羅安邦

(岳陽(yáng)市公路橋梁基建總公司，湖南 岳陽(yáng)　414000)

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AC-13瀝青混合料骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)級(jí)配設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法

羅安邦

(岳陽(yáng)市公路橋梁基建總公司，湖南 岳陽(yáng)414000)

針對(duì)我國(guó)對(duì)AC-13骨架密實(shí)型瀝青混合料的研究現(xiàn)狀及不足，對(duì)比分析了規(guī)范級(jí)配設(shè)計(jì)范圍和方法與骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)級(jí)配設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。研究了用VCADRF方法檢驗(yàn)礦料級(jí)配是否屬于緊密骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的原理和方法，并針對(duì)高速公路瀝青路面上面層AC-13的特點(diǎn)，建議AC-13瀝青混合料為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，級(jí)配特征曲線為“S”形，關(guān)鍵篩孔4.75 mm通過(guò)率為35%，碎石加工振動(dòng)篩應(yīng)按以下4檔料進(jìn)行加工，研究成果可為AC-13瀝青混合料骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

；道路工程；瀝青混合料；骨架密實(shí)；級(jí)配設(shè)計(jì)；VCADRF法

0　前言

我國(guó)瀝青路面上面層一般采用AC-13細(xì)粒式改性瀝青砼，AC-13瀝青混合料的性能和質(zhì)量直接影響瀝青路面的耐久性和使用性能，而AC-13瀝青混合料的路用性能則主要取決于級(jí)配設(shè)計(jì)及材料性能。進(jìn)行瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件、原材料性能、交通等級(jí)、施工技術(shù)等情況，從而確定出瀝青、填料和粗細(xì)集料在瀝青混合料中的最佳摻配比例。合理的級(jí)配設(shè)計(jì)應(yīng)在保證優(yōu)良的路面性能的同時(shí)，盡可能地降低實(shí)體工程的施工難度及工程造價(jià)。

優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)是改善配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，試驗(yàn)人員在級(jí)配設(shè)計(jì)中往往只求滿足相關(guān)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范中規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這樣得到的礦料級(jí)配有很大的局限性，并不一定是最合適的，因現(xiàn)行規(guī)范中的配合比設(shè)計(jì)方法不能依據(jù)巖石不同性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)和調(diào)整，以滿足不同結(jié)構(gòu)的要求[1-3]，也不能具體計(jì)算礦料級(jí)配中每一篩孔的通過(guò)率[4-6]，所以在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐脑牧闲阅苎芯康V料級(jí)配設(shè)計(jì)方法和檢驗(yàn)方法，對(duì)AC-13瀝青混合料的級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化。

1　級(jí)配設(shè)計(jì)理論與級(jí)配范圍

1.1級(jí)配設(shè)計(jì)理論

國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工作者對(duì)瀝青混合料的級(jí)配組成做了大量的研究工作，常用的級(jí)配理論有粒子干涉理論(the theory of interference)、最大密度曲線理論(the theory of maximum density curve)和分形理論(fractal theory)[4，5]。

最大密度級(jí)配曲線理論由Fuller通過(guò)試驗(yàn)提出的一種理想曲線，該理論認(rèn)為“礦料的顆粒級(jí)配曲線愈接近拋物線其密度愈大”，主要用于計(jì)算連續(xù)級(jí)配和描述其粒徑分布。因?yàn)楦骷?jí)數(shù)量比較接近，此法多屬于傳統(tǒng)密級(jí)配設(shè)計(jì)，粗集料含量少，同級(jí)顆粒間不能相互接觸，不易形成骨架結(jié)構(gòu)，所以高溫穩(wěn)定性較差，易產(chǎn)生車轍，且傳統(tǒng)密級(jí)配細(xì)集料用量多，表面構(gòu)造深度小，抗滑性能差[4，5，7]。

魏矛斯(Weymouth)提出的粒子干涉理論是以填充理論為基礎(chǔ)，逐級(jí)進(jìn)行填充，在填充顆粒粒徑小于前一級(jí)顆粒間隙的前提下，達(dá)到最大密實(shí)度，粒子干涉理論可用于計(jì)算折斷級(jí)配、連續(xù)級(jí)配和間斷級(jí)配[5]。

近年來(lái)隨著材料學(xué)的發(fā)展出現(xiàn)了分形理論，主要是將分形幾何理論應(yīng)用于研究瀝青路面材料級(jí)配而出現(xiàn)的一種新方法，目前的研究和應(yīng)用還較少[5]。

1.2現(xiàn)行規(guī)范的級(jí)配設(shè)計(jì)方法

國(guó)外骨架密實(shí)型級(jí)配設(shè)計(jì)一般采用粒子干涉理論、SUPERPAVE法以及貝雷法，國(guó)內(nèi)有CAVF法等。在粗集料斷級(jí)配瀝青混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)上，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)上都沒(méi)有具體的方法，都憑自已的經(jīng)驗(yàn)確定一個(gè)較寬范圍或一條級(jí)配曲線(僅法國(guó))，讓使用者按照中值和礦料組成，自己選擇一條級(jí)配曲線[4]。如我國(guó)的《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2006)和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)分別提出過(guò)2個(gè)級(jí)配設(shè)計(jì)范圍，如表1所示。

表1 AC-13級(jí)配范圍與中值級(jí)配類型規(guī)范通過(guò)以下篩孔(mm)百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC-13C中值JTGF40-200410090～10068～8538～6824～5015～3810～287～205～154～81009576.5543726.51913.5106AC-13C中值JTGD50-200610090～10060～8030～5320～4015～3010～237～185～124～8100957041.53022.516.512.58.56

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)施工圖設(shè)計(jì)中AC-13的級(jí)配中值設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1　施工圖設(shè)計(jì)中AC-13的級(jí)配中值設(shè)計(jì)

在做配合比設(shè)計(jì)時(shí)，道路工作者按照規(guī)程的操作方法[3]，一般先做級(jí)配曲線試驗(yàn)，再通過(guò)配合比試驗(yàn)選定一條合適的級(jí)配曲線，然后通過(guò)瀝青混凝土的性能試驗(yàn)確定級(jí)配設(shè)計(jì)是否符合要求。如不符合要求，則重新調(diào)整級(jí)配，再進(jìn)行瀝青混凝土性能試驗(yàn)，直到滿足規(guī)范要求。存在的問(wèn)題是2個(gè)規(guī)范提出的級(jí)配范圍略有不同，且范圍相對(duì)較大，道路工作者只能憑自已的經(jīng)驗(yàn)在較大的級(jí)配范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，或按照規(guī)定范圍的級(jí)配中值來(lái)配料，配出來(lái)的料只能等待性能試驗(yàn)做完后，才能確定礦料級(jí)配是否合適，這種方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，也造成了經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。

2　骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)級(jí)配設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)

針對(duì)現(xiàn)行規(guī)范級(jí)配設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，沙慶林院士提出了骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)級(jí)配設(shè)計(jì)方法和VCADRF級(jí)配檢驗(yàn)方法[7-9]，其設(shè)計(jì)原則是用粗集料形成骨架，用瀝青和細(xì)集料填充骨架中的孔隙，屬于間斷級(jí)配范疇。

2.1骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)級(jí)配設(shè)計(jì)方法

粗集料斷級(jí)配的是指礦料中以粗集料為主[4]，通常占60%以上，同時(shí)又是斷級(jí)配，粗集料各個(gè)篩孔通過(guò)量的設(shè)計(jì)曲線為一條冪函數(shù)較大的曲線，使粗集料形成孔隙率較大的骨架結(jié)構(gòu)，細(xì)集料篩孔通過(guò)量為一條冪函數(shù)較小的曲線，以便用瀝青和細(xì)集料填充骨架中的孔隙，形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，P4.75=30%為緊密骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，P4.75=35%為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，P4.75=40%為疏松骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，P4.75>40%為懸浮式密實(shí)結(jié)構(gòu)。

粗集料篩孔通過(guò)量的曲線方程為[7]：

(1)

式中：di為某篩孔尺寸，mm；Dmax為集料的公稱最大粒徑，mm，如AC-13C的公稱最大粒徑Dmax=13.2 mm；Pdi為某篩孔di的通過(guò)量；A、B為兩個(gè)系數(shù)。

目前《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中規(guī)定，公稱最大粒徑通過(guò)率為90%～100%，考慮到保留公稱最大粒徑以上部分會(huì)影響室內(nèi)平行試驗(yàn)的均勻性，也對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的均勻性有不利影響。所以AC-13最大公稱粒徑篩孔通過(guò)率取高限100%。

式(1)中兩個(gè)未知數(shù)A、B，由兩個(gè)已知控制點(diǎn)建立方程，一個(gè)是最大公稱粒徑的通過(guò)量100%，另一個(gè)是4.75 mm篩孔的通過(guò)量，在30%～40%之間。

細(xì)集料各個(gè)篩孔通過(guò)量方程為[7]：

(2)

式(2)中兩個(gè)未知數(shù)A、B，由兩個(gè)已知控制點(diǎn)建立方程，一個(gè)是di=4.75 mm的通過(guò)量，與粗集料設(shè)計(jì)時(shí)的P4.75相同，另一個(gè)是di=0.075 mm篩孔的通過(guò)量，在3%～10%之間。

2.2骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)級(jí)配檢驗(yàn)方法

可采用搗實(shí)密度VCADRF檢驗(yàn)建議級(jí)配曲線是否適應(yīng)某種巖石破碎的粗集料，檢驗(yàn)前先進(jìn)行粗、細(xì)集料的吸水率和密度試驗(yàn)。瀝青混合料的礦料由粗集料、細(xì)集料、填料組成，VCADRF級(jí)配檢驗(yàn)方法的基本原理是粗集料骨架間的空隙能夠恰好被瀝青、細(xì)集料和填料填滿，同時(shí)保留部分孔隙率，此方法主要是建立和分析粗集料的孔隙率與細(xì)集料、填料、瀝青的體積關(guān)系，一般適用于骨架密實(shí)型瀝青混合料，可以利用VCADRF級(jí)配檢驗(yàn)方法對(duì)上述級(jí)配設(shè)計(jì)方法得到的優(yōu)化后的級(jí)配進(jìn)行檢驗(yàn)。

3　級(jí)配優(yōu)化方案

3.1原目標(biāo)配合比存在的問(wèn)題

南方某高速公路瀝青路面建設(shè)中，目標(biāo)配合比中，礦料組成如表2所示。

表2 目標(biāo)配合比中礦料組成材料規(guī)格/mm礦料組成/%9.5～16.0304.75～9.5362.36～4.7500.075～2.3633礦粉1

存在的主要問(wèn)題是，目標(biāo)配合比中礦料組成沒(méi)有把3#料(即2.36～4.75 mm)投放到合成級(jí)配里，4.75 mm這一點(diǎn)超出級(jí)配線，不符合要求，形成了斷檔級(jí)配，這一級(jí)材料不投放，影響瀝青混凝土的和易性，也就是瀝青混合料的流動(dòng)度；礦粉的投入只有1%，沒(méi)有投放水泥，不合理。此外，目標(biāo)配合比應(yīng)該采用符合規(guī)范要求的原材料進(jìn)行配置，不符合規(guī)范要求的原材料要進(jìn)行篩分，直到符合要求才能進(jìn)行試驗(yàn)。如目標(biāo)配合比直接采用不符合要求原材料進(jìn)行配置，可能會(huì)導(dǎo)致材料的投放比例不合理，尤其是礦粉的投入，可能會(huì)把原材料的粉料也計(jì)算在內(nèi)，沒(méi)有考慮拌合機(jī)械的吸塵已經(jīng)把原材料中的粉塵吸走。

3.2級(jí)配優(yōu)化方案

根據(jù)目標(biāo)配合比級(jí)配設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，建議調(diào)整級(jí)配，采用骨架密實(shí)級(jí)配。根據(jù)骨架密實(shí)級(jí)配的設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)方法，研究提出了瀝青面層各結(jié)構(gòu)層的級(jí)配曲線，見(jiàn)表2和圖1。其4.75 mm篩孔的通過(guò)率為35%左右，為一般骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，并提出了級(jí)配范圍。上面層AC-13C瀝青混合料級(jí)配范圍與級(jí)配中值見(jiàn)表3。

表3 AC-13C瀝青混合料級(jí)配組成曲線(方孔篩)AC-13C級(jí)配方孔篩(mm)的通過(guò)率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075上限1001007740322521161310下限1009565302217131086級(jí)配中值10010071.33527.321.316.813.110.28規(guī)范級(jí)配100957041.53022.516.512.58.56

級(jí)配中值及與設(shè)計(jì)中值的比較如圖2所示。

表3和圖2中的優(yōu)化級(jí)配表明：

1) 建議級(jí)配為結(jié)構(gòu)骨架密實(shí)型，其特點(diǎn)為“S”形曲線，即在4.75 mm以上篩孔通過(guò)率大于規(guī)范參考級(jí)配中值，4.75 mm以下篩孔通過(guò)率小于規(guī)范參考的級(jí)配中值。

2) 關(guān)鍵篩孔4.75 mm的通過(guò)率為35%，與一

圖2　AC-13級(jí)配中值及與設(shè)計(jì)中值的比較

般骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)相比稍粗一些，這樣既可以形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)又方便施工過(guò)程中的碾壓。

按照料倉(cāng)進(jìn)料相對(duì)均衡原則，將碎石加工設(shè)備的振動(dòng)篩劃分4～5檔，根據(jù)建議級(jí)配曲線確定各篩孔的含量為：0～2.36 mm篩孔含量為27.3%(包括礦粉)、2.36～4.75mm篩孔為7.7%、4.75～9.5 mm篩孔含量36.3%、9.5～16 mm篩孔含量28.7%。因此，碎石加工振動(dòng)篩應(yīng)按以下4檔料進(jìn)行加工：即16～9.5 mm、9.5～4.75 mm、4.75～2.36 mm、2.36～0 mm。

4　結(jié)論

1) 建議AC-13瀝青混合料為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，級(jí)配特征曲線為“S”形，即在4.75 mm以上篩孔通過(guò)率大于規(guī)范參考級(jí)配中值，4.75 mm以下篩孔通過(guò)率小于規(guī)范參考的級(jí)配中值。

2) 關(guān)鍵篩孔4.75 mm通過(guò)率為35%，與一般骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)相比稍粗一些，這樣既可以形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)又方便施工過(guò)程中的碾壓。

3) 按照料倉(cāng)進(jìn)料相對(duì)均衡原則，碎石加工振動(dòng)篩應(yīng)按以下4檔料進(jìn)行加工：即16～9.5 mm、9.5～4.75 mm、4.75～2.36 mm、2.36～0 mm。

[1]JTG D50-2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3]JTG E20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[4]沙慶林.礦料級(jí)配檢驗(yàn)方法之一VCADRF方法[J].公路，2005(2)：89-99.

[5]王立久，劉慧.礦料級(jí)配設(shè)計(jì)理論的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].公路，2008(1)：170-174.

[6]王富玉，沙慶林，張勇.VCADRF和VCAAC檢驗(yàn)方法在SAC13級(jí)配設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2007，37(3)：538-543.

[7]沙慶林.SAC和其他粗集料斷級(jí)配的礦料級(jí)配設(shè)計(jì)方法[J].公路，2005(1)：143-150.

[8]沙慶林.礦料級(jí)配檢驗(yàn)方法之二VCAAC方法.公路，2005(4)：122-132.

[9]沙慶林.礦料級(jí)配檢驗(yàn)方法之二VCAAC方法(續(xù)).公路，2005(5)：107-116.

2016-05-20

羅安邦(1983-)，男，工程師，主要從事公路橋梁建設(shè)管理工作。

；1008-844X(2016)03-0058-03

；U 414

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