譚興友

(柳州高速公路運營有限公司，廣西 柳州 545005)

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密斷級配瀝青混合料配合比設(shè)計探索

譚興友

(柳州高速公路運營有限公司，廣西 柳州 545005)

瀝青混合料配合比設(shè)計，包括油石比與礦料級配設(shè)計兩方面。文章針對當(dāng)前密斷級配瀝青混合料配合比設(shè)計存在的問題，探索瀝青混合料油石比和礦料級配的最佳理論計算與設(shè)計方法，并以實際工程AC20C瀝青混合料配合比為例，對所提出的理論原理和設(shè)計方法進行了試驗論證。

瀝青混合料；油石比計算式；粗集料通過率計算式；冪級配公式；級配優(yōu)化

0 引言

瀝青混凝土結(jié)構(gòu)強度由瀝青粘聚力強度與礦料級配結(jié)構(gòu)強度組成。瀝青粘聚力強度由瀝青粘聚力提供，除瀝青質(zhì)量還與瀝青用量有關(guān)，瀝青用量過少，瀝青提供的粘聚力不足，瀝青路面易發(fā)生早期水損、坑洞、網(wǎng)裂；瀝青用量過多，自由瀝青多，在高溫下瀝青粘結(jié)力下降，瀝青路面易發(fā)生車轍、擁包，因此應(yīng)注重瀝青混合料油石比設(shè)計，如技術(shù)規(guī)范對瀝青質(zhì)量、空隙率與間隙率等相關(guān)技術(shù)要求。礦料級配結(jié)構(gòu)強度由礦料級配結(jié)構(gòu)承擔(dān)，如果礦料級配失當(dāng)結(jié)構(gòu)強度弱，瀝青路面易發(fā)生早期水損、坑洞、網(wǎng)裂、車轍、擁包，因此應(yīng)注重瀝青混合料礦料級配設(shè)計。為兼顧二者，現(xiàn)在許多瀝青路面工程都采用密斷級配瀝青混合料，主要是其具有好的抗車轍、抗水損、抗裂等良好路用性能。但是，對于密斷級配有人認為：(1)瀝青混凝土粗集料骨架間隙率小于其粗集料松裝間隙率即為密斷級配；(2)瀝青混凝土粗集料骨架間隙率小于其粗集料搗實間隙率才為密斷級配，沒有明確標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)行技術(shù)規(guī)范對最佳油石比的設(shè)計、試驗及評判有很詳細的要求，對礦料級配是根據(jù)工程所處地區(qū)環(huán)境憑經(jīng)驗確定，路用性能檢驗符合要求即可，沒有強調(diào)對礦料級配進行優(yōu)化設(shè)計，而路用性能好壞主要受礦料級配影響，因此，有必要對如何設(shè)計性能優(yōu)良的密斷級配瀝青混合料配合比進行探索性試驗研究。

1 密斷級配瀝青混合料配合比設(shè)計理論原理及試驗方法分析

由于瀝青混凝土各材料組合遵循體積填充理論，體積填充理論認為瀝青混凝土的體積等于粗細集料、填料、瀝青及空隙體積之和。瀝青混合料配合比設(shè)計包含最佳油石比與礦料級配設(shè)計。

關(guān)于瀝青混合料最佳油石比，可通過體積填充理論、馬歇爾空隙率與礦料間隙率技術(shù)要求、粗細集料、填料和瀝青密度、合成礦料吸水率導(dǎo)出最佳油石比計算式1，由計算式計算而得。由于計算式充分考慮了各礦料和瀝青的密度、礦料吸水率及技術(shù)要求，其計算結(jié)果必然滿足規(guī)范對空隙率、礦料間隙率及瀝青飽和度的技術(shù)要求。對于同種瀝青混合料的有效瀝青體積百分率(馬歇爾礦料間隙率與空隙率之差)技術(shù)要求是一個定值，礦料合成級配在一個相對小的范圍波動時，其合成礦料的密度、吸水率變化很小，因此油石比也基本是一個定值。

最佳油石比計算式：

Pb=(VMA-VV)/[(100-VMA)×γsb]×γb×100+wx

(1)

Pb——瀝青混合料油石比(%)；

VMA——設(shè)計的馬歇爾礦料間隙率(%)；

VV——設(shè)計的馬歇爾空隙率(%)；

γsb——合成礦料毛體積相對密度；

γb——瀝青相對密度；

wx——合成礦料吸水率(%)。

關(guān)于密斷級配瀝青混合料最佳礦料級配。首先密斷級配瀝青混凝土強調(diào)瀝青混合料的粗集料骨架結(jié)構(gòu)，即注重礦料最佳級配設(shè)計，又由于礦料級配是由多檔粗集料、細集料和填料組合而成，在設(shè)計礦料級配規(guī)定區(qū)間內(nèi)有相當(dāng)多種組合方式，要獲得最佳級配，設(shè)計試驗工作量大難以操作，為此有必要采取科學(xué)的方法，減少試驗工作量，提高其可操作性。為此，通過體積填充理論、馬歇爾礦料間隙率技術(shù)要求、粗細集料密度、填料密度、粗集料堆積密度可導(dǎo)出粗集料4.75 mm篩通過率計算式2。通過測定粗集料松裝搗實密度，采用粗集料通過率計算公式確定粗集料通過率區(qū)間，通過冪函數(shù)式3設(shè)計5個粗細不同的礦料理論級配，從而科學(xué)地減少試驗工作量，提高了可操作性。

粗集料松裝、搗實試驗及粗集料4.75 mm篩孔通過率計算式：

P=[(VCADRC-VMA)×PSb細]/[(100-VMA)×PSb]×100

(2)

P——4.75 mm篩通過率；

VCADRC——粗集料松裝、搗實骨架間隙率；

VMA——瀝青混合料目標(biāo)礦料間隙率；

PSb細——礦料中合成細集料毛體積相對密度；

PSb——礦料中合成礦料毛體積相對密度。

理論級配冪函數(shù)計算式：

y=axb

(3)

y——各篩孔通過率；

x——篩孔孔徑；

a、b——回歸系數(shù)。

由于5個礦料理論級配粗細程度不同，級配由細變粗，其粗集料骨架結(jié)構(gòu)必然由骨架結(jié)構(gòu)松散狀態(tài)到骨架結(jié)構(gòu)緊密狀態(tài)再到骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)狀態(tài)，其馬歇爾、路用性能試驗結(jié)果必然成規(guī)律性變化，從而可得各參數(shù)最大值或最佳值所對應(yīng)的4.75 mm篩孔最佳通過率，再根據(jù)工程所處地區(qū)環(huán)境、通行量與重載車流量對不同參數(shù)設(shè)置不同權(quán)重，粗集料4.75 mm篩最佳通過率取各參數(shù)的加權(quán)平均值，用公式(3)設(shè)計最佳理論標(biāo)準(zhǔn)級配。如工程處在高溫地區(qū)可調(diào)高動穩(wěn)定度與車轍變形量權(quán)值；如工程處在低溫地區(qū)可調(diào)高抗彎拉強度與抗彎拉應(yīng)變、調(diào)低目標(biāo)空隙率權(quán)值；如工程處在高溫濕熱地區(qū)、通行量與重載車流量大，瀝青路面的高溫抗車轍、抗水損等能力應(yīng)均衡設(shè)置權(quán)值，等等。根據(jù)最佳油石比及最佳理論標(biāo)準(zhǔn)級配進行生產(chǎn)配合比設(shè)計和檢驗，進而可設(shè)計出馬歇爾試驗結(jié)果符合技術(shù)要求、粗集料骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)良、路用性能更優(yōu)的生產(chǎn)配合比。

他“啪”地放下電話,從墻上摘下鐵路信號燈,把與鐵路服配套的藍帽子按在頭上,開門出去,大狼狗溜溜地跟著。

本文以實際工程AC20C瀝青混合料配合比為例，對前述理論原理和方法加以論證。

2 原材料

2.1 原材料篩分、初步級配合成及密度試驗

集料篩分、初步級配合成、密度試驗結(jié)果見表1。

表1 各檔集料水篩分、級配合成及密度表

2.2 粗集料松裝、搗實試驗及粗集料4.75 mm篩通過率計算

取上述合成級配粗集料做松裝、搗實密度試驗，按式(2)進行粗集料4.75 mm篩孔通過率計算，其馬歇爾目標(biāo)礦料間隙率取13.0%，結(jié)果見表2。

表2 粗集料松裝、搗實密度及粗集料4.75 mm篩通過率數(shù)值表

3 瀝青混合料礦料理論級配與最佳油石比計算

工程采用SBS(I-D)改性瀝青，25℃相對密度1.031。目標(biāo)礦料間隙率取13.0%，則相應(yīng)的目標(biāo)空隙率為4.0%?？紤]拌合樓除塵因素，礦粉用量均用5.0%。最佳油石比、理論級配采用式(1)與式(3)設(shè)計，設(shè)計計算結(jié)果見表3，各級配密度及吸水率差異很小，最佳油石比均為4.3%。

表3 各級配各粒級用量、合成相對密度、吸水率及油石比表

3.3 各級配瀝青混合料馬歇爾、動穩(wěn)定度及彎拉試驗

工程用瀝青針入度<55(0.1 mm)，軟化點>75 ℃，采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，故擊實溫度采用165 ℃～170 ℃，為使車轍試件與實際路面厚度相同，試件尺寸采用60×300×300(mm)；為檢驗各級配整體厚度抗彎拉應(yīng)變能力和減少表面構(gòu)造影響，試件尺寸采用50×50×250(mm)。試驗結(jié)果見表4及圖1～9。

表4 馬歇爾、車轍及彎拉試驗表

圖1 級配與馬歇爾密度關(guān)系圖

圖2 級配與馬歇爾空隙率關(guān)系圖

圖3 級配與飽和度關(guān)系圖

圖4 級配與馬歇爾穩(wěn)定度關(guān)系圖

圖5 級配與流值關(guān)系圖

圖6 級配與動穩(wěn)定度關(guān)系圖

圖7 級配與車轍變形量關(guān)系圖

圖8 級配與彎拉強度關(guān)系圖

圖9 級配與彎拉應(yīng)變關(guān)系圖

3.4 瀝青混合料礦料最佳理論標(biāo)準(zhǔn)級配與最佳油石比

由表4及圖1可知，級配由細變粗馬歇爾密度由大變小、空隙率由小變大、瀝青飽和度由大變小、穩(wěn)定度與流值由小變大再變?。患壟溆杉氉兇?、動穩(wěn)定度由小變大再變小、車轍變形量由大變小再變大、抗彎拉強度由小變大再變小、彎拉應(yīng)變由小變大再變小，證明其粗集料骨架結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了由骨架結(jié)構(gòu)松散狀態(tài)到骨架結(jié)構(gòu)緊密狀態(tài)再到骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)狀態(tài)，通過這些參數(shù)的規(guī)律性變化可求得各參數(shù)最大值或最佳值對應(yīng)的4.75 mm篩最佳通過率，結(jié)果見表5。由于本工程地處高溫濕熱地區(qū)、通行量與重載車流量大，瀝青路面高溫抗車轍抗水損等能力應(yīng)均衡考量，故各權(quán)值均取1，由此得4.75 mm篩孔最佳通過率為27.3%，結(jié)果見表5。采用式(3)與式(1)設(shè)計最佳理論標(biāo)準(zhǔn)級配和最佳油石比，結(jié)果見表6。

表5 4.75 mm篩孔最佳通過率(%)選擇表

表6 瀝青混合料礦料最佳理論標(biāo)準(zhǔn)級配與最佳油石比表

4 生產(chǎn)配合比設(shè)計與驗證

4.1 生產(chǎn)配合比級配設(shè)計

熱料篩分、礦料合成級配設(shè)計情況見表7。

表7 熱料篩分、礦料合成級配設(shè)計表

4.2 生產(chǎn)配合比馬歇爾、路用性能驗證試驗

生產(chǎn)配合比馬歇爾試驗情況見表8；生產(chǎn)配合比路用性能試驗情況見表9。

表8 生產(chǎn)配合比馬歇爾試驗

表9 生產(chǎn)配合比路用性能驗證試驗表

由表8～9可見馬歇爾試驗結(jié)果均滿足相關(guān)技術(shù)要求，路用性能試驗結(jié)果相當(dāng)優(yōu)良，生產(chǎn)配合比最佳油石比4.3%，生產(chǎn)級配見表7。

5 結(jié)論

密斷級配瀝青混合料最佳油石比設(shè)計：根據(jù)瀝青混凝土體積填充理論推導(dǎo)出最佳油石比計算公式、通過原材料的密度試驗結(jié)果、馬歇爾空隙率及礦料間隙率技術(shù)要求，由公式計算而得。

密斷級配瀝青混合料最佳礦料級配設(shè)計：根據(jù)瀝青混凝土體積填充理論推導(dǎo)出粗集料4.75 mm篩孔通過率計算公式，通過粗集料松裝搗實密度試驗科學(xué)的縮小試驗級配區(qū)間，減少試驗工作量；根據(jù)礦料間隙率技術(shù)要求、理論冪級配公式設(shè)計5個理論標(biāo)準(zhǔn)級配；根據(jù)各理論級配馬歇爾、路用性能試驗結(jié)果分析與粗集料骨架結(jié)構(gòu)分析以及考量工程所處地區(qū)環(huán)境、通行量及重載車流量等因素，優(yōu)化設(shè)計礦料最佳理論標(biāo)準(zhǔn)級配。

本方法科學(xué)地簡化了最佳油石比獲取方式，強化了礦料級配設(shè)計。瀝青混合料馬歇爾、路用性能試驗結(jié)果不再是單純的檢驗性指標(biāo)，增加作為級配擇優(yōu)選擇性指標(biāo)使用，把工程所處地區(qū)環(huán)境、通行量及重載車流量作為級配設(shè)計的重要考量因素，從而更好地優(yōu)化礦料級配，設(shè)計的生產(chǎn)配合比路用性能更加優(yōu)良，適應(yīng)性更好。

6 結(jié)語

瀝青混合料最佳油石比可由Pb=(VMA-VV)/((100-VMA)×γsb)×γb×100+wx公式計算而得。

根據(jù)粗集料松裝搗實密度，由P=[(VCADRC-VMA)×PSb細]/[(100-VMA)×PSb]×100公式縮小試驗級配區(qū)間，減少試驗工作量。利用冪函數(shù)式y(tǒng)=axb設(shè)計出粗細不同的5個礦料標(biāo)準(zhǔn)級配，通過5個礦料標(biāo)準(zhǔn)級配的馬歇爾、動穩(wěn)定度及彎拉等試驗結(jié)果分析，結(jié)合環(huán)境因素考量，設(shè)計最佳理論標(biāo)準(zhǔn)級配，進而設(shè)計出路用性能更加優(yōu)良、適應(yīng)性好的生產(chǎn)配合比。

本成果由密斷級配瀝青混合料(AC)配合比設(shè)計試驗所得。密級配瀝青穩(wěn)定碎石混合料(ATB)、瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)，同樣以馬歇爾力學(xué)體積、路用性能為控制指標(biāo)，亦可借鑒本方法加以應(yīng)用。

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

[2]JTJ052-2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].

[3]JTG D50-2004，瀝青路面設(shè)計技術(shù)規(guī)范[S].

[4]JTG E42-2005，公路工程集料試驗規(guī)程[S].

[5]熱拌密級配瀝青混合料油石比設(shè)計計算法研究[J].西部交通科技，2014(8)：19-23.

Discussions on Mixing Ratio Design of Dense-gap Graded Asphalt Mixture

TAN Xing-you

(Liuzhou Expressway Operations Co.，Ltd.，Liuzhou，Guangxi，545005)

The mixing ratio design of asphalt mixtures includes the asphalt-aggregate ratio and aggregate gradation design.Aiming at the problems in current mixing ratio design of dense-gap graded asphalt mixtures，this article discussed the best theoretical calculation and design method for asphalt-aggregate ratio and aggregate gradation of asphalt mixtures，and with the mixing ratio of AC20C asphalt mixture in actual project as the example，it conducted the experimental demonstration on the proposed theoretical principles and design methods.

Asphalt mixture；Asphalt-aggregate ratio formula；Coarse aggregate passing-rate calculation formula；Power grading formula；Gradation optimization

U416.217

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.09.006

1673-4874(2016)09-0021-06

2016-08-02

譚興友(1963—)，從事高速公路建設(shè)及養(yǎng)護管理工作。