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(shí)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(shí)型配比是指由混合料中的粗集料形成骨架，細(xì)集料、礦粉及瀝青(膠結(jié)料)作為填充料逐級(jí)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(jí)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(qiáng)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(jìn)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(gè)選擇的問題,即哪個(gè)骨架才是我們所需要的？回答是嵌擠力強(qiáng)的那個(gè)骨架。因此礦料級(jí)配設(shè)計(jì)中的骨架設(shè)計(jì)階段，重要的不是研究如何形成骨架，而是找到那個(gè)嵌擠能力強(qiáng)的骨架。從某種意義上說，提高嵌擠能力才是混合料礦料級(jí)配設(shè)計(jì)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(gè)體積概念，那么“嵌擠”就應(yīng)該是個(gè)力學(xué)概念了。目前評(píng)價(jià)一個(gè)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(shí)試驗(yàn)測(cè)定的粗集料搗實(shí)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(shí)，則判定這種礦料結(jié)構(gòu)屬于骨架嵌擠型結(jié)構(gòu)。事實(shí)上VCA本身就是一個(gè)體積指標(biāo)，是通過體積指標(biāo)預(yù)估評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)嵌擠力的方法。嵌擠力是個(gè)力學(xué)指標(biāo)，應(yīng)該通過某個(gè)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。CBR-V嵌擠密實(shí)型礦質(zhì)混合料設(shè)計(jì)方法，正是基于這一理念提出的[1-3]。

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

1 CBR-V嵌擠密實(shí)型礦質(zhì)集料級(jí)配設(shè)計(jì)

1.1 粗集料、細(xì)集料和填料分界點(diǎn)的確定

通常填料是單獨(dú)供應(yīng)的，在整個(gè)拌和各供給體系中是獨(dú)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(xì)集料部分+填料部分。

細(xì)集料這里定義為機(jī)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(jī)制砂按粗集料巖性有同源和不同源之分，當(dāng)粗集料和機(jī)制砂巖性相同時(shí)，為同源，反之為不同源。目前大多數(shù)機(jī)制砂是石灰?guī)r加工而成的。細(xì)集料的英文名為Fine Aggregate，簡記為FA。定義：細(xì)集料是指篩分中粒徑小于等于2.36mm、大于0.075mm的部分。細(xì)集料=粗料部分(2.36mm～4.75mm)+細(xì)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(jí)配要求進(jìn)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(xì)料部分+填料部分。

1.2 多級(jí)嵌擠-粗集料骨架的建立

(1)取CA-1、CA-2和CA-3若干。

(2)對(duì)CA-1、CA-2和CA-3進(jìn)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(yàn)方法”進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定各比例的CBR值。

(4)采用EXCEL電子表格進(jìn)行繪圖，獲取多項(xiàng)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(zhǔn)確。求取CBR12對(duì)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(yàn)方法”進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定各比例的CBR值。

(7)采用EXCEL電子表格進(jìn)行繪圖，獲取多項(xiàng)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(zhǔn)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(yàn)，其比例按90%：10%，92%：8%，94%：6%，96%：4%，98%：2%這幾個(gè)比例摻配就可以了。

(9)按同樣方法求取CBR最大值CBRmax，其對(duì)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(shí)，類似處理。具體參照?qǐng)D1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(jí)配設(shè)計(jì)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(yàn)驗(yàn)證，采用CBR-V設(shè)計(jì)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(duì)比

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)對(duì)于不同公稱最大粒徑的密實(shí)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(jì)中，預(yù)估的VMA取表1所對(duì)應(yīng)的最小值+0.5，實(shí)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(jìn)行取值。

1.4 多級(jí)填充-細(xì)集料及填料

令根據(jù)CBR試驗(yàn)所取得的配比合成的粗集料合檔料的搗實(shí)單位體積(若為密級(jí)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(shí)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(jì)文件要求及瀝青混合料類型確定。

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

(6)

圖4 一級(jí)填充細(xì)集料的填充過程體積變化特性

二級(jí)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(jí)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(jí)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(jì)算時(shí)可通過編制電子表格完成。

整個(gè)配比滿足式(15)：

(15)

1.5 級(jí)配的調(diào)整

(1)保證細(xì)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(jí)配(100%)不足的部分，按級(jí)配比例分配到各粗集料，保持總級(jí)配合計(jì)100%。

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

2 設(shè)計(jì)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(xì)集料為機(jī)制砂，礦粉為石灰?guī)r。試驗(yàn)室對(duì)所采用的瀝青進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)、延度、密度等指標(biāo)的測(cè)試，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；集料、填料的吸水率和密度試驗(yàn)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(jì)

2.2.1 多級(jí)骨架嵌擠

一級(jí)摻配：分兩步進(jìn)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(jìn)行改進(jìn)的CBR試驗(yàn)，了解CBR5.0的變化趨勢(shì)；第二步為精選，在CBR5.0比較大的凸起點(diǎn)處，在凸起的兩側(cè)點(diǎn)位處按5%的間隔加密，再進(jìn)行改進(jìn)的CBR試驗(yàn)。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(shí)CBR5.0試驗(yàn)結(jié)果

圖6 5#(18～22mm)與4#(11～18mm)不同摻配比例時(shí)CBR5.0試驗(yàn)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(shí)，CBR5.0試驗(yàn)結(jié)果有兩個(gè)凸起點(diǎn)，在此定義為卡點(diǎn)。卡點(diǎn)1在4#(11～18mm)摻量為60%處，卡點(diǎn)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(qiáng)的理念，若要所設(shè)計(jì)的混合料骨架最強(qiáng)，則本案應(yīng)選取CBR5.0=45.33所對(duì)應(yīng)的摻配比例，即5#(18～22mm)：4#(11～18mm)=40%：60%。如果機(jī)械地采用這種理念，不去分析卡點(diǎn)2的優(yōu)劣，勢(shì)必放棄一次優(yōu)選的機(jī)會(huì)。為此，以下各級(jí)摻配分卡點(diǎn)1(40/60)和卡點(diǎn)2(25/75)分別進(jìn)行，最終通過綜合分析決定采用哪一個(gè)配比。重復(fù)以上試驗(yàn)，獲取各級(jí)摻配比例?？偨Y(jié)以上試驗(yàn)結(jié)果，得到卡點(diǎn)1(40/60)和卡點(diǎn)2(25/75)對(duì)應(yīng)的骨架嵌擠摻配比例，見表3。

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

2.2.2 多級(jí)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(jí)配瀝青混凝土混合料馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，AC-20設(shè)計(jì)孔隙率為4%時(shí)的礦料間隙率VMA(%)不小于13的要求，選取本級(jí)配的礦料間隙率VMA=13.5。

2.2.3 測(cè)定各檔料CBR-V計(jì)算所需參數(shù)

CBR-V計(jì)算所需參數(shù)見表4。

表4 CBR-V計(jì)算所需參數(shù)

2.2.4 填充計(jì)算

利用已編制的電子表格進(jìn)行填充計(jì)算，計(jì)算后的級(jí)配比例見表5。

表5 CBR-V級(jí)配比例

2.3 級(jí)配調(diào)整

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

表6 CBR-V級(jí)配調(diào)整比例

2.4 驗(yàn)證階段

驗(yàn)證階段除驗(yàn)證CBR-V設(shè)計(jì)方法所獲取的級(jí)配以外，還應(yīng)考慮施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況。在已獲取的兩個(gè)配比中，2#倉的比例分別為0和2.5，這是不切合實(shí)際的，實(shí)際工作中如果取這兩個(gè)值，會(huì)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(zhǔn)確加入呢？考慮到以上問題，以對(duì)骨架嵌擠影響最小為原則，只能在3#倉進(jìn)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(jí)配的瀝青混合料性能指標(biāo)見表9。

表7 各檔料及各級(jí)配篩分情況

表8 各級(jí)配比例

表9 各級(jí)配的瀝青混合料性能指標(biāo)

2.5 級(jí)配的選取及分析

根據(jù)CBR-V法獲取的四個(gè)級(jí)配，應(yīng)該選取哪一個(gè)比較好呢？從瀝青混合料性能指標(biāo)來講，級(jí)配1和級(jí)配2各指標(biāo)均滿足規(guī)范要求且級(jí)配符合設(shè)計(jì)級(jí)配要求，所以應(yīng)該沒有問題。級(jí)配3和級(jí)配4兩個(gè)級(jí)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(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)穩(wěn)定度為8kN時(shí)，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(gè)優(yōu)點(diǎn)。因此從過程看級(jí)配3和級(jí)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(cuò)。尤其是動(dòng)穩(wěn)定度方面，級(jí)配3和級(jí)配4均好于級(jí)配1和級(jí)配2。對(duì)應(yīng)主骨架測(cè)定的CBR5.0值，級(jí)配1和級(jí)配2對(duì)應(yīng)的卡點(diǎn)2(25/75)CBR5.0=42.42，級(jí)配3和級(jí)配4對(duì)應(yīng)的卡點(diǎn)1(40/60)CBR5.0=45.33，也就是說級(jí)配3和級(jí)配4的骨架較級(jí)配1和級(jí)配2強(qiáng)。

骨架調(diào)整前，從CBR-V獲取的動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行對(duì)比，級(jí)配3的動(dòng)穩(wěn)定度為8 700，級(jí)配1的動(dòng)穩(wěn)定度為8 108，這說明動(dòng)穩(wěn)定度與骨架強(qiáng)度之間具有明顯的相關(guān)性，即級(jí)配的骨架越強(qiáng)，其動(dòng)穩(wěn)定度越大。進(jìn)一步對(duì)級(jí)配1和級(jí)配3進(jìn)行數(shù)值分析比較，一級(jí)摻配時(shí)的CBR5.0，級(jí)配1相比級(jí)配3下降了約7%；動(dòng)穩(wěn)定度方面，級(jí)配1相比級(jí)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(dòng)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(yàn)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?yàn)檫@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(duì)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(huì)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(gè)級(jí)配時(shí)，從施工角度，應(yīng)先對(duì)兩個(gè)比例進(jìn)行合成，看看那個(gè)比例合成后與冷料的級(jí)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(jí)配的對(duì)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(shí)，對(duì)應(yīng)的冷料10～20mm相比，差值和為10，遠(yuǎn)小5#料與4#料的摻配比例為40%和60%時(shí)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(jí)配1或級(jí)配2。

觀察級(jí)配1和級(jí)配2可知，級(jí)配1時(shí)CBR-V直接獲取的，級(jí)配2是調(diào)整后的，瀝青混合料性能方面除動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)外，兩個(gè)級(jí)配的其它指標(biāo)相當(dāng)。動(dòng)穩(wěn)定度方面，級(jí)配1為8 108，級(jí)配2為7 016，級(jí)配1優(yōu)于級(jí)配2，如果僅從理論上考慮，應(yīng)選擇級(jí)配1。但其實(shí)級(jí)配1存在一個(gè)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(gè)點(diǎn)到2#倉，這樣雖然動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)有所下降，但實(shí)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(jí)配2為生產(chǎn)配比。

3 結(jié)論及建議

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

(2)CBR試驗(yàn)應(yīng)采用改進(jìn)的CBR試驗(yàn)方法。在試驗(yàn)及分析過程中應(yīng)采用粗選和精選兩階段逐步遞進(jìn)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(shí)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(jì)文件要求。若不滿足，應(yīng)重新設(shè)定，直至滿足要求。

(4)多級(jí)填充計(jì)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(chǎng)壓實(shí)度的最低要求是達(dá)到理論最大密度的92%，太大可能會(huì)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(jì)完成后的級(jí)配，應(yīng)根據(jù)材料和施工要求進(jìn)行必要的調(diào)整。尤其是2.36～4.75mm檔料，為使得調(diào)整對(duì)骨架強(qiáng)度的影響最小，僅考慮從粒徑高一級(jí)的檔料中進(jìn)行調(diào)整。

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