超大粒徑瀝青混凝土配合比設計方法探討

王中良，楊 麗，翁雨薇

(1.四川省紅魚洞水庫建設管理局，四川 巴中 636600；2. 四川水利職業技術學院，四川 成都 611231；3. 中國葛洲壩集團市政工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

碾壓式瀝青混凝土心墻具有較好的防滲性能、良好的抗震性能、適應變性能力和力學性能等優點[1- 5]，在土石壩壩型的選擇中占據著主導地位。在施工過程中配合比的設計極為重要，對骨料的級配要求嚴格。瀝青混凝土的配合比設計與試驗的最終目標是確定級配指數、瀝青摻量及礦粉用量。各個標準參數的合理選擇，可以使瀝青混凝土內部的孔隙達到最小，并且使各骨料能夠均勻的被瀝青包裹，從而使得配制的瀝青混凝土綜合技術性能達到最優的狀態[5- 7]。

針對瀝青混凝土的最大粒徑而言，規范[8]中有明確的定義：工程中常采用的骨料最大粒徑不宜大于19mm。賀傳卿、何建新[9]等通過正交試驗的方法分析了各因素對瀝青混凝土孔隙率、穩定度、流值影響結果，并對優選的配合比進行了相關力學性能試驗，為瀝青混凝土配合比設計提供了可靠理論依據；白傳貞、何建新[10]研究表明：自由瀝青的多少是其性能的最主要的原因，瀝青用量過大將會造成強度下降，同時變形性能增強；閆小虎、姚新華[11]等研究表明：固定填料用量與骨料級配指數不變的情況下，瀝青混凝土的孔隙率隨著瀝青含量增大而減小，馬歇爾穩定度隨瀝青含量的增大而減小，流值隨瀝青含量的增大而增大；保持瀝青含量及填料用量的不變，級配指數在0.4～0.5之間變化時，瀝青混凝土的孔隙率隨級配指數的增大而增大。近年來，施工技術、建筑材料(尤其是瀝青品質)與機械設備取得了長足進步與發展。但在瀝青混凝土心墻壩的施工中，瀝青心墻的施工較為緩慢，耗費時間較長，若能提高骨料的最大粒徑，那么在施工中可使瀝青用量減小、攤鋪厚度增加、建設工期縮短、工程造價降低，以達到快速、安全、穩定、經濟的施工方式。

對于水工瀝青混凝土，骨料最大粒徑保持在19mm已不是最為理想的方式，提高骨料粒徑對瀝青混凝土而言，首要任務是確定配合比參數。因此，本文進行骨料最大粒徑為42mm的瀝青混凝土配合比試驗研究，探討骨料增大后的超大粒徑瀝青混凝土的各項性能，得出了對實際工程具有指導意義的成果。

1 材料與配合比設計參數

1.1 試驗材料

本次試驗選用的瀝青材料為克拉瑪依90A[12]，經檢測瀝青的樣品的技術性能指標見表1。

粗骨料采用某工程現場制備的粒徑為2.36～42mm的灰巖骨料，骨料最大粒徑控制在Dmax=42mm。骨料各項性能指標見表2。

表2 粗骨料的技術性能

試驗所用細骨料(粒徑0.075～2.36mm)為灰巖骨料破碎的人工砂。人工砂技術性能指標見表3中，細骨料級配良好，滿足規范要求。

表3 細骨料的技術性能

填料為石灰巖粉。填料技術性能見表4。從表4可以看出，填料質量均滿足規范要求。

表4 填料技術性能

1.2 配合比設計參數

在碾壓式瀝青混凝土心墻設計中，對礦料級配指數選擇多在0.38～0.42之間，SL 501—2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》中推薦級配指數的多在0.35～0.44的范圍內，根據本研究的實際，粒徑增大，大于2.36mm粒徑的顆粒將增加，將本次研究的級配指數的下限值控制在常規配合比上限值中，下限選擇為0.42，按照以往的規律進行向上取值，以0.03為梯度，決定初擬級配指數為0.42、0.45、0.48。

設計規范中推薦的填料用量范圍為10%～16%；因骨料粒徑的增大，使得級配指數增加，細骨料用量降低，填料用量也應適當降低，根據前期的初步研究以及適當降低推薦用量的范圍，將填料用量定為8%、10%、12%。

骨料最大粒徑由19mm增大到42mm后，骨料的比表面積減小，瀝青用量應適當降低，在水工瀝青混凝土適宜的填料濃度下，以常規配合比的瀝青用量為上限值，以0.3%的瀝青用量作為梯度，向下降低，因此選取瀝青用量為5.2%、5.5%、5.8%、6.1%、6.4%五個水平。

2 試驗方案及配合比優選

2.1 試驗方案

采用正交設計進行本次試驗[13]，具體參數見表5。在瀝青混凝土初步配合比選定試驗中，通過密度、劈裂抗拉強度、穩定度和流值以及孔隙率作為考核指標[14]。

表5 因素水平表

2.2 配合比優選

通過均勻正交試驗設計15個試驗組，試件成型方法：擊實成型，擊實錘尺寸為φ149.4±0.1mm，下落高度為457.2mm±2.5mm并保證自由下落，錘重量為10210g±10g，制作6個試件，試件尺寸為：φ152.4mm×95.3mm的圓柱體試件。將試件養護后進行各個試驗，試驗結果見表6。

表6 15組配合比試驗結果表

以孔隙率為考核指標，瀝青用量的影響程度最大，級配指數影響次之，填料用量的影響不顯著，誤差估計值為0.26%；以流值為考核指標，瀝青用量的影響程度最大，級配指數的影響次之，填料用量影響不顯著，誤差估計值為2.69mm；以穩定度為考核指標，瀝青用量的影響程度最大，級配指數對影響次之，瀝青用量的影響不顯著，誤差估計值為3.5kN；以劈裂抗拉強度為考核指標，瀝青用量的影響程度最大，級配指數影響次之，填料用量影響不顯著。劈裂抗拉強度實驗誤差值為0.39MPa。

從四個考核指標可以看出：采用大尺寸的馬歇爾穩定度和流值是在瀝青混凝土工程中的首次采用，因此缺乏一定的標準，為了和以往的試驗結果進行充分的對比。本次研究參考近幾年已經建設的8座典型工程的配合比設計參數，見表7，以級配指數的平均值0.38、填料用量的平均值12.5%、油石比的平均值6.8%作為本次試驗研究使用的配合比，進行各項試驗的試樣成型。

按上述典型配合比分別進行馬歇爾試驗和劈裂抗拉強度試驗，試驗結果見表8。

表7 新疆建設的典型工程設計配合比統計表

表8 兩種試件試驗結果對比表

為進一步探尋42mm骨料對各項性能的影響，采用無假定建模技術(PPR)進行分析[14- 16]，計算方法如下：

設y是因變量，x是p維自變量，PPR模型可表示為：

(1)

對本次試驗中得到的15組數據進行PPR投影尋蹤回歸分析，光滑系數取0.50。投影方向，初始值M=5，最優值MU=3。模型參數為：N，P，Q，M，MU分別為15，3，1，4，3。

對于穩定度的嶺函數權重系數β=(1.0290，0.3557，0.3390)，各個自變量的相對貢獻權重為(按從大到小排序)：瀝青用量、級配指數、填料用量；投影方向αi為：

(2)

對于流值的嶺函數權重系數β=(0.9749，0.0.2749，0.5505)，各個自變量的相對貢獻權重為(按從大到小排序)：瀝青用量、級配指數、填料用量；投影方向αi為：

(3)

對于劈裂抗拉強度的嶺函數權重系數β=(0.9503，0.1927，0.1914)，各個自變量的相對貢獻權重為(按從大到小排序)：瀝青用量、級配指數、填料用量；投影方向αi為：

(4)

投影尋蹤回歸分析結果見表9。

表9 瀝青混合料考核指標仿真結果

利用實測的14組配合比試驗結果和PPR仿真分析的31組配合比結果。

隨著級配指數的增加，流值有增大的趨勢；級配指數一定，填料用量和瀝青用量增加時，流值增大。其原因是級配指數的增大，礦料的比表面積減小，瀝青混合料中的瀝青膠漿所占比例增大，瀝青混凝土的流動性增大，柔性增強。

隨著級配指數的增大，瀝青混凝土的穩定度減小的規律；級配指數一定時，隨著瀝青用量、填料用量的增加，穩定度隨之減小。說明級配指數的增大，礦料的比表面積減小，瀝青混合料中的瀝青膠漿所占比例增大，瀝青混凝土的穩定度減小。

通過正交試驗進行了各項性能的試驗，并采用極差分析對試驗結果進行分析，優選出了兩組瀝青混凝土配合比；在此要求研究的基礎上，首次在配合比的研究中采用薄膜厚度作為判定依據，進一步通過PPR回歸分析進行的綜合對比分析，同時考慮強度和變形的前提下，最終確定四組配合比，即6號、7號、23號以及41號。

3 結語

基于超大粒徑瀝青混凝土的配合比設計研究，得出以下結論：

(1)引入瀝青薄膜厚度的分析可達到進一步選優的目的，瀝青膜厚度在6～8μm之間時，力學性能、變形性能較好，因此將瀝青薄膜厚度作為瀝青混凝土配合比設計優選的判斷依據是合理且可靠的。

(2)通過PPR無假定模型分析，可將正交試驗未實測結果進行仿真，優選出的瀝青混凝土配合比均能夠表現出較強的性能，大大降低了配合比設計工作的難度，提高工作效率。

(3)優選出的大粒徑瀝青混凝土配合比的性能與常規粒徑在同類工程中的性能處于同一水平上，驗證了配合比設計方法的可靠性。