復(fù)合混凝土基體瀝青混合料空隙率設(shè)計(jì)方法研究

王亨庭, 易軍艷, 王東升, 馮德成

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

實(shí)際工程中,常見(jiàn)的路面為水泥混凝土路面和瀝青路面。水泥混凝土路面可承受較大的車(chē)輛荷載,但在溫度荷載的作用下易開(kāi)裂,需要設(shè)置接縫;瀝青路面的低溫抗裂性較好,但易產(chǎn)生車(chē)轍等病害。為使路面在車(chē)輛荷載和溫度荷載的作用下產(chǎn)生較少的病害,有學(xué)者提出復(fù)合混凝土路面的概念。復(fù)合混凝土路面又稱(chēng)為半柔性路面,是將滿足一定性能的水泥漿灌入大空隙瀝青混合料的空隙而形成的復(fù)合路面[1],該路面具有良好的抗裂性、高溫穩(wěn)定性、抗水損害性和抗疲勞性[2],使用時(shí)無(wú)需設(shè)置接縫,行車(chē)安全舒適,是一種性能優(yōu)異的路面。

復(fù)合混凝土路面最早出現(xiàn)于法國(guó),其施工技術(shù)被稱(chēng)為“Salviacim”施工法;后來(lái)在日本得到發(fā)展,形成相應(yīng)的設(shè)計(jì)體系;1989年文獻(xiàn)[3]將其引入國(guó)內(nèi)。自復(fù)合混凝土路面引入我國(guó)以來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其開(kāi)展了大量研究。文獻(xiàn)[4-5]使用主骨料空隙填充法(coarse aggregate void filling method,CAVF)設(shè)計(jì)復(fù)合混凝土的基體瀝青混合料,得出基體瀝青混合料空隙率為25%時(shí)復(fù)合混凝土的性能最好;文獻(xiàn)[6]驗(yàn)證了復(fù)合混凝土良好的高溫穩(wěn)定性;文獻(xiàn)[7]比較了復(fù)合混凝土與瀝青混凝土的路用性能,得出復(fù)合混凝土的抗車(chē)轍性能、抗疲勞性能優(yōu)于瀝青混凝土;文獻(xiàn)[8]提出溫度對(duì)復(fù)合混凝土的抗裂性影響較大;文獻(xiàn)[9]對(duì)復(fù)合混凝土在不同溫度條件下的疲勞性能進(jìn)行研究,得出了各溫度條件下復(fù)合混凝土的疲勞方程;文獻(xiàn)[10-11]使用CAVF法設(shè)計(jì)復(fù)合混凝土基體瀝青混合料,采用謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)確定最佳瀝青用量,得出CAVF法設(shè)計(jì)的復(fù)合混凝土基體瀝青混合料具有較好的排水性能、普通石油瀝青不適用于復(fù)合混凝土路面等結(jié)論。

雖然復(fù)合混凝土引入國(guó)內(nèi)近30年,國(guó)內(nèi)相關(guān)研究也較多,但是復(fù)合混凝土的設(shè)計(jì)仍未形成相應(yīng)的體系和規(guī)程,存在諸多不足,特別是基體瀝青混合料空隙率的設(shè)計(jì)方面。復(fù)合混凝土路面基體瀝青混合料空隙的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和大小影響復(fù)合混凝土路面的水泥用量和灌漿效果[12]?；w瀝青混合料空隙率的設(shè)計(jì)一般使用CAVF法,然而CAVF法仍存在諸多不足[13-14],這將導(dǎo)致基體瀝青混合料的空隙率誤差較大,從而使復(fù)合混凝土的性能與預(yù)期性能之間存在較大差異?；诖?本文從CAVF法出發(fā),用理論結(jié)合試驗(yàn)的方法分析其不足之處,提出改進(jìn)CAVF法,并驗(yàn)證改進(jìn)CAVF法的準(zhǔn)確性;以目標(biāo)空隙率為22%的基體瀝青混合料的設(shè)計(jì)為例,驗(yàn)證改進(jìn)CAVF法在基體瀝青混合料設(shè)計(jì)中的適用性,為準(zhǔn)確設(shè)計(jì)復(fù)合混凝土基體瀝青混合料的空隙率提供參考。

1 材料的選擇

本試驗(yàn)采用沈陽(yáng)新發(fā)展集團(tuán)提供的石灰?guī)r石料和SBS改性瀝青。瀝青性質(zhì)和礦料密度見(jiàn)表1、表2所列。表1中，針入度是在荷載為100 g、針入時(shí)間為5 s條件下測(cè)試的；延度是在5 ℃、5 cm/min條件下測(cè)試的。

表1 瀝青性質(zhì)

表2 礦料相對(duì)密度

2 CAVF法

CAVF法最早由文獻(xiàn)[15]提出,假設(shè)大空隙瀝青混合料中,粗骨料形成骨架,細(xì)集料和瀝青膠漿填充粗集料空隙并且不對(duì)粗集料的嵌擠結(jié)構(gòu)形成干涉作用。用公式表示為:

(1)

qc+qf+qp=100

(2)

(3)

其中,VCA為主骨料空隙率;dsc為主骨料緊裝密度;dtc為主骨料表觀密度;qc、qf、qp、qa分別為粗集料、細(xì)集料、礦粉及瀝青的質(zhì)量百分率;df、dp、da分別為細(xì)料的表觀密度、礦粉的表觀密度和瀝青的密度;Vvs為目標(biāo)空隙率。

CAVF法強(qiáng)調(diào)粗集料之間的嵌擠作用,可用于復(fù)合混凝土路面大空隙基體瀝青混合料的設(shè)計(jì)中,但此方法尚存在不足,主要表現(xiàn)為:① 主骨料空隙率的測(cè)量方法不明確;② 未考慮瀝青砂漿的干涉作用;③ 未考慮集料吸油率。

CAVF法未明確主骨料空隙率的測(cè)量方法,最常用的方法有以下2種:

方法1 《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E 42—2005)中搗實(shí)密度測(cè)量方法,即將主骨料分3次裝入容量筒中,每次裝入容量筒高度的1/3,每裝入1次就用搗棒均勻搗實(shí)25下,最后用集料填充表面大空隙,刮平,測(cè)量其搗實(shí)密度后計(jì)算主骨料空隙率。

方法2 將馬歇爾試模連同蓋筒固定好,按照方法1的裝料方法裝好石料,用馬歇爾擊實(shí)儀單面擊實(shí)100下,測(cè)量其緊裝密度后計(jì)算主骨料空隙率。

為研究CAVF法中主骨料空隙率測(cè)量方法對(duì)復(fù)合混凝土基體瀝青混合料空隙率的影響,本試驗(yàn)采用《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F 40—2004)中OGFC-16級(jí)配下限所對(duì)應(yīng)的粗集料級(jí)配,使用上述2種方法測(cè)量主骨料空隙率。采用方法1和方法2時(shí),主骨料空隙率分別為40.21%和33.84%。根據(jù)測(cè)量結(jié)果,規(guī)定瀝青用量采用4%,粉膠比為1∶1,細(xì)集料級(jí)配采用指數(shù)為0.5的泰波公式計(jì)算的級(jí)配,結(jié)合CAVF法計(jì)算出各成分含量。測(cè)量由方法1、方法2設(shè)計(jì)出的瀝青混合料馬歇爾試件的空隙率,結(jié)果見(jiàn)表3所列。

表3 2種測(cè)量方法設(shè)計(jì)空隙率的試驗(yàn)結(jié)果 %

由表3可知，采用傳統(tǒng)CAVF法設(shè)計(jì)大空隙瀝青混合料時(shí),不同測(cè)量主骨料空隙率的方法設(shè)計(jì)出的混合料空隙率存在較大差異;方法2設(shè)計(jì)的瀝青混合料空隙率更接近于目標(biāo)空隙率,但誤差可能超過(guò)1%。

細(xì)集料和瀝青膠漿的干涉作用會(huì)使粗集料被擠開(kāi),嵌擠結(jié)構(gòu)被破壞,此時(shí)主骨料空隙率比未加瀝青砂漿時(shí)大。因此不考慮其他誤差時(shí),瀝青砂漿的干涉作用使實(shí)測(cè)空隙率大于目標(biāo)空隙率。

瀝青混合料的空隙率指瀝青混合料中除礦料和瀝青之外的體積占瀝青混合料總體積的百分比,不包含主骨料的開(kāi)口孔隙和閉口孔隙。在(1)式中,計(jì)算主骨料空隙率時(shí)使用了主骨料的表觀密度,這表明計(jì)算出的主骨料空隙率包含了粗集料的開(kāi)口孔隙，從而導(dǎo)致(2)式和(3)式計(jì)算出的細(xì)集料、礦粉和瀝青的用量偏大,干涉作用也增大。集料的吸油特性也是空隙率誤差的來(lái)源之一。由于集料具有開(kāi)口孔隙,在集料和瀝青接觸時(shí),開(kāi)口孔隙會(huì)吸入一部分瀝青,導(dǎo)致填充粗集料間隙的瀝青變少,從而引起空隙率誤差。

3 改進(jìn)的CAVF法

復(fù)合混凝土路面基體瀝青混合料的空隙率一般為20%～28%,一般采用間斷級(jí)配,瀝青砂漿的干涉作用較小。設(shè)計(jì)復(fù)合混凝土路面基體瀝青混合料時(shí)可以不考慮瀝青砂漿的干涉作用,考慮主骨料空隙率測(cè)量方法及集料吸油帶來(lái)的誤差即可。據(jù)此,把CAVF法的公式改為(4)式～(10)式的形式,即緊裝密度采用方法2進(jìn)行測(cè)量,計(jì)算主骨料空隙率時(shí),使用主骨料的毛體積密度代替表觀密度,使主骨料間的空隙不包含主骨料的孔隙,再用細(xì)集料、礦粉、有效瀝青填充主骨料的間隙。其中,有效瀝青的計(jì)算采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E 20—2011)中的相關(guān)公式，具體如下：

(4)

qc+qf+qp=100

(5)

(6)

(7)

γse=Cγsa+(1-C)γsb

(8)

(9)

(10)

其中，dfc為主骨料毛體積密度;Pba為集料吸油率;γse為合成礦料的有效相對(duì)密度;γsb為礦料的合成毛體積相對(duì)密度;γsa為礦料合成表觀相對(duì)密度;C為瀝青吸收系數(shù);ωx為合成礦料的吸水率;其他符號(hào)見(jiàn)上文。

改進(jìn)后的CAVF法需要計(jì)算出的結(jié)果為qc、qf、qp、qa,主要方法為:假定粉膠比和瀝青用量已知,先假設(shè)一個(gè)粗集料含量,通過(guò)(5)式計(jì)算出細(xì)集料含量,通過(guò)(7)～(10)式算出Pba,再帶入(6)式中計(jì)算公式兩邊是否相等,若相等,則假設(shè)的解為計(jì)算結(jié)果;若不等,則再假設(shè)一個(gè)粗集料的值,重復(fù)上面的計(jì)算,直至相等。計(jì)算時(shí)可借助Excel表格或使用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程計(jì)算。

4 改進(jìn)CAVF法的準(zhǔn)確性驗(yàn)證

4.1 級(jí)配分段和試驗(yàn)方法

復(fù)合混凝土基體瀝青混合料的空隙率范圍較大,為了避免設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)為獲得較大的空隙率而間斷較多的集料檔數(shù),導(dǎo)致小空隙率的基體瀝青混合料耐久性受影響的情況,本試驗(yàn)將空隙率分為20%～24%和24%～28%。當(dāng)空隙率為20%～24%時(shí),采用間斷檔數(shù)較少的級(jí)配(第1組級(jí)配);當(dāng)空隙率為24%～28%時(shí),采用間斷檔數(shù)多的級(jí)配(第2組級(jí)配),以最大可能保證混合料的耐久性。具體級(jí)配分段見(jiàn)表4所列。

表4 粗、細(xì)集料級(jí)配

由于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法在壓實(shí)過(guò)程中無(wú)沖擊功,不產(chǎn)生集料擊碎現(xiàn)象,壓實(shí)情況與實(shí)際施工接近[16],因此本試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型試件,旋轉(zhuǎn)次數(shù)為100次。為研究旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法與馬歇爾擊實(shí)法的匹配性,分別采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次和馬歇爾單面擊實(shí)100次的方法測(cè)量主骨料空隙率,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表5所列。

表5 主骨料空隙率 %

由表5可知,旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次和馬歇爾單面擊實(shí)100次的方法測(cè)量的主骨料空隙率差異較小,因此采用上述方法2測(cè)量的主骨料空隙率來(lái)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為100次的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的空隙率是合理的。本次試驗(yàn)試件直徑為100 mm,高為(63.5±1.3) mm?？障堵蕼y(cè)量方法采用體積法。

4.2 空隙率準(zhǔn)確性分析

本文試驗(yàn)選取22%、25%、28%為目標(biāo)空隙率。當(dāng)空隙率為22%時(shí),采用表4中的第1組級(jí)配,粉膠比為0.8,瀝青用量分別為2.5%、3.0%、3.5%、4.0%;當(dāng)空隙率為25%和28%時(shí),采用表4中的第2組級(jí)配,粉膠比為0.7,瀝青用量分別為2.0%、2.5%、3.0%、3.5%。使用(4)～(10)式計(jì)算出不同空隙率、不同瀝青用量對(duì)應(yīng)的級(jí)配。計(jì)算出的級(jí)配成型為試件后測(cè)量的空隙率如圖1所示,圖1中,A為實(shí)測(cè)空隙率,B為未考慮集料吸油率的空隙率,未考慮集料吸油率的空隙率通過(guò)計(jì)算而得。

由圖1可知，采用改進(jìn)CAVF法設(shè)計(jì)復(fù)合混凝土基體瀝青混合料時(shí),實(shí)測(cè)空隙率比未考慮集料吸油率的空隙率大0.4%～0.8%,空隙率越小,兩者差距越大;采用改進(jìn)CAVF法設(shè)計(jì)的復(fù)合混凝土基體瀝青混合料,實(shí)測(cè)空隙率與目標(biāo)空隙率之差不超過(guò)1%,使用該方法可以保證空隙率的準(zhǔn)確性。

(a) 目標(biāo)空隙率為22%

(b) 目標(biāo)空隙率為25%

(c) 目標(biāo)空隙率為28%圖1 空隙率的比較

5 改進(jìn)CAVF法設(shè)計(jì)基體瀝青混合料

5.1 步驟

改進(jìn)CAVF法設(shè)計(jì)基體瀝青混合料的步驟如下:

(1) 選取性能良好的材料,測(cè)定礦料的表觀密度和毛體積密度。

(2) 選定粗集料和細(xì)集料級(jí)配。

(3) 采用上述方法2測(cè)量主骨料空隙率,確定瀝青用量和粉膠比,使用改進(jìn)CAVF法計(jì)算礦粉、粗集料和細(xì)集料的用量。

(4) 使用肯塔堡飛散試驗(yàn)和謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)確定最佳瀝青用量。

(5) 使用馬歇爾試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行性能檢測(cè),滿足要求則配合比設(shè)計(jì)結(jié)束;否則變換粗、細(xì)集料級(jí)配,重復(fù)步驟(3)及以后步驟。

5.2 配合比設(shè)計(jì)案例

以空隙率為22%為例,采用第1組級(jí)配,瀝青用量分別為2.5%、3.0%、3.5%、4.0%,粉膠比為0.8,使用改進(jìn)CAVF法計(jì)算而得的級(jí)配見(jiàn)表6所列。

表6 設(shè)計(jì)空隙率為22%時(shí)的礦料級(jí)配

采用4種瀝青用量對(duì)應(yīng)的配合比進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)和謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示,最佳瀝青用量取圖2和圖3的拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的瀝青用量的平均值3.2%。最后使用3.2%的瀝青用量,計(jì)算級(jí)配組成(見(jiàn)表6所列),對(duì)該配合比進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)驗(yàn)證。由于我國(guó)在復(fù)合混凝土方面沒(méi)有相應(yīng)規(guī)范,因此采用日本規(guī)范來(lái)評(píng)價(jià)此方法的有效性。日本規(guī)范對(duì)復(fù)合混凝土路面基體瀝青混合料的要求[4]和驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7所列。

圖2 肯塔堡飛散損失與瀝青用量關(guān)系

圖3 謝倫堡析漏量與瀝青用量關(guān)系

由表7可知,采用改進(jìn)CAVF法設(shè)計(jì)的空隙率為22%的基體瀝青混合料,在密度、空隙率、穩(wěn)定度、流值方面均滿足日本規(guī)范的要求。使用改進(jìn)CAVF設(shè)計(jì)復(fù)合混凝土路面基體瀝青混合料是可行的。

表7 基體瀝青混合料性能

6 結(jié) 論

(1) 針對(duì)復(fù)合混凝土基體瀝青混合料空隙率設(shè)計(jì)方法中的主骨料空隙率,提出采用馬歇爾擊實(shí)法作為主骨料空隙率的測(cè)量方法。

(2) 提出考慮集料吸油率的改進(jìn)CAVF法,并得出考慮吸油率時(shí),基體瀝青混合料空隙率比未考慮集料吸油率時(shí)的空隙率大0.4%～0.8%。

(3) 改進(jìn)CAVF法所設(shè)計(jì)出的復(fù)合混凝土基體瀝青混合料空隙率誤差在1%以內(nèi),采用目標(biāo)空隙率為22%的混合料作為設(shè)計(jì)案例,確定最佳瀝青用量為3.2%,其各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求,所提出的改進(jìn)CAVF法可有效指導(dǎo)復(fù)合混凝土基體瀝青混合料空隙率的設(shè)計(jì)。