路面顆粒材料離析性的評價(jià)方法*

包秀寧 張肖寧

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東廣州 510640)

鋪筑路面使用的各種顆粒材料因施工過程中的流動(dòng)會(huì)出現(xiàn)不同粒徑顆粒相互偏離的離析現(xiàn)象[1-2].顆粒材料發(fā)生離析后,可能造成多項(xiàng)路用性能的降低.尤其是瀝青混合料,因?yàn)殇佒诼访鎸?需滿足保障車輛安全、快速、舒適行駛的多項(xiàng)路用性能要求,而這些路用性能的實(shí)現(xiàn)與瀝青混合料良好的級配密不可分.瀝青混合料離析可引發(fā)松散、坑槽、車轍等路面破壞.顆粒材料的離析程度,除了與其運(yùn)動(dòng)過程有關(guān)外,還與其自身物性有重要關(guān)系.對于一種礦質(zhì)顆粒材料而言,其自身物性的差異主要是由其組成顆粒的尺寸和比例決定,所以顆粒材料的級配對其離析程度有重要影響.由于受施工工藝和程序的限制,路面顆粒材料的運(yùn)動(dòng)基本上是固定的程序,只有控制路面顆粒材料自身的離析性,才能更好地減少顆粒離析.

顆粒材料性質(zhì)非常復(fù)雜,對顆粒體的運(yùn)動(dòng)與力學(xué)研究還沒有完善的理論,尤其是對多元顆粒材料的研究更少.顆粒材料的研究主要采取實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬兩類方法[3-4].文中采用實(shí)驗(yàn)方法,根據(jù)路面顆粒材料離析過程設(shè)計(jì)離析試驗(yàn),以四元礦質(zhì)混合料為研究對象,作為多元顆粒材料的代表,研究顆粒材料離析性的評價(jià)方法,并將離析評價(jià)方法用于瀝青混合料的離析性評價(jià).

1 離析試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)路面施工中瀝青混合料的運(yùn)輸、攤鋪離析過程[5],離析試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)為顆粒材料在一定高度容器內(nèi),由漏斗口流出,自然堆積在底板上.根據(jù)顆粒從漏斗中順滑流出、不起拱的條件[6],設(shè)計(jì)了鋼質(zhì)光滑內(nèi)壁的漏斗,漏斗的錐角設(shè)計(jì)為 29°,漏斗出口孔徑為100mm.考慮滿足填裝足夠的試樣,漏斗的高度取為226mm.另外,為了保證顆粒材料在底面有良好的堆積,不會(huì)太過分散,從漏斗口到底面的高度確定為320mm.

離析試驗(yàn)前,預(yù)先準(zhǔn)備好要測試的顆粒材料試樣,每個(gè)試樣取 6 kg.試驗(yàn)時(shí),將試樣在固定的漏斗容器上口輕輕放下,讓顆粒在自重作用下落到漏斗里,此時(shí)漏斗的底部用擋板封住.裝填到漏斗里的顆粒盡量做到表面平整,裝完后不能再擾動(dòng)漏斗內(nèi)的顆粒.然后,迅速地將擋板移開,顆粒從漏斗里流出,自然地堆積成一個(gè)錐體.以堆積體中心位置和外圍位置的離析試樣,代表施工時(shí)發(fā)生離析的中心和外側(cè)位置的路面材料.中心試樣和外圍試樣按堆積體底面徑向選取,以堆積體底面中心為圓心,底面二分之一半徑的圓周為邊界,此邊界范圍內(nèi)的材料作為中心試樣,此邊界外的材料作為外圍試樣.每個(gè)顆粒體的離析試驗(yàn)重復(fù)2次.篩分離析試樣可獲得顆粒材料的離析級配.

2 四元礦質(zhì)混合料離析評價(jià)

2.1 四元礦質(zhì)混合料的級配設(shè)計(jì)

綜合考慮多元顆粒材料的代表性和瀝青路面的顆粒離析實(shí)際情況,選擇粒徑為 2.36、4.75、9.50和13.20mm的 4檔顆粒組成的四元礦質(zhì)混合料作為研究對象,避免太多檔粒徑顆粒的組合使得研究過分復(fù)雜.試驗(yàn)材料為符合路用性能要求的花崗巖.根據(jù)各種類型瀝青混合料的建議級配范圍,其相鄰粒徑顆粒用量比例一般是從 1∶3至 3∶1之間[7-8].據(jù)此,設(shè)計(jì)了表 1所示的 9種級配的礦質(zhì)混合料,其比例為粒徑為13.20、9.50、4.75、2.36mm的顆粒的質(zhì)量比.

表1 四元礦質(zhì)顆粒體的級配比例Table 1 Proportions of four-elementmineral granularmasses

2.2 離析試驗(yàn)結(jié)果

為了方便對比,9種級配礦質(zhì)混合料的外圍試樣依照其原編號(hào)依次編號(hào)為 1*至 9*,其中心試樣依次編號(hào)為 1′至 9′.離析試樣各顆粒的含量與設(shè)計(jì)含量之差分別如圖1、2所示.

圖1 中心試樣顆粒含量變化Fig.1 Variation of particle content of inside samples

圖2 外圍試樣顆粒含量變化Fig.2 Variation of particle content of outside samples

離析試樣結(jié)果表明,粒徑較大的 13.20mm和9.50mm兩種顆粒在外圍試樣中增加,在中心試樣中減少;4.75mm顆粒的粒徑大小處于中間,其含量在外圍試樣和中心試樣中有增有減,但是含量變化都較小;粒徑最小的2.36mm顆粒在各外圍試樣中都減少,在中心試樣中都增加.不同設(shè)計(jì)級配顆粒材料的各顆粒含量變化是不同的.這表明離析試驗(yàn)可以檢驗(yàn)顆粒材料的離析,而且能夠分辨不同級配顆粒材料的離析性.

顆粒的含量變化雖然可以表現(xiàn)顆粒材料的離析,但是由于各粒徑顆粒在不同礦質(zhì)混合料中的含量變化并不一致,因而難以總體評價(jià)材料的離析程度,也不能建立級配組成與離析性的關(guān)系.因此,需要確定一個(gè)表示顆粒材料總體離析程度的統(tǒng)計(jì)量.顆粒材料的各粒徑顆粒含量不同,直接以含量增減量表示離析程度不能體現(xiàn)其含量權(quán)重的影響,為此,引入離析率的概念,離析率即是顆粒含量的改變量與其原含量的比值.綜合考慮各粒徑顆粒的離析程度,將所有顆粒的離析率取絕對值累加起來,再取平均值,稱為平均離析率.平均離析率可以作為表示顆粒材料總體離析程度的統(tǒng)計(jì)量.由于外圍試樣與中心試樣各顆粒含量的增減存在相對關(guān)系,在取平均離析率時(shí),以外圍試樣計(jì)算平均離析率,不再重復(fù)計(jì)算中心試樣的離析率.根據(jù)9種礦質(zhì)混合料的離析試驗(yàn)結(jié)果,分別計(jì)算其平均離析率,結(jié)果如表 2所示.

表2 四元礦質(zhì)混合料的平均離析率Table 2 Average segregation ratios of four-elementmineralmixtures

根據(jù)表 2計(jì)算結(jié)果,9種礦質(zhì)混合料按照平均離析率由大到小排列為:9、7、5、6、8、2、4、3、1.

2.3 粒徑連續(xù)分布模型與級配參數(shù)建立

顆粒材料的級配組成狀態(tài)可用平均粒徑和粒徑分散系數(shù)兩個(gè)級配參數(shù)表示[9].假設(shè)各顆粒的粒徑是連續(xù)分布的,可以建立顆粒材料的粒徑連續(xù)分布模型.下面說明建立粒徑連續(xù)分布模型和計(jì)算級配參數(shù)的方法.

已知設(shè)計(jì)顆粒材料各粒徑顆粒的含量,可以通過累加某粒徑以下顆粒的含量得到該粒徑顆粒的分布率,根據(jù)所有顆粒的粒徑與其分布率的數(shù)據(jù),建立粒徑連續(xù)分布模型.經(jīng)試算確定顆粒體的粒徑分布函數(shù)F(x)為4次多項(xiàng)式,可表示為.對分布函數(shù)求導(dǎo),可得到顆粒體的粒徑概率密度函數(shù)f(x).根據(jù)顆粒體的粒徑分布函數(shù),可以求出任意區(qū)間內(nèi)顆粒體的粒徑分布情況.對于某一粒徑范圍的顆粒體,在此范圍內(nèi)任一粒徑區(qū)間[a,b]的分布概率Pi,可由下式求得:

該顆粒體的粒徑分散系數(shù)Kd可用下式計(jì)算:

2.4 四元礦質(zhì)混合料離析評價(jià)

根據(jù)四元礦質(zhì)混合料的離析試驗(yàn)結(jié)果,可以分析不同級配顆粒材料離析后平均粒徑和粒徑分散系數(shù)的變化,研究評價(jià)顆粒材料離析的方法.按照粒徑分布函數(shù)和級配參數(shù)的計(jì)算方法,應(yīng)用Excel程序,計(jì)算各設(shè)計(jì)級配和離析試樣四元礦質(zhì)混合料的平均粒徑和粒徑分散系數(shù)如表3所示.

表3 四元礦質(zhì)混合料的和KdTab le 3 and Kd of four-elementm ineralmixtures

表3 四元礦質(zhì)混合料的和KdTab le 3 and Kd of four-elementm ineralmixtures

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從表 3可以看出,基本上離析試驗(yàn)后外圍試樣的平均粒徑增大了,中心試樣的平均粒徑減小了.這說明外圍試樣中粒徑較大的顆粒較多,中心試樣中粒徑較小的顆粒較多,平均粒徑的改變反映了大小顆粒的離析.而各設(shè)計(jì)混合料的平均粒徑改變程度不同,從而可以反映出其離析程度的差異.其中外圍試樣 9*的平均粒徑?jīng)]再增大,這是由于混合料 9的大顆粒含量已是最多,外圍試樣的大顆粒含量不可能再超越它了.

粒徑分散系數(shù)在外圍試樣中減小,在中心試樣中增大.這說明外圍試樣顆粒的粒徑比較集中,中心試樣顆粒的粒徑相對分散,粒徑分散系數(shù)的變化也反映了顆粒材料的離析現(xiàn)象.與平均粒徑原因相同,外圍試樣9*的粒徑分散系數(shù)也沒再減少.

分析 9種設(shè)計(jì)級配混合料的平均粒徑、粒徑分散系數(shù)和平均離析率 3組數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)三者存在線性關(guān)系,回歸后可得到如下表達(dá)式:

式中:Sa為平均離析率.由式(4)可知,混合料的離析程度隨平均粒徑和粒徑分散系數(shù)的增大而增大.即混合料中各顆粒的粒徑越小、越均勻,離析的程度越小;反之,離析程度越大.根據(jù)混合料的平均粒徑和粒徑分散系數(shù),可以預(yù)測混合料的離析程度或比較不同混合料的離析程度.但是由于顆粒材料的復(fù)雜性,比較應(yīng)在同種材料間進(jìn)行,而且需要注意預(yù)測存在一定誤差.反過來,通過控制顆粒材料的平均粒徑和粒徑分散系數(shù),可以設(shè)計(jì)出離析程度較低的顆粒材料.

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn),顆粒材料離析試驗(yàn)前后的粒徑分散系數(shù)之差Vd與平均離析率Sa具有很好的線性關(guān)系,如圖 3所示,兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9.圖中粒徑分散系數(shù)差是設(shè)計(jì)混合料與其外圍試樣和中心試樣的粒徑分散系數(shù)差值的平均值.粒徑分散系數(shù)差越大,混合料的離析程度越高.因此,在離析試驗(yàn)中完全可以用粒徑分散系數(shù)差評價(jià)顆粒材料的離析性.該參數(shù)具有工程實(shí)用意義,對于級配發(fā)生改變的顆粒材料施工后是否仍然符合離析程度的限制要求,可通過計(jì)算其與原設(shè)計(jì)級配顆粒材料的粒徑分散系數(shù)差,判斷其離析程度,便捷地確定該顆粒材料是否仍然可用.

圖3 Vd與Sa的關(guān)系Fig.3 Relation between Vd and Sa

3 擴(kuò)展應(yīng)用分析

路面顆粒材料常由多于四檔粒徑的顆粒組成,下面檢驗(yàn)四元礦質(zhì)混合料的研究結(jié)果是否適用于評價(jià)更多元礦質(zhì)混合料瀝青混合料的離析.

3.1 多元礦質(zhì)混合料的離析評價(jià)

選擇 3種級配的多元礦質(zhì)混合料,粒徑范圍為0.15～16.00mm,其設(shè)計(jì)級配及外圍、中心試樣級配如圖4所示,其編號(hào)依次為.根據(jù)多元礦質(zhì)混合料及其離析試樣的級配,計(jì)算出平均粒徑、粒徑分散系數(shù)、粒徑分散系數(shù)差和平均離析率各項(xiàng)參數(shù),如表4所示.

圖4 多元礦質(zhì)混合料的級配Fig.4 Gradations ofmulti-elementmixtures

表4 多元礦質(zhì)混合料的級配參數(shù)與平均離析率Table 4 Gradation parameters and average segregation ratios of multi-elementmineralmixtures

由表 4可知,平均粒徑和粒徑分散系數(shù)綜合影響著礦質(zhì)混合料的離析程度,用粒徑分散系數(shù)差評價(jià) 3種混合料的離析程度與其平均離析率結(jié)果一致,按離析程度由大到小依次為 G3、G1、G2.將 3種多元礦質(zhì)混合料與 9種四元礦質(zhì)混合料的數(shù)據(jù)一起分析,仍然存在平均離析率隨平均粒徑和粒徑分散系數(shù)增大而增大的同樣趨勢,但是直接以平均粒徑和粒徑分散系數(shù)預(yù)測平均離析率存在較大誤差.另一方面,粒徑分散系數(shù)差與平均離析率的線性關(guān)系仍成立.因此,離析性評價(jià)方法對多元礦質(zhì)混合料依然適用.在評價(jià)礦質(zhì)混合料的離析性方面,離析試驗(yàn)是比較準(zhǔn)確的方法.此外,根據(jù)已有礦質(zhì)混合料離析試驗(yàn)結(jié)果,可用粒徑分散系數(shù)差判別其它級配礦質(zhì)混合料的離析程度.

3.2 瀝青混合料的離析評價(jià)

瀝青混合料在產(chǎn)生離析的運(yùn)輸、攤鋪的過程中溫度很高,呈現(xiàn)離散的顆粒物質(zhì)形態(tài),但屬于具有粘性的顆粒材料.非粘性顆粒材料抵抗剪切是靠內(nèi)摩擦力,粘性顆粒材料抵抗剪切增加了粘聚力,如果把內(nèi)摩擦力和粘聚力的合力作為廣義的內(nèi)摩擦力,礦質(zhì)混合料的離析分析結(jié)果應(yīng)該也適用于熱瀝青混合料.為了驗(yàn)證這種可行性,在某高速公路瀝青路面現(xiàn)場,抽取其上、中、下面層的瀝青混合料作為離析試樣,每種瀝青混合料隨機(jī)抽取5份試樣.上、中、下面層分別是 AK-16A、AC-20I和AC-25I瀝青混合料,以各瀝青混合料的生產(chǎn)級配為未離析的初始級配,分別編號(hào)為 S、Z、X,其各自的抽樣則分別編號(hào)為 S1至 S5,Z1至 Z5及X1至 X5.各面層瀝青混合料的生產(chǎn)級配與其抽樣級配如圖5(a)、(b)、(c)所示.

同樣,根據(jù)級配數(shù)據(jù)可以計(jì)算出瀝青混合料的平均粒徑、粒徑分散系數(shù)、粒徑分散系數(shù)差和平均離析率,如表5所示.

瀝青混合料的平均粒徑與粒徑分散系數(shù)也綜合決定其平均離析率的大小,其粒徑分散系數(shù)差仍可評價(jià)瀝青混合料的離析程度.不過,粒徑分散系數(shù)差對路面瀝青混合料的平均離析率的影響明顯大于其對試驗(yàn)礦質(zhì)混合料的影響,其影響比較結(jié)果如圖 6所示.從圖中可以看出,粒徑分散系數(shù)差相同時(shí),離析試驗(yàn)的礦質(zhì)混合料的離析率遠(yuǎn)小于路面瀝青混合料的離析率.而試驗(yàn)結(jié)果也說明,粒徑分散系數(shù)差在不同程度的離析過程中都可以表征離析的程度.

表5 瀝青混合料的級配參數(shù)與平均離析率Table 5 Gradation parameters and average segregation ratios of asphaltmixtures

圖6 礦質(zhì)混合料與瀝青混合料離析比較Fig.6 Segregation comparison ofm ineralm ixtures and asphalt mixtures

綜合以上試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)根據(jù)四元礦質(zhì)混合料分析得出的粒徑分散系數(shù)差與離析程度的關(guān)系,適用于多元礦質(zhì)混合料和常用公稱最大粒徑從13.2mm到26.5mm的瀝青混合料的離析評價(jià)分析.

4 結(jié)論

建立離析試驗(yàn)后,根據(jù)路面顆粒材料的離析性評價(jià)方法的研究工作,可以得出如下結(jié)論:(1)根據(jù)路面材料離析過程設(shè)計(jì)的離析試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У貦z測不同級配礦質(zhì)混合料的離析程度;(2)采用粒徑連續(xù)分布模型,確定以平均粒徑和粒徑分散系數(shù)表征的顆粒材料的組成狀態(tài),顆粒材料的離析程度隨兩者的增大而加劇,但是直接以兩者預(yù)估離析率存在誤差,離析試驗(yàn)是顆粒材料離析性檢驗(yàn)的更準(zhǔn)確方法;(3)粒徑分散系數(shù)差可用于評價(jià)礦質(zhì)混合料和瀝青混合料的離析性,據(jù)此還可判別發(fā)生級配改變顆粒材料的可用性,但是施工離析程度可能高于離析試驗(yàn)結(jié)果,在確定離析接受范圍時(shí),需根據(jù)相應(yīng)關(guān)系做調(diào)整;(4)不同級配的礦質(zhì)混合料和瀝青混合料的離析性存在差異,這證實(shí)級配組成對顆粒材料的離析具有重要影響.

顆粒材料的性狀極其復(fù)雜,論文的研究對象是同一種礦質(zhì)顆粒材料,所以忽略了顆粒材質(zhì)、形狀、表面構(gòu)造等方面因素對其離析的影響[10-12],要全面掌握各類顆粒材料的離析規(guī)律,還需要在各影響因素方面做深入研究.在現(xiàn)有研究階段,推薦采用離析試驗(yàn)檢測顆粒材料的離析性.

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