OGFC瀝青路面混合料級配設計研究

（青蘭高速公路沂源管理處 山東沂源 250000）

[摘 要] 通過對各種關鍵篩孔試驗，研究了OGFC瀝青路面混合料設計中的關鍵篩孔影響度，分析了不同粒徑礦料對級配設計的貢獻，得出了OGFC瀝青路面混合料空隙率與各主要篩孔通過率的關系以及空隙率與連通空隙率的相關性，并在此基礎上確定出透水性瀝青混合料的合理級配范圍。

[關鍵詞] 透水性 瀝青混合料 關鍵篩孔

1 引言

瀝青混合料的級配組成對其力學性能及使用性能具有十分重要的影響。透水性瀝青混合料所采用的級配按現行級配類型來分，屬于開級配，是一種間斷級配，即在礦質混合料中剔除其中一個分級或幾個分級，形成的一種不連續的級配。間斷級配以魏矛斯干涉理論為基礎，通常是以一個連續級配的集料為骨架，而用另一連續級配細集料填隙而成。這種混合料在理論上不僅具有足夠的顆粒形成具有較高強度的空間骨架，同時又有一定細集料填充骨架空隙，使混合料內部摩阻力和粘結力都較高。透水性瀝青混合料與其它瀝青混合料相比，最顯著的特點就是具有較大的空隙率（一般為15%～25%）。而混合料的空隙率主要取決于集料的級配組成和顆粒形狀、瀝青含量以及混合料的壓實程度。其中集料級配組成是控制混合料空隙率大小的首要因素，為此，首先要找到對混合料空隙率產生最顯著影響的篩孔通過率[1]。

2 不同粒徑礦料對級配設計的貢獻

關于礦料合成級配中各篩孔對混合料空隙率、穩定度和流值等指標的影響，國內外已有過很多研究，?？∶鞯热送ㄟ^正交設計試驗結果表明（試件采用馬歇爾試件，空隙率測定采用體積法）[2]：對空隙率影響最顯著的因素是粗骨料（4.75mm以上）含量，每增加5%粗骨料，空隙率增加約3%；其次是4.75mm～9.5mm骨料含量，再其次是瀝青用量；對馬歇爾穩定度影響最顯著的因素也是粗骨料（4.75mm以上）含量，其次是4.75mm～9.5mm骨料含量，影響最小的是瀝青用量；對流值影響最顯著的因素亦是粗骨料（4.75mm以上）含量，其次是瀝青用量，最小的是4.75mm～9.5mm骨料含量，Mallick等人的研究也顯示，當4.75mm篩孔的通過率等于或小于15%時，混合料中碎石存在石與石間的接觸，這種接觸方式可以提高混合料的連通空隙率和抗車轍能力，但會降低混合料的耐久性，因此，即使同樣的設計空隙率，有必要對各主要篩孔的通過率進行試驗研究，確保混合料的功能性和耐久性均達到最高的水平。

根據粒徑大小，透水性瀝青混合料可分OGFC-16，OGFC-13，OGFC-10等不同類型，為了便于分析，同時結合依托工程要求，本文僅對OGFC-13配合比設計進行分析，其余類型的混合料設計方法與此相同。

為了盡量減少重復試驗的次數，并保證試驗結果的可靠性，本文采用正交L16（45）設計方法設計級配，分析篩孔通過率對混合料空隙率的影響[2， 4]。試驗中最大公稱粒徑為13.2mm，以空隙率和連通空隙率為檢測指標，考察9.5mm，2.36mm，1.18mm，0.075mm篩孔通過率以及4.75mm與2.36mm篩孔的通過率之差5個因素，每個因素考慮4種水平，如表1所示。其余篩孔通過率可由已確定的篩孔通過率按內插法計算得到。按此種方法設計的級配共16組，除去組合后不成立的級配，剩余組合級配如表2所示。

表1 試驗考察因素、每個因素的水平及試驗檢測指標

編號考察因素考察水平（%）檢測指標

1

2

3

4

9.5mm篩孔的通過率60，67，74，80空隙率

連通空隙率

22.36 mm篩孔的通過率8，13，18，23

31.18 mm篩孔的通過率6，10，14，18

40.075 mm篩孔的通過率2，3.5，5，6.5

54.75mm與2.36mm篩孔通過率之差0，4，8，12

表2 試驗級配方案

級配編號各篩孔（mm）的通過率（%）估算油石比（%）

1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075

110095608865.0 4.0 3.0 22.9

210095601713108.4 6.8 5.1 3.54.7

3100956026181411.8 9.5 7.3 56.5

4100956035231815.1 12.3 9.4 6.58.4

51009567301865.4 4.8 4.1 3.54.2

610095673123108.0 6.0 4.0 23.8

710095741818109.1 8.3 7.4 6.56.9

81009574272365.8 5.5 5.3 55.3

9100958022181814.0 10.0 6.0 24.9

10100958023231411.4 8.8 6.1 3.55.5

本試驗中主要考慮混合料級配對空隙率及連通空隙率的影響，由于瀝青用量的變化對空隙率也會產生一定的影響，為減少這種影響，瀝青用量應選用最佳瀝青用量，目前規范中采用經驗公式來估算最佳瀝青用量，即先通過經驗公式求得集料的比表面積，假定瀝青膜的厚度，二者的乘積即為估算瀝青用量，然后再通過析漏試驗對瀝青用量進行校核。集料比表面積A的估算公式為：

A=（2+0.02a+0.04b+0.08c+0.14d+0.3e+0.6f+1.6g）/48.74 （m2/kg） （1）

式中：a、b、c、d、e、f、g分別為4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075mm篩孔的通過百分率。

瀝青用量=礦料比表面積A×瀝青膜厚h （2）

瀝青膜厚h一般瀝青混合料取8～10μm[4]，對于透水性瀝青混合料而言，由于其空隙率較大，考慮到外界環境因素對耐久性的影響，結合規范推薦值，瀝青膜厚度h宜取14μm[2]。計算結果換算為油石比如表2所示。從表中結果可以看出，對不同級配，由計算方法估計的瀝青用量差別較大，油石比最大高達8.4%，最小僅為2.9%。針對此種情況，對每組級配分別采用3.5%，4.1%，4.7%，5.3%，6.0%5種油石比下進行析漏試驗、馬歇爾試驗和飛散試驗，并確定各個級配的最佳油石比及最佳油石比下的馬歇爾試驗結果如表3所示，比較兩次的結果，對有些級配，油石比的計算結果與實際試驗結果基本一致，而有些級配最佳油石比的計算值與試驗值相差甚遠，說明現行規范中的集料表面積的計算公式有一定的局限性。對所選的10種試驗方案中級配的影響因素進行定量的分析如下：

表3 各種級配在最佳油石比下混合料馬歇爾試驗結果匯總

級配編號油石比（%）毛體積密度（g/cm3）理論密度（g/cm3）空隙率（%）連通空隙率（%）穩定度（KN）流值（0.1mm）

14.11.865 2.549 26.9 21.7 5.235.0

24.71.948 2.523 22.8 19.5 6.449.9

35.22.075 2.519 17.1 12.0 9.463.5

45.32.203 2.495 11.7 7.5 11.459.4

54.72.0152.516 19.9 15.5 7.740.0

65.32.109 2.495 15.5 8.6 9.642.1

74.52.013 2.524 21.1 16.2 6.834.4

85.32.029 2.498 18.812.8 9.038.6

94.72.084 2.520 17.3 12.7 8.439.1

105.32.126 2.499 15.0 8.6 10.447.3

圖1 各主要篩孔通過率與油石比及空隙率的關系圖

圖2 空隙率與穩定度的關系

2.1 2.36mm通過率的影響

對于最大公稱粒徑為13.2mm的級配來說，以2.36mm篩孔來劃分粗細集料較為合理，對比表2、表3中的結果可以看出：

①2.36mm通過率增加時，礦料表面為了達到相同要求的瀝青膜厚度，混合料的瀝青用量將增加。2.36mm通過率每增加1%，達到相同瀝青膜厚度時所要求的最佳油石比會相應增加0.1%左右；

②在相同瀝青用量情況下，2.36mm通過率增加，由粗集料形成的空隙將被細集料填充，而使得混合料的空隙率減小。2.36mm通過率每增加1%，空隙率將減小1%左右，在試驗范圍內，二者接近成反比關系。

2.2 9.5mm通過率的影響

對比表2、表3中級配3，級配5和級配7的結果，可以看到：當混合料中細集料（小于2.36mm）含量相同時， 9.5mm通過率對空隙率有一定的影響，當9.5mm通過率從60%增加到67%，再增加到74%時，空隙率依次為17.1%、19.9%、21.1%，即9.5mm通過率每增加3.5%，相應的混合料的空隙率就會增加1%，相比2.36mm通過率對空隙率的影響來說，雖然顯得弱了一些，但也應引起重視。而日本排水路面技術規范中對9.5mm通過率不加控制，認為9.5mm篩孔通過率對空隙率的影響很小，這一點有待進一步驗證。當9.5mm通過率由74%增加到80%時，空隙率反而下降，是因為此時1.18mm通過率明顯增大，細集料在起粘結作用的同時也填充了粗集料形成的骨架空隙，從而導致混合料內部空隙率下降。

2.3 1.18mm通過率的影響

對比表2、表3中級配4，級配6、級配8和級配10的結果，可以看到：當混合料中細集料含量相同，且油石比也恒定的情況下， 1.18mm通過率影響著空隙率的大小，當1.18mm通過率由6%上升到18%時，相應的空隙率由18.8%降到11.7%，即1.18mm通過率每增加1.7%，對應混合料中空隙率就會下降1%。

2.4 4.75mm通過率的影響

對比表2、表3中級配4，級配6、級配8和級配10的結果，可以看到：在混合料中粗集料（大于2.36mm）含量及油石比一定的情況下，當4.75mm通過率由23%變化到35%的過程中，空隙率分別為15.0%、18.8%、15.5%和11.7%，空隙率先增加后減小，出現一個峰值，說明在混合料的級配組成中，要達到設計的目標空隙率2.36mm～4.75mm的含量應該有一個最佳值。

2.5 空隙率對穩定度的影響

由圖2可以看出，空隙率與穩定度之間存在良好的相關性。

式中：S-馬歇爾試件的穩定度，kN；

-空隙率，%。

3 結論

3.1 對空隙率影響最顯著的是2.36mm篩孔通過率。當2.36mm通過率增加1%時，達到相同瀝青膜厚度時所要求的最佳油石比將增加0.1%左右；在相同瀝青用量情況下2.36mm通過率每增加1%，空隙率將減小1%左右。

3.2其次對空隙率影響較顯著的是1.18mm通過率，當混合料中細集料含量相同，且油石比恒定的情況下，1.18mm通過率每增加1.7%，對應混合料中空隙率就會下降1%。

3.3再次對空隙率影響較顯著的是9.5mm通過率，當混合料中粗集料（大于2.36mm）含量一定時，9.5mm通過率每增加3.5%，相應的混合料中的空隙率就會增加1%。但是日本排水路面技術規范中對9.5mm通過率不加控制，認為9.5mm篩孔通過率對空隙率的影響很小。研究中還發現混合料中2.36mm～4.75mm的含量應該有一個最佳值。

3.4 通過對10種礦料級配主要篩孔通過率與空隙率關系的回歸分析，也發現2.36mm通過率是影響空隙率的最主要的因素，得出了透水性瀝青混合料空隙率與各主要篩孔通過率的關系以及空隙率與連通空隙率的相關性，并在此基礎上確定出透水性瀝青混合料的合理級配范圍。

參考文獻

[1] ?？∶鳎?趙平均， 許永明. 排水性瀝青混合料抗滑層設計方法研究[J]. 西安公路交通大學學報，1997，1：12-16

[2] 方開泰，馬長興. 正交與均勻試驗設計[M]. 北京：科學出版社，2001

[3] 汪榮鑫. 數理統計[M]. 西安：西安交通大學出版社，2004

[4] 日本道路建設業協會. 透水性瀝青路面[M]. 李茂森譯. 北京：中國建筑工業出版社，1979：29-31