級(jí)配曲線走向與瀝青混凝土空隙率關(guān)系的研究＊

徐慧寧 譚憶秋 李曉民 馬韶軍

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院1） 哈爾濱 150090）

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司2） 蘭州 730030）

0 引 言

瀝青混合料是由石料、瀝青、空氣三相組成的復(fù)合材料，其中礦料級(jí)配是影響瀝青混合料性能的主要因素；而體積參數(shù)作為瀝青混合料空間結(jié)構(gòu)組成的直接外在表現(xiàn)形式，與級(jí)配之間存在密切的聯(lián)系.特別是20世紀(jì)90年代，隨著體積設(shè)計(jì)法的提出，瀝青混合料體積參數(shù)與礦料級(jí)配的關(guān)系成為國(guó)際道路界的熱點(diǎn)問(wèn)題.

Obaidat、呂文江、蘇洲等的研究顯示，瀝青混合料體積參數(shù)隨著粗集料用量和內(nèi)部級(jí)配的變化而發(fā)生較大改變［1－3］.李艷春運(yùn)用灰關(guān)聯(lián)分析表明礦料級(jí)配對(duì)瀝青混合料體積參數(shù)有較大影響［4－5］.徐慧寧應(yīng)用雙因素方差分析，證明了體積參數(shù)的變化主要是由于級(jí)配變化造成的［6］.與此同時(shí)，Shen指出，級(jí)配變化時(shí)，瀝青混合料空隙率與礦料間隙率具有相同的變化規(guī)律［7］；Abdel－Jawad，Abdullah的研究顯示，由偏粗級(jí)配形成的瀝青混合料通常具有較高的空隙率，這一結(jié)果在一定程度上證實(shí)了Bailey的研究成果［8］.而劉樹堂認(rèn)為在其他因素相同的情況下，礦料級(jí)配曲線與理論最大密度線的相似性決定了空隙率的大?。?］.本文以AC－16型瀝青混合料為研究對(duì)象，以4.75 mm篩孔作為關(guān)鍵篩孔，通過(guò)調(diào)整礦料級(jí)配中粗、細(xì)集料內(nèi)部比例及4.75mm通過(guò)率，對(duì)能夠敏感反映級(jí)配變化的體積參數(shù)——瀝青混合料空隙率，隨級(jí)配走向改變的變化規(guī)律進(jìn)行了研究；并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，進(jìn)行了瀝青混合料空隙率對(duì)級(jí)配變化的敏感程度分析.

1 材 料

1.1 集料與填料

集料為黑龍江省優(yōu)質(zhì)地產(chǎn)安山巖.集料采用落錘式破碎機(jī)加工，顆粒立方體形狀較好，強(qiáng)度高，硬度大，有較好的耐磨性.礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)而成，表觀相對(duì)密度為2.672，0.075mm通過(guò)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80.3%.

1.2 瀝青

瀝青材料采用中海110?；|(zhì)瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 瀝青技術(shù)性質(zhì)

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)級(jí)配見(jiàn)表2.

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

依據(jù)JTJ 052－2000（T0702－2000）的方法，對(duì)表2所列級(jí)配進(jìn)行馬歇爾試件擊實(shí)成型，集料、瀝青加熱溫度分別為160，145℃，每組級(jí)配制作5個(gè)平行試件；采用JTJ 052－2000（T0705－2000）的方法測(cè)定各試件的瀝青混合料空隙率，見(jiàn)表3.

表2 試驗(yàn)級(jí)配匯總

表3 瀝青混合料空隙率匯總

3.1 級(jí)配走向變化對(duì)瀝青混合料空隙率變化趨勢(shì)的影響

圖1a）顯示，細(xì)集料級(jí)配發(fā)生變化時(shí)，隨著細(xì)集料級(jí)配由偏細(xì)的上限級(jí)配變化到偏粗的下限級(jí)配，瀝青混合料空隙率逐漸變大.圖1b）顯示，4.75mm通過(guò)率和細(xì)集料級(jí)配同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，空隙率的變化與圖1a）所示規(guī)律相同，即細(xì)集料取上限級(jí)配時(shí)空隙率最小，取下限級(jí)配時(shí)的空隙率最大，中間級(jí)配的空隙率居于二者之間，并且這種關(guān)系不隨粗集料內(nèi)部結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵篩孔通過(guò)率變化而改變.

圖1 細(xì)集料變化對(duì)空隙率變化趨勢(shì)的影響

由圖2a）可知，粗集料發(fā)生變化時(shí)，瀝青混合料空隙率產(chǎn)生規(guī)律性變化，粗集料采用中間級(jí)配時(shí)空隙率最?。徊捎蒙舷藜?jí)配時(shí)空隙率最大；采用下限級(jí)配時(shí)的空隙率介于二者之間.圖2b）顯示，保持細(xì)集料級(jí)配不變，同時(shí)改變粗集料和4.75 mm通過(guò)率對(duì)瀝青混合料空隙率變化規(guī)律產(chǎn)生了較大的影響，這說(shuō)明有必要對(duì)4.75mm通過(guò)率對(duì)空隙率產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究.

同時(shí)，將圖2a），b）中的數(shù)據(jù)比較可見(jiàn)，變化4.75mm通過(guò)率，改變了原有級(jí)配中9.5～4.75 mm與4.75～2.36mm之間顆粒的比例關(guān)系，這種改變使得空隙率發(fā)生了明顯的變化，上述現(xiàn)象說(shuō)明16～9.5mm之間粒徑并不是引起瀝青混合料空隙率變化的主導(dǎo)因素，這一觀點(diǎn)在下面的分析中被證實(shí).

圖2 粗集料變化對(duì)空隙率變化趨勢(shì)的影響比較圖

圖3中數(shù)據(jù)表明，對(duì)于粗、細(xì)集料均取上限的級(jí)配sx－11，當(dāng)4.75mm通過(guò)率上升5%時(shí)，空隙率隨之下降.對(duì)于粗、細(xì)集料均取下限的級(jí)配sx－22，其中粗集料中大粒徑顆粒含量較多，形成了豐富的空隙，而細(xì)集料由于級(jí)配偏粗不能充分的填充這些空隙，適當(dāng)減少4.75mm通過(guò)率可增大9.5～4.75mm檔對(duì)于更大骨架的填充作用，導(dǎo)致了空隙率的降低.由此可以看出，不同粒徑石料的分布狀況對(duì)于空隙率的形成起到重要的作用.

圖3 4.75mm通過(guò)率變化對(duì)空隙率的影響

3.2 瀝青混合料空隙率對(duì)級(jí)配走向變化敏感程度的研究

此部分采用空隙率的絕對(duì)變化表征空隙率對(duì)級(jí)配走向變化的敏感程度.為避免礦料顆粒空間分布的隨機(jī)性引起的空隙率差異，防止個(gè)別異常值導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況出現(xiàn)偏差，本部分借鑒數(shù)理統(tǒng)計(jì)中秩和檢驗(yàn)的方法（見(jiàn)參考文獻(xiàn)［10］），進(jìn)行級(jí)配走向變化對(duì)瀝青混合料空隙率影響程度的分析.各試驗(yàn)級(jí)配的瀝青混合料空隙率列于表3.

按照式（1）～（3）定義如下計(jì)算參數(shù)：

式中：VV（上限）為取上限級(jí)配時(shí)瀝青混合料空隙率；VV（下限）為取下限級(jí)配時(shí)瀝青混合料空隙率；為取中值級(jí)配時(shí)瀝青混合料空隙率的平均值；VV（4.75mm）iii為4.75mm 通過(guò)率變化時(shí)瀝青混合料空隙率為4.75mm通過(guò)率取中值時(shí)瀝青混合料空隙率的平均值.

表4顯示，無(wú)論粗集料級(jí)配處于何種水平，改變細(xì)集料內(nèi)部結(jié)構(gòu)都會(huì)使空隙率發(fā)生較大變化，最大變化幅度可達(dá)3.212%，最小的也有2.211%.表5秩和檢驗(yàn)結(jié)果表明，在95%置信水平條件下，細(xì)集料級(jí)配變化相同幅度時(shí)，級(jí)配的變化趨勢(shì)（趨于級(jí)配下限或上限）對(duì)于空隙率變化幅度并無(wú)顯著影響，即瀝青混合料空隙率對(duì)細(xì)集料變化具有相同的變化速率，不受級(jí)配變化趨勢(shì)的影響.表6秩和檢驗(yàn)結(jié)果顯示：在95%置信水平條件下，當(dāng)粗集料處于中間級(jí)配時(shí)，空隙率對(duì)細(xì)集料級(jí)配變化的敏感程度最大；而當(dāng)粗集料處于上限級(jí)配時(shí)，空隙率對(duì)細(xì)集料級(jí)配變化的敏感程度最小.

無(wú)論細(xì)集料處于何種水平，粗集料級(jí)配走向的變化均會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料空隙率的變化.分析表8秩和檢驗(yàn)結(jié)果知：在95%置信水平條件下，當(dāng)細(xì)集料采用中值或上限級(jí)配時(shí)，粗集料結(jié)構(gòu)變細(xì)（趨于上限級(jí)配）時(shí)的空隙率的變化幅度顯著大于粗集料結(jié)構(gòu)變粗（趨于下限）時(shí)的；當(dāng)細(xì)集料屬于下限級(jí)配時(shí)，粗集料的變化方向?qū)τ诳障堵实淖兓葲](méi)有顯著影響，可認(rèn)為此時(shí)瀝青混合料空隙率對(duì)粗集料的變化具有相同的變化速率.

表4 細(xì)集料變化時(shí)空隙率變化幅度匯總 %

表5 細(xì)集料變化方向?qū)障堵首兓扔绊懼群蜋z驗(yàn)表

表6 細(xì)集料變化時(shí)粗集料級(jí)配走向?qū)障堵首兓扔绊懼群蜋z驗(yàn)表

表7 粗集料變化時(shí)空隙率變化幅度匯總 %

由表9秩和檢驗(yàn)結(jié)果知：在95%置信水平條件下，當(dāng)細(xì)集料處于偏細(xì)的上限級(jí)配時(shí)，粗集料的波動(dòng)對(duì)于空隙率將產(chǎn)生較大的影響，而當(dāng)細(xì)集料取偏粗的下限級(jí)配時(shí)，粗集料的變化對(duì)空隙率的影響非常微小.造成這種現(xiàn)象的原因是由于當(dāng)細(xì)集料偏細(xì)時(shí)，對(duì)空隙率的填充效果較強(qiáng)，粗集料波動(dòng)導(dǎo)致的骨架形成效果受此種填充作用影響較大；而細(xì)集料取下限時(shí)由于細(xì)顆粒含量較少，填充效果不如前者強(qiáng)烈，因此粗集料的變化受此種約束較少，空隙率變化幅度不大.

表9 粗集料變化時(shí)細(xì)集料級(jí)配走向?qū)障堵首兓扔绊懼群蜋z驗(yàn)表

表10 4.75mm通過(guò)率變化時(shí)空隙率變化幅度匯總%

表11 4.75mm通過(guò)率變化對(duì)空隙率變化幅度影響秩和檢驗(yàn)表

由表10～11可知：4.75mm通過(guò)率的變化會(huì)使空隙率產(chǎn)生一定幅度的變化，且當(dāng)通過(guò)率變大時(shí)的變化幅度顯著大于通過(guò)率變小時(shí)的變化幅度.3.

3 影響瀝青混合料空隙率變化的顯著性因素分析

綜合前述分析結(jié)果，將各級(jí)配空隙率變化的平均值作為比較指標(biāo)，運(yùn)用秩和檢驗(yàn)考察級(jí)配各組成部分對(duì)瀝青混合料空隙率變化的影響程度.

表12 影響瀝青混合料空隙率變化關(guān)鍵因素秩和檢驗(yàn)表

由表12可知，在95%置信水平時(shí)，改變4.75 mm通過(guò)率與變化粗集料內(nèi)部結(jié)構(gòu)所引起的瀝青混合料空隙率的變化幅度無(wú)顯著差異；而細(xì)集料變化引起的空隙率變化幅度卻顯著大于4.75 mm通過(guò)率變化引起的空隙率變化幅度.由此可知，細(xì)集料變化是影響瀝青混合料空隙率變化的最顯著因素.

4 結(jié) 論

1）隨著細(xì)集料級(jí)配由偏細(xì)的上限級(jí)配變化到偏粗的下限級(jí)配，瀝青混合料的空隙率逐漸變大；粗集料采用中間級(jí)配空隙率最小，采用上限級(jí)配，空隙率最大；4.75mm通過(guò)率對(duì)于空隙率也有重要的影響.

2）秩和檢驗(yàn)結(jié)果表明，粗、細(xì)集料內(nèi)部結(jié)構(gòu)及4.75mm通過(guò)率的變化都會(huì)對(duì)瀝青混合料空隙率產(chǎn)生影響.當(dāng)細(xì)集料改變時(shí)，粗集料的走向?qū)障堵实淖兓扔幸欢ㄓ绊?，?dāng)粗集料改變時(shí)，細(xì)集料的走向?qū)障堵实淖兓纫灿幸欢ǖ挠绊?；此外，瀝青混合料空隙率對(duì)細(xì)集料的變化具有相同的變化速率；但當(dāng)粗集料變化時(shí)，如果細(xì)集料屬于中值或上限級(jí)配，粗集料結(jié)構(gòu)變細(xì)時(shí)空隙率的變化速率顯著大于粗集料結(jié)構(gòu)變粗時(shí)的；當(dāng)細(xì)集料屬于下限級(jí)配時(shí)，粗集料的變化方向?qū)τ诳障堵实淖兓俾蕸](méi)有顯著影響.

3）通過(guò)比較改變4.75mm通過(guò)率前后的瀝青混合料空隙率可知，粗、細(xì)集料顆粒分布的均衡關(guān)系對(duì)于瀝青混合料空隙率有一定的影響.

4）秩和檢驗(yàn)結(jié)果顯示，細(xì)集料級(jí)配的變化是導(dǎo)致瀝青混合料空隙率變化的最顯著因素.

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