基于貝雷法瀝青混合料礦料級配設(shè)計方法探究

王勇智，王 代，劉 亮

(1.中州大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，鄭州450044;2.河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司，鄭州450052)

瀝青混合料由粗集料、細集料、填料及瀝青結(jié)合料所組成，其中在混合料中粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)，細集料填充其間空隙，瀝青和填料形成的瀝青膠結(jié)料將粗細集料粘結(jié)在一起，從而形成骨架密實結(jié)構(gòu)，以具有良好的高、低溫穩(wěn)定性、耐久性等路用性能。優(yōu)良的路用性能需要良好的級配設(shè)計來實現(xiàn)。

目前的級配設(shè)計大多根據(jù)主控制篩孔的通過率，選取粗、中、細三種級配類型，通過礦料間隙率、瀝青飽和度等參數(shù)的比選來確定級配。由于大多數(shù)粗、細兩種級配要么太粗要么太細，存在某些體積指標(biāo)不能滿足要求，所以絕大多數(shù)選取中間級配，這就造成級配比選失去了意義。并且瀝青混合料的性能不僅主控制篩孔通過率對其有著影響，粗、細集料內(nèi)部之間的比例關(guān)系也對瀝青混合料的骨架穩(wěn)定度有著不可忽視的作用。

本文依次通過粗集料單因素振實試驗、細集料搗實試驗并借鑒貝雷法設(shè)計密度的概念，以AC-20型混合料礦料級配為例進行設(shè)計，從理論上確定粗、細集料內(nèi)部間的組合和粗、細礦料之間的比例關(guān)系。

1.原材料試驗

本次試驗采用新鄉(xiāng)石灰?guī)r石料。首先對粗、細集料篩分成各檔，并測定各檔的毛體積相對密度，具體分檔及其毛體積相對密度見表1和表2。

表1 各檔粗集料毛體積相對密度

表2 各檔細集料毛體積相對密度

2.粗集料單因素振實試驗

粗集料在混合料中的作用主要是形成穩(wěn)定的骨架，本次通過單因素振實試驗，以骨架空隙率最小值為目標(biāo)函數(shù)，來確定粗集料各檔之間的比例。具體試驗方法為首先選取1#(26.5～19.0mm)與2#(19.0～16.0mm)通過不同比例的摻配，摻勻后分兩層裝入直徑為25cm、體積為11711cm3的圓柱形內(nèi)，放在振動臺上，并在其上放一直徑與試筒一致、厚為5cm的壓塊，每層振動60s。計算各不同比例下的礦料剩余空隙率，以礦料剩余空隙率最小值為最佳摻配比例，再通過相同的方法，求出1#+2#與3#(16.0～13.2mm)的最佳比例，依次求出粗集料內(nèi)部各檔之間的最佳比例，見圖1。從圖上曲線走勢可以看出，隨著不同粒徑集料比例的逐漸增加，粒徑較粗的集料之間的空隙逐漸被下一檔較細集料所填充，剩余空隙率減少，但下一檔集料增加到一定比例后，較粗集料間的大多空隙已被下一檔集料所填充，并且逐漸干涉較粗集料間的接觸，剩余骨架空隙率又逐漸增大。

通過振實試驗，粗集料內(nèi)部各檔之間的最佳比例為 1#∶2#∶3#∶4#∶5#=14.7∶6.3∶21.0∶18.0∶40.0。

3.細集料內(nèi)部組成顆粒級配設(shè)計

細集料在混合料中的作用為填充粗集料形成的骨架，通常認(rèn)為細集料越密實越有利于粗集料骨架的穩(wěn)定，為了研究細集料內(nèi)部之間的比例，選取泰波公式不同的n值，設(shè)計7種級配，見表3。通過搗實試驗，以剩余空隙率最小值為目標(biāo)函數(shù)，求得細集料最佳的內(nèi)部比例。本次試驗采用直徑為15cm，體積為3074cm3圓筒，分三層搗實，每層各搗實25次。不同n值的搗實剩余空隙率結(jié)果見表4、圖2。從搗實結(jié)果可以看出n為0.45時，剩余骨架空隙率最小。

圖1 粗集料內(nèi)部各檔最佳比例

表3 不同n值下各檔細集料的比例

表4 不同n值各種級配搗實試驗剩余空隙率

圖2 不同m值下的剩余空隙率

4.粗細集料比例大小設(shè)計

如何確定粗細集料之間的比例，在目前瀝青混合料馬歇爾設(shè)計中通常是以4.75mm篩孔的通過率設(shè)計粗、中、細三種級配，但具體如何確定三者用量缺乏理論依據(jù)，本文借鑒貝雷法級配設(shè)計思想，以下面的公式來確定粗細集料內(nèi)部之間的比例。

對于AC-20型瀝青混合料，其主控制篩孔PCS為4.75mm;0.075mm篩孔的通過率選取級配范圍中值，即P0.075為5%。通過粗集料單因素振實試驗和細集料搗實試驗結(jié)果，即可得到細集料干搗實密度和粗集料合成毛體積密度。粗集料設(shè)計密度是人們想要達到的粗集料骨架的緊密程度，一般用粗集料松裝密度的百分率表示，通常取松裝密度的95%～105%。設(shè)計密度大于松裝密度的105%時，集料容易壓碎且難以壓實;小于95%時骨架結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。本次以粗集料振實密度為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計密度選取粗集料振實密度的 90%、95%、100%、105%、110%，由式(1)，即可計算出不同設(shè)計密度時的主控制篩孔通過率，即粗細集料之間的比例。

表5 粗集料不同設(shè)計密度下的PCS值

5.AC-20礦料級配設(shè)計

最終由單因素振實試驗和細集料搗實試驗結(jié)果確定的粗、細集料內(nèi)部比例和PCS值即可確定不同 設(shè)計密度下的礦料級配見表5、表6和圖3。

表6 不同設(shè)計密度下的礦料級配

6.結(jié)論

本文從粗、細集料在混合料中的作用出發(fā)，并結(jié)合貝雷法級配設(shè)計思想，采用單因素振實試驗、細集料搗實試驗，以剩余空隙率最小值為目標(biāo)函數(shù)，對粗、細集料內(nèi)部組合進行設(shè)計，并采用粗集料設(shè)計密度來對粗細集料比例進行優(yōu)化，從理論上建立了混合料中各種礦料間的比例關(guān)系。

(1)通過單因素振實試驗，以剩余空隙率最小值為目標(biāo)函數(shù)，確定了粗集料間的最優(yōu)組合。

(2)通過泰波級配理論，設(shè)計不同n值的細集料級配組合，并通過搗實試驗，以礦料剩余空隙率最小值為目標(biāo)函數(shù)，確定了細集料間的最優(yōu)組合。

(3)以粗集料振實密度為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)骨架穩(wěn)定度要求，選擇設(shè)計密度并以此確定了粗細集料間的比例關(guān)系。最終從理論上設(shè)計了不同設(shè)計密度下的礦料級配組成。

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