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        貝雷法在花崗巖SMA-13 混合料級配設計中的應用

        2023-11-10 11:25:54賴曉龍謝鳳翔
        福建交通科技 2023年7期
        關鍵詞:篩孔馬歇爾花崗巖

        ■賴曉龍 謝鳳翔

        (1.福建林業(yè)職業(yè)技術學院,南平 353000;2.南平市成功瀝青混凝土有限公司,南平 353000)

        花崗巖作為一種典型的酸性石料,對于原材料豐富地區(qū),在使用抗剝落劑的情況下用于瀝青混凝土,具有一定的經(jīng)濟效益[1]。 要取得較好的路用性能,瀝青混合料配合比設計是技術關鍵,包括選擇礦料種類、礦料級配、瀝青類型及等級、確定瀝青用量和混合料密度等。 其中,礦料的級配選擇是使瀝青混合料取得最大密實度和優(yōu)良骨架嵌擠效果的最好保證[2]。 貝雷法作為檢驗瀝青混合料是否形成骨架嵌擠效果的一種有效方法,廣泛用于礦料的級配設計及級配優(yōu)化上。 馬紅梅等[3]、路楊[4]通過各檔集料篩分結果及體積參數(shù)指標,計算其摻加比例,并通過路用性能檢驗, 證明貝雷法在SMA 混合料級配中能取得良好的骨架結構和優(yōu)良的路用性能。 崔文博等[5]對SMA-16 的相關規(guī)范推薦級配進行貝雷法參數(shù)計算分析, 提出機場SMA-16 混合料優(yōu)化級配范圍,優(yōu)化了機場SMA 混合料的設計方法。 本研究以花崗巖粗集料為研究對象,利用貝雷法設計理念進行花崗巖SMA-13 混合料級配的優(yōu)化設計,以期花崗巖在SMA瀝青混合料設計及使用中有更好的借鑒作用。

        1 貝雷法設計原理簡介

        貝雷法是一套系統(tǒng)的設計和檢驗級配的方法[6],以第一控制篩孔(PCS)即公稱最大粒徑(NMPS)的0.18~0.28 倍劃分粗細集料,通常取NMPS 的0.22倍。對于細集料,又作進一步的劃分,即第二控制篩孔(SCS)和第三控制篩孔(TCS),其篩孔的大小通過公式SCS=PCS×0.22,TCS=SCS×0.22 求得。因此,對于SMA-13 混合料, 取NMPS 為13.2mm,PCS 為2.36mm,SCS 為0.6 mm,TCS 為0.15 mm。

        為確保瀝青混合料的體積指標符合相關規(guī)范的要求,在驗證瀝青混合料的粗細集料能否形成良好的嵌擠與填充時,貝雷法提出3 個參數(shù)對其進行分析[7],即粗集料比CA、細集料粗比FAc和細集料細比FAf。 其中CA 比表征級配的粗集料內(nèi)部的比例組成,直接影響瀝青混合料的嵌擠效果及其體積特性。CA 比過大,混合料因粗集料之間容易形成干涉,產(chǎn)生推移,在施工中較難壓實;CA 比過小,混合料的粗細集料容易產(chǎn)生離析而不利于施工中的空隙率控制。FAc表征細集料內(nèi)部的比例組成,將細集料劃分為細集料粗料部分和細集料細料部分,細集料粗料的空隙將由細集料細料來填充和嵌擠。 FAf表征細集料中最小一級的嵌擠情況。 FAc和FAf的大小直接影響體積參數(shù)VMA 的值,一般來說,F(xiàn)Ac和FAf的比值減小,體積參數(shù)VMA 將不斷增大。 采用貝雷法設計SMA-13 混合料時,3 個參數(shù)計算公式和推薦范圍見表1。

        表1 SMA-13 貝雷法設計3 個參數(shù)計算公式和推薦范圍

        2 原材料性質(zhì)分析

        2.1 集料性質(zhì)及其篩分結果

        花崗巖粗集料來自南平順昌某碎石料廠,分CA#1(10~15 mm)和CA#2(5~10 mm)兩種規(guī)格,質(zhì)地堅硬,表面粗糙,其性能檢驗結果見表2。 細集料采用三明尤溪某石料場的石灰?guī)r石屑,規(guī)格FA(0~3 mm),礦粉采用石灰石礦粉,細集料和礦粉性能檢驗結果均符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTJ F40-2004)的要求。 對粗集料、細集料和礦粉進行篩分,測定各檔集料的密度值,測定結果見表3~4。

        表2 花崗巖粗集料性能檢驗結果

        表3 花崗巖各檔集料密度值(單位:g/cm3)

        表4 花崗巖各級礦料篩分結果

        2.2 其他材料性質(zhì)

        瀝青采用的是廈門某公司生產(chǎn)的SBS 改性瀝青(I-D 類),其性能檢驗結果見表5。 抗剝落劑采用重慶某公司生產(chǎn)的AR-I 型瀝青抗剝落劑,固體,外觀為黃色或棕黃色,無異味;具備抗水剝離能力強,有較高的熱穩(wěn)定性(分解溫度>350℃),能直接加入熱熔(160℃~170℃)瀝青中。 添加量為瀝青含量的0.4%。 添加抗剝落劑的瀝青,采用水煮法檢驗改性瀝青與花崗巖粗集料的黏附性,黏附等級為5 級。纖維采用LT-M 木質(zhì)素纖維,質(zhì)量較好,添加量為瀝青混合料重量的0.3%。

        表5 SBS 改性瀝青技術指標

        3 花崗巖SMA-13 混合料級配設計

        3.1 貝雷法確定混合料級配

        在應用貝雷法設計新級配或驗證已有級配時,都必須選取密度來檢驗粗骨架是否形成,這樣才能設計出好的級配。 擬定設計密度為松裝密度的103%,P0.075=10.0%,設計空隙率V=4.0%,按照工程經(jīng)驗設置CA#1與CA#2的比例為65∶35。 根據(jù)規(guī)范[8]及文獻資料[9]提供的計算方法,以及集料的篩分結果和密度指標, 通過計算求得CA#1∶CA#2∶FA∶MF 的比例為41∶24∶24∶11,其合成級配見表6。計算混合料級配的貝雷參數(shù),粗集料比CA 為0.36,細集料粗比FAc為0.65,細集料細比FAf為0.69,均在參數(shù)建議范圍內(nèi),表明該級配已形成良好的骨架嵌擠結構。

        3.2 馬歇爾法確定混合料級配

        為驗證貝雷法在花崗巖SMA-13 混合料級配設計的優(yōu)劣性,也采用馬歇爾設計體系進行花崗巖SMA-13 瀝青混合料的礦料組成設計。先確定花崗巖SMA-13 混合料的4.75 mm 篩孔通過率分別是23.8%、27.3%、30.8%, 分別測定3 種級配的間隙率VCADRC。雙面擊實50 次制作試件,測定VV、VMA、VFA 及VCAmix等指標。 在混合料指標滿足技術要求的基礎上確定級配, 最終求得CA#1∶CA#2∶FA∶MF 的比例為45∶29∶14∶12。

        兩種設計方法設計的合成級配見表6, 級配曲線見圖1。由表6 和圖1 可見,馬歇爾法級配曲線和規(guī)范推薦級配的中值接近,集料的粗細比例滿足規(guī)范的要求。而貝雷法級配曲線中的0.6~4.75 mm 篩孔的通過率接近或高于推薦級配的上限值,表明粒徑0.6 ~4.75 mm 的集料比規(guī)范值較少;0.075~0.6 mm篩孔及4.75~13.2 mm 篩孔的通過率在推薦級配的上限值和下限值之間,滿足規(guī)范的要求。 不論是以2.36 mm 或以4.75 mm 為粗細集料分界點的關鍵篩孔,貝雷法級配曲線比馬歇爾法級配曲線的通過率都要高一些。 總體來說,貝雷法級配比馬歇爾法級配更偏細一些。

        圖1 花崗巖SMA-16 混合料合成級配曲線

        3.3 兩種級配的馬歇爾試驗

        對兩種級配進行馬歇爾試驗, 確定最佳油石比。 在確定最佳油石比的馬歇爾試驗中,初試瀝青含量很重要。 不同的初始瀝青用量下馬歇爾試件的密度有所差異,這種差異會影響粗集料骨架間隙率VCAmix的準確性,從而使骨架標準判據(jù)VCAmix≤VCADRC失真。 為減少試驗工作量,有必要對花崗巖SMA-13 混合料的兩種級配進行瀝青用量預估。 采用文獻[10]提供的最佳瀝青含量估算方法,計算得到貝雷法級配的初試瀝青含量為5.82%, 油石比為6.18%;馬歇爾法級配的初試瀝青含量為5.71%,油石比為6.06%。以此估算值為中值,上下浮動0.3%,進行馬歇爾試驗。 馬歇爾試驗結果見表7。

        表7 瀝青混合料馬歇爾試驗結果

        由表7 可知, 以空隙率4.0%為目標空隙率確定兩級配的最佳油石比, 貝雷法級配為6.13%,馬歇爾法級配為6.10%,兩者相差不大。 但是,就馬歇爾穩(wěn)定度來說,貝雷法級配為11.22 kN,馬歇爾法級配為10.14 kN,提高了10.65%,說明貝雷法級配比馬歇爾級配取得更優(yōu)良的穩(wěn)定性能。

        4 花崗巖SMA-13 混合料路用性能檢驗

        花崗巖作為酸性石料用于瀝青混凝土時,應進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗分析其抗水損害性能,進行車轍試驗分析其高溫穩(wěn)定性能,進行低溫彎曲試驗分析其低溫抗裂性能。 在兩組級配最佳油石比條件下其路用性能試驗結果見表8。

        表8 花崗巖SMA-13 混合料路用性能試驗結果

        由表8 可知,貝雷法級配與馬歇爾級配的花崗巖SMA-13 混合料各項路用性能數(shù)據(jù)結果相比,在浸水馬歇爾試驗中,殘留穩(wěn)定度提高了7.8%;在凍融劈裂試驗中,抗拉強度比提高了8.0%;在車轍試驗中,動穩(wěn)定次數(shù)提高了34.69%;在低溫彎曲試驗中,最大破壞彎拉應變提高了4.5%。 由此可知,貝雷法級配較馬歇爾法級配的花崗巖SMA-13 混合料取得了更好的路用性能,具備更優(yōu)良的抗水損害性能、高溫穩(wěn)定性能和低溫抗裂性能。

        5 結論

        (1)以空隙率4.0%為目標空隙率時,確定貝雷法級配與馬歇爾法級配的花崗巖SMA-13 混合料最佳油石比,貝雷法級配為6.13%,馬歇爾法級配為6.10%,兩者相差不大。 (2)在最佳油石比條件下的路用性能試驗中,與馬歇爾法級配相比,貝雷法級配的花崗巖SMA-13 混合料的殘留穩(wěn)定度、抗拉強度比、動穩(wěn)定次數(shù)、最大破壞彎拉應變均有不同程度的提高,具備更優(yōu)良的路用性能。 (3)貝雷法設計的瀝青混合料級配可有效提高花崗巖SMA-13混合料的路用性能。

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