淺談如何提高Superpave瀝青混合料礦料間隙率

盧文鋒 楊愛(ài)民

Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)體系的核心是設(shè)計(jì)集料特性以及體積特性。如果能滿足這兩種特性，則最終設(shè)計(jì)出的瀝青混合料應(yīng)具備以下特點(diǎn):具有足夠的骨架以抵抗永久變形;具有足夠的瀝青結(jié)合料以抵抗疲勞及老化變形;具有足夠的空隙率以防止塑性變形及永久變形。

1 問(wèn)題的提出

Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到如何設(shè)計(jì)出足夠的VMA，這種問(wèn)題混合料的典型表現(xiàn)是:VMA較低以及對(duì)級(jí)配變化不敏感。例如:最大公稱粒徑19 mm的瀝青混合料要求的最小VMA是13%。如果研究者總是在禁區(qū)下進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)所有試驗(yàn)的混合料估計(jì)的VMA都在12%以下。進(jìn)一步研究還會(huì)發(fā)現(xiàn)若在禁區(qū)下允許的范圍內(nèi)變化級(jí)配，則VMA始終徘徊在12%左右，怎么也達(dá)不到13%。雖然摻加一定量的砂子將會(huì)推開(kāi)集料，增加VMA。但是若試驗(yàn)的混合料在限制區(qū)內(nèi)時(shí)，VMA不滿足又會(huì)怎么樣，怎樣去做。

首先，設(shè)計(jì)者應(yīng)該意識(shí)到集料顆粒的壓實(shí)特性及VMA與以下幾個(gè)因素有關(guān):集料級(jí)配、集料表面構(gòu)造、集料形狀。

Superpave混合料設(shè)計(jì)中有兩個(gè)矛盾:1)集料間的空隙必須被最低數(shù)量的瀝青結(jié)合料所填充;2)集料必須有較強(qiáng)的骨架結(jié)構(gòu)以抵抗車輛荷載。Superpave規(guī)范要求在盡量不削弱集料骨架的前提下獲得足夠的VMA。因此筆者認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面考慮提高Superpave瀝青混合料的VMA。

1.1 級(jí)配影響

1)降低通過(guò)0.075 mm篩的含量。減少混合料中細(xì)料含量將增加VMA。這一變化雖然不完全是由級(jí)配變化引起的，然而，不可否認(rèn)降低0.075 mm含量對(duì)VMA具有較大的影響。將細(xì)料含量降低到規(guī)范要求的最小值，將會(huì)使VMA值達(dá)到最大。如果細(xì)料含量來(lái)源于礦質(zhì)填料，那么調(diào)整級(jí)配僅僅是減少所用細(xì)料含量的問(wèn)題。如果細(xì)料大多數(shù)來(lái)源于某一粒徑，那么應(yīng)該盡量減少那一粒徑集料的用量。如果人工集料在混合之前僅僅進(jìn)行過(guò)篩分，那么有必要對(duì)它們進(jìn)行水洗或者重新進(jìn)行水洗篩分。但是在采用這些方法之前，應(yīng)該先試試別的容易提高VMA的方法。如果在混合料中摻加石屑，那么一定要添加除塵石屑。石屑將降低生產(chǎn)出的混合料的VMA。如果用的是易碎集料，那么設(shè)計(jì)中就應(yīng)考慮將會(huì)產(chǎn)生更多的細(xì)料，因?yàn)檫@些易碎集料在施工過(guò)程中容易產(chǎn)生更多的粉料。在混合料中應(yīng)用除塵石屑將使設(shè)計(jì)更精確，從而降低從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)過(guò)程中VMA的折減率。2)采用間斷級(jí)配。盡量使混合料形成間斷級(jí)配。如果能減少兩個(gè)篩孔之間的集料數(shù)量，則混合料將具有較高的VMA。這一原因同密實(shí)度有關(guān)。較小的顆粒填充較大顆粒間的空隙。采用間斷級(jí)配后粗集料的數(shù)量增加，緊挨著的下兩個(gè)粒徑之間的集料數(shù)量減少，所以混合料不可能被壓實(shí)緊密，故VMA提高。3)重新篩分料堆。如果料堆中集料尺寸范圍比較廣，則有必要對(duì)集料料堆進(jìn)行重新篩分，并按不同的比例重新混合。例如:某一工程中用移動(dòng)式拌和機(jī)進(jìn)行拌和，則用于該工程的集料礫石坑就會(huì)被壓碎，集料可能被壓碎成不同粒徑。如果在混合料設(shè)計(jì)時(shí)骨架結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在，則一個(gè)可行的辦法就是必須重新在9.5 mm篩孔上進(jìn)行篩分，砂子含量可能會(huì)增加?；旌狭显O(shè)計(jì)中不可能用集料坑里出現(xiàn)的所有砂子。如果混合料設(shè)計(jì)用的是人工集料，很顯然在設(shè)計(jì)中不同粒徑用不同的比例是很有必要的。如果VMA不可能通過(guò)某一類料堆來(lái)獲得，則可以選擇對(duì)它們進(jìn)行重新篩分，而這種方法比較容易實(shí)現(xiàn)。

1.2 表面結(jié)構(gòu)影響

在標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)功條件下(假定在設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下)，混合料將難以被壓實(shí)，所以這種混合料將會(huì)具有較高的VMA。典型的壓碎面比非壓碎面具有更多的紋理構(gòu)造，礫石集料情況下，具有壓碎面的顆粒越多，越能獲得更多的表面構(gòu)造。通常情況下，顆粒壓碎程度越大，表面紋理也越多，但也并非一直如此。因?yàn)橐恍┘系钠屏衙娣浅９饣灾劣趬核闀r(shí)不可能增加表面構(gòu)造。

1.2.1 增加人工砂的含量

如果在混合料設(shè)計(jì)中，使用人工砂和天然砂，那么增加人工砂的含量能夠增加表面構(gòu)造。當(dāng)使用棱角性好的人工砂替換20%天然砂時(shí)，將會(huì)使VMA提高2%。什么才是棱角性好的人工砂，好的嚙合力，也就是抓起一把砂子，感受一下顆粒之間互相嚙合的感覺(jué)，如果感覺(jué)砂子顆粒之間摩擦的比較厲害，那么這種砂子的鋸齒結(jié)構(gòu)就比較好。

應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，用添加細(xì)料的方法來(lái)增加表面紋理結(jié)構(gòu)也可能引起其他負(fù)面的影響。如果天然砂比較干凈，而人工砂中小于0.075 mm的粉料含量比較大，由于增加了粉塵就難以增加表面構(gòu)造。

1.2.2 增加壓碎點(diǎn)

粗集料的表面構(gòu)造能夠通過(guò)增加壓碎點(diǎn)來(lái)提高，尤其是兩面壓碎的顆粒。

1.3 顆粒形狀的影響

對(duì)于任意給定的級(jí)配，集料顆粒壓實(shí)的密實(shí)程度受顆粒形狀的影響。立方體顆粒比扁平顆粒難壓實(shí)。在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)情況下(模擬荷載條件)，扁平顆粒成平鋪，一個(gè)疊在另一個(gè)的上面。因此在它們之間是沒(méi)有空隙的，故VMA較低。

在荷載作用下，顆粒被平鋪，并發(fā)生顆粒滾動(dòng)。同樣，在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)條件下也會(huì)發(fā)生這種平鋪。然而在馬歇爾壓實(shí)條件下集料顆粒并不會(huì)自由滾動(dòng)。事實(shí)上在馬歇爾試模里，扁平細(xì)長(zhǎng)顆粒起到“橋接”作用，因此馬歇爾試件具有較高的VMA。因此當(dāng)比較馬歇爾試件及Superpave試件體積特性時(shí)，應(yīng)當(dāng)意識(shí)到這些顆粒形狀的影響。

如果混合料設(shè)計(jì)出的VMA較低，則應(yīng)檢查扁平細(xì)長(zhǎng)顆粒含量。Superpave規(guī)范將扁平細(xì)長(zhǎng)顆粒含量限制在5∶1，扁平細(xì)長(zhǎng)顆粒含量最好不超過(guò)3∶1或2∶1。

如果扁平細(xì)長(zhǎng)顆粒含量較高，假如高于40%，則應(yīng)盡可能添加具有較低扁平細(xì)長(zhǎng)顆粒含量的粗集料。有可能通過(guò)用另一種立方體集料來(lái)替換粗集料骨架中的一種集料來(lái)實(shí)現(xiàn)。添加立方體形狀的中間尺寸的粗集料將打破較大顆粒的平鋪的特性，即就是打破一個(gè)疊加在另一個(gè)的上面，這樣將增加VMA。

2 結(jié)語(yǔ)

獲得足夠的VMA是Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)中比較重要的部分。VMA僅僅是其中的一個(gè)參數(shù)，集料骨架結(jié)構(gòu)是另一個(gè)參數(shù)。對(duì)于Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)最大的困難就是如何獲得合適的VMA而又不削弱集料骨架結(jié)構(gòu)，在工程實(shí)踐中可以借鑒上述介紹的提高瀝青混合料VMA的方法。

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