瀝青混合料骨架密實(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)研究

苗 超 蔣洪濤

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061)

瀝青混合料骨架密實(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)研究

苗 超 蔣洪濤

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061)

簡述了級(jí)配理論以及級(jí)配設(shè)計(jì)方法的發(fā)展現(xiàn)狀，對國內(nèi)外骨架密實(shí)設(shè)計(jì)以及骨架評(píng)價(jià)進(jìn)行了分析，從理論方法、設(shè)計(jì)原則、可視化設(shè)計(jì)三方面，總結(jié)了其在未來的研究方向，有利于提高瀝青混合料骨架密實(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)的水平。

骨架密實(shí)，瀝青混合料，級(jí)配設(shè)計(jì)，可視化技術(shù)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，高速公路的建設(shè)在我國也初具規(guī)模。但是，隨之而來的就是交通量的逐漸增大和頻繁的超載，進(jìn)而導(dǎo)致了路面初期損壞乃至早期損壞[1]。傳統(tǒng)瀝青路面的設(shè)計(jì)壽命為15年，但是路面在早期就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的損壞，這說明傳統(tǒng)路面設(shè)計(jì)技術(shù)不再適用于高等級(jí)道路路面的設(shè)計(jì)。

瀝青混合料是一種多元復(fù)合的混合物，包括礦料、瀝青以及填料，礦料中的較粗集料提供骨架，較細(xì)部分以及瀝青膠漿起到填充作用。從體積角度來講，混合料中礦料的體積占據(jù)了80%以上，并且礦料本身的性能相對比較穩(wěn)定，因此，礦料的級(jí)配組成對瀝青混合料性能的影響是至關(guān)重要的[2]。此外，瀝青的用量決定了瀝青混合料的成本，而良好的級(jí)配在達(dá)到很好性能的同時(shí)可以有效地減少瀝青的用量，降低成本，所以說級(jí)配設(shè)計(jì)是瀝青混合料設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

瀝青混合料按照結(jié)構(gòu)可分為骨架空隙型、骨架密實(shí)型以及懸浮密實(shí)型，骨架密實(shí)型瀝青混合料可兼具另外兩種類型的優(yōu)點(diǎn)，既具有較高的粘聚力，又具有較強(qiáng)的摩阻力，所以說是一種理想的級(jí)配類型，因此成為研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。

1 級(jí)配理論研究進(jìn)展

顆粒的堆積起源于我國的垛積理論[3]，礦料級(jí)配設(shè)計(jì)離不開堆積的研究，國內(nèi)外專家對此提出了很多理論模型。其中比較有代表性的就是最大密度曲線法理論、粒子干涉理論和分形理論。

W. B. Fuller提出了最大密實(shí)曲線理論[4]，該理論以礦料形成最大密度為最終目標(biāo)，并認(rèn)為礦料的顆粒級(jí)配曲線愈接近拋物線其密度愈大，從而確定級(jí)配中各種粒徑的分布。該理論得到的各粒徑的分布比較均勻，且粗集料含量相對較少，不足以形成骨架結(jié)構(gòu)，因此設(shè)計(jì)的混合料高溫性能較差。魏矛斯提出了粒子干涉理論[5,6]，認(rèn)為：前一級(jí)顆粒之間的空隙應(yīng)由次一級(jí)顆粒所填充，其余的空隙由再次一級(jí)的顆粒所填充，以此類推。該理論要求次級(jí)顆粒的填充不會(huì)對前一級(jí)顆粒的堆積產(chǎn)生干涉，然而，對于連續(xù)級(jí)配干涉作用是不可避免的，所以就限制了其應(yīng)用范圍。

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，分形理論[7]逐漸應(yīng)用到級(jí)配設(shè)計(jì)當(dāng)中。對于任何一種瀝青混合料級(jí)配都可以用其各個(gè)篩孔的通過率得到集料粒徑分布的分形維數(shù)；反之，若知道分形維數(shù)，也可以計(jì)算得到各個(gè)篩孔的通過率。研究表明，細(xì)集料粒徑分布分維數(shù)范圍為2.77～2.85之間，粗集料粒徑分布維數(shù)范圍為1.55～2.15之間的級(jí)配有很好的性能[8]。該研究對分形理論的應(yīng)用進(jìn)行了很好的嘗試，為級(jí)配設(shè)計(jì)提供了一個(gè)嶄新的思路，但是分形理論并沒有對骨架的概念進(jìn)行定義，僅僅通過分形維數(shù)這一指標(biāo)并不能反映宏觀的骨架概念。

2 骨架密實(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)方法研究

美國C-SHRP計(jì)劃最重要的成果就是SUPERPAVE設(shè)計(jì)方法[9]。該方法以控制點(diǎn)和限制區(qū)的形式來控制骨架密實(shí)級(jí)配。粗集料主要通過控制點(diǎn)來進(jìn)行限制，使其不離析、不推擠，禁區(qū)是限制細(xì)集料的含量以防止出現(xiàn)“駝峰級(jí)配”。SUPERPAVE建議級(jí)配在禁區(qū)下方通過，得到較粗的級(jí)配，從而得到較強(qiáng)的骨架結(jié)構(gòu)。但是國內(nèi)外對于禁區(qū)的研究有相當(dāng)大的爭議，Anderson[10]通過對位于禁區(qū)上側(cè)、通過禁區(qū)、位于禁區(qū)下側(cè)以及從禁區(qū)下側(cè)通過且形成駝峰曲線四種混合料級(jí)配研究，發(fā)現(xiàn)這四類混合料性能都能滿足SUPERPAVE設(shè)計(jì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。郝培文[11]通過研究證明當(dāng)級(jí)配通過禁區(qū)或從禁區(qū)上方通過時(shí)，瀝青混合料的抗永久變形能力、抗疲勞開裂特性以及強(qiáng)度力學(xué)特性都要優(yōu)于從禁區(qū)下方通過的級(jí)配。貝雷法[12]是由羅伯特·貝雷先生提出的瀝青混合料設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)方法，該方法依據(jù)設(shè)計(jì)密度來進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用CA，F(xiàn)AC，F(xiàn)AF等指標(biāo)來判定是否為骨架密實(shí)。

沙慶林院士[13]提出SAC礦料級(jí)配設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)原理就是粗集料形成骨架，細(xì)集料和瀝青填充骨架中的孔隙，已達(dá)到骨架密實(shí)的效果。張肖寧教授[14,15]提出了CAVF(粗集料孔隙填充法)，該方法通過試驗(yàn)確定粗集料的孔隙，該孔隙除去設(shè)計(jì)空隙率即為細(xì)集料、填料和瀝青的體積。按此方法設(shè)計(jì)的瀝青混合料，既保證了骨料的充分嵌擠，又使瀝青膠漿充分填充了主骨架間隙，從而全面提高瀝青混合料的性能。但是，CAVF法只能確定粗集料、細(xì)集料和填料這些原材料的質(zhì)量百分比，但是并沒有確定粗集料和細(xì)集料的具體級(jí)配組成方法，也沒有考慮瀝青混合料實(shí)際拌合過程中集料要吸收部分瀝青這一影響因素。此外，劉樹堂教授[16]提出一種骨架密實(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)方法，該方法對骨架密實(shí)的概念進(jìn)行了擴(kuò)展，以2.36 mm作為粗細(xì)分界，采用粗細(xì)集料分段設(shè)計(jì)，利用原材料的參數(shù)，通過模型公式就可以計(jì)算出粗、細(xì)集料的配比，進(jìn)而得到整個(gè)級(jí)配。

3 骨架的評(píng)價(jià)

骨架是一個(gè)模糊的概念，國內(nèi)外學(xué)者并沒有給骨架做明確的定義。在SMA設(shè)計(jì)[17]中對于骨架的判定就是滿足VCAmix(混合料中粗集料間隙率)小于VCADRC(粗集料搗實(shí)間隙率)，是對骨架的一個(gè)限制，但這僅僅適用于SMA的級(jí)配設(shè)計(jì)，在連續(xù)級(jí)配中適用性不強(qiáng)。在貝雷法設(shè)計(jì)中，CA在一定程度上能反映骨架的嵌擠程度，但是僅僅通過一個(gè)指標(biāo)并不能綜合評(píng)價(jià)骨架的狀態(tài)。在SAC設(shè)計(jì)法中，提出VCADRF[18]和VCAAC[19]兩種檢驗(yàn)方法，其中VCADRF方法是對礦料級(jí)配進(jìn)行骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)初步檢驗(yàn)，而VCAAC檢驗(yàn)方法用于瀝青混凝土試件最終檢驗(yàn)。兩種檢驗(yàn)方法目標(biāo)思想一致，都是追求最密實(shí)，但是對骨架的強(qiáng)度沒有要求。此外，長安大學(xué)的倪敏[20]將瀝青混合料試件的VCAmix與搗實(shí)狀態(tài)下粗集料骨架間隙率的VCADRC比值定義為骨架密實(shí)度，以此來評(píng)價(jià)混合料骨架的嵌擠程度。研究表明骨架密實(shí)度在1.06～1.10能表現(xiàn)出很好的性能，并指出粗集料含量在65%以上能形成很好的骨架。

總之，對于骨架的評(píng)價(jià)，僅停留在是否密實(shí)的層面上，而骨架作為瀝青混合料中主要的受力結(jié)構(gòu)不僅僅是追求密實(shí)或者空隙率最小，而是應(yīng)該處在良好的受力狀態(tài)。對于骨架力學(xué)性能的研究，國內(nèi)外還沒有深入的研究，這也將是未來的一個(gè)研究重點(diǎn)。

4 可視化技術(shù)的應(yīng)用

常規(guī)的級(jí)配設(shè)計(jì)方法還是通過宏觀的性能參數(shù)來判別級(jí)配的好壞，雖然在一定程度上能反映混合料的級(jí)配情況，但是對于粗集料的嵌擠以及受力狀態(tài)完全不了解，等同于“暗箱操作”式的設(shè)計(jì)。另外，混合料設(shè)計(jì)過程中試驗(yàn)量大，需控制的因素較多，參數(shù)測量過程中不可避免地人為誤差較大，試驗(yàn)的重復(fù)性和再現(xiàn)性較差。

隨著離散元分析軟件的逐漸推廣，在瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)中也進(jìn)行了有效的嘗試。石立萬等[21]利用離散元分析軟件PFC2D進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，粒徑大于2.36 mm理想球形粗集料構(gòu)成的主骨架結(jié)構(gòu)，平均配位數(shù)一般在3.3～3.5之間。石立萬等[22]認(rèn)為瀝青混合料骨架的質(zhì)量評(píng)價(jià)在于骨架傳遞應(yīng)力的大小和抵抗外部荷載的能力，主骨架基本由相互接觸的2.36 mm以上粗集料所構(gòu)成，而主骨架對骨架應(yīng)力傳遞的貢獻(xiàn)率達(dá)70%以上，從而作為判定是否形成骨架的標(biāo)準(zhǔn)。但是，在研究中并沒有考慮瀝青對顆粒堆積的影響，也沒有考慮礦料的形狀因素。

5 研究方向

1)理論方法的研究。許多學(xué)者對理論進(jìn)行了很多的研究，但是在進(jìn)行瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)中可應(yīng)用性不是很強(qiáng)，追其原因是：a.理論僅僅研究了骨料部分，并未考慮瀝青，因此加入瀝青后其結(jié)果就未必適用；b.許多方法有過多的假設(shè)條件，適用性不強(qiáng)；c.礦料在施工中會(huì)有破碎，設(shè)計(jì)中均沒有考慮。這些問題也是未來在理論方法上值得研究的幾個(gè)方向。

2)設(shè)計(jì)原則方法的研究。當(dāng)今級(jí)配設(shè)計(jì)還是以最密實(shí)為最終目標(biāo)，最密實(shí)不一定對應(yīng)最好的性能，而我們追求的應(yīng)當(dāng)是具有更好的力學(xué)性能的級(jí)配，以力學(xué)指標(biāo)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)是一個(gè)研究方向。

3)可視化設(shè)計(jì)研究。PFC作為一種顆粒流的離散元分析軟件被應(yīng)用到瀝青混合料的設(shè)計(jì)有了很多研究。但是設(shè)計(jì)中沒有加入瀝青以及擊實(shí)過程，完全模擬級(jí)配設(shè)計(jì)的過程也是研究的重點(diǎn)。

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Study on gradation design of skeleton denseness asphalt mixture

Miao Chao Jiang Hongtao

(SchoolofCivilEngineeringofShandongUniversity,Jinan250061,China)

From the theoretic methods, design principle, and visual design, the paper indicates the gradation theory and the development for the gradation design method, analyzes the skeleton denseness design and skeleton evaluation at home and abroad, and sums up the future research orientation, so it can improve the skeleton denseness gradation design of the asphalt mixture.

skeleton denseness, asphalt mixture, gradation design, visual technique

1009-6825(2017)03-0113-02

2016-11-06

苗 超(1990- )，男，在讀碩士； 蔣洪濤(1992- )，男，在讀碩士

TU535

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