粗、細(xì)集料對強(qiáng)骨架瀝青混合料空隙率的影響

鄭 禎 郭大進(jìn) 牟壓強(qiáng) 徐默楠 王永俊 劉維娟 陳 鈺 郭榮鑫 封基良

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院云南省土木工程防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 昆明 650504) (楚雄彝族自治州自然資源和規(guī)劃局2) 楚雄 675000) (云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司3) 昆明 650000) (昭通昭樂高速公路投資開發(fā)有限公司4) 昭通 657000) (昭通市交通建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督局5) 昭通 657000) (云南暢坦科技有限公司6) 昆明 650500)

0 引 言

相較于普通瀝青混合料，骨架密實(shí)型瀝青混合料擁有強(qiáng)度高、抗車轍能力強(qiáng)、密水及抗滑性能好等眾多優(yōu)勢，可避免或延緩早期破壞，延長路面的使用壽命[1-3].

骨架密實(shí)型瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法眾多，對應(yīng)研究的方法和手段也迥然不同[4].葛折圣等[5]提出粗集料間隙率最小值的概念與測定方法，由此定義混合料級配干涉系數(shù).邱穎峰等[6]提出了骨架密實(shí)度和骨架撐開度兩個(gè)結(jié)構(gòu)評價(jià)參數(shù).現(xiàn)有研究的側(cè)重點(diǎn)傾向于實(shí)現(xiàn)骨料嵌擠密實(shí)功能上，忽略了粗、細(xì)集料的比例問題.而粗、細(xì)集料并不是單純地填充，而是會(huì)顯著影響瀝青混合料空隙率[7].瀝青混合料的空隙率決定其耐久性、抗老化和抗水損壞等方面的路用性能，同時(shí)也是施工質(zhì)量控制時(shí)的重要指標(biāo)之一[7-8].

針對骨架型瀝青混合料粗集料與細(xì)集料的比例設(shè)計(jì)主要依賴于經(jīng)驗(yàn)，而且驗(yàn)證過程繁瑣.文中基于逐級填充理論，設(shè)計(jì)出骨架為主、細(xì)料密實(shí)填充的多級嵌擠密實(shí)級配.通過標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)，以空隙率為評價(jià)指標(biāo)，分析了4.75～9.5 mm礦料用量、CA值及第四篩孔的FAp比對強(qiáng)骨架瀝青混合料空隙率的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

以粗集料堆積試驗(yàn)、簡化后的VCADRC檢驗(yàn)法設(shè)計(jì)的13型骨架密實(shí)型瀝青混合料為研究對象，為消除油膜厚度對瀝青混合料空隙率的影響，采用固定瀝青油膜厚度的方法.通過成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，以空隙率為評價(jià)指標(biāo)，開展粗、細(xì)集料干涉作用對瀝青混合料空隙率的影響試驗(yàn)研究，具體試驗(yàn)方案如下.

1) 骨架設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)采用逐級填充理論，由于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)中骨架的緊密程度是有一定范圍的，因此采用粗集料的干搗實(shí)密度設(shè)計(jì)骨架，其骨架是最緊密度.設(shè)計(jì)將粗集料干搗實(shí)堆積試驗(yàn)中VCADRC作為骨架設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).

2) 填充設(shè)計(jì) 單位體積V0被粗骨料填充，再由細(xì)集料、填料、有效瀝青及目標(biāo)空隙去填充間隙，從而實(shí)現(xiàn)骨架嵌擠與優(yōu)良密實(shí)度.

根據(jù)簡化后的VCADRC檢驗(yàn)方法[9]，簡化可以得到基本公式為

Vca+Vfa+VD+Vfi+Va=V0

(1)

3) 在骨架瀝青混合料級配基礎(chǔ)上，根據(jù)粗集料單因素檢驗(yàn)法，改變4.75～9.5 mm礦料用量和CA值，分析粗集料干涉作用對混合料空隙率的影響.

4) 基于強(qiáng)骨架級配，根據(jù)貝雷法中FA法計(jì)算細(xì)集料用量，將0.075 mm篩孔作為第四控制篩孔，以此計(jì)算FAp比.采用正交試驗(yàn)方法，根據(jù)3個(gè)FA值設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，研究細(xì)集料干涉作用對混合料空隙率的影響.

2 骨架型瀝青混合料級配確定

2.1 原材料

為減小礦料表面裹附雜質(zhì)對試驗(yàn)結(jié)果的影響，集料均通過水洗篩分處理.粗集料采用玄武巖，細(xì)集料采用石灰?guī)r，礦粉為石灰?guī)r磨細(xì)制成.原材料各技術(shù)指標(biāo)均符合文獻(xiàn)[10]要求，粗集料體積指標(biāo)見表1，SBS I-D型改性瀝青技術(shù)指標(biāo)見表2.

表1 粗集料體積指標(biāo)

表2 殼牌基質(zhì)SBS Ι-D型改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

2.2 級配確定

2.2.1試驗(yàn)步驟

步驟1按照T0309-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》中粗集料堆積密度試驗(yàn)，采用式(2)計(jì)算粗集料間隙率.

(2)

式中：VCADRC為粗集料骨架間隙率，%；ρ為粗集料的自然堆積密度，t/m3；ρb為粗集料的毛體積密度，t/m3.

步驟2根據(jù)逐級填充理論，將低一級粒徑為Di+1的集料以不同比例填充到Di的間隙，選取最小間隙率對應(yīng)的集料比例.

步驟3重復(fù)步驟2，集料依次填充，最后得到各級粗集料的級配比例與間隙率的關(guān)系曲線.

2.2.2骨料堆積試驗(yàn)

將不同比例的9.5～13.2 mm、4.75～9.5 mm兩檔料進(jìn)行堆積，可得到不同骨架的粗、細(xì)級配比例對應(yīng)的體積指標(biāo)，見表3.

表3 粗集料堆積

當(dāng)集料組成的干搗密度取得最大值時(shí)，各檔礦料表面之間會(huì)緊密接觸，最有利于發(fā)揮骨架級配的骨架作用[11-12].結(jié)果表明：當(dāng)9.5～13.2，4.75～9.5 mm兩檔粗料比例為60∶40時(shí)，搗實(shí)密度最大，粗料間隙率VCADRC最小.

2.3 CBR骨架檢驗(yàn)

試驗(yàn)依照J(rèn)TG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，進(jìn)行對應(yīng)比例的粗集料CBR試驗(yàn)，見圖1.

圖1 CBR結(jié)果

由圖1可知：5 mm的值均大于2.5 mm，故選擇5 mm的CBR值作為結(jié)果.在70∶30～58∶42的范圍內(nèi)出現(xiàn)波峰，其中60∶40的條件下力學(xué)性能最優(yōu)，其結(jié)果對應(yīng)堆積試驗(yàn)中粗料間隙率VCADRC最小.并且滿足緊密骨架級配的粗集料總含量的60%以上的條件[13].證明粗料中粗細(xì)比為6∶4時(shí)，其骨架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能為優(yōu).對應(yīng)13型骨架密實(shí)級配中粗骨料比例為70∶30～58∶42的范圍，可形成骨架結(jié)構(gòu).

2.4 細(xì)料填充確定

骨架級配設(shè)計(jì)中粗集料要互緊密接觸，成為承受行車載荷的主體.瀝青砂膠填充在骨料的孔隙中，并黏結(jié)骨料成為整體，起到共同承受載荷的作用.瀝青混合料須設(shè)計(jì)3%～4%的空隙率，這樣的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)即有良好的密實(shí)防滲水性能，又能很大程度地提升高溫抗變形能力，并且兼具表面粗糙度大的防滑特點(diǎn).

根據(jù)式(2)，現(xiàn)預(yù)設(shè)級配的空隙率為4%，預(yù)設(shè)礦粉用量為6%，根據(jù)堆積試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)粗料比例為6∶4時(shí)，粗料間隙率為39.6%，代入式(2)得：

(3)

式中：PCA為混合料中粗集料的含量；39.6%為60∶40時(shí)的粗料間隙率；PD為混合料中瀝青含量，4.8%；GD為瀝青的相對密度，1.03；Pfa為混合料中細(xì)集料含量，100-PCA；Gfa為細(xì)集料的平均毛體積密度，2.6；Pfi為混合料中礦粉的含量，6%；Gfi為礦粉視密度，2.7；Va為設(shè)計(jì)空隙率，4%.

在確定骨架比例后，上下限之間的變化范圍不宜過大，且為提升高溫穩(wěn)定性，摻配后的級配曲線須保持圓滑.式(3)計(jì)算可知，粗、細(xì)集料比例為6∶4.

2.5 確定級配并固定油石比

根據(jù)計(jì)算可確定空隙率為4%、油石比為4.9%，基礎(chǔ)級配見表4.

表4 4%孔隙率確定的基礎(chǔ)級配

對應(yīng)粗集料VCAmix=39.03%小于粗集料松裝空隙率VCADLC=41.6%，滿足貝雷法提出的密集配瀝青混合料的骨架緊密程度[14].

以基礎(chǔ)級配的4.9%最佳油比，可反推油膜厚度為8.05 μm，將這個(gè)厚度為基準(zhǔn)，根據(jù)集料變化，保持不同級配油膜厚度不變，可除去因?yàn)r青量對空隙率的影響.

集料的比表面積SA計(jì)算式為[15]

SA=∑(Pi×FAi)

(4)

式中:SA為所有集料的比表面積；Pi為粒徑i的通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)；FAi為粒徑i的集料的表面積系數(shù).

3 不同因素對空隙率影響研究試驗(yàn)

將粗集料分為3個(gè)粒級(分別為16.0～13.2,13.2～9.5和9.50～4.75 mm)，試驗(yàn)采用的骨架型級配設(shè)計(jì)空隙率為4%，在9.5～13.2,4.75～9.5 mm兩檔集料比例為60∶40時(shí)，粗料間隙率VCADRC最小、堆積密度最大，骨架結(jié)構(gòu)最優(yōu).在骨架干涉作用中，4.75～9.5 mm用量為影響因素之一，而貝雷法中比例參數(shù)CA值比可作為骨架檢驗(yàn)方法.

3.1 9.5 mm通過率對瀝青混合料空隙率的影響

保持粗、細(xì)集料比例為6∶4(即9.5～13.2和4.75～9.5 mm礦料的比例為6∶4)，2.36 mm以下細(xì)集料通過率不變.通過標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)方法，以5%為間隔變化9.5 mm通過率，改變4.75～9.5 mm用量，研究其對混合料空隙率的影響.5個(gè)級配4.75～9.5 mm的用量分別為34.4%、29.4%、24.4%、19.4%、14.4%.試驗(yàn)結(jié)果見表5.

表5 9.5 mm通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對空隙率的影響

由表5可知：空隙率與4.75～9.5 mm用量相關(guān)程度很大.隨著其用量增大，空隙率增大，并且在19.4%～24.4%范圍內(nèi)穩(wěn)定.當(dāng)用量占比超24.4%臨界條件時(shí)，會(huì)撐開骨架結(jié)構(gòu)導(dǎo)致混合料空隙率迅速變化.24.4%臨界值之前，9.5 mm通過率每增大5%，空隙率增大0.3%.超過臨界值24.4%時(shí)，空隙率增大0.9%，這是因?yàn)榇旨祥g隙率逐漸改變?yōu)閱我患系亩逊e情況，空隙率快速變化.繼續(xù)增加用量后，空隙率變化較小，為0.3%.因?yàn)樵囼?yàn)在骨架的條件下進(jìn)行，空隙率隨9.5 mm通過率的變化幅度小.因此4.75～9.5 mm用量不能過大，而且在24.4%臨界之前對空隙率影響較小.

3.2 CA值對瀝青混合料空隙率的影響

貝雷法是瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法，也是檢驗(yàn)方法.通過CA值對粗集料中骨架進(jìn)行設(shè)計(jì)和評價(jià)，具體計(jì)算見式(5).以最大公稱粒徑D的22%對應(yīng)的篩孔孔徑(pcs=D×0.22)作為粗料中粗細(xì)集料的分界點(diǎn).

CA=(PD/2-PPCS)/(100-PD/2)

(5)

式中：PD/2、Ppcs分別為混合料級配曲線在D/2篩孔孔徑、pcs的通過率.

對于AC-13瀝青混合料，D=13 mm，pcs取最近的2.36 mm孔徑，D/2取4.75 mm.

粗集料中9.5～13.2 mm：4.75～9.5 mm的比例保持60∶40骨架結(jié)構(gòu).細(xì)集料2.36 mm以下細(xì)集料通過率不變，通過以5%的變化規(guī)律改變4.75 mm通過率，從而改變粗料中CA值的變化.通過標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)測定空隙率，設(shè)計(jì)通過率見表6.不同CA值對應(yīng)粗集料空隙率和間隙率見圖2.

表6 不同CA值設(shè)計(jì)通過率試驗(yàn)結(jié)果

圖2 不同CA值對應(yīng)粗集料空隙率和間隙率

由圖2可知：隨著CA比增大，細(xì)集料對粗集料干涉作用越來越明顯.因?yàn)檎麄€(gè)粗集料組成向單一粒徑方向發(fā)展，礦料間隙率越來越大，造成瀝青混合料難以壓實(shí)[16].當(dāng)CA值<0.15時(shí)，由于粗骨料在粗料中所占比例較高，導(dǎo)致空隙率變大；CA值=0.15時(shí)，骨架空隙填充充分，VMA最小，CA比在0.15之前，增大0.1，對應(yīng)空隙率增加1%；當(dāng)CA值>0.15時(shí)，粗料中的細(xì)骨料增多造成干涉，撐開骨料形成的空隙，導(dǎo)致混合料中的空隙率大幅度變大.CA比增大0.2，空隙率對應(yīng)增大1%.

由表6可知：在集料骨架形成以后，不同CA比的瀝青混合料在力學(xué)性能方面相當(dāng)，且在集料骨架的形成過程中無規(guī)律性關(guān)系.當(dāng)CA值在0.15時(shí)，對應(yīng)VMA最小，結(jié)構(gòu)最強(qiáng).

3.3 細(xì)集料對瀝青混合料空隙率的影響

逐級填充理論中粗骨料的空隙來決定細(xì)集料的填充量，并以此推廣到下一級的細(xì)集料，以此類推填充骨架.貝雷法提出將細(xì)集料分為可控的第二、三控制篩孔，以FA檢驗(yàn)法對相應(yīng)篩孔進(jìn)行控制計(jì)算，而其他非控制篩孔通過泰波公式設(shè)計(jì)以減少對試驗(yàn)結(jié)果的影響.礦粉用量對瀝青混合料的路用性能影響較大，而貝雷法中并未提及計(jì)算礦粉相關(guān)的方法.因此結(jié)合貝雷法的FA比檢驗(yàn)方法，將礦粉作為第四篩孔控制[17-18]，可得到礦粉對試驗(yàn)的具體影響，計(jì)算公式為

FAp=PMCS/PTCS

(6)

骨架條件下，第二、三、四控制篩孔每3個(gè)因素，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，以單檔關(guān)鍵篩孔變化，考慮細(xì)集料綜合變化條件下對應(yīng)空隙率的變化，正交試驗(yàn)因素見表7.

表7 正交試驗(yàn)因素

因素水平表設(shè)計(jì)見表8.細(xì)集料通過率設(shè)計(jì)中，保持2.36 mm的第一控制篩孔通過率不變，通過FA公式計(jì)算對應(yīng)正交因素，來確定第二、三、四控制篩孔的通過率.而未參與FA公式計(jì)算的1.18、0.3 mm的通過率，通過(P1/P2)=(d1/d2)n插值計(jì)算[19]，減少這兩檔細(xì)集料對試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)通過率見表9.

表8 因素水平表設(shè)計(jì)

表9 細(xì)集料變化設(shè)計(jì)通過率

表10為方差結(jié)果，圖3為細(xì)集料通過率變化對應(yīng)空隙率.

由表10和圖3可知：通過極差計(jì)算FAf>FAc>FAp，方差結(jié)果中F0.1(2,2)=9A>C.即0.15～0.3 mm粒徑的細(xì)集料對瀝青混合料的空隙率影響作用最大，其次為0.6～1.18 mm最后為0.15～0.075 mm.其中A3A3A3為最優(yōu)方案，即細(xì)集料關(guān)鍵控制篩孔控制為FAc=0.5，F(xiàn)Af=0.5，F(xiàn)Ap=0.8時(shí)填充效果最好.

表10 方差結(jié)果

圖3 細(xì)集料通過率變化對應(yīng)空隙率

4 結(jié) 論

1) 以VCADRC為骨架設(shè)計(jì)指標(biāo)，結(jié)合CBR力學(xué)性能驗(yàn)證，推薦13型骨架密實(shí)型級配中粗料比例為70∶30～58∶42，可形成骨架結(jié)構(gòu).VCADRC檢驗(yàn)方法可根據(jù)粗集料堆積VCADRC、預(yù)設(shè)空隙率及現(xiàn)場材料的體積指標(biāo)，設(shè)計(jì)出填充效果優(yōu)的骨架密實(shí)型瀝青混合料，同時(shí)可對該種級配進(jìn)行快速驗(yàn)證.

2) 4.75～9.5 mm礦料用量在19.4%～24.4%范圍內(nèi)，空隙率接近設(shè)計(jì)空隙率且力學(xué)性能較穩(wěn)定.CA比超過0.15臨界值后，粗集料對骨架結(jié)構(gòu)干涉作用加強(qiáng).同時(shí)在集料骨架形成之后，不同CA比的力學(xué)性能大致相同，與骨架的形成過程無規(guī)律性.

3) 在骨架結(jié)構(gòu)中，細(xì)集料對混合料的空隙率的影響最大差值可達(dá)6.5%.0.15～0.3 mm粒徑的集料填充對空隙率影響最大，其次為0.6～1.18 mm最后為0.15～0.075 mm.細(xì)集料關(guān)鍵篩孔推薦值為FAc=0.5，F(xiàn)Af=0.5，F(xiàn)Ap=0.8.

4) 本文以貝雷法FA值檢驗(yàn)法設(shè)計(jì)細(xì)集料填充試驗(yàn)，雖然通過插值法對未計(jì)算到的1.18，0.3 mm篩孔進(jìn)行控制，排除對試驗(yàn)結(jié)果的干擾，但是在實(shí)際應(yīng)用中兩個(gè)粒徑及其他因素對空隙率的關(guān)聯(lián)性有待驗(yàn)證.