常溫瀝青混合料的骨架嵌擠結構設計及評價

李文賽,徐文遠,夏 冬,解 晨,陳 丹

(東北林業(yè)大學土木工程學院,黑龍江哈爾濱 150040)

設計與試驗

常溫瀝青混合料的骨架嵌擠結構設計及評價

李文賽,徐文遠,夏 冬,解 晨,陳 丹

(東北林業(yè)大學土木工程學院,黑龍江哈爾濱 150040)

針對常溫瀝青混合料早期強度不足、膠結材料強度較低等問題,以逐級填充和干涉理論為基礎,借鑒集料和土粒的分形理論建立數(shù)學函數(shù)模型,并根據(jù)數(shù)學模型得出5種不同的設計級配.結果表明:5種設計級配的瀝青混合料均具有良好的密實度和嵌擠能力,且存在一個粗集料級配曲線范圍,使瀝青混合料具有較高的密實度和骨架嵌擠能力.

常溫瀝青混合料;骨架嵌擠結構;設計級配;密實度

0 引 言

目前對于骨架嵌擠結構級配設計的研究方法和手段各不相同,但重點都是在嵌擠密實方面,且基本都是基于熱拌瀝青混合料的研究;而常溫瀝青混合料強度的形成具有時間性和過程性的特點,與熱拌瀝青混合料有很大的區(qū)別[1].骨架嵌擠結構的作用對于常溫瀝青混合料更為顯著,如熱拌瀝青混合料常用的SMA級配,在用于常溫瀝青混合料時易發(fā)生早期的結構破壞,形成車轍[2].因此對于熱拌瀝青混合料的骨架嵌擠結構很難直接用于常溫瀝青混合料的級配設計.

本文針對常溫瀝青混合料,依據(jù)前人的研究成果,以逐級填充理論、干涉理論作為基礎,借鑒混凝土礦料與土粒的分形理論[3-5],建立骨架嵌擠結構級配設計模型;然后對設計級配粗集料骨架結構進行密實度和嵌擠能力的評價.

1 設計理論

1．1 填充理論

相同粒徑比或相同粒徑的球形顆粒排列時,堆積率與其粒徑的大小無關,僅與排列和填充方式有關[6].不同緊密排列方式下同種粒徑和次級填充的球體的堆積率和空隙率如表1所示,r1,r2分別為一級球體和次級球體的半徑[7].

由表1可知,對于球體顆粒,無論是平行六面體、六方體還是四面體的緊密排列方式,其一級球體的堆積率都是74%,空隙率為26%.

表1 不同填充方式下填充球體有規(guī)則排列的堆積率和空隙率

1．2 堆積理論

在理想緊密堆積狀態(tài)時,不同粒徑顆粒通過量的累積百分數(shù)的理論分布用Dinger-Funk方程表示為[8-9]

式中:d為顆粒的粒徑;CPFT為粒徑不大于d的顆粒的質量累積百分數(shù);dmin為集料中的最小粒徑;dmax為集料中的最大粒徑;f為兩相鄰孔徑比的對數(shù);R為通過相鄰兩篩孔的顆粒質量之比.

1．3 分形理論

當不同粒徑的碎石混合后,表征碎石特征尺寸的篩孔孔徑形成一種分布,這個分布可用函數(shù)表示為[10]

式中:D為篩孔孔徑;P(D)為孔徑為D時的篩孔通過百分率;x為礦料的粒徑分形維數(shù),常取2或3.

2 級配設計方法

2．1 模型建立的基本假設

模型建立的基本假設如下:粗集料視為同等粒徑的球形顆粒,即為一級填充顆粒;細集料視為同等粒徑的球狀顆粒,即為二級填充顆粒;把粗、細集料作為整體考慮.

一級球體的堆積率為74%,即一級球體堆積的空隙率為26%;則骨架嵌擠結構的粗集料用量為74%,即關鍵篩孔上集料的累積百分數(shù)為74%.

2．2 粗細集料級配的函數(shù)模型

粗集料設計參考Dinger-Funk方程、混凝土和土粒的級配分形理論方法,得出粗集料各級通過率的數(shù)學模型為

粗集料級配調整模型為

細集料數(shù)學模型為

式中:Di為第i個篩孔孔徑;P(Di)為孔徑為Di的篩孔通過質量百分率;xc為粗集料與粒徑相關的系數(shù),xc＝(lg Dmax－lg Di)/lg Di;xx為細集料與粒徑相關的系數(shù),xx＝lg Di＋1－lg Di.

2．3 級配設計

由公式(3)～(8)對13型瀝青混合料進行粗、細集料的級配設計,本設計關鍵篩孔選擇r2＝0.225r1.即2.36 mm為關鍵篩孔(粗細集料的分界篩孔).粗、細集料設計級配見表1、2.

表2 粗集料設計級配%

表3 細集料設計級配

由填充理論可知,二級填充顆粒的用量為7%,則對于13型瀝青混合料而言,0.6 mm篩孔到2.36 mm篩孔集料用量為7%,細集料用量約為14%.因此初步確定13型骨架嵌擠型瀝青混合料粗集料用量為74%,細集料用量為14%,礦粉用量為12%.設計5種級配并依次記為A、B、C、D、E.13型骨架嵌擠結構設計級配見表3、圖1.

表4 13型骨架嵌擠結構設計級配通過百分率%

圖1 13型骨架嵌擠密實結構設計級配曲線

3 粗集料骨架結構的密實度和嵌擠能力試驗

3．1 試驗材料及方法

本試驗中,礦料選用東北地區(qū)產的安山巖.對于粗集料骨架結構的密實度,以粗集料的堆積試驗和搗實試驗進行評價[11-12],試驗方法采用《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)中的標準試驗方法.對于粗集料骨架結構嵌擠能力,采用錐入試驗進行評價,以錐入度和錐入能作為評價指標.

搗實試驗中試筒容積為5 L,質量為0.810 kg.錐入試驗中錐形頭夾角為60°,錐頭壓力為13 k N.增加AC-13、AM-13以及常用的骨架嵌擠結構SMA-13和冷補料常用級配LB-13作為對比,其級配見表5.5種設計級配和4種對比級配曲線如圖2所示.

表5 4種對比粗集料級配 %

圖2 設計級配和對比級配曲線

3．2 試驗結果與分析

粗集料骨架結構的密實度試驗結果見表6,可知5種設計級配與間斷級配SMA-13、LB-13的粗集料密實度更為相近.從表6還可得出:5種設計配合比的搗實密度平均值為1.671 g·cm－3,總體方差為0.63×10－4,變異系數(shù)為0.5%;搗實空隙率平均值為37.809%,總體方差為0.49×10－2,變異系數(shù)為0.2%.而AM-13和AC-13的搗實密度平均值為1.693 g·cm－3,空隙率平均值為37.216%.設計級配與常用的密實級配相差較大,如圖3所示,搗實密度和搗實空隙率成較為顯著的反比關系,且半連續(xù)級配AM-13和連續(xù)級配AC-13與其他7組級配相差較大.

表6 粗集料骨架結構的密實度試驗結果

粗集料骨架結構的嵌擠能力試驗結果如表7所示,可知5種設計級配與間斷級配SMA-13、LB-13的粗集料嵌擠能力更為相近.從表7得出:A、B、C、 D、E五種設計級配與LB-13、SMA-13兩種級配的錐入度平均值為34．1 mm,總體方差為0．476,變異系數(shù)為2．6%;錐入能平均值為434 k N·mm總體方差為75．7,變異系數(shù)為2%.而AM-13和AC-13的錐入度平均值為39.5 mm,錐入能平均值為503 k N·mm.設計級配與常用的密實級配相差較大,如圖4所示.圖4中錐入度和錐入能成顯著的正比關系,且可以看出其他7組級配的錐入度和錐入能很接近,而AM-13和AC-13兩種級配類型的錐入度和錐入能大于其他級配.同時,從圖3和圖4可以看出:搗實空隙率與錐入度呈近似反比關系;錐入度曲線隨著空隙率的增大而減小.

圖3 搗實密度與搗實空隙率曲線

表7 粗集料骨架的嵌擠能力試驗結果

圖4 錐入度與錐入能曲線

綜上可知,5種設計級配的密實度和嵌擠能力與常用的骨架嵌擠結構間斷級配SMA-13和LB-13相近,且優(yōu)于連續(xù)級配AC-13和半開級配AM-13;并且作為理論設計級配,相對于SMA-13和LB-13在工程應用中更方便、更經濟.

4 結 語

(1)本文根據(jù)球體顆粒堆積理論確定了粗集料的質量百分比為74%,細集料的質量百分比為14%,填料的質量百分比為12%;并以粗集料作為一級填充,細集料作為二級填充,建立數(shù)學模型進行配設計,最后對粗集料級配進行調整.通過計算得出A、B、C、D、E五種13型骨架嵌擠結構設計級配.

(2)5種設計級配的密實度和嵌擠能力與常用密實級配相近.5種設計級配與2種常用密實級配的搗實密度的變異系數(shù)為0．5%,搗實空隙率的變異系數(shù)為0．2%,錐入度的變異系數(shù)為2．6%,錐入能的變異系數(shù)為2%.

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[責任編輯:杜敏浩]

Design and Evaluation of Interlocking Skeleton Structure of Asphalt Mixture at Room Temperature

LI Wen-sai,XU Wen-yuan,XIA Dong,XIE Chen,CHEN Dan
(School of Civil Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,Heilongjiang,China)

Aiming at the problems such as low early strength of the asphalt mixture at room temperature and low strength of the cementing material,a mathematical function model was established by using the fractal theory of aggregate and soil based on the step-by-step filling and interference theory,and five kinds of design gradations were obtained according to the model．The results show that mixtures with the design gradations have good density and interlocking status,and there is a coarse aggregate gradation curve range that makes the asphalt mixture have high density and an interlocking skeleton structure．

asphalt mixture at room temperature;interlocking skeleton structure;design gradation;density

U414．1

B

1000-033X(2017)05-0037-04

2016-11-19

黑龍江省運輸廳科技項目(HLJ20162D08)

李文賽(1991-),男,河南開封人,在讀碩士,研究方向為道路工程.

徐文遠(1969-),男,內蒙古根河人,博士,教授,研究方向為道路工程及道路交通環(huán)境.