聶桂海， 羅雪平， 高 磊

(廣州大學 土木工程學院， 廣東 廣州 510006)

0 引言

張肖寧等[1]提出了瀝青混合料組成設計的主骨料空隙體積填充法(以下簡稱CAVF法)，其基本思路是使瀝青膠漿作為填料用來填充主骨料的空隙，使細集料體積、瀝青體積、礦粉體積及設計混合料空隙體積之和等于實測的主骨架空隙體積。按此方法設計的混合料可以避免膠漿干涉，既發(fā)揮了主骨料的嵌擠作用，又發(fā)揮了細集料的填充和膠結作用，將嵌擠和填充有效地結合起來。CAVF法的級配設計理論公式如下：

qc+qf+qp=100

(1)

(2)

式中：VCA為主骨料緊裝空隙率；Vvs為混合料設計空隙率；qc、qf、qp、qa分別為粗集料、細集料、礦粉以及瀝青用量的質量百分率；dsc為粗骨料緊裝密度；dtf、dtp分別為細料、礦粉的表觀密度；da為瀝青的密度。

CAVF法概念清晰，以公式定量求解粗細集料比例的思路方便實用，適用于各類原始級配的集料，提高了設計效率和集料利用率。其實用性和高效性得到行業(yè)的認可并廣泛應用于工程實踐，取得了良好的技術經(jīng)濟效益。在長期的研究和應用過程中，CAVF法逐步發(fā)展和完善[2-3]，但目前仍存在一些缺陷，有待進一步優(yōu)化。本文通過分析CAVF法應用中待優(yōu)化的問題，提出相應改進方法，進一步豐富該法的實用性。

1 CAVF法評述

CAVF法傳統(tǒng)的設計步驟：①依據(jù)經(jīng)驗確定粗集料級配，根據(jù)泰波公式設計細集料級配組成，為避免細集料對主骨料的干涉，一般選用間斷級配；②測定粗集料、細集料、礦粉的表觀密度；③測定主骨料的緊裝密度，計算主骨料的緊裝空隙率；④確定瀝青、礦粉用量，根據(jù)混合料的功能要求設計混合料空隙率；⑤代入計算公式求解得出粗集料、細集料用量比例；⑥根據(jù)計算結果合成級配。

結合大量的實例，總結出CAVF法有以下可優(yōu)化之處：①原設計方法是根據(jù)經(jīng)驗先確定粗、細集料級配，而一旦原集料級配確定以后，后續(xù)環(huán)節(jié)密度計算、空隙率計算、比例計算都受原級配的限制，否則按混合集料實際合成級配與理論計算級配將不匹配，CAVF法的設計思路也無法得以實現(xiàn)。因此，在目前的應用中，大多采用單檔篩分集料用于后續(xù)試驗，從而造成耗費成本大、集料使用不便、不便于施工現(xiàn)場應用等問題，且粗集料的確定過于依賴經(jīng)驗，室內設計與現(xiàn)場應用存在差異。②按CAVF法設計的混合料實測體積指標與設計指標之間存在較大差異，尤其體現(xiàn)在混合料空隙率上[4-5]，而空隙率對混合料高溫抗車轍、抗水損壞、抗老化等路用性能有重要影響[6-10]。

解決好CAVF法中這兩處問題，對于提高該法的設計準確性和實用性有重大意義和價值。本文通過理論分析和室內試驗深入研究CAVF法設計混合料空隙率偏差原因，并提出適用于CAVF法的級配優(yōu)化設計方法。

2 級配設計優(yōu)化

2.1 級配優(yōu)化設計思路

級配優(yōu)化設計思路：將粗集料分為兩檔，先進行各檔集料篩分試驗，通過緊裝密度試驗確定該兩檔集料的最佳摻配比，以緊裝密度最大的摻配比為粗集料的最終摻配比。同理，細集料分為兩檔，設計前先進行篩分試驗，根據(jù)需要選擇間斷一檔細集料或不間斷(不間斷則根據(jù)需要確定兩檔細集料摻配比)。粗細集料的級配確定，則后續(xù)只需在公式中代入相關參數(shù)計算粗、細集料用量。若根據(jù)計算結果需對合成級配后續(xù)進行調整，則可依據(jù)經(jīng)驗和需要適當調整粗集料或細集料內部摻配比以獲得理想級配。

本文將原來的“粗集料級配由經(jīng)驗確定、細集料級配由泰波公式確定”調整為“試驗確定，經(jīng)驗調整”，亮點在于“試驗確定”和“經(jīng)驗調整”都是在各集料原級配的基礎上對粗、細集料內部的摻配比例進行調整，充分尊重了各檔集料的原級配用于后續(xù)計算，可以做到計算完成則級配確定。

2.2 優(yōu)化后的設計流程

優(yōu)化后的設計流程：①根據(jù)需要通常選用4檔集料，確定關鍵篩孔尺寸；②進行各檔集料的篩分、密度試驗；③通過緊裝密度試驗確定2檔粗集料最佳摻配比，計算VCA；④確定2檔細集料摻配比；⑤確定瀝青、礦粉用量，根據(jù)混合料的功能要求設計混合料空隙率；⑥代入計算公式求解得出粗集料、細集料用量比例；⑦根據(jù)計算結果計算合成級配，若不滿足要求，調整粗、細集料內部摻配比，從③開始重新計算。

2.3 設計實例

某工程中面層混合料的配合比設計，所需混合料為密實型瀝青混合料，現(xiàn)場提供了4檔集料，按照由粗至細分別命名為：集料1#(0～20 mm)、集料2#(5～10 mm)、集料3#(3～5 mm)、集料4#(0～3 mm)，其中1#、2#為粗集料，3#、4#為細集料。集料篩分結果如表1所示。

表1 集料篩分結果集料編號通過下列篩孔(mm)的百分率/%37.531.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.0751#10010010086.160.2292.50.40.40.40.40.40.40.42#10010010010010010099.2210.80.70.70.70.70.73#10010010010010010010099.94.10.40.40.40.40.44#10010010010010010010099.991.46142.720.411.98.8

設計流程：① 根據(jù)混合料性能要求及CAVF法設計思路初選間斷級配；② 4檔集料表觀密度分別為2.671、2.652、2.843、2.707 g /cm3；③ 確定粗集料的最佳摻配比例：選用多種粗集料不同摻配比的組合，進行緊裝密度試驗并計算VCA(試驗結果見表2)，由試驗結果可知，當集料1#與集料2#的摻配比為5∶5時緊裝密度最大，為1.617 g/cm3，因此選用5∶5為粗集料摻配比，此時粗集料的VCA為39.08%；④ 細集料選用間斷級配，間斷集料3#(3～5 mm)檔，此時細集料的合成表觀密度為2.707 g / cm3；⑤取 瀝青用量百分數(shù)為4.4%、礦粉用量百分數(shù)為5%、設計空隙率為5%；⑥代入CAVF計算公式計算求得粗、細集料用量分別為71.08%、23.92%；⑦各檔集料用量及合成級配結果如表3所示。

表2 粗集料不同摻配比下緊裝密度試驗結果摻配比(1#∶2#)緊裝密度/(g·cm-3)VCA/%10∶0 1.562 41.37 9∶1 1.583 40.54 8∶2 1.610 39.48 7∶3 1.595 40.00 6∶4 1.616 39.17 5∶5 1.617 39.08 4∶6 1.574 40.66 3∶7 1.573 40.66 2∶8 1.550 41.48 1∶9 1.532 42.12 0∶101.510 42.91

表3 優(yōu)化后的合成級配集料摻配率/%通過下列篩孔(mm)的百分率/%37.531.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.0751#35.5410010010086.160.2292.50.40.40.40.40.40.40.42#35.5410010010010010010099.2210.80.70.70.70.70.73#010010010010010010010099.94.10.40.40.40.40.44#23.9210010010010010010010099.991.46142.720.411.98.8礦粉510010010010010010010010010010010099.69789.7合成級配10010010010095.185.974.865.136.527.32015.610.38.17

3 空隙率偏差分析與緊裝密度試驗優(yōu)化方法

3.1 偏差計算

按2節(jié)中優(yōu)化設計方法確定兩種組合，分別命名為集料A和集料B，對其進行空隙率偏差分析，目標空隙率均為5%。集料篩分結果及部分性能指標如表4所示，集料相關設計參數(shù)如表5所示。

表4 集料篩分結果及性能指標組合集料集料編號表觀密度/(g·cm-3)通過下列篩孔的百分率/%37.531.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.0751#2.67110010010086.160.2292.50.40.40.40.40.40.40.4A2#2.65210010010010010010099.2210.80.70.70.70.70.73#2.84310010010010010010010099.94.10.40.40.40.40.44#2.70710010010010010010010099.991.46142.720.411.98.81#2.82510010010091.768.432.32.70.30.20.20.20.20.20.2B2#2.82110010010010010010099.812.10.40.40.40.40.40.43#2.84310010010010010010010099.94.10.40.40.40.40.44#2.707 10010010010010010010099.991.46142.720.411.98.8

表5 集料設計參數(shù)組合集料粗集料比例細集料比例總集料1#集料2#總集料3#集料4#設計空隙率VV/%瀝青用量/%礦粉粗集料表觀密度/(g·cm-3)用量/%表觀密度/(g·cm-3)搗實密度/(g·cm-3)VCA/%細集料表觀密度/(g·cm-3)A71.135.5435.5423.92 023.92 54.41.02652.721.61739.082.700B72.936.45 36.45 22.10022.10 54.41.02652.721.61738.792.707

緊裝密度試驗確定，A、B集料最佳摻配比例均為m1#∶m2#=5∶5，均選用間斷級配，集料3#含量為0。得到2種集料的合成級配如表6所示。

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)，2種集料按表6級配成型試件，進行混合料密度試驗(表干法)，各組試驗分別成型6個馬歇爾試件，測試其體積指標，各組試件體積指標平均值如表7所示。

表6 A、B集料的合成級配集料編號通過下列篩孔的百分率/%37.531.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075A10010010095.185.974.865.136.527.320.015.610.38.17.0B10010010097.088.575.364.531.625.418.714.79.77.76.6

表7 混合料密度試驗結果混合料編號干重/g水中重/g表干重/g吸水率/%試件理論最大密度/(g·cm-3)實測相對密度(g·cm-3)空隙率(VV)/%礦料間隙率(VMA) /%瀝青飽和度(VFA) /%空隙率偏差率/%①1 181.4 689.7 1 183.3 0.372.5 2.4 4.1612.7967.5816.8②1 213.9 729.8 1 215.8 0.412.6 2.5 3.7513.0171.2925.0注: 空隙率偏差率=(空隙率設計值-空隙率實測值)/空隙率設計值

由表7可知，實測空隙率與設計空隙率偏差較大，實測空隙率均小于設計空隙率。

3.2 偏差原因分析

從計算公式(1)、(2)可知，CAVF設計的混合料體積指標存在差異的主要原因在于:粗集料空隙率VCA是計算粗細集料比例的關鍵參數(shù)之一，計算VCA過程中需實測集料緊裝密度，由于緊裝密度試驗法具有不確定性，導致試驗過程中的壓實功和混合料成型時的擊實功存在較大差異，且集料密度試驗中集料之間的接觸狀態(tài)和混合料成型時集料接觸狀態(tài)不一致，從而導致緊裝密度測試值的誤差。實測空隙率偏小表明細料用量過多，通過計算公式推導可知，造成細料計算用量過多的原因是計算得到的VCA偏大，究其根本在于緊裝密度試驗干搗法有所不足導致試驗緊裝密度偏小。由此可知，在CAVF法中，干搗法并非緊裝密度試驗最佳方法，有必要尋求一種更適用于CAVF法的緊裝密度試驗方法，以減小設計誤差率。

3.3 緊裝密度試驗優(yōu)化方法

不少研究者就粗集料緊裝密度的試驗方法進行過探索：吳曠懷[2]參照有關緊裝密度測試的規(guī)范裝填石料, 用馬歇爾擊實儀擊實100 次, 測定其緊裝密度，以減少偶然因素, 增加設計結果的可靠性,測定粗集料緊裝空隙率；為了克服干緊裝法測定VCA的不足, 葛折圣[3]將粗集料加適量瀝青、礦粉后與混合料同法成型測定其緊裝密度。但目前為止，尚無最佳試驗方法。

對2.3節(jié)中確定的A集料，分別使用干搗法、旋轉壓實儀SGC法設置不同旋轉次數(shù)開展粗集料的緊裝密度試驗，SGC試驗時2檔粗集料的摻配比設計與干搗法一致得到最大緊裝密度。各種試驗方法得出最佳摻配比的緊裝密度和VCA如表8所示。

表8 不同試驗方法下的粗集料緊裝密度和VCA試驗方法最大緊裝密度/(g·cm-3)VCA/%干搗法1.61739.08SGC旋轉壓實50次1.67037.09SGC旋轉壓實60次1.70035.96SGC旋轉壓實70次1.80032.19

分別選用4種緊裝密度試驗方法得到的粗集料最佳摻配比，按上文中優(yōu)化后的設計流程設計級配、成型試件并進行混合料密度試驗，試驗結果如表9所示。

分析結果可知，干搗法得到的粗集料緊裝密度偏小、VCA值偏大，導致應用CAVF法計算得到的細料用量較實際所需用來填充空隙的用量多，從而表現(xiàn)出混合料的空隙率偏小、偏差率較大。干搗法得到的粗集料緊裝狀態(tài)可以稱之為“欠壓實”狀態(tài)，干搗所做的功比混合料成型過程中所做的功小，因此存在設計差異；而采用SGC旋轉壓實60次、70次進行混合料級配設計則是一種“過壓實”狀態(tài)，其空隙率偏大、偏差率也較大。

表9 不同試驗方法下設計的瀝青混合料體積指標試驗方法干重/g水中重/g表干重/g吸水率/%試件理論最大密度/(g·cm-3)實測相對密度/(g·cm-3)礦料間隙率VMA/%瀝青飽和度VFA/%空隙率VV/%空隙率偏差率/%干搗法1 181.4689.71 183.30.372.52.412.7967.584.1616.18SGC旋轉壓實50次1 169.5681.21 172.60.622.52.413.2864.794.784.40SGC旋轉壓實60次1 175.8679.31 179.20.682.52.414.2959.625.7815.60SGC旋轉壓實70次1 146.8656.11 152.31.112.52.315.7653.327.3647.20注: 空隙率偏差率=(空隙率設計值-空隙率實測值)/空隙率設計值

由此可見，采用SGC旋轉壓實50次方法設計得到的混合料空隙率偏差率僅為4.4%，實測值與設計值較為接近，是一種比較理想的設計狀態(tài)。因此推薦選用SGC旋轉壓實50次方法用于CAVF法中粗集料緊裝密度的試驗優(yōu)化。

4 結論

1) 通過按比例摻配的緊裝密度試驗來確定粗集料級配，使粗集料級配的確定有理有據(jù)，較傳統(tǒng)按經(jīng)驗設計的級配更加可靠、穩(wěn)定。

2) 提出了4檔摻配法，通過4檔配料得到的級配與設計級配完全一致，且無需單檔篩分，便于施工。

3) 原方法中緊裝密度確定方法的不足，是造成混合料空隙率偏差的主要原因。采用SGC旋轉壓實50次的優(yōu)化方法后，實測的孔隙率與目標空隙率相當。