康 偉
(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)
美國(guó)SHRP研究計(jì)劃表明,集料在瀝青混合料高溫抗車轍方面發(fā)揮的作用較大,在瀝青混合料低溫抗裂性能方面的作用較小[1],說(shuō)明在表征混合料高溫性能時(shí),集料起著主要作用。多級(jí)骨架嵌擠密實(shí)級(jí)配(Multilevel Dense Built-in Gradation)有著與SAC、SMA骨架密實(shí)級(jí)配類似的優(yōu)點(diǎn),即路面防滑、抗磨耗性能好、高溫穩(wěn)定性好、低溫抗裂性好、耐疲勞破壞等優(yōu)點(diǎn)[2],尤其適用于西部地區(qū)的道路建設(shè),以改善“大溫差”環(huán)境下的路用性能。
常規(guī)的瀝青混凝土集料配合比,是通過(guò)調(diào)整級(jí)配使其符合規(guī)范級(jí)配建議的范圍。考慮到集料原材料的產(chǎn)地、加工破碎方式的差異,同一類粒徑的集料也會(huì)有不同特性,所以需要因地制宜進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)。依據(jù)逐級(jí)填充理論,對(duì)骨架嵌擠密實(shí)型級(jí)配設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究,針對(duì)集料的特性設(shè)計(jì)相應(yīng)的級(jí)配,并分析所得級(jí)配的組成特點(diǎn),將該級(jí)配特點(diǎn)與常用的集料級(jí)配進(jìn)行對(duì)比,找到一種考慮集料特性、因地制宜的骨架嵌擠密實(shí)型瀝青混合料集料配合比設(shè)計(jì)方法。
依據(jù)逐級(jí)填充理論作為骨架嵌擠密實(shí)型級(jí)配設(shè)計(jì)依據(jù),采用單因素?fù)v實(shí)實(shí)驗(yàn)確定粗集料、細(xì)集料骨架,最終用Superpave的體積設(shè)計(jì)法算出混合料的合成配比[3]。類似于土工試驗(yàn)的最大壓實(shí)度試驗(yàn),對(duì)不同配比的粗、細(xì)集料進(jìn)行搗實(shí)試驗(yàn),繼而根據(jù)形成的骨架結(jié)構(gòu)來(lái)確定集料級(jí)配。
確定粗集料骨架級(jí)配需要兩個(gè)階段。首先將13.2~9.5 mm的集料按比例填充到16~13.2 mm的粗集料中,再次將9.5~4.75 mm的集料按比例填充到16~13.2 mm的粗集料中,對(duì)不同粒徑的集料配合比進(jìn)行調(diào)整,采用逐級(jí)填充方式,由較大粒徑向次級(jí)粒徑兩兩組合,以集料骨架間隙率為VCADRC控制指標(biāo),尋找該指標(biāo)最小時(shí)的集料級(jí)配,這個(gè)級(jí)配就是集料形成骨架填充狀態(tài)的最優(yōu)配比。
將粒徑為13.2~9.5 mm的集料按0%~100%的比例填充到16~13.2 mm的集料,兩檔集料混合料的骨架間隙率的變化情況見(jiàn)圖1。13.2~9.5 mm的填充率從10%增大到100%時(shí),混合料的骨架間隙率呈現(xiàn)明顯的先減小后增大,在70%填充率時(shí)達(dá)到最小值。
圖1 第Ⅰ級(jí)粗集料填充曲線
第Ⅰ級(jí)粗集料填充結(jié)果表明,16~13.2 mm、13.2~9.5 mm兩檔料的最佳組合比例為3∶7,填充率超過(guò)70%以后,13.2~9.5 mm粒徑對(duì)骨架結(jié)構(gòu)的干涉作用愈發(fā)明顯。
根據(jù)粗集料的單因素?fù)v實(shí)試驗(yàn)結(jié)果,粗集料中的三檔料16~13.2 mm、13.2~9.5 mm、9.5~4.75 mm,其最佳質(zhì)量比例為0.12∶0.28∶0.6,此時(shí)粗集料的搗實(shí)相對(duì)密度為1.52。粗集料在此比例下,集料混合料可以達(dá)到最為密實(shí)的嵌擠狀態(tài)。
細(xì)集料級(jí)配的確定與粗集料一樣,按照粒徑4.75~2.36 mm、2.36~1.18 mm、1.18~0.6 mm、0.6~0.3 mm、0.3~0.15 mm、0.15~0.075 mm進(jìn)行逐級(jí)填充,將最大粒徑和次大粒徑以不同填充比例進(jìn)行混合,以最小為目標(biāo)條件進(jìn)行下一級(jí)集料填充,直至得到每一檔料的最優(yōu)組成比例。
根據(jù)細(xì)集料的單因素?fù)v實(shí)試驗(yàn)結(jié)果,細(xì)集料中的六檔料4.75~2.36 mm、2.36~1.18 mm、1.18~0.6 mm、0.6~0.3 mm、0.3~0.15 mm、0.15~0.075 mm,其最佳質(zhì)量比例為0.188∶0.126∶0.134∶0.192∶0.16∶0.2,此時(shí)細(xì)集料的搗實(shí)相對(duì)密度為1.84。細(xì)集料在此比例下,集料混合料可以達(dá)到最為密實(shí)的嵌擠狀態(tài)。
混合料中粗集料質(zhì)量:
式中:ρ1—粗集料搗實(shí)密度,kg/m3。
混合料中細(xì)集料質(zhì)量:
式中:ρ2—細(xì)集料搗實(shí)密度,kg/m3。
混合料中礦粉質(zhì)量:
式中:ρ3—細(xì)集料搗實(shí)密度,kg/m3;VCADRC2—細(xì)集料礦料間隙率,%。
細(xì)集料、礦粉合成搗實(shí)密度:
細(xì)集料、礦粉合成表觀密度:
式中:—細(xì)集料和礦粉表觀密度,kg/m3。
細(xì)集料、礦粉混合料間隙率:
細(xì)集料、礦粉質(zhì)量比:
填充粗集料骨架間隙的細(xì)集料與礦粉質(zhì)量總和:
粗集料、細(xì)集料、礦粉合成質(zhì)量比:
計(jì)算混合料中各檔集料質(zhì)量比例見(jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)用集料級(jí)配
瀝青密度:
集料有效密度:
假定瀝青用量Pb=4.5%,則集料用量Ps=100%-4.5%=95.5%。
瀝青混合料理論最大密度:
為了確保瀝青混合料的路用性能以及耐久性,參考Superpave設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),選擇壓實(shí)瀝青混合料的空隙率V=4%。
瀝青混合料毛體積密度:
單位體積瀝青混合料中集料質(zhì)量:
瀝青混合料中全部集料的毛體積密度:
單位體積瀝青混合料吸入集料的瀝青體積:
單位體積瀝青混合料有效瀝青體積:
式中:D—集料最大公稱尺寸,mm。
表2 MDBG-13級(jí)配
初始估算瀝青用量:
再次假定瀝青用量Pb=4.6%,則集料用量Ps=95.4%,瀝青混合料理論最大密度Gmm=2.455 g/cm3,瀝青混合料毛體積密度Gmb=2.357 g/cm3,單位體積瀝青混合料中集料質(zhì)量Gmw=2.248 g,單位體積瀝青混合料吸入集料的瀝青體積Vba=0.01 cm3,單位體積瀝青混合料有效瀝青體積Vbe=0.1 cm3,經(jīng)計(jì)算,初始估算瀝青用量Pbi=4.6%,與假定的瀝青用量相同。
Superpave混合料設(shè)計(jì)要求包括三個(gè)方面,即設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)、體積性質(zhì)要求以及粉膠比要求。雖然該設(shè)計(jì)法采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件,但其粉膠比的要求、試驗(yàn)級(jí)配初始瀝青用量的計(jì)算方法可以作為WMA設(shè)計(jì)時(shí)的參考。將MDBG-13級(jí)配與Superpave粗細(xì)級(jí)配劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比,該類型級(jí)配屬于粗級(jí)配范疇。Superpave對(duì)于粉膠比的要求,粗、細(xì)級(jí)配混合料的粉膠比范圍各不相同,其范圍分別為0.8~1.6和0.6~1.2。通過(guò)計(jì)算,此次采用的MDBG-13級(jí)配的粉膠比為1.27,符合0.8~1.6的要求范圍。
將AC-13、SMA-13以及MDBG-13型級(jí)配曲線繪制于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸中,見(jiàn)圖2、圖3。
圖2 MDBG-13、AC-13級(jí)配曲線
圖3 MDBG-13、SMA-13級(jí)配曲線
可以看出,AC-13型級(jí)配的上下限屬于典型的連續(xù)密級(jí)配類型,無(wú)論是AC-13型級(jí)配的上限或者下限,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中其級(jí)配曲線近似為一條斜直線。從分形級(jí)配理論的角度說(shuō),AC型級(jí)配可以用一個(gè)分形維數(shù)表示[4]。MDBG-13型級(jí)配在4.75 mm篩孔的通過(guò)率是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),將級(jí)配曲線分為不同斜率的兩段直線。恰好4.75 mm篩孔是公稱最大粒徑13.2 mm混合料的粗細(xì)集料分界點(diǎn)。雖然MDBG-13型級(jí)配處于規(guī)范的AC型級(jí)配范圍內(nèi),但它不屬于連續(xù)級(jí)配范疇,而具有間斷級(jí)配的特點(diǎn)。按照瀝青混合料強(qiáng)度形成的機(jī)理,混合料的結(jié)構(gòu)類型可以分為兩大類,即集料骨架之間形成的嵌擠結(jié)構(gòu)和最大密實(shí)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)[5],MDBG-13型級(jí)配同時(shí)具有密級(jí)配和間斷級(jí)配的特點(diǎn),可以稱為骨架密實(shí)型級(jí)配。又因?yàn)镸DBG-13型級(jí)配形成了主、次骨架的嵌擠結(jié)構(gòu),因此可以稱為多級(jí)嵌擠密實(shí)型級(jí)配。
經(jīng)過(guò)試算,試驗(yàn)級(jí)配系用瀝青用量4.6%,基于得出的集料級(jí)配和瀝青用量,制作馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件,檢驗(yàn)該種級(jí)配是否符合與預(yù)定的空隙率及規(guī)范要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,試件空隙率vv=3.7%,試算的試件空隙率vv=4.0%,兩者基本吻合。依據(jù)粗集料骨架間隙率是否滿足大于混合料礦料間隙率的條件,判斷MDBG-13是否形成骨架。
搗實(shí)狀態(tài)下粗集料骨架間隙率:
瀝青混合料試件的粗集料間隙率:
由計(jì)算結(jié)果可知VCADRC>VCAmix,有關(guān)研究表明,對(duì)于連續(xù)型密級(jí)配瀝青混合料,混合料的骨架嵌擠密實(shí)狀態(tài)可定義為:松散狀態(tài)下礦料間隙率大于壓實(shí)后的混合料礦料間隙率。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明設(shè)計(jì)的混合料粗集料骨架沒(méi)有被瀝青瑪蹄脂撐開,設(shè)計(jì)級(jí)配滿足集料骨架嵌擠原則。
試件的穩(wěn)定度符合并且高于規(guī)范的要求,但試件的流值偏大,稍高于AC規(guī)范4 mm的要求,說(shuō)明試驗(yàn)用瀝青混合料MDGB-13,其中瀝青膠結(jié)料偏多造成混合料高溫穩(wěn)定性的下降,混合料偏“軟”。但試件流值符合SMA規(guī)范的5~6 mm的范圍要求,說(shuō)明MDBG-13具有SMA的某些特點(diǎn),即瀝青膠結(jié)料較多、混合料處于一種骨架密實(shí)狀態(tài)。通過(guò)對(duì)MDBG-13混合料的車轍試驗(yàn),該種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為1 824 次/mm,超過(guò)常規(guī)熱拌瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的要求,說(shuō)明該種瀝青混合料的高溫抗車轍能力可以滿足要求。
由于集料級(jí)配對(duì)瀝青混合料的路用性能影響較大,即便是相同級(jí)配、相同瀝青摻量下,來(lái)自不同料場(chǎng)的集料制拌出的瀝青混合料體積及路用性能也有顯著的差異。(1)參考Superpave瀝青用量計(jì)算方法試算瀝青用量,依據(jù)具體的集料性質(zhì)以及混合料體積參數(shù)計(jì)算瀝青用量。雖然Superpave是在GTM成型方法下給出的瀝青用量計(jì)算方法,但經(jīng)過(guò)驗(yàn)證也可將其應(yīng)用于馬歇爾成型的瀝青混合料設(shè)計(jì)。(2)逐級(jí)填充理論作為骨架嵌擠密實(shí)型級(jí)配設(shè)計(jì)依據(jù),采用單因素?fù)v實(shí)試驗(yàn)確定粗集料、細(xì)集料骨架,最終用Superpave的體積設(shè)計(jì)法算出混合料的合成配比。這種配合比設(shè)計(jì)方法下的骨架嵌擠密實(shí)瀝青混合料,具有抗滑耐磨、空隙率小、抗疲勞、高溫抗車轍的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,骨架嵌擠密實(shí)型級(jí)配的瀝青混合料表現(xiàn)出較好的路用性能。因此,采用骨架嵌擠密實(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)方法,針對(duì)不同集料的特性設(shè)計(jì)相應(yīng)級(jí)配,這種因地制宜的級(jí)配設(shè)計(jì)方法更具合理性。