羅立峰

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院, 廣州 516139)

0 引言

近年來，為了改善瀝青混合料的高溫性能，適應(yīng)重載交通的使用要求，骨架密實型瀝青混合料結(jié)構(gòu)引起業(yè)界的普遍重視。理想的骨架密實型配比是指由混合料中的粗集料形成骨架，細集料、礦粉及瀝青(膠結(jié)料)作為填充料逐級填充于粗集料骨架之間的空隙而不撐開，形成具有一定力學(xué)性能的多級體系。

一堆粗集料堆放在一起，肯定能形成骨架。不同配比的粗集料堆放在一起，肯定可以形成不同強度的骨架。如果說配比是千變?nèi)f化的，那么骨架也是千變?nèi)f化的，進而可以推知，其嵌擠能力也是千變?nèi)f化的。既然骨架是千變?nèi)f化的，就有個選擇的問題,即哪個骨架才是我們所需要的？回答是嵌擠力強的那個骨架。因此礦料級配設(shè)計中的骨架設(shè)計階段，重要的不是研究如何形成骨架，而是找到那個嵌擠能力強的骨架。從某種意義上說，提高嵌擠能力才是混合料礦料級配設(shè)計的目標(biāo)，而不是單純的形成骨架結(jié)構(gòu)。

如果說“骨架”是個體積概念，那么“嵌擠”就應(yīng)該是個力學(xué)概念了。目前評價一個礦料結(jié)構(gòu)是否屬于骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，主要是通過比較混合料拌和前搗實試驗測定的粗集料搗實礦料間隙率VCADRC和試件成型后混合料的粗集料礦料間隙率VCAmix。當(dāng)VCAmix≤VCADRC時，則判定這種礦料結(jié)構(gòu)屬于骨架嵌擠型結(jié)構(gòu)。事實上VCA本身就是一個體積指標(biāo)，是通過體積指標(biāo)預(yù)估評價其力學(xué)性能的，所以這是判斷是否形成骨架的方法，而非評價嵌擠力的方法。嵌擠力是個力學(xué)指標(biāo)，應(yīng)該通過某個力學(xué)指標(biāo)進行評價。CBR-V嵌擠密實型礦質(zhì)混合料設(shè)計方法，正是基于這一理念提出的[1-3]。

CBR-V嵌擠密實型礦料設(shè)計方法，是一種分段設(shè)計方法，采用多級嵌擠與多級填充的兩階段設(shè)計思路。第一階段多級嵌擠采用CBR為評價指標(biāo)，確定礦質(zhì)混合料骨架嵌擠部分的級配；第二階段多級填充采用體積(V)作為評價指標(biāo)，充分考慮VMA的前提下，完成礦質(zhì)混合料填充密實部分的級配，最終完成嵌擠密實型礦質(zhì)混合料配比設(shè)計[4]。

1 CBR-V嵌擠密實型礦質(zhì)集料級配設(shè)計

1.1 粗集料、細集料和填料分界點的確定

通常填料是單獨供應(yīng)的，在整個拌和各供給體系中是獨立的，直至加入攪拌缸。粉料的英文名為Mineral Filler，簡記為MF。定義：粉料(MF)是指篩分中粒徑小于等于0.075mm的部分。填料=細集料部分+填料部分。

細集料這里定義為機制砂，分S15和S16兩種。目前瀝青混合料多采用S16，即公稱粒徑為0～3mm。機制砂按粗集料巖性有同源和不同源之分，當(dāng)粗集料和機制砂巖性相同時，為同源，反之為不同源。目前大多數(shù)機制砂是石灰?guī)r加工而成的。細集料的英文名為Fine Aggregate，簡記為FA。定義：細集料是指篩分中粒徑小于等于2.36mm、大于0.075mm的部分。細集料=粗料部分(2.36mm～4.75mm)+細料部分+填料部分。

粗集料一般大于一檔以上,按規(guī)格有S1～S14之多,一般根據(jù)級配要求進行選取。粗集料的英文名為Coarse Aggregate，簡記為CA。定義：粗集料(CA)是指篩分中粒徑大于2.36mm的部分。粗集料=粗料部分+細料部分+填料部分。

1.2 多級嵌擠-粗集料骨架的建立

(1)取CA-1、CA-2和CA-3若干。

(2)對CA-1、CA-2和CA-3進行分段篩分，并留CA-1-1、CA-2-1和CA-3-1部分。

(3)將CA-1-1和CA-2-1按80%：20%，70%：30%，60%：40%，50%：50%，40%：60%，30%：70%，20%：80%等比例摻配，按照“集料承載比(CBR)試驗方法”進行試驗，測定各比例的CBR值。

(4)采用EXCEL電子表格進行繪圖，獲取多項式擬合方程，求取CBR最大值CBRmax。若擬合結(jié)果不太理想，則應(yīng)增加比例單位，如通過判斷應(yīng)該增加75%：25%，65%：35%等，有效地加密將使得結(jié)果區(qū)域更為理想，求取的CBR最大值CBRmax更為準確。求取CBR12對應(yīng)的配比ca1：ca2，ca1+ca2=100%。

(5)按照ca1：ca2的比例摻配，形成新的一檔料CA-12。

(6)將CA-12和CA-3按80%：20%，70%：30%，60%：40%，50%：50%，40%：60%，30%：70%，20%：80%等比例摻配，按照“集料承載比(CBR)試驗方法”進行試驗，測定各比例的CBR值。

(7)采用EXCEL電子表格進行繪圖，獲取多項式擬合方程，求取CBR最大值CBR123。若擬合結(jié)果不太理想，相關(guān)系數(shù)r2較小，則應(yīng)增加比例，如通過判斷應(yīng)該增加75%：25%，65%：35%等等，有效地加密將使得結(jié)果趨于理想，求取的CBR最大值CBRmax更為準確。

(8)同步以上步驟，可求取多檔的摻配比例。若本示例中的CA-3是S16，即2.36～4.75mm檔料，根據(jù)經(jīng)驗，其比例按90%：10%，92%：8%，94%：6%，96%：4%，98%：2%這幾個比例摻配就可以了。

(9)按同樣方法求取CBR最大值CBRmax，其對應(yīng)的比例ca12：ca3，ca12+ca3=100%。

(10)將ca1和ca2乘以ca12，保持ca3不變，即可得到三檔粗料的摻配比例。假定三檔粗集料的比例為e:d:c，e+d+c=100%。

(11)超過三檔粗料時，類似處理。具體參照圖1所示。

圖1 集料摻配過程

1.3 礦料間隙率VMA的預(yù)估

骨架間隙率VMA、瀝青用量Va和空隙率VV是確定瀝青混合料路用性能穩(wěn)定性的重要控制指標(biāo)。在礦料集料級配設(shè)計階段，無疑骨料間隙率VMA成為其最重要的控制指標(biāo)。CBR-V法通過預(yù)留混合料間隙率VMA的方法，確保了骨料間隙率VMA的水平。根據(jù)試驗驗證，采用CBR-V設(shè)計的瀝青混合料礦料間隙率和預(yù)估瀝青混合料的間隙率具有較好的相關(guān)性，如圖2所示。

圖2 CBR-V-20瀝青混合料預(yù)估VMA與樣本VMA對比

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)對于不同公稱最大粒徑的密實型混合料的礦料間隙率VMA最小值有明確的規(guī)定[7]，見表1。

表1 不同瀝青混合料VMA最小值的技術(shù)要求 (單位：%)

在CBR-V法瀝青混合料設(shè)計中，預(yù)估的VMA取表1所對應(yīng)的最小值+0.5，實際樣本的VMA大多能滿足規(guī)范要求。其它種類的混合料可參照其它種類混合料的技術(shù)要求進行取值。

1.4 多級填充-細集料及填料

令根據(jù)CBR試驗所取得的配比合成的粗集料合檔料的搗實單位體積(若為密級配可取松裝密度)為VCBR=1。其體積特性如圖3所示。

圖3 粗集料合檔料的體積特性

粗集料合檔料的平均毛體積密度:

(1)

粗集料合檔料的間隙率為VCA1。

粗集料的平均搗實密度(ρsch)：

(2)

(3)

根據(jù)1.3取定礦料間隙率VMA，必須滿足現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)表5.3.3-1、表5.3.3-2及表5.3.3-3的要求。具體應(yīng)根據(jù)設(shè)計文件要求及瀝青混合料類型確定。

一級填充細集料(FA)的填充體積(Vfa)及質(zhì)量(Mfa):

Vfa=VCA1-VMA

(4)

Mfa=Vfa×ρma×92%

(5)

一級填充細集料的間隙率VXA2如式(6)。細集料填充過程體積變化過程特性如圖4所示。

(6)

圖4 一級填充細集料的填充過程體積變化特性

二級填充填料(MF)的體積(Vmf)及填充料的質(zhì)量(Mmf):

VX3=VXA2

(7)

Mmf=VX3×ρmf×92%

(8)

多級填充后填充料的質(zhì)量百分比MT(%)如式(9)。填充料填充的過程及體積變化特性如圖5所示。

(9)

圖5 多級填充料填充過程及體積變化特性

各檔料分段部分的配比:

(10)

(11)

(12)

FA-1-2:MT-Mmf

(13)

MF:Mmf

(14)

具體計算時可通過編制電子表格完成。

整個配比滿足式(15)：

(15)

1.5 級配的調(diào)整

(1)保證細集料(FA)配比不變，僅就超粒徑量調(diào)入粗集料粒徑相近的檔料。調(diào)整后產(chǎn)生的總級配(100%)不足的部分，按級配比例分配到各粗集料，保持總級配合計100%。

(2)填料(MF)總量不變?？紤]其它各檔料對MF的貢獻，并從MF中扣除?？鄢笠鸬目偧壟?100%)不足的部分，按比例調(diào)整到各粗集料，保持總級配100%不變。

2 設(shè)計示例及分析

2.1 原材料

廣東某高速公路中面層GAC-20C，SBS改性瀝青，粗集料為凝灰?guī)r,細集料為機制砂，礦粉為石灰?guī)r。試驗室對所采用的瀝青進行針入度、軟化點、延度、密度等指標(biāo)的測試，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；集料、填料的吸水率和密度試驗結(jié)果也滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；集料含有一定量的雜石且規(guī)格雖滿足要求，但扁平狀較多，規(guī)格較差。9.5～19mm：4.75～9.5mm：2.36～4.75mm=56.4%：37.6%：6%。

2.2 CBR-V瀝青混合料配合比設(shè)計

2.2.1 多級骨架嵌擠

一級摻配：分兩步進行。第一步為粗選，按5#：4#料0%：100%、20%：80%、40%：60%、60%：40%、80%：20%及100%：0%摻配后進行改進的CBR試驗，了解CBR5.0的變化趨勢；第二步為精選，在CBR5.0比較大的凸起點處，在凸起的兩側(cè)點位處按5%的間隔加密，再進行改進的CBR試驗。具體數(shù)值見表2，變化情況如圖6所示。

表2 5#(18～22mm)與4#(11～18mm)不同摻配比例時CBR5.0試驗結(jié)果

圖6 5#(18～22mm)與4#(11～18mm)不同摻配比例時CBR5.0試驗結(jié)果

分析表2和圖6，可知5#(18～22mm)與4#(11～18mm)不同摻配比例時，CBR5.0試驗結(jié)果有兩個凸起點，在此定義為卡點。卡點1在4#(11～18mm)摻量為60%處，卡點2在4#(11～18mm)摻量為75%處；前者CBR5.0為45.33，后者CBR5.0為42.42。按照CBR5.0越大骨架最強的理念，若要所設(shè)計的混合料骨架最強，則本案應(yīng)選取CBR5.0=45.33所對應(yīng)的摻配比例，即5#(18～22mm)：4#(11～18mm)=40%：60%。如果機械地采用這種理念，不去分析卡點2的優(yōu)劣，勢必放棄一次優(yōu)選的機會。為此，以下各級摻配分卡點1(40/60)和卡點2(25/75)分別進行，最終通過綜合分析決定采用哪一個配比。重復(fù)以上試驗，獲取各級摻配比例?？偨Y(jié)以上試驗結(jié)果，得到卡點1(40/60)和卡點2(25/75)對應(yīng)的骨架嵌擠摻配比例，見表3。

表3 卡點1(40/60)和卡點2(25/75)對應(yīng)的骨架嵌擠摻配比例

2.2.2 多級填充

礦料間隙率的選取。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)表5.3.3-1 密級配瀝青混凝土混合料馬歇爾試驗技術(shù)標(biāo)準，AC-20設(shè)計孔隙率為4%時的礦料間隙率VMA(%)不小于13的要求，選取本級配的礦料間隙率VMA=13.5。

2.2.3 測定各檔料CBR-V計算所需參數(shù)

CBR-V計算所需參數(shù)見表4。

表4 CBR-V計算所需參數(shù)

2.2.4 填充計算

利用已編制的電子表格進行填充計算，計算后的級配比例見表5。

表5 CBR-V級配比例

2.3 級配調(diào)整

利用已編制的電子表格進行級配調(diào)整，調(diào)整后的級配比例見表6。

表6 CBR-V級配調(diào)整比例

2.4 驗證階段

驗證階段除驗證CBR-V設(shè)計方法所獲取的級配以外，還應(yīng)考慮施工現(xiàn)場的具體情況。在已獲取的兩個配比中，2#倉的比例分別為0和2.5，這是不切合實際的，實際工作中如果取這兩個值，會出現(xiàn)兩種情況，一是若不加2#倉的料，那2#倉的料何去何從？若加2#倉的料，2.5%的料如何準確加入呢？考慮到以上問題，以對骨架嵌擠影響最小為原則，只能在3#倉進行調(diào)整。本文從材料和施工兩方面考慮，暫取2#倉的用量比例為5%。具體調(diào)整后的比例見表7和表8。各級配的瀝青混合料性能指標(biāo)見表9。

表7 各檔料及各級配篩分情況

表8 各級配比例

表9 各級配的瀝青混合料性能指標(biāo)

2.5 級配的選取及分析

根據(jù)CBR-V法獲取的四個級配，應(yīng)該選取哪一個比較好呢？從瀝青混合料性能指標(biāo)來講，級配1和級配2各指標(biāo)均滿足規(guī)范要求且級配符合設(shè)計級配要求，所以應(yīng)該沒有問題。級配3和級配4兩個級配的瀝青混合料性能指標(biāo)流值超標(biāo)，似乎不太理想，但經(jīng)過程觀察，在進行馬歇爾試驗時，當(dāng)穩(wěn)定度為8kN時，流值均在1.2左右，然后慢慢變大，在破壞前突然變大，說明該瀝青混合料后期的延展性比較好，應(yīng)該是個優(yōu)點。因此從過程看級配3和級配4破壞前的流值僅可以作為參考。剔除流值的影響，其它各指標(biāo)均表現(xiàn)不錯。尤其是動穩(wěn)定度方面，級配3和級配4均好于級配1和級配2。對應(yīng)主骨架測定的CBR5.0值，級配1和級配2對應(yīng)的卡點2(25/75)CBR5.0=42.42，級配3和級配4對應(yīng)的卡點1(40/60)CBR5.0=45.33，也就是說級配3和級配4的骨架較級配1和級配2強。

骨架調(diào)整前，從CBR-V獲取的動穩(wěn)定度進行對比，級配3的動穩(wěn)定度為8 700，級配1的動穩(wěn)定度為8 108，這說明動穩(wěn)定度與骨架強度之間具有明顯的相關(guān)性，即級配的骨架越強，其動穩(wěn)定度越大。進一步對級配1和級配3進行數(shù)值分析比較，一級摻配時的CBR5.0，級配1相比級配3下降了約7%；動穩(wěn)定度方面，級配1相比級配3下降了約7.3%。也就是說骨架的CBR5.0提高1%，其構(gòu)成的瀝青混合料的動穩(wěn)定度相應(yīng)地也提高1%。當(dāng)然這只是本工程案例的情況，是否有普遍規(guī)律，還需加以驗證。

考慮完瀝青混合料性能方面的影響之后，其次應(yīng)考慮施工方面。首先要考慮的是5#料和4#料之間的比例問題，即采用25/75還是40/60的問題，因為這影響到拌合樓的上料問題。分析冷料和熱料的組成，5#料的粒徑為18～22mm，4#料的粒徑為11～18mm。5#料和4#料合起來的粒徑為11～22mm，對應(yīng)的冷料是10～20mm。理想的狀況是所上的冷料經(jīng)加熱分篩后，形成的4#料和5#料正好為配比所用，這樣拌合樓不會出現(xiàn)溢料或等料的現(xiàn)象，可提高拌和效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。所以在選擇哪一個級配時，從施工角度，應(yīng)先對兩個比例進行合成，看看那個比例合成后與冷料的級配相近。具體分析見表10。

表10 5#和4#熱料不同配比與冷料級配的對比分析

續(xù)上表

從表10可知，5#料與4#料的摻配比例為25%和75%時，對應(yīng)的冷料10～20mm相比，差值和為10，遠小5#料與4#料的摻配比例為40%和60%時差值和的36。從施工的角度出發(fā)，為減少施工過程中的溢料，確保施工的平順，節(jié)約生產(chǎn)成本，采用5#料與4#料的摻配比例為25%和75%較為合理，即采用級配1或級配2。

觀察級配1和級配2可知，級配1時CBR-V直接獲取的，級配2是調(diào)整后的，瀝青混合料性能方面除動穩(wěn)定度指標(biāo)外，兩個級配的其它指標(biāo)相當(dāng)。動穩(wěn)定度方面，級配1為8 108，級配2為7 016，級配1優(yōu)于級配2，如果僅從理論上考慮，應(yīng)選擇級配1。但其實級配1存在一個大問題，即2#(3～6mm)的比例為零，這使得這檔料的去處出現(xiàn)問題。為解決此問題，從3#(6～11mm)倉料中分5個點到2#倉，這樣雖然動穩(wěn)定度指標(biāo)有所下降，但實際問題解決了，且調(diào)整后配比瀝青混合料各性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。綜合以上分析，最終推薦級配2為生產(chǎn)配比。

3 結(jié)論及建議

(1)CBR-V礦料級配設(shè)計方法是基于試驗的一種設(shè)計方法，通過試驗數(shù)據(jù)反映集料的狀況，由于在試驗中集料的不同特征得到了綜合的體現(xiàn)，所以可以認為試驗中考慮了集料的各種特征，是一個能夠體現(xiàn)集料全部特征的設(shè)計方法，具有級配唯一性特征。

(2)CBR試驗應(yīng)采用改進的CBR試驗方法。在試驗及分析過程中應(yīng)采用粗選和精選兩階段逐步遞進的方式，確保所獲取的CBRmax具有一定的代表性。

(3)礦料間隙率取值時可在參考的最小VMA的基礎(chǔ)上加0.5，確?；旌狭系捏w積指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范及設(shè)計文件要求。若不滿足，應(yīng)重新設(shè)定，直至滿足要求。

(4)多級填充計算填充量建議按毛體積密度或視密度的92%考慮。這是由于現(xiàn)場壓實度的最低要求是達到理論最大密度的92%，太大可能會損壞骨架，導(dǎo)致瀝青混合料高溫穩(wěn)定性下降。

(5)CBR-V設(shè)計完成后的級配，應(yīng)根據(jù)材料和施工要求進行必要的調(diào)整。尤其是2.36～4.75mm檔料，為使得調(diào)整對骨架強度的影響最小，僅考慮從粒徑高一級的檔料中進行調(diào)整。

(6)通過CBR-V礦質(zhì)集料級配設(shè)計方法對AC-20中面層瀝青混凝土生產(chǎn)配合比進行設(shè)計, 經(jīng)試驗驗證，瀝青混合料各性能均滿足規(guī)范及設(shè)計文件要求，表明采用CBR-V法進行瀝青混合料設(shè)計是可行的。