趙 田 趙富強(qiáng)

0 引言

礦料是瀝青混合料的主體和骨架,占到混合料90%以上,對于礦料級配,各個國家基本上都是提供一個較寬的級配范圍,由工程技術(shù)人員根據(jù)工程和材料情況在其范圍內(nèi)選擇,但沒有給出指導(dǎo)級配設(shè)計的方法或技術(shù)要求。2004年,我國頒布了新的公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[1],其中對混合料類型和級配進(jìn)行了較大的調(diào)整,歸并取消了部分混合料類型,級配范圍變大,這樣設(shè)計者以更大的優(yōu)化空間的同時,也對設(shè)計者提出了更高的素質(zhì)要求。在瀝青混合料的兩大構(gòu)成要素中,相比于瀝青用量的變化,礦料級配表現(xiàn)出更大的復(fù)雜性和多變性,在規(guī)范規(guī)定的級配范圍內(nèi),級配可有無數(shù)種走向和變化,也會表現(xiàn)出完全不同的性能,是突出或平衡瀝青混合料性能的主要調(diào)整要素,有優(yōu)化與選擇的空間和可能。所以如何在寬泛的范圍內(nèi),優(yōu)選出合理的級配是我國瀝青路面建設(shè)領(lǐng)域中一個亟待解決的問題。

最近二十年來,國內(nèi)外在級配研究方面開展了大量的工作,推薦礦料級配以作為工程之選,取得了不少成果,但大多研究主要集中在兩個方面：一類是研究礦料和礦料級配對瀝青混合料路用性能的影響[2,3],多數(shù)研究是一種定性關(guān)系的分析,很難用于指導(dǎo)設(shè)計。另一類是針對具體工程的應(yīng)用研究[4,5],結(jié)合具體工程情況和在一定材料情況下進(jìn)行級配比選,所選級配對其所依托的工程適用,但當(dāng)條件發(fā)生變化時,有關(guān)結(jié)論并不一定適用。所以研究瀝青混合料級配優(yōu)化設(shè)計方法具有重要的現(xiàn)實意義。

從近幾年來瀝青路面發(fā)展過程來看,要綜合提高路面的使用品質(zhì),提高瀝青路面的性價比,對密級配的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,使其具有優(yōu)良的路用性能正成為道路設(shè)計者的一個基本的出發(fā)點,嵌擠密實的概念逐漸引起大家的重視,嵌擠以求形成穩(wěn)定的骨架,提高瀝青混合料的高溫抗車轍能力;密實以求防滲水,提高瀝青路面的抗水損害能力。

1 嵌擠密實型級配設(shè)計原理

級配設(shè)計目的是優(yōu)化礦料結(jié)構(gòu)組成,形成一個穩(wěn)定結(jié)構(gòu),從而使設(shè)計出的瀝青路面密實、耐久、抗滑、穩(wěn)定,并且各項性能比較均衡,即滿足全功能瀝青路面的要求。嵌擠密實型混合料級配的組成特點是粗集料相互嵌擠形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),細(xì)集料對粗集料間隙充分填充使之密實,礦粉又在更細(xì)尺度上對細(xì)集料間隙進(jìn)行填充,最終形成穩(wěn)定密實結(jié)構(gòu),因此粗集料、細(xì)集料和礦粉不僅在粒徑尺度上不同,而且在混合料中具有不同功能特征,鑒于此本文在級配組成設(shè)計時從以下三方面入手：

1)粗集料的合理結(jié)構(gòu)組成;2)填充細(xì)集料的合理組成;3)粗細(xì)集料的合理比例。

針對上述三方面的合理設(shè)計,礦料級配形成一個多級嵌擠的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),為瀝青混合料具有優(yōu)良的路用性能打下堅實的基礎(chǔ)。

2 嵌擠密實級配設(shè)計方法

2.1 粗細(xì)集料的劃分標(biāo)準(zhǔn)

對于粗細(xì)集料的定義目前最完善的是貝雷法[6,7],在貝雷法中,粗細(xì)集料的定義不同于傳統(tǒng)的以4.75 mm或2.36 mm篩孔為界的劃分方法,其粗細(xì)集料的分界點是隨公稱最大粒徑動態(tài)變化的。貝雷法中粗細(xì)集料的分界篩孔稱為第一控制篩孔,可按照下式確定：

其中,PCS為第一控制篩孔尺寸(Primary Control Sieve);NMPS為公稱最大粒徑(同Superpave中的定義)。

貝雷法動態(tài)的確定了粗細(xì)集料的劃分。實際上,對于集料來說非常明顯的分界點是不存在的,嚴(yán)格地來說更為合理的是存在一個分界帶或是分界區(qū)間。

2.2 粗集料級配組成研究

1)粗集料骨架和穩(wěn)定性指標(biāo)。粗集料能否形成骨架和嵌擠,對瀝青混合料的穩(wěn)定性有很大的影響。本文采用粗集料間隙率VCA和CPV值來分析礦料結(jié)構(gòu)的骨架特性和穩(wěn)定性。

按照粒子干涉和填充理論,為避免干涉,大小粒子之間應(yīng)按一定的數(shù)量分配,如果發(fā)生干涉,則骨架特性降低、密度減小。所以在一定容積內(nèi),礦料間隙率越小則發(fā)生的干涉越小,粗集料間隙率VCA是礦料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及能否形成骨架的一項指標(biāo)。

其中,VCADRC為粗集料在振實情況下的間隙率,%;ρS為粗集料的振實密度,g/cm3;ρCA為粗集料的毛體積密度,g/cm3。

粗集料貫入試驗CPV是評價材料承載能力的指標(biāo),采用直徑100 mm的壓頭,對插搗方式成型的級配礦料,以50 mm/min的速率進(jìn)行加載,以貫入9 mm為貫入的標(biāo)準(zhǔn)深度,以此對應(yīng)的荷載作為CPV值。其值越大,礦料骨架的穩(wěn)定性越好。

2)粗集料摻配比例確定方法。對于粗集料的級配組成,可以按照如下方法確定：a.根據(jù)經(jīng)驗初擬3條級配,并給出不同檔料的相對比例;b.進(jìn)行VCA和CBR試驗;c.對混合的粗集料進(jìn)行VCA試驗和粗集料貫入試驗CPV,確定各檔粗集料的摻配比例。

2.3 細(xì)集料級配組成研究

根據(jù)嵌擠原則在粗集料骨架中嵌入細(xì)集料時,為了保證粗集料骨架不被撐開,細(xì)集料的粒徑不能大于前一級粒徑即4.75 mm～2.36 mm的0.732倍(最松排列)～0.414倍(最緊密排列)。據(jù)此推知細(xì)集料中2.36 mm～1.18 mm粒徑對粗骨架的撐持作用最大,其他粒徑則較小。因此如果僅從設(shè)計密實骨架的角度考慮,最好斷開2.36 mm～1.18 mm這一檔粒徑或最好減少該檔用量,但是斷開此檔集料形成斷級配的結(jié)果就是造成混合料容易離析,因而本文研究中建議應(yīng)適量減少此檔集料用量而不是斷開。對于其他粒徑的細(xì)集料,一般采用泰波法,通常n取0.50。也可采用前蘇聯(lián)的k法計算各檔用量(k取0.72～0.76,可得到密實的級配)。

研究表明,盡管細(xì)集料用量少,但是細(xì)集料的顆粒形狀和數(shù)量對瀝青混合料的路用性能有著明顯的影響,其中細(xì)集料的前三級填充,對集料級配的密實性貢獻(xiàn)不大,主要起穩(wěn)定骨架結(jié)構(gòu)的作用,而后兩級填充則主要提高骨架的密實性。因此,對于細(xì)集料級配設(shè)計應(yīng)避免2.36 mm～1.18 mm,1.18 mm～0.6 mm,0.6 mm～0.3 mm粒級的用量偏高造成粗骨料結(jié)構(gòu)被撐開而穩(wěn)定性不足;同時,也應(yīng)避免 0.3 mm～0.15 mm,0.15 mm～0.075 mm粒級的用量偏低造成對粗骨料結(jié)構(gòu)的填充不足而間隙率偏大,不能形成密實結(jié)構(gòu)。

綜上所述,對于細(xì)集料級配的確定,一般按照泰波公式的計算方法設(shè)計成連續(xù)級配。然后再參照上面的研究成果,根據(jù)各檔細(xì)集料在礦料級配中的作用進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整即可。

2.4 粗、細(xì)集料合成方法研究

根據(jù)粗集料骨架空隙率以及瀝青混合料設(shè)計空隙率確定粗、細(xì)集料用量和瀝青用量,使細(xì)集料體積、瀝青膠漿體積和瀝青混合料設(shè)計空隙率的總和等于主骨架空隙的體積。這種思路理論上非常完美,但是使混合料的實際狀態(tài)能達(dá)到符合多級嵌擠的確很難,這是一種理想狀態(tài)。根據(jù)這一思路可以引出體積法計算粗、細(xì)集料用量百分?jǐn)?shù)的公式。即：

其中,VCADLC為粗集料的間隙率,由松裝試驗實測而得,%;Mc,Mf,Mp,Ma分別為粗集料、細(xì)集料、礦粉質(zhì)量百分?jǐn)?shù)及油石比,%;ρtf,ρtp分別為細(xì)集料、礦粉的表觀密度,g/cm3;ρlc為粗集料的松裝密度,g/cm3;ρca為粗集料的合成毛體積密度,g/cm3;ρw為水的密度,g/cm3;ρa為瀝青密度,g/cm3;Vvs為瀝青混合料設(shè)計空隙率,通常為4%左右。

3 嵌擠密實級配瀝青混合料設(shè)計方法流程

1)原材料選擇。對于瀝青面層,選擇磨光值、磨耗值和棱角性等指標(biāo)滿足要求的粗集料,細(xì)集料要求滿足棱角性和瀝青的粘附性指標(biāo),礦粉為石灰?guī)r等堿性巖石加工而成,并具備一定的細(xì)度,瀝青結(jié)合料的選擇必須考慮與粗集料的粘附特性。所有原材料必須滿足規(guī)范對瀝青混合料原材料的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。2)基本試驗指標(biāo)測試。包括各級粗集料的毛體積密度,各級細(xì)集料及礦粉的表觀密度。3)確定粗、細(xì)集料級配。在粗、細(xì)集料粒徑確定之后,根據(jù)經(jīng)驗,各檔粗集料以不同比例進(jìn)行摻配,并測試每組試樣在松裝、振實或插搗等不同狀態(tài)下的裝填特性,如密度和間隙率等;同時測定每組試樣的CPV值,根據(jù)密實穩(wěn)定的原則得到粗集料的級配組成。對于細(xì)集料級配的確定,按照泰波公式的計算方法設(shè)計成連續(xù)級配(一般n=0.50)。4)確定礦料級配。確定緊裝密度的選取方法及相應(yīng)VCA值,根據(jù)體積設(shè)計法,結(jié)合工程經(jīng)驗及混合料性能要求給出目標(biāo)空隙率、礦粉含量及油石比的初值,計算得到粗、細(xì)集料及膠漿的初步比例。5)確定最佳油石比。進(jìn)行馬歇爾試驗確定瀝青混合料最佳油石比,并進(jìn)行路用性能(包括抗車轍性能、水穩(wěn)性和低溫性能檢驗),如不滿足有關(guān)技術(shù)要求,要分析原因,必要時通過進(jìn)一步的設(shè)計和試驗,調(diào)整級配,并確定最佳瀝青用量,并保證調(diào)整前后的粉膠比基本不變。

4 主要結(jié)論

1)粗集料的作用是形成穩(wěn)定的嵌擠骨架結(jié)構(gòu),并為細(xì)集料提供合適大小的可填充空隙,是瀝青混合料能否具有優(yōu)良路用性能的關(guān)鍵。工程中不同檔的粗集料摻配時,應(yīng)選取VCA值小而CPV值大的混合料。

2)瀝青混合料中的細(xì)集料主要起填充粗集料空隙并穩(wěn)定粗集料骨架、增加瀝青砂漿高溫勁度,并影響瀝青膜厚度。所以細(xì)集料整體應(yīng)有較大的凝聚力和密實度,細(xì)集料的級配可按照泰波公式的計算方法設(shè)計成連續(xù)級配。

3)按照嵌擠密實的設(shè)計原則,混合料組成比例可根據(jù)粗、細(xì)集料骨架空隙率以及瀝青混合料設(shè)計空隙率確定細(xì)集料用量和瀝青用量,使細(xì)集料體積、瀝青膠漿體積和瀝青混合料設(shè)計空隙率的總和等于主骨架空隙的體積。

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