賈文斌

（山西路杰工程咨詢有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

大粒徑瀝青混合料通常是指礦料最大公稱粒徑大于等于26.5 mm的混合料，有著提高路面抗永久變形性能、降低油石比、施工成本低、熱量散失小等優(yōu)點。對于大粒徑瀝青混合料的級配設(shè)計多數(shù)采用馬歇爾法、旋轉(zhuǎn)壓實法，通過理論確定初步級配后再根據(jù)室內(nèi)試驗驗證路用性能。

離散元商用軟件PFC（Particle Flow Code）自推出以來在勘探行業(yè)、道路、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。Buttlar W G與You Z最先采用離散單元法對瀝青混合料展開研究，模擬了一些常規(guī)試驗，并驗證了離散單元法用于瀝青混合料的可靠性[5-8]。

近年來，在瀝青混合料的級配設(shè)計中亦有所涉及。離散單元法的應(yīng)用，在標(biāo)定合適的微觀參數(shù)可減少試驗量與相應(yīng)齡期，極大地提高了研究效率。You等人用時間溫度疊加原則結(jié)合非黏彈性模型研究發(fā)現(xiàn)，相比于博格斯模型數(shù)值模擬時間可從數(shù)年縮短到幾小時，且保持較高的準(zhǔn)確性，極大提升了運算效率[9]。國內(nèi)華南理工大學(xué)驗證了平行黏結(jié)模型模擬瀝青混合料本構(gòu)行為的可行性，并構(gòu)建了瀝青混合料的單軸壓縮虛擬試驗，模型參數(shù)通過多次調(diào)整和試算獲得并驗證了可靠性[10]。因此，本文在瀝青混合料應(yīng)用離散單元法的基礎(chǔ)上，提出ATB-30的級配設(shè)計方法。

1 離散元模擬過程

采用離散單元法軟件PFC 5.02D進(jìn)行建模，力學(xué)強度以單軸壓縮試驗下的抗壓強度最優(yōu)為原則進(jìn)行優(yōu)化。首先，在Domain區(qū)域內(nèi)生成Φ152.4×h95.3 mm的大馬歇爾試件的剛性墻體，在試件上方與下方分別生成寬度大于試件直徑的試驗平臺與貫入壓頭；然后，在生成的試件墻體內(nèi)，按照擬定的級配在試件內(nèi)部生成球形顆粒，其中1.18 mm以下的顆粒均以1.18 mm直徑的顆粒代替，1.18 mm以上的顆粒在每一檔級配范圍內(nèi)粒徑服從均勻分布；通過cycle命令消除生成顆粒間的不平衡力，而后刪除試件的邊界墻體；最后通過賦予顆粒力學(xué)模型以模擬單軸壓縮試驗，其中粗集料之間的接觸采用線性接觸模型，其余均采用黏結(jié)模型。集料的模型參數(shù)見表1，力學(xué)模型參數(shù)見2，其中模型參數(shù)以60℃的室內(nèi)試驗進(jìn)行標(biāo)定。

表1 集料的模型參數(shù)

表2 平行黏結(jié)模型參數(shù)

2 細(xì)集料級配

同濟大學(xué)研究了k法、n法，以篩余量遞減系數(shù)為基礎(chǔ)并吸取了分級的原則后提出了改進(jìn)的k法，以i值來確定細(xì)集料級配[11]。本文以改進(jìn)的k法研究了4.75 mm以下的細(xì)集料級配，以抗壓強度與劈裂強度作為評判標(biāo)準(zhǔn)。i法的基本公式見式（1）和式（2），選定 i值 0.5～0.9內(nèi)。

式中：Px為集料的通過率，公稱最大粒徑D檔的通過率以90%～100%控制；i為通過率遞減系數(shù)；D為公稱最大粒徑，mm；d為公稱最大粒徑及以下的篩孔尺寸，mm。

不同i值對應(yīng)的細(xì)集料級配見表3。分別以i值對應(yīng)細(xì)集料的最佳油石比下成型馬歇爾試件。測試其抗壓強度和劈裂強度，均在60℃下進(jìn)行，不同i值對應(yīng)瀝青砂漿抗壓強度和劈裂強度見表4。

表3 不同i值對應(yīng)的細(xì)集料級配

表4 不同i值對應(yīng)瀝青砂漿力學(xué)強度

由表4可知，i值為0.65時，瀝青砂漿的抗壓強度和劈裂強度達(dá)到最大。因此取用i值為0.65時的細(xì)集料級配。

3 粗集料級配與初步級配

根據(jù)耐火材料的堆積理論[12]，增加不同粒徑的組分可以提高材料的堆積密度，而組分大于3時實際意義不大，當(dāng)有3種組分時，粗細(xì)顆粒比例宜為7∶1∶2。據(jù)此將4.75 mm以上的粗集料劃分為3 檔，即 19～31.5 mm（D1）、9.5～19 mm（D2）、4.75～9.5 mm（D3）。研究粗集料的最佳比例，即研究此3檔料的最佳比例，保持4.75 mm以下通過率不變，初擬粗細(xì)比為35%，固定4.75 mm篩孔的通過率為35%。

3.1 D1的最佳比例

不同D1占粗集料比例下的級配見表5，模擬的抗壓強度見表6。

表5 不同D1占粗集料比例下的級配

表6 不同D1占粗集料比例下的抗壓強度 MPa

由表 6可知 D1∶（D2+D3）為 70∶30時，抗壓強度達(dá)到最大，與文獻(xiàn)中的研究成果基本一致。

3.2 D2與D3的最佳比例

因此在D1集料占粗集料比例為70%研究D2與D3的最佳比例，擬定的D2與D3比例下的級配見表7，模擬的抗壓強度見表8。

表7 不同D2與D3比例的級配

表8 不同D2∶D3集料比例下的抗壓強度 MPa

由表8可知，粗集料19～31.5 mm∶9.5～19 mm∶4.75～9.5 mm的比例為70∶11∶19時，抗壓強度最大，因此，4.75 mm以上的粗集料在此比例基礎(chǔ)上優(yōu)選粗細(xì)比。

3.3 不同粗細(xì)比下的級配

在細(xì)集料級配與粗集料級配確定的基礎(chǔ)上，擬定不同的粗細(xì)比，級配見表9，模擬的抗壓強度見表10。

表9 不同粗細(xì)比的級配

表10 不同D2∶D3集料比例下的抗壓強度 MPa

由表9可知，當(dāng)粗細(xì)比為70∶30時，抗壓強度達(dá)到最大，而抗壓強度最大并不代表綜合路用性能最優(yōu)，因此對以上擬定級配進(jìn)行室內(nèi)試驗驗證。

4 路用性能驗證

數(shù)值模擬僅對力學(xué)強度進(jìn)行驗證，室內(nèi)路用性能驗證包括高溫性能（車轍試驗，10 cm車轍板）、低溫性能（彎曲破壞試驗，采用車轍板切割成40 mm×40 mm×250 mm的小梁，在0℃進(jìn)行）、水穩(wěn)性能（馬歇爾殘留穩(wěn)定度），以上性能均與規(guī)范ATB-30中值級配進(jìn)行對比，中值級配即為JP0。采用馬歇爾法成型試件，試件采用大馬歇爾試件尺寸，體積參數(shù)見表11，路用性能測試結(jié)果見表12。

表11 ATB-30混合料體積參數(shù)

表12 路用性能測試

由表11、表12可知，經(jīng)路用性能驗證，抗壓強度較大的級配JP14～JP16綜合路用性能優(yōu)于規(guī)范級配。部分水穩(wěn)定性略低于規(guī)范中值級配，但不低于規(guī)范要求。從而驗證了采用離散元法確定級配的合理性，在力學(xué)性能與路用性能兼顧的前提下，推薦ATB-30級配范圍為 JP14～JP16，其中 26.5 mm、16 mm、13.2 mm篩孔取中間值，級配見表13。

表13 ATB-30瀝青混合料級配

5 結(jié)論

本文采用離散單元法軟件PFC進(jìn)行ATB-30級配設(shè)計，通過構(gòu)建虛擬試驗，以抗壓強度最優(yōu)為原則提出了粗集料級配，采用改進(jìn)的k法提出了細(xì)集料級配，經(jīng)優(yōu)選后對力學(xué)強度較優(yōu)的幾組進(jìn)行室內(nèi)試驗驗證，最終得到了ATB-30瀝青混合料的級配。相比于傳統(tǒng)級配設(shè)計方法，采用離散元法與抗壓強度驗證能提高工作效率，無需經(jīng)過繁瑣的試驗即可確定出路用性能不低于規(guī)范中值的級配。而本方法的難點在于軟件模型參數(shù)的標(biāo)定過程，若誤差較大則對實踐將失去指導(dǎo)意義。研究成果能夠為瀝青混合料的級配設(shè)計提供參考。