粗、細集料對強骨架瀝青混合料空隙率的影響

鄭 禎 郭大進 牟壓強 徐默楠 王永俊 劉維娟 陳 鈺 郭榮鑫 封基良

(昆明理工大學建筑工程學院云南省土木工程防災重點實驗室1) 昆明 650504) (楚雄彝族自治州自然資源和規劃局2) 楚雄 675000) (云南省交通規劃設計研究院有限公司3) 昆明 650000) (昭通昭樂高速公路投資開發有限公司4) 昭通 657000) (昭通市交通建設工程質量安全監督局5) 昭通 657000) (云南暢坦科技有限公司6) 昆明 650500)

0 引 言

相較于普通瀝青混合料，骨架密實型瀝青混合料擁有強度高、抗車轍能力強、密水及抗滑性能好等眾多優勢，可避免或延緩早期破壞，延長路面的使用壽命[1-3].

骨架密實型瀝青混合料的設計方法眾多，對應研究的方法和手段也迥然不同[4].葛折圣等[5]提出粗集料間隙率最小值的概念與測定方法，由此定義混合料級配干涉系數.邱穎峰等[6]提出了骨架密實度和骨架撐開度兩個結構評價參數.現有研究的側重點傾向于實現骨料嵌擠密實功能上，忽略了粗、細集料的比例問題.而粗、細集料并不是單純地填充，而是會顯著影響瀝青混合料空隙率[7].瀝青混合料的空隙率決定其耐久性、抗老化和抗水損壞等方面的路用性能，同時也是施工質量控制時的重要指標之一[7-8].

針對骨架型瀝青混合料粗集料與細集料的比例設計主要依賴于經驗，而且驗證過程繁瑣.文中基于逐級填充理論，設計出骨架為主、細料密實填充的多級嵌擠密實級配.通過標準馬歇爾試驗，以空隙率為評價指標，分析了4.75～9.5 mm礦料用量、CA值及第四篩孔的FAp比對強骨架瀝青混合料空隙率的影響規律.

1 試驗方案設計

以粗集料堆積試驗、簡化后的VCADRC檢驗法設計的13型骨架密實型瀝青混合料為研究對象，為消除油膜厚度對瀝青混合料空隙率的影響，采用固定瀝青油膜厚度的方法.通過成型標準馬歇爾試件，以空隙率為評價指標，開展粗、細集料干涉作用對瀝青混合料空隙率的影響試驗研究，具體試驗方案如下.

1) 骨架設計 設計采用逐級填充理論，由于骨架密實結構中骨架的緊密程度是有一定范圍的，因此采用粗集料的干搗實密度設計骨架，其骨架是最緊密度.設計將粗集料干搗實堆積試驗中VCADRC作為骨架設計標準.

2) 填充設計 單位體積V0被粗骨料填充，再由細集料、填料、有效瀝青及目標空隙去填充間隙，從而實現骨架嵌擠與優良密實度.

根據簡化后的VCADRC檢驗方法[9]，簡化可以得到基本公式為

Vca+Vfa+VD+Vfi+Va=V0

(1)

3) 在骨架瀝青混合料級配基礎上，根據粗集料單因素檢驗法，改變4.75～9.5 mm礦料用量和CA值，分析粗集料干涉作用對混合料空隙率的影響.

4) 基于強骨架級配，根據貝雷法中FA法計算細集料用量，將0.075 mm篩孔作為第四控制篩孔，以此計算FAp比.采用正交試驗方法，根據3個FA值設計試驗方案，研究細集料干涉作用對混合料空隙率的影響.

2 骨架型瀝青混合料級配確定

2.1 原材料

為減小礦料表面裹附雜質對試驗結果的影響，集料均通過水洗篩分處理.粗集料采用玄武巖，細集料采用石灰巖，礦粉為石灰巖磨細制成.原材料各技術指標均符合文獻[10]要求，粗集料體積指標見表1，SBS I-D型改性瀝青技術指標見表2.

表1 粗集料體積指標

表2 殼牌基質SBS Ι-D型改性瀝青技術指標

2.2 級配確定

2.2.1試驗步驟

步驟1按照T0309-2005《公路工程集料試驗規程》中粗集料堆積密度試驗，采用式(2)計算粗集料間隙率.

(2)

式中：VCADRC為粗集料骨架間隙率，%；ρ為粗集料的自然堆積密度，t/m3；ρb為粗集料的毛體積密度，t/m3.

步驟2根據逐級填充理論，將低一級粒徑為Di+1的集料以不同比例填充到Di的間隙，選取最小間隙率對應的集料比例.

步驟3重復步驟2，集料依次填充，最后得到各級粗集料的級配比例與間隙率的關系曲線.

2.2.2骨料堆積試驗

將不同比例的9.5～13.2 mm、4.75～9.5 mm兩檔料進行堆積，可得到不同骨架的粗、細級配比例對應的體積指標，見表3.

表3 粗集料堆積

當集料組成的干搗密度取得最大值時，各檔礦料表面之間會緊密接觸，最有利于發揮骨架級配的骨架作用[11-12].結果表明：當9.5～13.2，4.75～9.5 mm兩檔粗料比例為60∶40時，搗實密度最大，粗料間隙率VCADRC最小.

2.3 CBR骨架檢驗

試驗依照JTG E40-2007《公路土工試驗規程》，進行對應比例的粗集料CBR試驗，見圖1.

圖1 CBR結果

由圖1可知：5 mm的值均大于2.5 mm，故選擇5 mm的CBR值作為結果.在70∶30～58∶42的范圍內出現波峰，其中60∶40的條件下力學性能最優，其結果對應堆積試驗中粗料間隙率VCADRC最小.并且滿足緊密骨架級配的粗集料總含量的60%以上的條件[13].證明粗料中粗細比為6∶4時，其骨架結構的力學性能為優.對應13型骨架密實級配中粗骨料比例為70∶30～58∶42的范圍，可形成骨架結構.

2.4 細料填充確定

骨架級配設計中粗集料要互緊密接觸，成為承受行車載荷的主體.瀝青砂膠填充在骨料的孔隙中，并黏結骨料成為整體，起到共同承受載荷的作用.瀝青混合料須設計3%～4%的空隙率，這樣的骨架密實結構即有良好的密實防滲水性能，又能很大程度地提升高溫抗變形能力，并且兼具表面粗糙度大的防滑特點.

根據式(2)，現預設級配的空隙率為4%，預設礦粉用量為6%，根據堆積試驗結果，當粗料比例為6∶4時，粗料間隙率為39.6%，代入式(2)得：

(3)

式中：PCA為混合料中粗集料的含量；39.6%為60∶40時的粗料間隙率；PD為混合料中瀝青含量，4.8%；GD為瀝青的相對密度，1.03；Pfa為混合料中細集料含量，100-PCA；Gfa為細集料的平均毛體積密度，2.6；Pfi為混合料中礦粉的含量，6%；Gfi為礦粉視密度，2.7；Va為設計空隙率，4%.

在確定骨架比例后，上下限之間的變化范圍不宜過大，且為提升高溫穩定性，摻配后的級配曲線須保持圓滑.式(3)計算可知，粗、細集料比例為6∶4.

2.5 確定級配并固定油石比

根據計算可確定空隙率為4%、油石比為4.9%，基礎級配見表4.

表4 4%孔隙率確定的基礎級配

對應粗集料VCAmix=39.03%小于粗集料松裝空隙率VCADLC=41.6%，滿足貝雷法提出的密集配瀝青混合料的骨架緊密程度[14].

以基礎級配的4.9%最佳油比，可反推油膜厚度為8.05 μm，將這個厚度為基準，根據集料變化，保持不同級配油膜厚度不變，可除去因瀝青量對空隙率的影響.

集料的比表面積SA計算式為[15]

SA=∑(Pi×FAi)

(4)

式中:SA為所有集料的比表面積；Pi為粒徑i的通過質量分數；FAi為粒徑i的集料的表面積系數.

3 不同因素對空隙率影響研究試驗

將粗集料分為3個粒級(分別為16.0～13.2,13.2～9.5和9.50～4.75 mm)，試驗采用的骨架型級配設計空隙率為4%，在9.5～13.2,4.75～9.5 mm兩檔集料比例為60∶40時，粗料間隙率VCADRC最小、堆積密度最大，骨架結構最優.在骨架干涉作用中，4.75～9.5 mm用量為影響因素之一，而貝雷法中比例參數CA值比可作為骨架檢驗方法.

3.1 9.5 mm通過率對瀝青混合料空隙率的影響

保持粗、細集料比例為6∶4(即9.5～13.2和4.75～9.5 mm礦料的比例為6∶4)，2.36 mm以下細集料通過率不變.通過標準馬歇爾試驗方法，以5%為間隔變化9.5 mm通過率，改變4.75～9.5 mm用量，研究其對混合料空隙率的影響.5個級配4.75～9.5 mm的用量分別為34.4%、29.4%、24.4%、19.4%、14.4%.試驗結果見表5.

表5 9.5 mm通過的質量分數對空隙率的影響

由表5可知：空隙率與4.75～9.5 mm用量相關程度很大.隨著其用量增大，空隙率增大，并且在19.4%～24.4%范圍內穩定.當用量占比超24.4%臨界條件時，會撐開骨架結構導致混合料空隙率迅速變化.24.4%臨界值之前，9.5 mm通過率每增大5%，空隙率增大0.3%.超過臨界值24.4%時，空隙率增大0.9%，這是因為粗集料間隙率逐漸改變為單一集料的堆積情況，空隙率快速變化.繼續增加用量后，空隙率變化較小，為0.3%.因為試驗在骨架的條件下進行，空隙率隨9.5 mm通過率的變化幅度小.因此4.75～9.5 mm用量不能過大，而且在24.4%臨界之前對空隙率影響較小.

3.2 CA值對瀝青混合料空隙率的影響

貝雷法是瀝青混合料的設計方法，也是檢驗方法.通過CA值對粗集料中骨架進行設計和評價，具體計算見式(5).以最大公稱粒徑D的22%對應的篩孔孔徑(pcs=D×0.22)作為粗料中粗細集料的分界點.

CA=(PD/2-PPCS)/(100-PD/2)

(5)

式中：PD/2、Ppcs分別為混合料級配曲線在D/2篩孔孔徑、pcs的通過率.

對于AC-13瀝青混合料，D=13 mm，pcs取最近的2.36 mm孔徑，D/2取4.75 mm.

粗集料中9.5～13.2 mm：4.75～9.5 mm的比例保持60∶40骨架結構.細集料2.36 mm以下細集料通過率不變，通過以5%的變化規律改變4.75 mm通過率，從而改變粗料中CA值的變化.通過標準馬歇爾試驗測定空隙率，設計通過率見表6.不同CA值對應粗集料空隙率和間隙率見圖2.

表6 不同CA值設計通過率試驗結果

圖2 不同CA值對應粗集料空隙率和間隙率

由圖2可知：隨著CA比增大，細集料對粗集料干涉作用越來越明顯.因為整個粗集料組成向單一粒徑方向發展，礦料間隙率越來越大，造成瀝青混合料難以壓實[16].當CA值<0.15時，由于粗骨料在粗料中所占比例較高，導致空隙率變大；CA值=0.15時，骨架空隙填充充分，VMA最小，CA比在0.15之前，增大0.1，對應空隙率增加1%；當CA值>0.15時，粗料中的細骨料增多造成干涉，撐開骨料形成的空隙，導致混合料中的空隙率大幅度變大.CA比增大0.2，空隙率對應增大1%.

由表6可知：在集料骨架形成以后，不同CA比的瀝青混合料在力學性能方面相當，且在集料骨架的形成過程中無規律性關系.當CA值在0.15時，對應VMA最小，結構最強.

3.3 細集料對瀝青混合料空隙率的影響

逐級填充理論中粗骨料的空隙來決定細集料的填充量，并以此推廣到下一級的細集料，以此類推填充骨架.貝雷法提出將細集料分為可控的第二、三控制篩孔，以FA檢驗法對相應篩孔進行控制計算，而其他非控制篩孔通過泰波公式設計以減少對試驗結果的影響.礦粉用量對瀝青混合料的路用性能影響較大，而貝雷法中并未提及計算礦粉相關的方法.因此結合貝雷法的FA比檢驗方法，將礦粉作為第四篩孔控制[17-18]，可得到礦粉對試驗的具體影響，計算公式為

FAp=PMCS/PTCS

(6)

骨架條件下，第二、三、四控制篩孔每3個因素，設計正交實驗，以單檔關鍵篩孔變化，考慮細集料綜合變化條件下對應空隙率的變化，正交試驗因素見表7.

表7 正交試驗因素

因素水平表設計見表8.細集料通過率設計中，保持2.36 mm的第一控制篩孔通過率不變，通過FA公式計算對應正交因素，來確定第二、三、四控制篩孔的通過率.而未參與FA公式計算的1.18、0.3 mm的通過率，通過(P1/P2)=(d1/d2)n插值計算[19]，減少這兩檔細集料對試驗結果的影響，試驗設計通過率見表9.

表8 因素水平表設計

表9 細集料變化設計通過率

表10為方差結果，圖3為細集料通過率變化對應空隙率.

由表10和圖3可知：通過極差計算FAf>FAc>FAp，方差結果中F0.1(2,2)=9A>C.即0.15～0.3 mm粒徑的細集料對瀝青混合料的空隙率影響作用最大，其次為0.6～1.18 mm最后為0.15～0.075 mm.其中A3A3A3為最優方案，即細集料關鍵控制篩孔控制為FAc=0.5，FAf=0.5，FAp=0.8時填充效果最好.

表10 方差結果

圖3 細集料通過率變化對應空隙率

4 結 論

1) 以VCADRC為骨架設計指標，結合CBR力學性能驗證，推薦13型骨架密實型級配中粗料比例為70∶30～58∶42，可形成骨架結構.VCADRC檢驗方法可根據粗集料堆積VCADRC、預設空隙率及現場材料的體積指標，設計出填充效果優的骨架密實型瀝青混合料，同時可對該種級配進行快速驗證.

2) 4.75～9.5 mm礦料用量在19.4%～24.4%范圍內，空隙率接近設計空隙率且力學性能較穩定.CA比超過0.15臨界值后，粗集料對骨架結構干涉作用加強.同時在集料骨架形成之后，不同CA比的力學性能大致相同，與骨架的形成過程無規律性.

3) 在骨架結構中，細集料對混合料的空隙率的影響最大差值可達6.5%.0.15～0.3 mm粒徑的集料填充對空隙率影響最大，其次為0.6～1.18 mm最后為0.15～0.075 mm.細集料關鍵篩孔推薦值為FAc=0.5，FAf=0.5，FAp=0.8.

4) 本文以貝雷法FA值檢驗法設計細集料填充試驗，雖然通過插值法對未計算到的1.18，0.3 mm篩孔進行控制，排除對試驗結果的干擾，但是在實際應用中兩個粒徑及其他因素對空隙率的關聯性有待驗證.