謝遠(yuǎn)新

（1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶市 400030；2.重慶鵬方路面工程技術(shù)研究院，重慶市 400025）

基于連續(xù)級配的粗集料間隙率均勻試驗(yàn)研究

謝遠(yuǎn)新1,2

（1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶市 400030；2.重慶鵬方路面工程技術(shù)研究院，重慶市 400025）

為進(jìn)一步認(rèn)識級配變化對粗集料間隙率VCA的影響，基于振動壓實(shí)方式對連續(xù)密級配粗集料部分以振動頻率和振動時間作為試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用3因素、15水平均勻設(shè)計方案進(jìn)行。試驗(yàn)及回歸分析表明，連續(xù)密級配礦料空隙率的大小主要取決于礦料自身性質(zhì)（粒徑、幾何形狀、表面性質(zhì)），級配變化對空隙率的影響最大幅值不超過3%，無法通過調(diào)整級配而使礦料空隙率或?yàn)r青混合料礦料間隙率（VMA）發(fā)生較大改變。試驗(yàn)研究證實(shí)了采用振動壓實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行粗集料間隙率研究的方法可行。

道路工程；試驗(yàn)；均勻設(shè)計；粗集料間隙率

0 引言

已有研究成果[1-6]認(rèn)為，對于確定的原材料和級配，粗集料間隙率VCA值取決于試驗(yàn)方法（力的作用方式、功能大小、試驗(yàn)容器容積大小、集料容積與瀝青混合料試件體積的差別對試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用產(chǎn)生的影響等），即VCA不是定值，理論計算無法確定具體集料的VCA。于是，試驗(yàn)方法的合理性決定了試驗(yàn)結(jié)果的價值。

在對現(xiàn)有規(guī)范所述試驗(yàn)方法進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)比對后，認(rèn)為其試驗(yàn)方法與現(xiàn)有瀝青混合料成型方式不相符（功能大小與力的作用方式、容器體積等），試驗(yàn)結(jié)果隨機(jī)性較大，不能充分反映粗集料VCA值的變化趨勢。經(jīng)過多次試驗(yàn)嘗試和比較，最終選用振動壓實(shí)成型儀為試驗(yàn)設(shè)備，以振動頻率和振動時間作為試驗(yàn)參數(shù)予以優(yōu)化。在該試驗(yàn)參數(shù)條件下，粗集料的填充密度最大且破碎率不大于2%，因?yàn)?，根?jù)干涉理論和進(jìn)行SMA級配研究所取得成果（見文獻(xiàn)[3-6]）：當(dāng)再次粒級的含量超出合理含量2%以上時，會對大粒級集料形成的密實(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉。

1 試驗(yàn)參數(shù)

1.1 振動壓實(shí)儀參數(shù)

采用振動壓實(shí)儀進(jìn)行振動壓實(shí)。試模尺寸為內(nèi)徑152 mm，高170 mm；鋼筒內(nèi)墊塊直徑151 mm，厚20 mm。頻率范圍0～30 Hz，振幅25 mm，靜壓力1 900 N，激振力9 000 N。

1.2 振動壓實(shí)體積參數(shù)

VCA測定所需集料的體積V=πr2×h,其中：r=152 mm，h=12±0.5 mm。

1.3 振動時間參數(shù)

振動時間以粗集料不破碎或者破碎率不大于2%為限，先以30 s試振，視破碎率大小調(diào)整振動時間，以到達(dá)最密實(shí)狀態(tài)即VCA最小，破碎率不大于2%為限。

1.4 破碎率計算

破碎顆粒篩孔以振動壓實(shí)所采用集料級配中最小顆粒篩孔尺寸控制，通過該最小顆粒篩孔尺寸量即為破碎顆粒含量。

試驗(yàn)結(jié)果表明：振動頻率對粗集料密度和破碎率的影響非常顯著，而振動時間的影響不顯著。在容許2%破碎率的條件下，振動頻率為23 Hz、振動時間為15s時，獲得的粗集料密度最大，故選用此參數(shù)作為后續(xù)試驗(yàn)研究控制依據(jù)。

2 均勻試驗(yàn)方案設(shè)計

以AC-20型級配為研究對象，將粗集料分為三個粒級[7,8]：26.5～19 mm、19～9.5 mm和9.5～4.75 mm，分別記為X1、X2和X3。按照均勻設(shè)計法，取3因素、15水平進(jìn)行試驗(yàn)（均勻設(shè)計中心化偏差14.14%），試驗(yàn)方案見表1所列。每組取4平行試驗(yàn)，以VCA為判據(jù)，研究級配對VCA的影響。

表1 均勻試驗(yàn)設(shè)計表

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果列于表2，并如圖1所示。對各組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，各組組內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果的離散性大致相當(dāng)，試驗(yàn)精度可以接受。出于限制最大粒級X1（26.5～19 mm）比例的考慮，對X1的水平變化限定在10%以內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果表明，由于X1比例過少，對VCA未產(chǎn)生規(guī)律性影響，如圖1（b）所示。

X2與VCA之間存在良好的相關(guān)性 [圖1（c）、圖1（d）]，經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：X2為19～9.5 mm粒級質(zhì)量百分比，%。

對式（1）中的VCA求極小值，則對應(yīng)的X2= 48%。

用同樣的方法得到X3與VCA的相關(guān)公式[圖1（e）、圖1（f）]：

式中：X3為9.5～4.75 mm粒級質(zhì)量百分比，%。

由式2解得，VCA極小值對應(yīng)的X3=45.5%。

由X1+X2+X3=100（%）解得：

X1=100-48-45.5=6.5（%）

表2 粗集料均勻設(shè)計試驗(yàn)結(jié)果表（n=4）

事實(shí)上，由于X1比例過小，對粗集料空隙率無明顯影響，可以將X1與X2合并，合并之后大粒級X（X=X1+X2）與VCA的相關(guān)公式為[圖1（g）、圖1（h）]：

式（2）和式（3）互為鏡像，粗集料級配優(yōu)化變?yōu)閱我蛩貎?yōu)化問題。對于AC-20型級配，最密實(shí)的粗集料組成比例為：

以粒級X2和X3的質(zhì)量百分比為自變量，VCA為因變量，對表1中的均勻設(shè)計試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元二次回歸，回歸關(guān)系為：

對于上式，r=0.791 0，各回歸項(xiàng)的t值分別為：二次項(xiàng) t=48.447；一次項(xiàng) t=-45.223；交互項(xiàng)t= 4.279；常數(shù)項(xiàng) t=101.384。（t(0.05/2)=2.004，t(0.01/2)= 2.669）回歸效果顯著，常數(shù)項(xiàng)回歸效果最為顯著，X2與X3的交互作用微弱。

圖1 粗集料均勻設(shè)計試驗(yàn)結(jié)果分析圖

對回歸方程中的X3求偏導(dǎo)，得到X3=44.15%，與按式（3）解得的X3=100-X=100-54.7=45.3（%）極為接近。

均勻設(shè)計試驗(yàn)結(jié)果同樣表明，較密實(shí)的粗集料級配是一個范圍，取VCA低值所對應(yīng)的級配范圍進(jìn)行組間差值與組內(nèi)差值比較，得到級配變化對VCA無顯著影響的區(qū)間為：

4 結(jié)論

（1）采用振動壓實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行粗集料間隙率研究的方法是可行的。以集料破碎率不大于2%、集料振實(shí)密度達(dá)到最大且穩(wěn)定作為振動壓實(shí)試驗(yàn)控制條件，確定出的試驗(yàn)輸入?yún)?shù)為：振幅25 mm，振頻23 Hz，振動時間15 s。

（2）試驗(yàn)及回歸分析表明，連續(xù)密級配礦料空隙率的大小主要取決于礦料自身性質(zhì)（粒徑、幾何形狀、表面性質(zhì)），級配變化對空隙率的影響最大幅值不超過3%。無法通過調(diào)整級配而使礦料空隙率或?yàn)r青混合料礦料間隙率（VMA）發(fā)生較大改變。這一結(jié)論直接關(guān)系到對瀝青混合料的VMA設(shè)定下限值（不得小于某值）是否合理、可行的問題。

（3）最密實(shí)的連續(xù)級配組成是一個范圍而不是單值。級配密實(shí)與否只是由同一種集料配制的不同級配之間相比較而言的一個定性的概念。因此，不能用一個固定的空隙率值評價級配是否密實(shí)，而只能采用相對比較方法，找出級配對空隙率的影響趨勢，從個例中抽象出共性的一面。對于具體的級配礦料，其空隙率不存在真值，只有特定試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)值。

[1]天津市市政工程研究院.采用GTM的瀝青混合料配合比設(shè)計方法研究[R].天津：天津市市政工程研究院,2002.

[2]天津市市政工程研究院.城市快速路高性能瀝青路面研究[R].天津：天津市市政工程研究院,2005.

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[5]趙可，周衛(wèi)峰，魏如喜.SMA高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性與體積參數(shù)的相關(guān)性分析[J].公路交通科技，2005，22(1):9-12.

[6]周衛(wèi)峰.基于GTM的瀝青混合料配合比設(shè)計方法研究[D].西安：長安大學(xué)，2006.

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U414

A

1009-7716（2017）03-0222-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.061

2016-03-01

河北省交通科技項(xiàng)目（Y2010023-3）

謝遠(yuǎn)新（1980-），男，黑龍江綏化人，博士研究生，高級工程師，研究方向?yàn)榈缆蜂佈b工程結(jié)構(gòu)與材料耐久性。