蔡　旭，王端宜，吳曠懷，楊國良

(1.廣州大學(xué)　土木工程學(xué)院，廣東　廣州　510006；2.華南理工大學(xué)　土木與交通學(xué)院，廣東　廣州　510641)

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采用簡化的分級(jí)摻配法設(shè)計(jì)抗車轍型瀝青混合料

蔡旭1, 2，王端宜2，吳曠懷1，楊國良1

(1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州510006；2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州510641)

摘要：基于粗細(xì)集料分工的思想對(duì)級(jí)配的分級(jí)摻配設(shè)計(jì)法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，簡化其摻配步驟,省略了細(xì)集料的摻配過程，避免了摻配過程中粗細(xì)集料的離析對(duì)摻配效果的影響。在考慮礦粉體積干涉的基礎(chǔ)上重新確定了粗、細(xì)集料比例的計(jì)算方法。采用控制粉膠比的方法建立了礦粉與瀝青的體積關(guān)系，在保證混合料抗車轍性能的前提下確定了混合料的最佳油石比。采用馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)的混合料(MLB-13)進(jìn)行了驗(yàn)證，并用車轍試驗(yàn)將設(shè)計(jì)的混合料與AC-13瀝青混合料和SMA-13瀝青瑪蹄脂進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明：MLB-13混合料的各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足規(guī)范中的相關(guān)要求，并且具有良好的抗車轍性能。

關(guān)鍵詞：道路工程；瀝青混合料；分級(jí)摻配法；體積法；車轍

0引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，經(jīng)濟(jì)建設(shè)的中心逐步向中西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，隨著山區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)項(xiàng)目的推進(jìn)，如何避免瀝青路面長陡坡路段的車轍損害是道路工作者面臨的一大難題。瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)是瀝青路面設(shè)計(jì)的核心之一，目前較為常見的瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)理論主要包括基于Fuller[1]最大密實(shí)曲線的級(jí)配計(jì)算法和基于體積填充的體積填充法。其中，基于最大密實(shí)曲線的級(jí)配計(jì)算法類型較多[2-5]，采用該理論設(shè)計(jì)的瀝青混合料具有細(xì)集料含量多、粗集料含量少的特點(diǎn)，因此其抗車轍性能普遍較差。基于體積填充的設(shè)計(jì)方法主要有Weymouth[6]提出的粒子干涉理論，張肖寧[7]提出的主骨料空隙填充法(CAVF)和本世紀(jì)初的貝雷法[8]，這類方法在級(jí)配設(shè)計(jì)階段考慮了不同粒徑集料相互間的空間關(guān)系，設(shè)計(jì)出的混合料具有骨架密實(shí)的特點(diǎn)。這些設(shè)計(jì)方法本質(zhì)上追求的是功能平衡的設(shè)計(jì)理念，不甚適用于長陡坡路段的材料設(shè)計(jì)。

針對(duì)長陡坡路段的特點(diǎn)，潘艷珠等[9-11]提出了基于分級(jí)摻配理念的抗車轍瀝青混合料設(shè)計(jì)方法，該方法將摻配過程劃分為粗、細(xì)集料摻配兩部分，強(qiáng)調(diào)粗集料的骨架穩(wěn)定性，并滿足細(xì)集料填充空隙的要求。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中仍遇到一些問題，即采用這一方法進(jìn)行4%空隙率混合料設(shè)計(jì)時(shí)難以得到骨架密實(shí)型混合料。原因的一方面是因?yàn)樵O(shè)計(jì)過程中粗、細(xì)級(jí)配的比例計(jì)算采用理想化的擬合；另一方面是細(xì)集料的摻配難度較大，摻配結(jié)果較為離散。為此，本文基于粗、細(xì)集料分工的思想，開展分級(jí)摻配法的優(yōu)化研究，在保證混合料性能的前提下簡化摻配步驟，并開展相關(guān)的驗(yàn)證試驗(yàn)。

1礦料的分級(jí)摻配法

礦料的分級(jí)摻配法是由Lees[12]在1970年提出的，該方法以混合料達(dá)到最大密實(shí)度為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過對(duì)由粗到細(xì)的一系列粒料的摻配，得出集料密實(shí)度最大(空隙率最小)時(shí)各檔集料的最佳比例，從而確定集料的最佳級(jí)配。例如，將A，B，C，D共4種粒徑不同的集料配制成最密實(shí)的混合料，集料粒徑大小關(guān)系A(chǔ)>B>C>D，假設(shè)在最密實(shí)狀態(tài)時(shí)摻配比例為a，b，c，d，則摻配步驟為：

(1)將A和B按比例a，b摻配；

(2)將上一步摻配的AB混合料視為一種集料與C按比例a+b和c摻配；

(3)將混合料ABC視為一種集料與D按比例a+b+c和d摻配。

但由于路用性能的要求，瀝青混合料必須具備一定的空隙率，因此直接采用上述方法難以得到理想的瀝青混合料。為此，盧亮[11]依據(jù)貝雷法的劃分標(biāo)準(zhǔn)將集料分成粗、細(xì)兩檔，通過分級(jí)摻配的方式分別確定兩檔集料的級(jí)配曲線，再將兩檔集料視為粗料和細(xì)料進(jìn)行2級(jí)摻配，最終得出完整的級(jí)配曲線。該方法有效地解決了骨架形成問題與空隙填充問題，并使得設(shè)計(jì)結(jié)果符合瀝青路面對(duì)混合料的基本要求。摻配過程中采用式(1)判斷骨架的形成狀況：

(1)

式中，qc，qf分別為粗、細(xì)集料的含量；VCA為粗集料形成的空隙；ρsc，ρf分別為粗集料干搗實(shí)密度和細(xì)集料的毛體積密度。

式(1)的意義在于驗(yàn)證粗集料所形成的空隙是否大于細(xì)集料的體積，即集料骨架是否受到干涉。若驗(yàn)證結(jié)果表明骨架受到干涉，則須依據(jù)擬合公式調(diào)整粗、細(xì)集料的比例，增加粗集料的比例使細(xì)集料不對(duì)其骨架造成干涉。其瀝青用量采用式(2)確定。

(2)

式中，VV為設(shè)計(jì)孔隙率；ρsf，ρa(bǔ)分別為細(xì)集料的搗實(shí)密度和瀝青的密度；其余參數(shù)同上。

上述方法可操作性強(qiáng)，但在實(shí)際的應(yīng)用過程中仍遇到一些問題。首先是摻配過程中當(dāng)粗集料比例較大時(shí)，極易發(fā)生細(xì)集料離析，而細(xì)集料比例較大時(shí)需要使用大量的細(xì)集料進(jìn)行摻配，增加了摻配的準(zhǔn)備工作量；其次是VMA的控制參照了SMA混合料的設(shè)計(jì)要求，取值的合理性需要進(jìn)一步驗(yàn)證；最后是摻配過程中尚未考慮礦粉的體積干涉，在進(jìn)行小空隙率混合料設(shè)計(jì)時(shí)難以得到骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。

2分級(jí)摻配法的簡化

對(duì)現(xiàn)有分級(jí)摻配法的簡化設(shè)計(jì)需堅(jiān)守骨架密實(shí)的設(shè)計(jì)理念，即明確原有的粗、細(xì)集料分工的思想。實(shí)際上，骨架密實(shí)型混合料只需要粗集料形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，同時(shí)細(xì)集料與瀝青不對(duì)骨架構(gòu)成干涉即可。從這一點(diǎn)出發(fā)，細(xì)集料的摻配過程可以省略，因?yàn)榧?xì)集料僅需滿足填充功能，那么其級(jí)配僅需滿足必要的范圍要求。

因此，確定細(xì)集料級(jí)配控制范圍是對(duì)分級(jí)摻配法簡化設(shè)計(jì)的第一步。細(xì)集料級(jí)配的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使混合料達(dá)到最大密實(shí)度，因此借鑒SUPERPAVE集料設(shè)計(jì)過程中的級(jí)配設(shè)計(jì)方法輔助細(xì)集料的級(jí)配選擇。這是出于兩方面的考慮：首先，SUPERPAVE在級(jí)配設(shè)計(jì)階段采用的是Talbot的最大密度曲線(n法，n=0.435)，與原分級(jí)摻配法的設(shè)計(jì)目標(biāo)一致；其次，SUPERPAVE設(shè)置了集料禁區(qū)，其目的在于避免級(jí)配曲線在0.6 mm處產(chǎn)生駝峰并造成較小的VMA[13]。有較多的研究表明，級(jí)配曲線從禁區(qū)下方通過時(shí)能獲得較好的高溫穩(wěn)定性，因此建議選用從禁區(qū)下方通過的級(jí)配曲線，SUPERPAVE的集料級(jí)配禁區(qū)見表1。

表1　集料級(jí)配的禁區(qū)邊界

其次，對(duì)確定粗、細(xì)集料總比例過程進(jìn)行優(yōu)化?；隗w積填充的思想直接確定粗集料、細(xì)集料、礦粉和瀝青的比例，采用式(3)控制各材料的體積干涉。

Va=(VCA-VV)Vc-Vf-Vp，

(3)

式中Va，Vc，Vf,Vp分別為瀝青、粗集料、細(xì)集料和礦粉的體積比。

礦粉用量參照SUPERPAVE的級(jí)配建議值：對(duì)于最大公稱粒徑小于13.2 mm的混合料，礦粉用量為2%～10%；對(duì)于最大公稱粒徑19 mm的混合料，礦粉用量為2%～8%；對(duì)于最大公稱粒徑26 mm的混合料，礦粉用量為1%～7%。

最后，采用控制粉膠比的方法限制瀝青用量。張爭奇等[14]通過研究發(fā)現(xiàn)，在級(jí)配基本不變的情況下，影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是瀝青膠漿的性質(zhì)，而不是瀝青用量，而粉膠比是影響瀝青膠漿性能的主要因素，因此建議在瀝青混合料的設(shè)計(jì)中對(duì)粉膠比進(jìn)行嚴(yán)格控制。國內(nèi)學(xué)者通過車轍試驗(yàn)、穩(wěn)定度試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)對(duì)粉膠比的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果一致表明：粉膠比增大，混合料高溫性能提高，低溫性能降低，粉膠比在1.2～1.4間混合料的高溫穩(wěn)定性最好，但低溫性能較差，建議粉膠比不超過1.3。綜合已有的研究成果，控制粉膠比的范圍在1.1～1.3之間。

綜上所述，各材料用量確定方法可用式(4)進(jìn)行歸納：

(4)

式中，qc，qf，qp，qa分別為粗集料、細(xì)集料(不包含礦粉)、礦粉和瀝青的質(zhì)量比例；ρsc，ρsf，ρp和ρa(bǔ)分別為粗集料的干搗實(shí)密度、細(xì)集料的合成密度(不包含礦粉)、礦粉密度和瀝青密度；VCA為采用分級(jí)摻配法得出的粗集料空隙率；VV為設(shè)計(jì)空隙。

式(4)中含有4個(gè)未知量，即粗集料、細(xì)集料、礦粉和瀝青的用量。因此設(shè)計(jì)過程分為3個(gè)步驟：

(1)確定級(jí)配的粗、細(xì)集料分界點(diǎn)，開展粗集料的摻配試驗(yàn)；

(2)根據(jù)SUPERPAVE的級(jí)配建議值確定細(xì)集料的級(jí)配以及礦粉用量；

(3)選用不同的粉膠比確定瀝青的初試用量，得出不同瀝青用量下粗、細(xì)集料的總比例；

(4)結(jié)合馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果和車轍試驗(yàn)結(jié)果確定最佳瀝青用量。

3驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

3.1采用簡化的分級(jí)摻配法設(shè)計(jì)礦料級(jí)配

驗(yàn)證試驗(yàn)采用龍溪嘉粵石場生產(chǎn)的花崗巖，礦粉為石灰?guī)r礦粉，瀝青采用SBS改性瀝青，材料密度見表2。采用再優(yōu)化后的分級(jí)摻配法設(shè)計(jì)空隙率為4.0 %的13型瀝青混合料，根據(jù)分級(jí)摻配法的特點(diǎn)，用MLB-13簡稱該型混合料。

表2　各材料密度指標(biāo)

首先，確定粗細(xì)集料的分界點(diǎn)。對(duì)于公稱最大粒徑為13.2 mm的混合料。其粗細(xì)集料分界點(diǎn)為2.36 mm，那么粗集料共需進(jìn)行3級(jí)摻配，分別是13.2 mm與9.5 mm、13.2～9.5 mm與4.75 mm、以及13.2～4.75 mm與2.36 mm。依據(jù)上文所述的摻配方法進(jìn)行摻配試驗(yàn)，可得粗集料各檔粒徑比例為13.2 mm:9.5 mm:4.75 mm: 2.36 mm = 27.4:18.3:28.0:26.3，試驗(yàn)中測得VCA為35.9 %，粗集料搗實(shí)密度為 1.661 g/cm3。

其次，參照SUPERPAVE的級(jí)配范圍要求選擇細(xì)集料級(jí)配，確定細(xì)集料各檔粒徑比例為1.18 mm :0.6 mm : 0.3 mm :0.15 mm:0.075 mm=41.9:22.1:12.3:7.9:15.8，可算得細(xì)集料合成密度為2.647 g/cm3。

接下來直接確定粗集料、細(xì)集料、礦粉和瀝青的用量，根據(jù)SUPERPAVE的級(jí)配建議值擬定礦粉用量為6 %，按粉膠比1.1,1.2和1.3的比例計(jì)算初試瀝青用量，可得初試油石比分別為5.4%、5.0%和4.6%，將上述數(shù)據(jù)代入式(4)可得出3條級(jí)配曲線，見表3。

表3　分級(jí)摻配混合料級(jí)配

由表2可知，由于選定的粉膠比差異較小，3條級(jí)配曲線基本一致，但從中仍可找出某些區(qū)別。首先是粉膠比越小(瀝青用量越大)粗集料的用量越多，粉膠比為1.1時(shí)粗細(xì)集料的總比例為 70.7:29.3，而粉膠比為1.3時(shí)該比例降為 68.7:31.3。其次，瀝青對(duì)級(jí)配有顯著的干涉作用，瀝青用量每增加1%，集料所占比例降低2%以上。

3.2混合料性能驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)表3的級(jí)配曲線成型馬歇爾試件對(duì)其體積指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，采用再優(yōu)化后的分級(jí)摻配法得出的混合料滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。隨著粉膠比的增加，混合料的空隙率變大，但與設(shè)計(jì)空隙率偏差較小，3種材料的空隙率均值為3.90%。3種粉膠比的混合料礦料間隙率VMA與瀝青飽和度VFA隨著粉膠比的增加而下降，穩(wěn)定度指標(biāo)則隨著粉膠比的增加而上升，這與現(xiàn)有的研究成果是一致的。

參照密級(jí)配混合料的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，3種粉膠比的瀝青混合料基本滿足我國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對(duì)VMA、VFA和流值的要求，但穩(wěn)定度指標(biāo)略低于規(guī)范中“對(duì)于密級(jí)配瀝青混合料穩(wěn)定度不小于8 kN”的規(guī)定。若按照規(guī)范值進(jìn)行取舍，所有瀝青混合料都是不滿足要求的，但馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)并非評(píng)價(jià)瀝青混合料路用性能的最佳方法，且提高混合料的高溫穩(wěn)定性能是分級(jí)摻配法的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。因此，最佳油石比需要結(jié)合車轍試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行確定。

為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法是否能夠得到抗車轍性能良好的混合料，將MLB-13型瀝青混合料與AC-13F、AC-13C和SMA-13瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。其他各型混合料所用的級(jí)配如圖1所示，最佳油石比通過馬歇爾試驗(yàn)確定(見表5)。所有的瀝青混合料均采用相同的集料、礦粉與瀝青。

表4　MLB-13型混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖1　混合料級(jí)配曲線Fig.1　Gradation curves of mixtures

車轍試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，MLB-13型混合料的高溫穩(wěn)定性能相對(duì)AC-13型混合料提升顯著，其動(dòng)穩(wěn)定度均大于4 000次/mm，其中粉膠比為1.3的混合料接近瀝青瑪蹄脂SMA-13型混合料的抗車轍性能。其次，粉膠比對(duì)MLB-13型混合料的高溫穩(wěn)定性能影響顯著，即粉膠比越大(瀝青用量越小)，礦料表面的瀝青膜厚度減小，結(jié)構(gòu)瀝青密度上升，使得混合料的高溫穩(wěn)定性能將更加良好，該試驗(yàn)結(jié)果與已有的研究結(jié)論一致。

開展殘留馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)，檢驗(yàn)MLB-13型瀝青混合料的水穩(wěn)定性和低溫性能，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表5　不同混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果

注：SMA-13混合料添加0.3 %木質(zhì)素纖維。

表6　瀝青混合料性能試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，隨著粉膠比的增大，MLB-13型混合料的水穩(wěn)定性能下降，低溫抗裂性能降低。但仍滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于“改性瀝青混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度大于85%”、“凍融劈裂殘留強(qiáng)度大于80%”和“低溫彎曲破壞應(yīng)變不小于2 500 με”的要求。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用簡化的分級(jí)摻配法設(shè)計(jì)的混合料能夠充分發(fā)揮粗集料的嵌擠功能，避免了細(xì)集料與瀝青的體積干涉，在兼顧水穩(wěn)定性以及低溫穩(wěn)定性的前提下提升其抗車轍性能。這種設(shè)計(jì)方法適用于高溫低速環(huán)境下重載交通道路的路面材料設(shè)計(jì)，并且可以根據(jù)不同類型集料的特性進(jìn)行必要的調(diào)整，是一種可操作性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，采用簡化的分級(jí)摻配法設(shè)計(jì)得出的瀝青混合料的穩(wěn)定度并不影響其材料在抗車轍性能方面的表現(xiàn)，綜合考慮各性能試驗(yàn)結(jié)果，確定該型MLB-13混合料的油石比為4.8%。

4結(jié)論

本文以提高瀝青混合料的抗車轍性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)，依據(jù)粗細(xì)集料分工的設(shè)計(jì)思想，對(duì)現(xiàn)有級(jí)配的分級(jí)摻配設(shè)計(jì)法進(jìn)行了簡化設(shè)計(jì)。通過分級(jí)摻配的方式保證粗集料骨架的穩(wěn)定嵌擠，基于體積干涉理論和控制粉膠比的方法避免了細(xì)集料和瀝青對(duì)骨架的體積干涉，實(shí)現(xiàn)了瀝青混合料抗車轍性能的提升。與各型瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明，采用該方法設(shè)計(jì)的MLB-13型瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性。為充分驗(yàn)證簡化摻配法的有效性，后續(xù)將開展該方法在普通瀝青混合料設(shè)計(jì)中的適用性研究。

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Design of Rut Resistance Asphalt Mixture with Simplified Multilevel Mixing Method

CAI Xu1,2, WANG Duan-yi2, WU Kuang-huai1, YANG Guo-liang1

(1. School of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou Guangdong 510001, China;2. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China)

Abstract：Based on the view point of division of coarse and fine aggregates function, the multilevel mixing method for aggregate gradation design is optimized, and the mixing procedure is simplified. The mixing process for fine aggregates is omitted to avoid the segregation during the mixing process of coarse and fine aggregates. The calculation method for ratio of coarse aggregate to fine aggregate is redesigned in consideration of the volume interference of mineral powder. The volume relationship between mineral powder and asphalt is established by controlling the ratio of mineral powder to asphalt. Therefore, the optimal asphalt aggregate ratio is determined on the premise of guaranteeing the anti rutting performance of the mixture. The mixture designed by this new method is verified by Marshall stability test, and its rut resistance performance is compared to AC-13 and SMA-13. The result shows that the technical indicators of MLB-13 mixture mainly meet the relevant requirements in the specification and possess fair rut resistance.

Key words：road engineering; asphalt mixture; multilevel mixing method; volume design method; rut

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)03-0013-05

中圖分類號(hào)：U416.217

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.03.003

作者簡介：蔡旭(1985-)，男，廣東潮州人, 博士.(cx_caixu@163.com)

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378224)；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014A030310272)

收稿日期：2014-12-14