密度参数，表2各档集料分计筛余百分率。
[0037]
表1各档集料密度参数
[0038][0039]
表2各档集料分计筛余百分率
[0040]
[0041]
沥青相对密度γb＝1.012,g/cm3；
[0042]
沥青用量pb＝4.5，％。
[0043]
计算集料比表面积sa0：
[0044][0045][0046][0047][0048][0049]
sa＝∑n∑isa
n,i
ꢀꢀꢀ
(6)
[0050]
根据所得集料级配与矿料各项参数，结合(1)-(6)公式可得表3集料比表面积结果：
[0051]
表3集料比表面积计算结果
[0052][0053]
当集料由多种矿料组成时，重复上述步骤计算出每种矿料的总表面积再相加即可。
[0054]
对集料比表面积sa0进行修正，得到修正后的集料比表面积sa，本发明中将集料颗粒简化为球体形，但实际中，集料颗粒形状各不相同并非均为球体形，集料颗粒的体积和表面积会随着颗粒形状的变化发生变化，由 (1)-(6)计算出的集料比表面积sa0并不准确，则需引入分形参数"cs" /"cv"对上述获得的集料比表面积sa0进行修正，进而得出更为准确的修正集料比表面积sa。
[0055]
目前，关于集料颗粒表面积获取方法理论有：泰伯级配理论、林绣贤级配理论、苏联伊万诺夫修正级配理论、粒子干涉级配理论、贝雷法级配理论。上述几种级配理论与分形理论有着本质上的关联，但分形理论更具有普适性，其他理论或为分形理论的一种特例，或
具有诸多颗粒形体参数限制条件。则采用分形理论计算集料颗粒表面积，更为切实可行，计算出的表面积更加准确。
[0056]
分形参数为一经验值，与集料颗粒的大小、颗粒形状和表面个数有关，而其取值范围是由大量不同形状集料颗粒的实测结果回归得到。表4 列出了几种常见形状的矿料颗粒分形参数
[0057]
表4矿料颗粒分形参数cs,cv
[0058][0059]
其中的分形参数的取值范围为4.5～6.0，取值依据为：根据集料形状规则程度进行判定，集料颗粒形状越规则，分形参数越稳定，越趋近于6。相应的，如果集料颗粒形状越不规则，随着颗粒棱角数增加，分形参数相应下降。
[0060]
引入分形参数结合(1)-(6)中公式：
[0061][0062]
本实施例中，分数参数取值为6，可得修正后得集料比表面积 sa＝7088.53cm2/kg。
[0063]
获取有效沥青含量：在沥青混合料中的沥青胶浆膜厚度
[0064][0065]
p
ba
＝0.01*(100-pb)*k
ba
ꢀꢀꢀ
(9)
[0066]
p
be
＝p
b-0.01*(100-pb)*k
ba
ꢀꢀꢀ
(10)
[0067]
结合(8)-(10)公式，可得集料吸收沥青系数k
ba
＝0.0267，被集料吸收沥青的含量p
ba
＝0.0254985％，有效沥青含量p
be
＝4.4745015％
[0068]
获取沥青胶浆膜厚tf。
[0069]
tf＝1000*p
be
/[(100-pb)*sa*γb]
[0070]
可得沥青胶浆膜厚tf＝0.00653137cm＝65.3137um
[0071]
即在该ac级沥青混合料中，沥青胶浆膜厚度为65.3137um。
[0072]
结果验证；可通过氮吸附法(gb/t 13390-2008)测定集料总比表面积，进而对沥青胶浆膜厚度进行验证。氮吸附法(gb/t 13390-2008)适用于金属粉末、非金属粉末及微孔材料比表面积的测定。测定范围0.1m2/g～ 1000m2/g。所测定比表面积为粉末的总比表面积，包括氮分子可进入粉末体的任何开孔比表面积，或通过激光粒度分析仪mastersizer 2000测定集料总比表面积。仪器可测量0.02微米到2000微米范围内液体、固体和乳化液的粒度分布，主要用于水泥、石灰、粉煤灰、矿渣、土等微小颗粒粒度组成范围的测定，图2为沥青混合料试件使用环境扫描电镜的放大率从低到高的微观结构图。
[0073]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0074]
以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.基于分形理论的沥青胶浆膜厚获取方法，其特征在于，包括以下步骤:根据集料中各档料的级配组成,获得矿料的总表面积sa0；根据分形参数对矿料总表面积sa0进行修正，得到修正后的集料比表面积sa，修正公式如下：其中，sa为修正后的集料比表面积，ρ
a
'为集料合成表观密度，c
s
为集料表面积分形维数；c
v
为集料体积分形维数；引入沥青的相对密度γ
b
、沥青含量p
b
以及有效沥青含量p
be
，获得沥青胶浆膜厚tf：tf＝1000*p
be
/[(100-p
b
)*sa*γ
b
]。2.根据权利要求1所述基于分形理论的沥青胶浆膜厚获取方法，其特征在于，所述矿料总表面积sa0的计算步骤：根据每档料的级配组成及毛体积密度计算每个筛孔上矿料的总体积；分别计算各档筛孔上单个颗粒的平均粒径的体积和表面积；根据总体积与单个颗粒的平均粒径的体积得到该档筛孔上矿料颗粒的数量计算公式如下：如下：如下：如下：如下：如下：其中，v
n,i
为第n种矿料在第i级筛孔筛余部分的总体积，pc
n
为第n种矿料占混合料中矿料总质量的百分比，ps
n,i
为第n种矿料在第i级筛孔的通过百分率，为第n种矿料的毛体积密度，v
n,i0
为第n种矿料在第i级筛孔时，单个平均粒径颗粒的体积，d
i
为第i级筛孔的孔径，n
n,i
为第n种矿料在第i级筛孔筛余矿料颗粒总数量，sa
n,i0
为第n种矿料在第i级筛孔上单个平均粒径颗粒的表面积，sa
n,i
为第n种矿料在第i级筛孔筛余部分的总表面积，sa为n种矿料的表面积总和。3.根据权利要求1所述基于分形理论的沥青胶浆膜厚获取方法，其特征在于，所述分形
参数的取值范围为4.5～6.0。4.根据权利要求1所述基于分形理论的沥青胶浆膜厚获取方法，其特征在于，根据所述的沥青的相对密度γ
b
以及集料的相对密度，获得有效沥青含量p
be
，计算公式如下：，计算公式如下：，计算公式如下：其中，k
ba
为集料吸收沥青系数，γ
se
为集料的有效相对密度，γ
sb
为集料的合成毛体积相对密度，γ
b
为沥青的相对密度，p
ba
为被集料吸收沥青的含量；p
b
为沥青用量占混合料的百分比例，p
be
为有效沥青含量。

技术总结

本发明涉及基于分形理论的沥青胶浆膜厚获取方法，包括：根据集料中各档料的级配组成,获得矿料的总表面积SA0；根据分形参数对矿料总表面积SA0进行修正，得到修正后的集料比表面积SA；引入沥青的相对密度γ

技术研发人员：

马晓燕 侯俊鹏 陈华鑫 况栋梁 马小军

受保护的技术使用者：

长安大学

技术研发日：

2022.04.12

技术公布日：

2022/11/17