陳 群 李宇峙

(中南大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院1) 長(zhǎng)沙 410075) (長(zhǎng)沙理工大學(xué)道路工程交通部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 長(zhǎng)沙 410076)

對(duì)于高等級(jí)道路瀝青路面表面層瀝青混合料級(jí)配,我國(guó)較多采用抗滑表層AK-13,AK-16或密實(shí)的AC-13Ⅰ,AC-16Ⅰ及多碎石瀝青混凝土(SAC)[1-2].對(duì)于表面層瀝青混合料的研究,德國(guó)開(kāi)發(fā)了SMA[3];1987年,美國(guó)設(shè)立戰(zhàn)略公路研究項(xiàng)目(SH RP),提出了以體積配合比法進(jìn)行混合料組成設(shè)計(jì)的方法,并規(guī)定了級(jí)配的禁區(qū)與控制點(diǎn)[4-6].表面層瀝青混合料應(yīng)具有良好的高溫穩(wěn)定性、耐久性、排水及防滑能力,針對(duì)這些使用性能上的要求制定各種不同的級(jí)配范圍.但是,現(xiàn)有研究多是針對(duì)某個(gè)具體工程進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)或試驗(yàn)研究.本文擬在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)較系統(tǒng)的試驗(yàn)來(lái)分析與探討礦料級(jí)配對(duì)表面層瀝青混合料體積性質(zhì)影響的一般規(guī)律,從而得到針對(duì)不同使用性能要求的瀝青混合料級(jí)配調(diào)整的方法.

以13型級(jí)配作為研究對(duì)象,試驗(yàn)采用安山巖礦料、石灰?guī)r質(zhì)礦粉、重交科氏90#瀝青,測(cè)得密度1.035 g/cm3.試驗(yàn)操作規(guī)程及計(jì)算方法嚴(yán)格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程(JT J013-95)》.下面對(duì)關(guān)鍵粒徑段含量的影響進(jìn)行分析.

1 4.75,1.18 mm篩孔通過(guò)率的影響試驗(yàn)分析[7]

1)4.75 mm篩孔通過(guò)率對(duì)空隙率與粗骨架間隙率影響,見(jiàn)表1.

由表1可知：(1)隨著4.75 mm以下集料含量的逐漸增加,空隙率開(kāi)始下降很快,這是因?yàn)殚_(kāi)始混合料骨架中填充空隙的細(xì)料太少,隨著細(xì)料的增加,細(xì)料填充了骨架間的空隙,使得混合料空隙下降很快;(2)增加的4.75 mm以下細(xì)料達(dá)到一定數(shù)量后繼續(xù)增加,粗骨架將被細(xì)料所撐開(kāi),粗骨架間隙率直線上升,之后空隙率主要由細(xì)料間的空隙決定,空隙率下降幅度也將逐漸趨于平緩; (3)由表1可知隨著4.75 mm以下細(xì)料含量的不斷增加粗骨架間隙率直線上升,一方面論證了中間段粒徑礦料(1.18～4.75 mm)對(duì)粗骨架的明顯干涉作用,另一方面說(shuō)明較細(xì)礦料超過(guò)一定程度后將撐開(kāi)粗骨架.由以上分析可得到如下形式的變化曲線,見(jiàn)圖1、圖2.

表1 試驗(yàn)方案及結(jié)果

如圖1,4.75 mm篩孔通過(guò)率極小時(shí),起填充作用的細(xì)料數(shù)量極少,骨架間沒(méi)有足夠的細(xì)料填充以致空隙率過(guò)大;隨著4.75 mm通過(guò)率的增加,細(xì)料數(shù)量逐漸增加,填充骨架間空隙,使得礦料間空隙率直線減小;一直到4.75 mm篩孔通過(guò)率達(dá)到某一個(gè)值(骨架被撐開(kāi)的瞬間),礦料間空隙率不再劇減,而是呈緩慢減小或以致不再減小的趨勢(shì)(此時(shí)的礦料間空隙率由細(xì)料決定).

圖1 4.75 mm篩孔通過(guò)率對(duì)空隙率影響

圖2 4.75 mm篩孔通過(guò)率對(duì)粗集料間隙率影響

如圖2,4.75 mm篩孔的通過(guò)率對(duì)粗集料間隙率起決定性的作用.當(dāng)4.75 mm篩孔通過(guò)率較小時(shí),骨架間空隙率大致和粗集料干壓狀態(tài)下的空隙率相同,骨架結(jié)構(gòu)的完整性沒(méi)有遭到破壞;隨著4.75 mm篩孔的通過(guò)率繼續(xù)增加,到一定量時(shí),骨架開(kāi)始被撐開(kāi),骨架結(jié)構(gòu)的完整性遭到破壞,且隨著4.75 mm篩孔通過(guò)率的繼續(xù)增加,粗集料間隙率呈直線增加.

2)1.18 mm篩孔通過(guò)率對(duì)空隙率與粗骨架間隙率影響,見(jiàn)表2.

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

表2試驗(yàn)方案的典型特點(diǎn)是間斷了對(duì)粗骨架干涉作用強(qiáng)的1.18～4.75 mm中間段粒徑礦料.由表2試驗(yàn)結(jié)果可知：(1)1.18 mm篩孔通過(guò)率很小的時(shí)候,粗骨架間缺少足夠的細(xì)料進(jìn)行填充,因此混合料中空隙率很大,隨著1.18 mm篩孔通過(guò)率的逐漸增加,空隙率呈直線減小的趨勢(shì);(2)當(dāng)1.18 mm篩孔通過(guò)率達(dá)到25%以后,繼續(xù)增加空隙率減小幅度明顯降低,此時(shí)骨架間空隙已被填充,繼續(xù)增加細(xì)料含量只會(huì)使粗骨架被撐開(kāi)且間隙率變得越來(lái)越大,而空隙率此時(shí)則主要由細(xì)料間的間隙決定.由以上可分析得到如下形式的變化曲線,見(jiàn)圖3.

圖3 1.18 mm篩孔通過(guò)率對(duì)礦料間隙率的影響

當(dāng)1.18 mm以下細(xì)料含量很小時(shí),礦料間空隙率會(huì)很大,若4.75 mm以上粗集料具有一定數(shù)量,那么此時(shí)瀝青混合料結(jié)構(gòu)就呈現(xiàn)為骨架空隙結(jié)構(gòu);隨著1.18 mm以下細(xì)料數(shù)量的逐漸增加,骨架間空隙逐漸被填充,當(dāng)4.75 mm粗集料具有一定數(shù)量且其形成的骨架沒(méi)有被撐開(kāi),此時(shí)形成的結(jié)構(gòu)就是骨架密實(shí)結(jié)構(gòu);當(dāng)1.18 mm及以下各篩孔通過(guò)率繼續(xù)增加,骨架逐漸被細(xì)料所撐開(kāi),礦料間的空隙率由1.18 mm以下細(xì)料決定,此時(shí)的瀝青混合料常處于密實(shí)懸浮結(jié)構(gòu).

2 細(xì)料劃分標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)分析

1)瀝青用量、礦粉用量固定不變,4.75 mm以上粗集料各粒徑段含量比例不變,研究2.36～4.75 mm粒徑礦料含量對(duì)空隙率和粗骨架間隙率的影響.試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表3.

從表3可看出：(1)隨著2.36～4.75 mm粒徑段礦料含量的逐漸增加,粗骨架間隙率增加較快,這是因?yàn)?.36～4.75 mm集料逐漸將4.75 mm以上的粗集料形成的骨架撐開(kāi)的緣故;(2)隨著2.36～4.75 mm含量的逐漸增加,空隙率增加不明顯,說(shuō)明2.36～4.75 mm集料不僅對(duì)4.75 mm以上粗集料骨架起撐開(kāi)作用,而且填充粗骨架間隙,因此空隙率變化不大(由試驗(yàn)結(jié)果可知是空隙率略有增加).

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

2)瀝青用量、礦粉用量固定不變,4.75 mm以上粗集料各粒徑段含量比例不變,研究1.18～2.36mm粒徑礦料含量對(duì)空隙率和粗骨架間隙率的影響.試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表4.

從表4可看出：(1)隨著1.18～2.36 mm粒徑段礦料含量的逐漸增加,粗骨架間隙率增加較快,這是因?yàn)?.18～2.36 mm集料逐漸將4.75 mm以上的粗集料形成的骨架逐漸撐開(kāi)的緣故; (2)隨著1.18～2.36 mm含量的逐漸增加,空隙率逐漸減小,說(shuō)明1.18～2.36 mm集料不僅對(duì)4.75 mm以上粗集料骨架起撐開(kāi)作用,而且填充粗骨架間隙使得空隙率減小;(3)對(duì)比表3和表4,2.36～4.75 mm集料與1.18～2.36 mm集料對(duì)粗骨架均有干涉作用,且干涉程度相差不大, 5%含量時(shí)31.78%與31.66%,15%含量時(shí)39.52%與39.27%,25%含量時(shí)47.32%與46.9%;(4)對(duì)比表3和表4中空隙率變化趨勢(shì)可知,2.36～4.75 mm集料的干涉作用大于填充作用,1.18～2.36 mm集料的填充作用大于干涉作用.

3)瀝青用量、礦粉用量固定不變,4.75 mm以上粗集料各粒徑段含量比例不變,研究0.6～1.18 mm粒徑礦料含量對(duì)空隙率和粗骨架間隙率的影響.試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表5.

表4 試驗(yàn)方案及結(jié)果

表5 試驗(yàn)方案及結(jié)果

從表5可看出：(1)隨著0.6～1.18 mm含量的逐漸增加,粗骨架間隙率增加較快,這是因?yàn)?.6～1.18 mm集料逐漸將4.75 mm以上的粗集料形成的骨架逐漸撐開(kāi)的緣故;(2)隨著0.6～1.18 mm含量的逐漸增加,空隙率減小很快,說(shuō)明0.6～1.18 mm集料不僅對(duì)4.75 mm以上粗集料骨架起撐開(kāi)作用,而且填充粗骨架間隙使得空隙率減小;(3)對(duì)比表4、表5,1.18～2.36mm集料與0.6～1.18 mm集料對(duì)粗骨架均有干涉作用,且干涉程度相差較大,1.18～2.36 mm集料干涉作用大于0.6～1.18 mm集料對(duì)粗骨架的干涉作用,5%含量時(shí)分別為31.66%與30.68%,15%含量時(shí)分別為39.27%與37.13%,25%含量時(shí)分別為46.9%與44.77%;(4)由表5中空隙率的迅速下降變化趨勢(shì)可知,0.6～1.18 mm集料撐開(kāi)粗骨架的同時(shí)主要填充粗骨架空隙,此試驗(yàn)中空隙率主要由0.6～1.18 mm集料間的間隙決定;對(duì)比表6,1.18～2.36 mm集料撐開(kāi)粗骨架的同時(shí)填充粗骨架空隙,空隙率主要由1.18～2.36 mm集料間的間隙決定;(5)對(duì)比表5和表4中空隙率變化趨勢(shì)可知,0.6～1.18 mm集料的填充作用大于1.18～2.36 mm集料的填充作用; (6)在礦粉含量為6%時(shí),即使是粒徑較小的0.6～1.18 mm的集料含量超過(guò)5%都可能對(duì)粗骨架產(chǎn)生影響.但若1.18 mm以下各粒徑段礦料含量合理搭配形成合理級(jí)配的話,可能在嵌擠的粗骨架間隙中將能容納更多的1.18 mm以下的集料數(shù)量,而且粗骨架間隙率和空隙率都將減小.

由對(duì)表3、表4、表5的分析可知：(1)隨著粒徑由2.36～4.75 mm變化到1.18～2.36 mm再變化到0.6～1.18 mm,對(duì)粗骨架干涉作用逐漸減小,特別是從1.18～2.36 mm再變化到0.6～1.18 mm,干涉作用減小更加顯著;(2)隨著粒徑由2.36～4.75 mm變化到1.18～2.36 mm再變化到0.6～1.18 mm,對(duì)粗骨架間隙的填充作用逐漸增強(qiáng),特別是從1.18～2.36 mm再變化到0.6～1.18 mm,填充作用增加更加顯著;(3)由于本次試驗(yàn)表5試驗(yàn)方案1.18 mm以下礦料沒(méi)有形成合理搭配(只有0.6～1.18 mm的集料,缺少0.075～0.6 mm中間集料),因此0.6～1.18 mm的集料超過(guò)5%都對(duì)粗骨架產(chǎn)生了顯著影響,但這也能從一定程度上說(shuō)明0.6～1.18 mm的集料對(duì)粗骨架也有一定干涉作用;(4)瀝青混合料的結(jié)構(gòu)由三部分組成.4.75 mm以上集料形成骨架,4.75～1.18 mm集料起干涉骨架與填充骨架空隙的雙重作用,1.18 mm以下集料主要起填充骨架空隙作用(填充作用大,含量增加空隙率減小速度快).因?yàn)?.18～4.75 mm的礦料起干涉骨架的作用,因此,為了得到穩(wěn)定的、較強(qiáng)承載能力的骨架結(jié)構(gòu),須對(duì)1.18～4.75 mm的礦料含量有所限制.

因此,針對(duì)上面的分析可知細(xì)集料應(yīng)是粒徑小于1.18 mm的集料(填充作用大,含量增加空隙率減小速度快),但是1.18～0.6 mm含量的增加也能對(duì)骨架產(chǎn)生影響,因此應(yīng)限制 1.18～ 0.6 mm含量并使得1.18 mm以下的集料含量形成合理搭配與嵌擠以保證骨架不被破壞.

3 粗、細(xì)料含量比例不變,礦粉、瀝青用量不變,研究中間段礦料含量對(duì)體積參數(shù)的影響

由表6可知,隨著1.18～4.75 mm集料含量由5%增加到15%到25%,粗骨架間隙率由43.1%增加到49.7%到56.9%;而空隙率先從4.97%減少到4.79%,然后再增加到5.96%.說(shuō)明當(dāng)1.18～4.75 mm集料含量較少時(shí),填充作用大于干涉作用,隨著1.18～4.75 mm集料含量的增加,干涉作用明顯,空隙率增加.

4 礦粉用量對(duì)體積參數(shù)影響試驗(yàn)分析

1)瀝青用量不變,礦料用量基本不變,礦粉用量對(duì)空隙率及粗骨架間隙率的影響,見(jiàn)表7.

表6 試驗(yàn)方案及結(jié)果

表7 試驗(yàn)方案及結(jié)果

由表7試驗(yàn)結(jié)果可知：(1)隨著礦粉用量由4%增加到7%,空隙率由6.53%減少到5.88%;礦粉用量由7%增加到10%,空隙率變化不明顯.說(shuō)明一定量的礦粉對(duì)于保證混合料的密實(shí)性是必要的,但礦粉達(dá)到一定的量,而瀝青用量沒(méi)有相應(yīng)的增加,繼續(xù)增加礦粉不能使空隙率減小;(2)當(dāng)粗料含量和瀝青用量不變,只變化礦粉的用量,粗骨架間隙率變化不大;(3)由表7結(jié)果及分析可知,瀝青混合料中0.075 mm以下礦料有兩種相反作用：0.075 mm以下礦料顆粒最細(xì),能使混合料更加密實(shí);在瀝青用量一定的時(shí)候,隨著0.075 mm以下礦粉含量的增加,瀝青膠漿勁度增加,并不利于混合料的擊實(shí).

2)粉膠比不變,礦料用量基本不變,礦粉用量3個(gè)水平,瀝青用量相應(yīng)也3個(gè)水平,對(duì)空隙率及粗骨架間隙率的影響.見(jiàn)表8.

表8 試驗(yàn)方案及結(jié)果

由表8試驗(yàn)結(jié)果可知：粉膠比質(zhì)量比維持在7∶4.5的比值不變,隨著礦粉用量由4%上升到7%(瀝青用量由2.6%上升到4.5%),空隙率由11.8%下降到5.88%,粗骨架間隙率由47%下降到46%說(shuō)明瀝青增加有利壓實(shí);礦粉用量由7%上升到10%(瀝青用量由4.5%上升到6.4%),空隙率由5.88%下降到1.25%,粗骨架間隙率繼續(xù)有所減少但幅度不大.

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)分析探討了礦料級(jí)配對(duì)13型表面層瀝青混合料體積性質(zhì)的影響規(guī)律.在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分析了關(guān)鍵篩孔4.75,1.18 mm篩孔通過(guò)率對(duì)空隙率、粗骨架間隙率的影響規(guī)律、細(xì)料劃分標(biāo)準(zhǔn)、中間段礦料含量對(duì)體積參數(shù)影響及礦粉用量對(duì)體積參數(shù)的影響.試驗(yàn)分析所得結(jié)論為表面層瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)不同使用性能要求時(shí)礦料級(jí)配調(diào)整提供了一些參考依據(jù).

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