骨架嵌擠密實(shí)型瀝青混合料集料配合比設(shè)計(jì)

康 偉

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

引言

美國(guó)SHRP研究計(jì)劃表明，集料在瀝青混合料高溫抗車轍方面發(fā)揮的作用較大，在瀝青混合料低溫抗裂性能方面的作用較小[1]，說明在表征混合料高溫性能時(shí)，集料起著主要作用。多級(jí)骨架嵌擠密實(shí)級(jí)配（Multilevel Dense Built-in Gradation）有著與SAC、SMA骨架密實(shí)級(jí)配類似的優(yōu)點(diǎn)，即路面防滑、抗磨耗性能好、高溫穩(wěn)定性好、低溫抗裂性好、耐疲勞破壞等優(yōu)點(diǎn)[2]，尤其適用于西部地區(qū)的道路建設(shè)，以改善“大溫差”環(huán)境下的路用性能。

常規(guī)的瀝青混凝土集料配合比，是通過調(diào)整級(jí)配使其符合規(guī)范級(jí)配建議的范圍?？紤]到集料原材料的產(chǎn)地、加工破碎方式的差異，同一類粒徑的集料也會(huì)有不同特性，所以需要因地制宜進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)。依據(jù)逐級(jí)填充理論，對(duì)骨架嵌擠密實(shí)型級(jí)配設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，針對(duì)集料的特性設(shè)計(jì)相應(yīng)的級(jí)配，并分析所得級(jí)配的組成特點(diǎn)，將該級(jí)配特點(diǎn)與常用的集料級(jí)配進(jìn)行對(duì)比，找到一種考慮集料特性、因地制宜的骨架嵌擠密實(shí)型瀝青混合料集料配合比設(shè)計(jì)方法。

1 配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)逐級(jí)填充理論作為骨架嵌擠密實(shí)型級(jí)配設(shè)計(jì)依據(jù)，采用單因素?fù)v實(shí)實(shí)驗(yàn)確定粗集料、細(xì)集料骨架，最終用Superpave的體積設(shè)計(jì)法算出混合料的合成配比[3]。類似于土工試驗(yàn)的最大壓實(shí)度試驗(yàn)，對(duì)不同配比的粗、細(xì)集料進(jìn)行搗實(shí)試驗(yàn)，繼而根據(jù)形成的骨架結(jié)構(gòu)來確定集料級(jí)配。

1.1 粗集料級(jí)配設(shè)計(jì)

確定粗集料骨架級(jí)配需要兩個(gè)階段。首先將13.2～9.5 mm的集料按比例填充到16～13.2 mm的粗集料中，再次將9.5～4.75 mm的集料按比例填充到16～13.2 mm的粗集料中，對(duì)不同粒徑的集料配合比進(jìn)行調(diào)整，采用逐級(jí)填充方式，由較大粒徑向次級(jí)粒徑兩兩組合，以集料骨架間隙率為VCADRC控制指標(biāo)，尋找該指標(biāo)最小時(shí)的集料級(jí)配，這個(gè)級(jí)配就是集料形成骨架填充狀態(tài)的最優(yōu)配比。

將粒徑為13.2～9.5 mm的集料按0%～100%的比例填充到16～13.2 mm的集料，兩檔集料混合料的骨架間隙率的變化情況見圖1。13.2～9.5 mm的填充率從10%增大到100%時(shí)，混合料的骨架間隙率呈現(xiàn)明顯的先減小后增大，在70%填充率時(shí)達(dá)到最小值。

圖1 第Ⅰ級(jí)粗集料填充曲線

第Ⅰ級(jí)粗集料填充結(jié)果表明，16～13.2 mm、13.2～9.5 mm兩檔料的最佳組合比例為3∶7，填充率超過70%以后，13.2～9.5 mm粒徑對(duì)骨架結(jié)構(gòu)的干涉作用愈發(fā)明顯。

根據(jù)粗集料的單因素?fù)v實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，粗集料中的三檔料16～13.2 mm、13.2～9.5 mm、9.5～4.75 mm，其最佳質(zhì)量比例為0.12∶0.28∶0.6，此時(shí)粗集料的搗實(shí)相對(duì)密度為1.52。粗集料在此比例下，集料混合料可以達(dá)到最為密實(shí)的嵌擠狀態(tài)。

1.2 細(xì)集料級(jí)配設(shè)計(jì)

細(xì)集料級(jí)配的確定與粗集料一樣，按照粒徑4.75～2.36 mm、2.36～1.18 mm、1.18～0.6 mm、0.6～0.3 mm、0.3～0.15 mm、0.15～0.075 mm進(jìn)行逐級(jí)填充，將最大粒徑和次大粒徑以不同填充比例進(jìn)行混合，以最小為目標(biāo)條件進(jìn)行下一級(jí)集料填充，直至得到每一檔料的最優(yōu)組成比例。

根據(jù)細(xì)集料的單因素?fù)v實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，細(xì)集料中的六檔料4.75～2.36 mm、2.36～1.18 mm、1.18～0.6 mm、0.6～0.3 mm、0.3～0.15 mm、0.15～0.075 mm，其最佳質(zhì)量比例為0.188∶0.126∶0.134∶0.192∶0.16∶0.2，此時(shí)細(xì)集料的搗實(shí)相對(duì)密度為1.84。細(xì)集料在此比例下，集料混合料可以達(dá)到最為密實(shí)的嵌擠狀態(tài)。

1.3 礦質(zhì)混合料合成配比

混合料中粗集料質(zhì)量：

式中：ρ1—粗集料搗實(shí)密度，kg/m3。

混合料中細(xì)集料質(zhì)量：

式中：ρ2—細(xì)集料搗實(shí)密度，kg/m3。

混合料中礦粉質(zhì)量：

式中：ρ3—細(xì)集料搗實(shí)密度，kg/m3；VCADRC2—細(xì)集料礦料間隙率，%。

細(xì)集料、礦粉合成搗實(shí)密度：

細(xì)集料、礦粉合成表觀密度：

式中：—細(xì)集料和礦粉表觀密度，kg/m3。

細(xì)集料、礦粉混合料間隙率：

細(xì)集料、礦粉質(zhì)量比：

填充粗集料骨架間隙的細(xì)集料與礦粉質(zhì)量總和：

粗集料、細(xì)集料、礦粉合成質(zhì)量比：

計(jì)算混合料中各檔集料質(zhì)量比例見表1。

表1 試驗(yàn)用集料級(jí)配

瀝青密度：

集料有效密度：

假定瀝青用量Pb=4.5%，則集料用量Ps=100%-4.5%=95.5%。

瀝青混合料理論最大密度：

為了確保瀝青混合料的路用性能以及耐久性，參考Superpave設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選擇壓實(shí)瀝青混合料的空隙率V=4%。

瀝青混合料毛體積密度：

單位體積瀝青混合料中集料質(zhì)量：

瀝青混合料中全部集料的毛體積密度：

單位體積瀝青混合料吸入集料的瀝青體積：

單位體積瀝青混合料有效瀝青體積：

式中：D—集料最大公稱尺寸，mm。

表2 MDBG-13級(jí)配

初始估算瀝青用量：

再次假定瀝青用量Pb=4.6%，則集料用量Ps=95.4%，瀝青混合料理論最大密度Gmm=2.455 g/cm3，瀝青混合料毛體積密度Gmb=2.357 g/cm3，單位體積瀝青混合料中集料質(zhì)量Gmw=2.248 g，單位體積瀝青混合料吸入集料的瀝青體積Vba=0.01 cm3，單位體積瀝青混合料有效瀝青體積Vbe=0.1 cm3，經(jīng)計(jì)算，初始估算瀝青用量Pbi=4.6%，與假定的瀝青用量相同。

2 級(jí)配組成分析

Superpave混合料設(shè)計(jì)要求包括三個(gè)方面，即設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)、體積性質(zhì)要求以及粉膠比要求。雖然該設(shè)計(jì)法采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件，但其粉膠比的要求、試驗(yàn)級(jí)配初始瀝青用量的計(jì)算方法可以作為WMA設(shè)計(jì)時(shí)的參考。將MDBG-13級(jí)配與Superpave粗細(xì)級(jí)配劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，該類型級(jí)配屬于粗級(jí)配范疇。Superpave對(duì)于粉膠比的要求，粗、細(xì)級(jí)配混合料的粉膠比范圍各不相同，其范圍分別為0.8～1.6和0.6～1.2。通過計(jì)算，此次采用的MDBG-13級(jí)配的粉膠比為1.27，符合0.8～1.6的要求范圍。

將AC-13、SMA-13以及MDBG-13型級(jí)配曲線繪制于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸中，見圖2、圖3。

圖2 MDBG-13、AC-13級(jí)配曲線

圖3 MDBG-13、SMA-13級(jí)配曲線

可以看出，AC-13型級(jí)配的上下限屬于典型的連續(xù)密級(jí)配類型，無論是AC-13型級(jí)配的上限或者下限，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中其級(jí)配曲線近似為一條斜直線。從分形級(jí)配理論的角度說，AC型級(jí)配可以用一個(gè)分形維數(shù)表示[4]。MDBG-13型級(jí)配在4.75 mm篩孔的通過率是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，將級(jí)配曲線分為不同斜率的兩段直線。恰好4.75 mm篩孔是公稱最大粒徑13.2 mm混合料的粗細(xì)集料分界點(diǎn)。雖然MDBG-13型級(jí)配處于規(guī)范的AC型級(jí)配范圍內(nèi)，但它不屬于連續(xù)級(jí)配范疇，而具有間斷級(jí)配的特點(diǎn)。按照瀝青混合料強(qiáng)度形成的機(jī)理，混合料的結(jié)構(gòu)類型可以分為兩大類，即集料骨架之間形成的嵌擠結(jié)構(gòu)和最大密實(shí)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)[5]，MDBG-13型級(jí)配同時(shí)具有密級(jí)配和間斷級(jí)配的特點(diǎn)，可以稱為骨架密實(shí)型級(jí)配。又因?yàn)镸DBG-13型級(jí)配形成了主、次骨架的嵌擠結(jié)構(gòu)，因此可以稱為多級(jí)嵌擠密實(shí)型級(jí)配。

經(jīng)過試算，試驗(yàn)級(jí)配系用瀝青用量4.6%，基于得出的集料級(jí)配和瀝青用量，制作馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件，檢驗(yàn)該種級(jí)配是否符合與預(yù)定的空隙率及規(guī)范要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，試件空隙率vv=3.7%，試算的試件空隙率vv=4.0%，兩者基本吻合。依據(jù)粗集料骨架間隙率是否滿足大于混合料礦料間隙率的條件，判斷MDBG-13是否形成骨架。

搗實(shí)狀態(tài)下粗集料骨架間隙率：

瀝青混合料試件的粗集料間隙率：

由計(jì)算結(jié)果可知VCADRC＞VCAmix，有關(guān)研究表明，對(duì)于連續(xù)型密級(jí)配瀝青混合料，混合料的骨架嵌擠密實(shí)狀態(tài)可定義為：松散狀態(tài)下礦料間隙率大于壓實(shí)后的混合料礦料間隙率。計(jì)算結(jié)果說明設(shè)計(jì)的混合料粗集料骨架沒有被瀝青瑪蹄脂撐開，設(shè)計(jì)級(jí)配滿足集料骨架嵌擠原則。

試件的穩(wěn)定度符合并且高于規(guī)范的要求，但試件的流值偏大，稍高于AC規(guī)范4 mm的要求，說明試驗(yàn)用瀝青混合料MDGB-13，其中瀝青膠結(jié)料偏多造成混合料高溫穩(wěn)定性的下降，混合料偏“軟”。但試件流值符合SMA規(guī)范的5～6 mm的范圍要求，說明MDBG-13具有SMA的某些特點(diǎn)，即瀝青膠結(jié)料較多、混合料處于一種骨架密實(shí)狀態(tài)。通過對(duì)MDBG-13混合料的車轍試驗(yàn)，該種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為1 824 次/mm，超過常規(guī)熱拌瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的要求，說明該種瀝青混合料的高溫抗車轍能力可以滿足要求。

3 結(jié)語

由于集料級(jí)配對(duì)瀝青混合料的路用性能影響較大，即便是相同級(jí)配、相同瀝青摻量下，來自不同料場(chǎng)的集料制拌出的瀝青混合料體積及路用性能也有顯著的差異。（1）參考Superpave瀝青用量計(jì)算方法試算瀝青用量，依據(jù)具體的集料性質(zhì)以及混合料體積參數(shù)計(jì)算瀝青用量。雖然Superpave是在GTM成型方法下給出的瀝青用量計(jì)算方法，但經(jīng)過驗(yàn)證也可將其應(yīng)用于馬歇爾成型的瀝青混合料設(shè)計(jì)。（2）逐級(jí)填充理論作為骨架嵌擠密實(shí)型級(jí)配設(shè)計(jì)依據(jù)，采用單因素?fù)v實(shí)試驗(yàn)確定粗集料、細(xì)集料骨架，最終用Superpave的體積設(shè)計(jì)法算出混合料的合成配比。這種配合比設(shè)計(jì)方法下的骨架嵌擠密實(shí)瀝青混合料，具有抗滑耐磨、空隙率小、抗疲勞、高溫抗車轍的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，骨架嵌擠密實(shí)型級(jí)配的瀝青混合料表現(xiàn)出較好的路用性能。因此，采用骨架嵌擠密實(shí)級(jí)配設(shè)計(jì)方法，針對(duì)不同集料的特性設(shè)計(jì)相應(yīng)級(jí)配，這種因地制宜的級(jí)配設(shè)計(jì)方法更具合理性。