密斷級(jí)配瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)探索

譚興友

(柳州高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司，廣西 柳州 545005)

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密斷級(jí)配瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)探索

譚興友

(柳州高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司，廣西 柳州 545005)

瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，包括油石比與礦料級(jí)配設(shè)計(jì)兩方面。文章針對(duì)當(dāng)前密斷級(jí)配瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，探索瀝青混合料油石比和礦料級(jí)配的最佳理論計(jì)算與設(shè)計(jì)方法，并以實(shí)際工程AC20C瀝青混合料配合比為例，對(duì)所提出的理論原理和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了試驗(yàn)論證。

瀝青混合料；油石比計(jì)算式；粗集料通過(guò)率計(jì)算式；冪級(jí)配公式；級(jí)配優(yōu)化

0 引言

瀝青混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度由瀝青粘聚力強(qiáng)度與礦料級(jí)配結(jié)構(gòu)強(qiáng)度組成。瀝青粘聚力強(qiáng)度由瀝青粘聚力提供，除瀝青質(zhì)量還與瀝青用量有關(guān)，瀝青用量過(guò)少，瀝青提供的粘聚力不足，瀝青路面易發(fā)生早期水損、坑洞、網(wǎng)裂；瀝青用量過(guò)多，自由瀝青多，在高溫下瀝青粘結(jié)力下降，瀝青路面易發(fā)生車轍、擁包，因此應(yīng)注重瀝青混合料油石比設(shè)計(jì)，如技術(shù)規(guī)范對(duì)瀝青質(zhì)量、空隙率與間隙率等相關(guān)技術(shù)要求。礦料級(jí)配結(jié)構(gòu)強(qiáng)度由礦料級(jí)配結(jié)構(gòu)承擔(dān)，如果礦料級(jí)配失當(dāng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱，瀝青路面易發(fā)生早期水損、坑洞、網(wǎng)裂、車轍、擁包，因此應(yīng)注重瀝青混合料礦料級(jí)配設(shè)計(jì)。為兼顧二者，現(xiàn)在許多瀝青路面工程都采用密斷級(jí)配瀝青混合料，主要是其具有好的抗車轍、抗水損、抗裂等良好路用性能。但是，對(duì)于密斷級(jí)配有人認(rèn)為：(1)瀝青混凝土粗集料骨架間隙率小于其粗集料松裝間隙率即為密斷級(jí)配；(2)瀝青混凝土粗集料骨架間隙率小于其粗集料搗實(shí)間隙率才為密斷級(jí)配，沒(méi)有明確標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范對(duì)最佳油石比的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及評(píng)判有很詳細(xì)的要求，對(duì)礦料級(jí)配是根據(jù)工程所處地區(qū)環(huán)境憑經(jīng)驗(yàn)確定，路用性能檢驗(yàn)符合要求即可，沒(méi)有強(qiáng)調(diào)對(duì)礦料級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，而路用性能好壞主要受礦料級(jí)配影響，因此，有必要對(duì)如何設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的密斷級(jí)配瀝青混合料配合比進(jìn)行探索性試驗(yàn)研究。

1 密斷級(jí)配瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)理論原理及試驗(yàn)方法分析

由于瀝青混凝土各材料組合遵循體積填充理論，體積填充理論認(rèn)為瀝青混凝土的體積等于粗細(xì)集料、填料、瀝青及空隙體積之和。瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)包含最佳油石比與礦料級(jí)配設(shè)計(jì)。

關(guān)于瀝青混合料最佳油石比，可通過(guò)體積填充理論、馬歇爾空隙率與礦料間隙率技術(shù)要求、粗細(xì)集料、填料和瀝青密度、合成礦料吸水率導(dǎo)出最佳油石比計(jì)算式1，由計(jì)算式計(jì)算而得。由于計(jì)算式充分考慮了各礦料和瀝青的密度、礦料吸水率及技術(shù)要求，其計(jì)算結(jié)果必然滿足規(guī)范對(duì)空隙率、礦料間隙率及瀝青飽和度的技術(shù)要求。對(duì)于同種瀝青混合料的有效瀝青體積百分率(馬歇爾礦料間隙率與空隙率之差)技術(shù)要求是一個(gè)定值，礦料合成級(jí)配在一個(gè)相對(duì)小的范圍波動(dòng)時(shí)，其合成礦料的密度、吸水率變化很小，因此油石比也基本是一個(gè)定值。

最佳油石比計(jì)算式：

Pb=(VMA-VV)/[(100-VMA)×γsb]×γb×100+wx

(1)

Pb——瀝青混合料油石比(%)；

VMA——設(shè)計(jì)的馬歇爾礦料間隙率(%)；

VV——設(shè)計(jì)的馬歇爾空隙率(%)；

γsb——合成礦料毛體積相對(duì)密度；

γb——瀝青相對(duì)密度；

wx——合成礦料吸水率(%)。

關(guān)于密斷級(jí)配瀝青混合料最佳礦料級(jí)配。首先密斷級(jí)配瀝青混凝土強(qiáng)調(diào)瀝青混合料的粗集料骨架結(jié)構(gòu)，即注重礦料最佳級(jí)配設(shè)計(jì)，又由于礦料級(jí)配是由多檔粗集料、細(xì)集料和填料組合而成，在設(shè)計(jì)礦料級(jí)配規(guī)定區(qū)間內(nèi)有相當(dāng)多種組合方式，要獲得最佳級(jí)配，設(shè)計(jì)試驗(yàn)工作量大難以操作，為此有必要采取科學(xué)的方法，減少試驗(yàn)工作量，提高其可操作性。為此，通過(guò)體積填充理論、馬歇爾礦料間隙率技術(shù)要求、粗細(xì)集料密度、填料密度、粗集料堆積密度可導(dǎo)出粗集料4.75 mm篩通過(guò)率計(jì)算式2。通過(guò)測(cè)定粗集料松裝搗實(shí)密度，采用粗集料通過(guò)率計(jì)算公式確定粗集料通過(guò)率區(qū)間，通過(guò)冪函數(shù)式3設(shè)計(jì)5個(gè)粗細(xì)不同的礦料理論級(jí)配，從而科學(xué)地減少試驗(yàn)工作量，提高了可操作性。

粗集料松裝、搗實(shí)試驗(yàn)及粗集料4.75 mm篩孔通過(guò)率計(jì)算式：

P=[(VCADRC-VMA)×PSb細(xì)]/[(100-VMA)×PSb]×100

(2)

P——4.75 mm篩通過(guò)率；

VCADRC——粗集料松裝、搗實(shí)骨架間隙率；

VMA——瀝青混合料目標(biāo)礦料間隙率；

PSb細(xì)——礦料中合成細(xì)集料毛體積相對(duì)密度；

PSb——礦料中合成礦料毛體積相對(duì)密度。

理論級(jí)配冪函數(shù)計(jì)算式：

y=axb

(3)

y——各篩孔通過(guò)率；

x——篩孔孔徑；

a、b——回歸系數(shù)。

由于5個(gè)礦料理論級(jí)配粗細(xì)程度不同，級(jí)配由細(xì)變粗，其粗集料骨架結(jié)構(gòu)必然由骨架結(jié)構(gòu)松散狀態(tài)到骨架結(jié)構(gòu)緊密狀態(tài)再到骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)狀態(tài)，其馬歇爾、路用性能試驗(yàn)結(jié)果必然成規(guī)律性變化，從而可得各參數(shù)最大值或最佳值所對(duì)應(yīng)的4.75 mm篩孔最佳通過(guò)率，再根據(jù)工程所處地區(qū)環(huán)境、通行量與重載車流量對(duì)不同參數(shù)設(shè)置不同權(quán)重，粗集料4.75 mm篩最佳通過(guò)率取各參數(shù)的加權(quán)平均值，用公式(3)設(shè)計(jì)最佳理論標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配。如工程處在高溫地區(qū)可調(diào)高動(dòng)穩(wěn)定度與車轍變形量權(quán)值；如工程處在低溫地區(qū)可調(diào)高抗彎拉強(qiáng)度與抗彎拉應(yīng)變、調(diào)低目標(biāo)空隙率權(quán)值；如工程處在高溫濕熱地區(qū)、通行量與重載車流量大，瀝青路面的高溫抗車轍、抗水損等能力應(yīng)均衡設(shè)置權(quán)值，等等。根據(jù)最佳油石比及最佳理論標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配進(jìn)行生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)，進(jìn)而可設(shè)計(jì)出馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果符合技術(shù)要求、粗集料骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)良、路用性能更優(yōu)的生產(chǎn)配合比。

他“啪”地放下電話,從墻上摘下鐵路信號(hào)燈,把與鐵路服配套的藍(lán)帽子按在頭上,開(kāi)門出去,大狼狗溜溜地跟著。

本文以實(shí)際工程AC20C瀝青混合料配合比為例，對(duì)前述理論原理和方法加以論證。

2 原材料

2.1 原材料篩分、初步級(jí)配合成及密度試驗(yàn)

集料篩分、初步級(jí)配合成、密度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各檔集料水篩分、級(jí)配合成及密度表

2.2 粗集料松裝、搗實(shí)試驗(yàn)及粗集料4.75 mm篩通過(guò)率計(jì)算

取上述合成級(jí)配粗集料做松裝、搗實(shí)密度試驗(yàn)，按式(2)進(jìn)行粗集料4.75 mm篩孔通過(guò)率計(jì)算，其馬歇爾目標(biāo)礦料間隙率取13.0%，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 粗集料松裝、搗實(shí)密度及粗集料4.75 mm篩通過(guò)率數(shù)值表

3 瀝青混合料礦料理論級(jí)配與最佳油石比計(jì)算

工程采用SBS(I-D)改性瀝青，25℃相對(duì)密度1.031。目標(biāo)礦料間隙率取13.0%，則相應(yīng)的目標(biāo)空隙率為4.0%?？紤]拌合樓除塵因素，礦粉用量均用5.0%。最佳油石比、理論級(jí)配采用式(1)與式(3)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，各級(jí)配密度及吸水率差異很小，最佳油石比均為4.3%。

表3 各級(jí)配各粒級(jí)用量、合成相對(duì)密度、吸水率及油石比表

3.3 各級(jí)配瀝青混合料馬歇爾、動(dòng)穩(wěn)定度及彎拉試驗(yàn)

工程用瀝青針入度<55(0.1 mm)，軟化點(diǎn)>75 ℃，采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，故擊實(shí)溫度采用165 ℃～170 ℃，為使車轍試件與實(shí)際路面厚度相同，試件尺寸采用60×300×300(mm)；為檢驗(yàn)各級(jí)配整體厚度抗彎拉應(yīng)變能力和減少表面構(gòu)造影響，試件尺寸采用50×50×250(mm)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4及圖1～9。

表4 馬歇爾、車轍及彎拉試驗(yàn)表

圖1 級(jí)配與馬歇爾密度關(guān)系圖

圖2 級(jí)配與馬歇爾空隙率關(guān)系圖

圖3 級(jí)配與飽和度關(guān)系圖

圖4 級(jí)配與馬歇爾穩(wěn)定度關(guān)系圖

圖5 級(jí)配與流值關(guān)系圖

圖6 級(jí)配與動(dòng)穩(wěn)定度關(guān)系圖

圖7 級(jí)配與車轍變形量關(guān)系圖

圖8 級(jí)配與彎拉強(qiáng)度關(guān)系圖

圖9 級(jí)配與彎拉應(yīng)變關(guān)系圖

3.4 瀝青混合料礦料最佳理論標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配與最佳油石比

由表4及圖1可知，級(jí)配由細(xì)變粗馬歇爾密度由大變小、空隙率由小變大、瀝青飽和度由大變小、穩(wěn)定度與流值由小變大再變??；級(jí)配由細(xì)變粗、動(dòng)穩(wěn)定度由小變大再變小、車轍變形量由大變小再變大、抗彎拉強(qiáng)度由小變大再變小、彎拉應(yīng)變由小變大再變小，證明其粗集料骨架結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了由骨架結(jié)構(gòu)松散狀態(tài)到骨架結(jié)構(gòu)緊密狀態(tài)再到骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)狀態(tài)，通過(guò)這些參數(shù)的規(guī)律性變化可求得各參數(shù)最大值或最佳值對(duì)應(yīng)的4.75 mm篩最佳通過(guò)率，結(jié)果見(jiàn)表5。由于本工程地處高溫濕熱地區(qū)、通行量與重載車流量大，瀝青路面高溫抗車轍抗水損等能力應(yīng)均衡考量，故各權(quán)值均取1，由此得4.75 mm篩孔最佳通過(guò)率為27.3%，結(jié)果見(jiàn)表5。采用式(3)與式(1)設(shè)計(jì)最佳理論標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配和最佳油石比，結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 4.75 mm篩孔最佳通過(guò)率(%)選擇表

表6 瀝青混合料礦料最佳理論標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配與最佳油石比表

4 生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

4.1 生產(chǎn)配合比級(jí)配設(shè)計(jì)

熱料篩分、礦料合成級(jí)配設(shè)計(jì)情況見(jiàn)表7。

表7 熱料篩分、礦料合成級(jí)配設(shè)計(jì)表

4.2 生產(chǎn)配合比馬歇爾、路用性能驗(yàn)證試驗(yàn)

生產(chǎn)配合比馬歇爾試驗(yàn)情況見(jiàn)表8；生產(chǎn)配合比路用性能試驗(yàn)情況見(jiàn)表9。

表8 生產(chǎn)配合比馬歇爾試驗(yàn)

表9 生產(chǎn)配合比路用性能驗(yàn)證試驗(yàn)表

由表8～9可見(jiàn)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果均滿足相關(guān)技術(shù)要求，路用性能試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)優(yōu)良，生產(chǎn)配合比最佳油石比4.3%，生產(chǎn)級(jí)配見(jiàn)表7。

5 結(jié)論

密斷級(jí)配瀝青混合料最佳油石比設(shè)計(jì)：根據(jù)瀝青混凝土體積填充理論推導(dǎo)出最佳油石比計(jì)算公式、通過(guò)原材料的密度試驗(yàn)結(jié)果、馬歇爾空隙率及礦料間隙率技術(shù)要求，由公式計(jì)算而得。

密斷級(jí)配瀝青混合料最佳礦料級(jí)配設(shè)計(jì)：根據(jù)瀝青混凝土體積填充理論推導(dǎo)出粗集料4.75 mm篩孔通過(guò)率計(jì)算公式，通過(guò)粗集料松裝搗實(shí)密度試驗(yàn)科學(xué)的縮小試驗(yàn)級(jí)配區(qū)間，減少試驗(yàn)工作量；根據(jù)礦料間隙率技術(shù)要求、理論冪級(jí)配公式設(shè)計(jì)5個(gè)理論標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配；根據(jù)各理論級(jí)配馬歇爾、路用性能試驗(yàn)結(jié)果分析與粗集料骨架結(jié)構(gòu)分析以及考量工程所處地區(qū)環(huán)境、通行量及重載車流量等因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)礦料最佳理論標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配。

本方法科學(xué)地簡(jiǎn)化了最佳油石比獲取方式，強(qiáng)化了礦料級(jí)配設(shè)計(jì)。瀝青混合料馬歇爾、路用性能試驗(yàn)結(jié)果不再是單純的檢驗(yàn)性指標(biāo)，增加作為級(jí)配擇優(yōu)選擇性指標(biāo)使用，把工程所處地區(qū)環(huán)境、通行量及重載車流量作為級(jí)配設(shè)計(jì)的重要考量因素，從而更好地優(yōu)化礦料級(jí)配，設(shè)計(jì)的生產(chǎn)配合比路用性能更加優(yōu)良，適應(yīng)性更好。

6 結(jié)語(yǔ)

瀝青混合料最佳油石比可由Pb=(VMA-VV)/((100-VMA)×γsb)×γb×100+wx公式計(jì)算而得。

根據(jù)粗集料松裝搗實(shí)密度，由P=[(VCADRC-VMA)×PSb細(xì)]/[(100-VMA)×PSb]×100公式縮小試驗(yàn)級(jí)配區(qū)間，減少試驗(yàn)工作量。利用冪函數(shù)式y(tǒng)=axb設(shè)計(jì)出粗細(xì)不同的5個(gè)礦料標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配，通過(guò)5個(gè)礦料標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配的馬歇爾、動(dòng)穩(wěn)定度及彎拉等試驗(yàn)結(jié)果分析，結(jié)合環(huán)境因素考量，設(shè)計(jì)最佳理論標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配，進(jìn)而設(shè)計(jì)出路用性能更加優(yōu)良、適應(yīng)性好的生產(chǎn)配合比。

本成果由密斷級(jí)配瀝青混合料(AC)配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)所得。密級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石混合料(ATB)、瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)，同樣以馬歇爾力學(xué)體積、路用性能為控制指標(biāo)，亦可借鑒本方法加以應(yīng)用。

[1]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JTJ052-2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[3]JTG D50-2004，瀝青路面設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范[S].

[4]JTG E42-2005，公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[5]熱拌密級(jí)配瀝青混合料油石比設(shè)計(jì)計(jì)算法研究[J].西部交通科技，2014(8)：19-23.

Discussions on Mixing Ratio Design of Dense-gap Graded Asphalt Mixture

TAN Xing-you

(Liuzhou Expressway Operations Co.，Ltd.，Liuzhou，Guangxi，545005)

The mixing ratio design of asphalt mixtures includes the asphalt-aggregate ratio and aggregate gradation design.Aiming at the problems in current mixing ratio design of dense-gap graded asphalt mixtures，this article discussed the best theoretical calculation and design method for asphalt-aggregate ratio and aggregate gradation of asphalt mixtures，and with the mixing ratio of AC20C asphalt mixture in actual project as the example，it conducted the experimental demonstration on the proposed theoretical principles and design methods.

Asphalt mixture；Asphalt-aggregate ratio formula；Coarse aggregate passing-rate calculation formula；Power grading formula；Gradation optimization

U416.217

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.09.006

1673-4874(2016)09-0021-06

2016-08-02

譚興友(1963—)，從事高速公路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)管理工作。