基于連續級配的粗集料間隙率均勻試驗研究

謝遠新

（1.重慶大學土木工程學院，重慶市 400030；2.重慶鵬方路面工程技術研究院，重慶市 400025）

基于連續級配的粗集料間隙率均勻試驗研究

謝遠新1,2

（1.重慶大學土木工程學院，重慶市 400030；2.重慶鵬方路面工程技術研究院，重慶市 400025）

為進一步認識級配變化對粗集料間隙率VCA的影響，基于振動壓實方式對連續密級配粗集料部分以振動頻率和振動時間作為試驗參數進行試驗研究，試驗采用3因素、15水平均勻設計方案進行。試驗及回歸分析表明，連續密級配礦料空隙率的大小主要取決于礦料自身性質（粒徑、幾何形狀、表面性質），級配變化對空隙率的影響最大幅值不超過3%，無法通過調整級配而使礦料空隙率或瀝青混合料礦料間隙率（VMA）發生較大改變。試驗研究證實了采用振動壓實試驗進行粗集料間隙率研究的方法可行。

道路工程；試驗；均勻設計；粗集料間隙率

0 引言

已有研究成果[1-6]認為，對于確定的原材料和級配，粗集料間隙率VCA值取決于試驗方法（力的作用方式、功能大小、試驗容器容積大小、集料容積與瀝青混合料試件體積的差別對試驗結果的應用產生的影響等），即VCA不是定值，理論計算無法確定具體集料的VCA。于是，試驗方法的合理性決定了試驗結果的價值。

在對現有規范所述試驗方法進行理論分析和試驗比對后，認為其試驗方法與現有瀝青混合料成型方式不相符（功能大小與力的作用方式、容器體積等），試驗結果隨機性較大，不能充分反映粗集料VCA值的變化趨勢。經過多次試驗嘗試和比較，最終選用振動壓實成型儀為試驗設備，以振動頻率和振動時間作為試驗參數予以優化。在該試驗參數條件下，粗集料的填充密度最大且破碎率不大于2%，因為，根據干涉理論和進行SMA級配研究所取得成果（見文獻[3-6]）：當再次粒級的含量超出合理含量2%以上時，會對大粒級集料形成的密實結構產生干涉。

1 試驗參數

1.1 振動壓實儀參數

采用振動壓實儀進行振動壓實。試模尺寸為內徑152 mm，高170 mm；鋼筒內墊塊直徑151 mm，厚20 mm。頻率范圍0～30 Hz，振幅25 mm，靜壓力1 900 N，激振力9 000 N。

1.2 振動壓實體積參數

VCA測定所需集料的體積V=πr2×h,其中：r=152 mm，h=12±0.5 mm。

1.3 振動時間參數

振動時間以粗集料不破碎或者破碎率不大于2%為限，先以30 s試振，視破碎率大小調整振動時間，以到達最密實狀態即VCA最小，破碎率不大于2%為限。

1.4 破碎率計算

破碎顆粒篩孔以振動壓實所采用集料級配中最小顆粒篩孔尺寸控制，通過該最小顆粒篩孔尺寸量即為破碎顆粒含量。

試驗結果表明：振動頻率對粗集料密度和破碎率的影響非常顯著，而振動時間的影響不顯著。在容許2%破碎率的條件下，振動頻率為23 Hz、振動時間為15s時，獲得的粗集料密度最大，故選用此參數作為后續試驗研究控制依據。

2 均勻試驗方案設計

以AC-20型級配為研究對象，將粗集料分為三個粒級[7,8]：26.5～19 mm、19～9.5 mm和9.5～4.75 mm，分別記為X1、X2和X3。按照均勻設計法，取3因素、15水平進行試驗（均勻設計中心化偏差14.14%），試驗方案見表1所列。每組取4平行試驗，以VCA為判據，研究級配對VCA的影響。

表1 均勻試驗設計表

3 試驗結果分析

試驗結果列于表2，并如圖1所示。對各組試驗結果進行統計分析，各組組內的試驗結果的離散性大致相當，試驗精度可以接受。出于限制最大粒級X1（26.5～19 mm）比例的考慮，對X1的水平變化限定在10%以內，試驗結果表明，由于X1比例過少，對VCA未產生規律性影響，如圖1（b）所示。

X2與VCA之間存在良好的相關性 [圖1（c）、圖1（d）]，經驗公式為：

式中：X2為19～9.5 mm粒級質量百分比，%。

對式（1）中的VCA求極小值，則對應的X2= 48%。

用同樣的方法得到X3與VCA的相關公式[圖1（e）、圖1（f）]：

式中：X3為9.5～4.75 mm粒級質量百分比，%。

由式2解得，VCA極小值對應的X3=45.5%。

由X1+X2+X3=100（%）解得：

X1=100-48-45.5=6.5（%）

表2 粗集料均勻設計試驗結果表（n=4）

事實上，由于X1比例過小，對粗集料空隙率無明顯影響，可以將X1與X2合并，合并之后大粒級X（X=X1+X2）與VCA的相關公式為[圖1（g）、圖1（h）]：

式（2）和式（3）互為鏡像，粗集料級配優化變為單因素優化問題。對于AC-20型級配，最密實的粗集料組成比例為：

以粒級X2和X3的質量百分比為自變量，VCA為因變量，對表1中的均勻設計試驗數據進行二元二次回歸，回歸關系為：

對于上式，r=0.791 0，各回歸項的t值分別為：二次項 t=48.447；一次項 t=-45.223；交互項t= 4.279；常數項 t=101.384。（t(0.05/2)=2.004，t(0.01/2)= 2.669）回歸效果顯著，常數項回歸效果最為顯著，X2與X3的交互作用微弱。

圖1 粗集料均勻設計試驗結果分析圖

對回歸方程中的X3求偏導，得到X3=44.15%，與按式（3）解得的X3=100-X=100-54.7=45.3（%）極為接近。

均勻設計試驗結果同樣表明，較密實的粗集料級配是一個范圍，取VCA低值所對應的級配范圍進行組間差值與組內差值比較，得到級配變化對VCA無顯著影響的區間為：

4 結論

（1）采用振動壓實試驗進行粗集料間隙率研究的方法是可行的。以集料破碎率不大于2%、集料振實密度達到最大且穩定作為振動壓實試驗控制條件，確定出的試驗輸入參數為：振幅25 mm，振頻23 Hz，振動時間15 s。

（2）試驗及回歸分析表明，連續密級配礦料空隙率的大小主要取決于礦料自身性質（粒徑、幾何形狀、表面性質），級配變化對空隙率的影響最大幅值不超過3%。無法通過調整級配而使礦料空隙率或瀝青混合料礦料間隙率（VMA）發生較大改變。這一結論直接關系到對瀝青混合料的VMA設定下限值（不得小于某值）是否合理、可行的問題。

（3）最密實的連續級配組成是一個范圍而不是單值。級配密實與否只是由同一種集料配制的不同級配之間相比較而言的一個定性的概念。因此，不能用一個固定的空隙率值評價級配是否密實，而只能采用相對比較方法，找出級配對空隙率的影響趨勢，從個例中抽象出共性的一面。對于具體的級配礦料，其空隙率不存在真值，只有特定試驗條件下的試驗值。

[1]天津市市政工程研究院.采用GTM的瀝青混合料配合比設計方法研究[R].天津：天津市市政工程研究院,2002.

[2]天津市市政工程研究院.城市快速路高性能瀝青路面研究[R].天津：天津市市政工程研究院,2005.

[3]譚憶秋，張肖寧，郭祖辛.用體積法設計SMA混合料的配合比[J].哈爾濱建筑大學學報，1999，32(3):105-110.

[4]趙可，盧永貴，魏如喜.SMA高溫穩定性研究[J].中國公路學報，2004，17(2):11-17.

[5]趙可，周衛峰，魏如喜.SMA高溫穩定性和低溫抗裂性與體積參數的相關性分析[J].公路交通科技，2005，22(1):9-12.

[6]周衛峰.基于GTM的瀝青混合料配合比設計方法研究[D].西安：長安大學，2006.

[7]西安公路學院公路系道路工程教研室.瀝青路面[Z].西安公路學院，1986.

[8]沈金安.瀝青與瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

U414

A

1009-7716（2017）03-0222-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.061

2016-03-01

河北省交通科技項目（Y2010023-3）

謝遠新（1980-），男，黑龍江綏化人，博士研究生，高級工程師，研究方向為道路鋪裝工程結構與材料耐久性。