主骨料空隙體積填充法的優(yōu)化研究

聶桂海， 羅雪平， 高 磊

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006)

0 引言

張肖寧等[1]提出了瀝青混合料組成設(shè)計(jì)的主骨料空隙體積填充法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)CAVF法)，其基本思路是使瀝青膠漿作為填料用來(lái)填充主骨料的空隙，使細(xì)集料體積、瀝青體積、礦粉體積及設(shè)計(jì)混合料空隙體積之和等于實(shí)測(cè)的主骨架空隙體積。按此方法設(shè)計(jì)的混合料可以避免膠漿干涉，既發(fā)揮了主骨料的嵌擠作用，又發(fā)揮了細(xì)集料的填充和膠結(jié)作用，將嵌擠和填充有效地結(jié)合起來(lái)。CAVF法的級(jí)配設(shè)計(jì)理論公式如下：

qc+qf+qp=100

(1)

(2)

式中：VCA為主骨料緊裝空隙率；Vvs為混合料設(shè)計(jì)空隙率；qc、qf、qp、qa分別為粗集料、細(xì)集料、礦粉以及瀝青用量的質(zhì)量百分率；dsc為粗骨料緊裝密度；dtf、dtp分別為細(xì)料、礦粉的表觀密度；da為瀝青的密度。

CAVF法概念清晰，以公式定量求解粗細(xì)集料比例的思路方便實(shí)用，適用于各類(lèi)原始級(jí)配的集料，提高了設(shè)計(jì)效率和集料利用率。其實(shí)用性和高效性得到行業(yè)的認(rèn)可并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。在長(zhǎng)期的研究和應(yīng)用過(guò)程中，CAVF法逐步發(fā)展和完善[2-3]，但目前仍存在一些缺陷，有待進(jìn)一步優(yōu)化。本文通過(guò)分析CAVF法應(yīng)用中待優(yōu)化的問(wèn)題，提出相應(yīng)改進(jìn)方法，進(jìn)一步豐富該法的實(shí)用性。

1 CAVF法評(píng)述

CAVF法傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟：①依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定粗集料級(jí)配，根據(jù)泰波公式設(shè)計(jì)細(xì)集料級(jí)配組成，為避免細(xì)集料對(duì)主骨料的干涉，一般選用間斷級(jí)配；②測(cè)定粗集料、細(xì)集料、礦粉的表觀密度；③測(cè)定主骨料的緊裝密度，計(jì)算主骨料的緊裝空隙率；④確定瀝青、礦粉用量，根據(jù)混合料的功能要求設(shè)計(jì)混合料空隙率；⑤代入計(jì)算公式求解得出粗集料、細(xì)集料用量比例；⑥根據(jù)計(jì)算結(jié)果合成級(jí)配。

結(jié)合大量的實(shí)例，總結(jié)出CAVF法有以下可優(yōu)化之處：①原設(shè)計(jì)方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定粗、細(xì)集料級(jí)配，而一旦原集料級(jí)配確定以后，后續(xù)環(huán)節(jié)密度計(jì)算、空隙率計(jì)算、比例計(jì)算都受原級(jí)配的限制，否則按混合集料實(shí)際合成級(jí)配與理論計(jì)算級(jí)配將不匹配，CAVF法的設(shè)計(jì)思路也無(wú)法得以實(shí)現(xiàn)。因此，在目前的應(yīng)用中，大多采用單檔篩分集料用于后續(xù)試驗(yàn)，從而造成耗費(fèi)成本大、集料使用不便、不便于施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等問(wèn)題，且粗集料的確定過(guò)于依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)，室內(nèi)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用存在差異。②按CAVF法設(shè)計(jì)的混合料實(shí)測(cè)體積指標(biāo)與設(shè)計(jì)指標(biāo)之間存在較大差異，尤其體現(xiàn)在混合料空隙率上[4-5]，而空隙率對(duì)混合料高溫抗車(chē)轍、抗水損壞、抗老化等路用性能有重要影響[6-10]。

解決好CAVF法中這兩處問(wèn)題，對(duì)于提高該法的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性和實(shí)用性有重大意義和價(jià)值。本文通過(guò)理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)深入研究CAVF法設(shè)計(jì)混合料空隙率偏差原因，并提出適用于CAVF法的級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

2 級(jí)配設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)思路：將粗集料分為兩檔，先進(jìn)行各檔集料篩分試驗(yàn)，通過(guò)緊裝密度試驗(yàn)確定該兩檔集料的最佳摻配比，以緊裝密度最大的摻配比為粗集料的最終摻配比。同理，細(xì)集料分為兩檔，設(shè)計(jì)前先進(jìn)行篩分試驗(yàn)，根據(jù)需要選擇間斷一檔細(xì)集料或不間斷(不間斷則根據(jù)需要確定兩檔細(xì)集料摻配比)。粗細(xì)集料的級(jí)配確定，則后續(xù)只需在公式中代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算粗、細(xì)集料用量。若根據(jù)計(jì)算結(jié)果需對(duì)合成級(jí)配后續(xù)進(jìn)行調(diào)整，則可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和需要適當(dāng)調(diào)整粗集料或細(xì)集料內(nèi)部摻配比以獲得理想級(jí)配。

本文將原來(lái)的“粗集料級(jí)配由經(jīng)驗(yàn)確定、細(xì)集料級(jí)配由泰波公式確定”調(diào)整為“試驗(yàn)確定，經(jīng)驗(yàn)調(diào)整”，亮點(diǎn)在于“試驗(yàn)確定”和“經(jīng)驗(yàn)調(diào)整”都是在各集料原級(jí)配的基礎(chǔ)上對(duì)粗、細(xì)集料內(nèi)部的摻配比例進(jìn)行調(diào)整，充分尊重了各檔集料的原級(jí)配用于后續(xù)計(jì)算，可以做到計(jì)算完成則級(jí)配確定。

2.2 優(yōu)化后的設(shè)計(jì)流程

優(yōu)化后的設(shè)計(jì)流程：①根據(jù)需要通常選用4檔集料，確定關(guān)鍵篩孔尺寸；②進(jìn)行各檔集料的篩分、密度試驗(yàn)；③通過(guò)緊裝密度試驗(yàn)確定2檔粗集料最佳摻配比，計(jì)算VCA；④確定2檔細(xì)集料摻配比；⑤確定瀝青、礦粉用量，根據(jù)混合料的功能要求設(shè)計(jì)混合料空隙率；⑥代入計(jì)算公式求解得出粗集料、細(xì)集料用量比例；⑦根據(jù)計(jì)算結(jié)果計(jì)算合成級(jí)配，若不滿(mǎn)足要求，調(diào)整粗、細(xì)集料內(nèi)部摻配比，從③開(kāi)始重新計(jì)算。

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)例

某工程中面層混合料的配合比設(shè)計(jì)，所需混合料為密實(shí)型瀝青混合料，現(xiàn)場(chǎng)提供了4檔集料，按照由粗至細(xì)分別命名為：集料1#(0～20 mm)、集料2#(5～10 mm)、集料3#(3～5 mm)、集料4#(0～3 mm)，其中1#、2#為粗集料，3#、4#為細(xì)集料。集料篩分結(jié)果如表1所示。

表1 集料篩分結(jié)果集料編號(hào)通過(guò)下列篩孔(mm)的百分率/%37.531.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.0751#10010010086.160.2292.50.40.40.40.40.40.40.42#10010010010010010099.2210.80.70.70.70.70.73#10010010010010010010099.94.10.40.40.40.40.44#10010010010010010010099.991.46142.720.411.98.8

設(shè)計(jì)流程：① 根據(jù)混合料性能要求及CAVF法設(shè)計(jì)思路初選間斷級(jí)配；② 4檔集料表觀密度分別為2.671、2.652、2.843、2.707 g /cm3；③ 確定粗集料的最佳摻配比例：選用多種粗集料不同摻配比的組合，進(jìn)行緊裝密度試驗(yàn)并計(jì)算VCA(試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2)，由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)集料1#與集料2#的摻配比為5∶5時(shí)緊裝密度最大，為1.617 g/cm3，因此選用5∶5為粗集料摻配比，此時(shí)粗集料的VCA為39.08%；④ 細(xì)集料選用間斷級(jí)配，間斷集料3#(3～5 mm)檔，此時(shí)細(xì)集料的合成表觀密度為2.707 g / cm3；⑤取 瀝青用量百分?jǐn)?shù)為4.4%、礦粉用量百分?jǐn)?shù)為5%、設(shè)計(jì)空隙率為5%；⑥代入CAVF計(jì)算公式計(jì)算求得粗、細(xì)集料用量分別為71.08%、23.92%；⑦各檔集料用量及合成級(jí)配結(jié)果如表3所示。

表2 粗集料不同摻配比下緊裝密度試驗(yàn)結(jié)果摻配比(1#∶2#)緊裝密度/(g·cm-3)VCA/%10∶0 1.562 41.37 9∶1 1.583 40.54 8∶2 1.610 39.48 7∶3 1.595 40.00 6∶4 1.616 39.17 5∶5 1.617 39.08 4∶6 1.574 40.66 3∶7 1.573 40.66 2∶8 1.550 41.48 1∶9 1.532 42.12 0∶101.510 42.91

表3 優(yōu)化后的合成級(jí)配集料摻配率/%通過(guò)下列篩孔(mm)的百分率/%37.531.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.0751#35.5410010010086.160.2292.50.40.40.40.40.40.40.42#35.5410010010010010010099.2210.80.70.70.70.70.73#010010010010010010010099.94.10.40.40.40.40.44#23.9210010010010010010010099.991.46142.720.411.98.8礦粉510010010010010010010010010010010099.69789.7合成級(jí)配10010010010095.185.974.865.136.527.32015.610.38.17

3 空隙率偏差分析與緊裝密度試驗(yàn)優(yōu)化方法

3.1 偏差計(jì)算

按2節(jié)中優(yōu)化設(shè)計(jì)方法確定兩種組合，分別命名為集料A和集料B，對(duì)其進(jìn)行空隙率偏差分析，目標(biāo)空隙率均為5%。集料篩分結(jié)果及部分性能指標(biāo)如表4所示，集料相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所示。

表4 集料篩分結(jié)果及性能指標(biāo)組合集料集料編號(hào)表觀密度/(g·cm-3)通過(guò)下列篩孔的百分率/%37.531.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.0751#2.67110010010086.160.2292.50.40.40.40.40.40.40.4A2#2.65210010010010010010099.2210.80.70.70.70.70.73#2.84310010010010010010010099.94.10.40.40.40.40.44#2.70710010010010010010010099.991.46142.720.411.98.81#2.82510010010091.768.432.32.70.30.20.20.20.20.20.2B2#2.82110010010010010010099.812.10.40.40.40.40.40.43#2.84310010010010010010010099.94.10.40.40.40.40.44#2.707 10010010010010010010099.991.46142.720.411.98.8

表5 集料設(shè)計(jì)參數(shù)組合集料粗集料比例細(xì)集料比例總集料1#集料2#總集料3#集料4#設(shè)計(jì)空隙率VV/%瀝青用量/%礦粉粗集料表觀密度/(g·cm-3)用量/%表觀密度/(g·cm-3)搗實(shí)密度/(g·cm-3)VCA/%細(xì)集料表觀密度/(g·cm-3)A71.135.5435.5423.92 023.92 54.41.02652.721.61739.082.700B72.936.45 36.45 22.10022.10 54.41.02652.721.61738.792.707

緊裝密度試驗(yàn)確定，A、B集料最佳摻配比例均為m1#∶m2#=5∶5，均選用間斷級(jí)配，集料3#含量為0。得到2種集料的合成級(jí)配如表6所示。

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，2種集料按表6級(jí)配成型試件，進(jìn)行混合料密度試驗(yàn)(表干法)，各組試驗(yàn)分別成型6個(gè)馬歇爾試件，測(cè)試其體積指標(biāo)，各組試件體積指標(biāo)平均值如表7所示。

表6 A、B集料的合成級(jí)配集料編號(hào)通過(guò)下列篩孔的百分率/%37.531.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075A10010010095.185.974.865.136.527.320.015.610.38.17.0B10010010097.088.575.364.531.625.418.714.79.77.76.6

表7 混合料密度試驗(yàn)結(jié)果混合料編號(hào)干重/g水中重/g表干重/g吸水率/%試件理論最大密度/(g·cm-3)實(shí)測(cè)相對(duì)密度(g·cm-3)空隙率(VV)/%礦料間隙率(VMA) /%瀝青飽和度(VFA) /%空隙率偏差率/%①1 181.4 689.7 1 183.3 0.372.5 2.4 4.1612.7967.5816.8②1 213.9 729.8 1 215.8 0.412.6 2.5 3.7513.0171.2925.0注: 空隙率偏差率=(空隙率設(shè)計(jì)值-空隙率實(shí)測(cè)值)/空隙率設(shè)計(jì)值

由表7可知，實(shí)測(cè)空隙率與設(shè)計(jì)空隙率偏差較大，實(shí)測(cè)空隙率均小于設(shè)計(jì)空隙率。

3.2 偏差原因分析

從計(jì)算公式(1)、(2)可知，CAVF設(shè)計(jì)的混合料體積指標(biāo)存在差異的主要原因在于:粗集料空隙率VCA是計(jì)算粗細(xì)集料比例的關(guān)鍵參數(shù)之一，計(jì)算VCA過(guò)程中需實(shí)測(cè)集料緊裝密度，由于緊裝密度試驗(yàn)法具有不確定性，導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中的壓實(shí)功和混合料成型時(shí)的擊實(shí)功存在較大差異，且集料密度試驗(yàn)中集料之間的接觸狀態(tài)和混合料成型時(shí)集料接觸狀態(tài)不一致，從而導(dǎo)致緊裝密度測(cè)試值的誤差。實(shí)測(cè)空隙率偏小表明細(xì)料用量過(guò)多，通過(guò)計(jì)算公式推導(dǎo)可知，造成細(xì)料計(jì)算用量過(guò)多的原因是計(jì)算得到的VCA偏大，究其根本在于緊裝密度試驗(yàn)干搗法有所不足導(dǎo)致試驗(yàn)緊裝密度偏小。由此可知，在CAVF法中，干搗法并非緊裝密度試驗(yàn)最佳方法，有必要尋求一種更適用于CAVF法的緊裝密度試驗(yàn)方法，以減小設(shè)計(jì)誤差率。

3.3 緊裝密度試驗(yàn)優(yōu)化方法

不少研究者就粗集料緊裝密度的試驗(yàn)方法進(jìn)行過(guò)探索：吳曠懷[2]參照有關(guān)緊裝密度測(cè)試的規(guī)范裝填石料, 用馬歇爾擊實(shí)儀擊實(shí)100 次, 測(cè)定其緊裝密度，以減少偶然因素, 增加設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性,測(cè)定粗集料緊裝空隙率；為了克服干緊裝法測(cè)定VCA的不足, 葛折圣[3]將粗集料加適量瀝青、礦粉后與混合料同法成型測(cè)定其緊裝密度。但目前為止，尚無(wú)最佳試驗(yàn)方法。

對(duì)2.3節(jié)中確定的A集料，分別使用干搗法、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀SGC法設(shè)置不同旋轉(zhuǎn)次數(shù)開(kāi)展粗集料的緊裝密度試驗(yàn)，SGC試驗(yàn)時(shí)2檔粗集料的摻配比設(shè)計(jì)與干搗法一致得到最大緊裝密度。各種試驗(yàn)方法得出最佳摻配比的緊裝密度和VCA如表8所示。

表8 不同試驗(yàn)方法下的粗集料緊裝密度和VCA試驗(yàn)方法最大緊裝密度/(g·cm-3)VCA/%干搗法1.61739.08SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)50次1.67037.09SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)60次1.70035.96SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)70次1.80032.19

分別選用4種緊裝密度試驗(yàn)方法得到的粗集料最佳摻配比，按上文中優(yōu)化后的設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)級(jí)配、成型試件并進(jìn)行混合料密度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

分析結(jié)果可知，干搗法得到的粗集料緊裝密度偏小、VCA值偏大，導(dǎo)致應(yīng)用CAVF法計(jì)算得到的細(xì)料用量較實(shí)際所需用來(lái)填充空隙的用量多，從而表現(xiàn)出混合料的空隙率偏小、偏差率較大。干搗法得到的粗集料緊裝狀態(tài)可以稱(chēng)之為“欠壓實(shí)”狀態(tài)，干搗所做的功比混合料成型過(guò)程中所做的功小，因此存在設(shè)計(jì)差異；而采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)60次、70次進(jìn)行混合料級(jí)配設(shè)計(jì)則是一種“過(guò)壓實(shí)”狀態(tài)，其空隙率偏大、偏差率也較大。

表9 不同試驗(yàn)方法下設(shè)計(jì)的瀝青混合料體積指標(biāo)試驗(yàn)方法干重/g水中重/g表干重/g吸水率/%試件理論最大密度/(g·cm-3)實(shí)測(cè)相對(duì)密度/(g·cm-3)礦料間隙率VMA/%瀝青飽和度VFA/%空隙率VV/%空隙率偏差率/%干搗法1 181.4689.71 183.30.372.52.412.7967.584.1616.18SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)50次1 169.5681.21 172.60.622.52.413.2864.794.784.40SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)60次1 175.8679.31 179.20.682.52.414.2959.625.7815.60SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)70次1 146.8656.11 152.31.112.52.315.7653.327.3647.20注: 空隙率偏差率=(空隙率設(shè)計(jì)值-空隙率實(shí)測(cè)值)/空隙率設(shè)計(jì)值

由此可見(jiàn)，采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)50次方法設(shè)計(jì)得到的混合料空隙率偏差率僅為4.4%，實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值較為接近，是一種比較理想的設(shè)計(jì)狀態(tài)。因此推薦選用SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)50次方法用于CAVF法中粗集料緊裝密度的試驗(yàn)優(yōu)化。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)按比例摻配的緊裝密度試驗(yàn)來(lái)確定粗集料級(jí)配，使粗集料級(jí)配的確定有理有據(jù)，較傳統(tǒng)按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的級(jí)配更加可靠、穩(wěn)定。

2) 提出了4檔摻配法，通過(guò)4檔配料得到的級(jí)配與設(shè)計(jì)級(jí)配完全一致，且無(wú)需單檔篩分，便于施工。

3) 原方法中緊裝密度確定方法的不足，是造成混合料空隙率偏差的主要原因。采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)50次的優(yōu)化方法后，實(shí)測(cè)的孔隙率與目標(biāo)空隙率相當(dāng)。