OGFC瀝青路面混合料級(jí)配設(shè)計(jì)研究

（青蘭高速公路沂源管理處 山東沂源 250000）

[摘 要] 通過對(duì)各種關(guān)鍵篩孔試驗(yàn)，研究了OGFC瀝青路面混合料設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵篩孔影響度，分析了不同粒徑礦料對(duì)級(jí)配設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)，得出了OGFC瀝青路面混合料空隙率與各主要篩孔通過率的關(guān)系以及空隙率與連通空隙率的相關(guān)性，并在此基礎(chǔ)上確定出透水性瀝青混合料的合理級(jí)配范圍。

[關(guān)鍵詞] 透水性 瀝青混合料 關(guān)鍵篩孔

1 引言

瀝青混合料的級(jí)配組成對(duì)其力學(xué)性能及使用性能具有十分重要的影響。透水性瀝青混合料所采用的級(jí)配按現(xiàn)行級(jí)配類型來分，屬于開級(jí)配，是一種間斷級(jí)配，即在礦質(zhì)混合料中剔除其中一個(gè)分級(jí)或幾個(gè)分級(jí)，形成的一種不連續(xù)的級(jí)配。間斷級(jí)配以魏矛斯干涉理論為基礎(chǔ)，通常是以一個(gè)連續(xù)級(jí)配的集料為骨架，而用另一連續(xù)級(jí)配細(xì)集料填隙而成。這種混合料在理論上不僅具有足夠的顆粒形成具有較高強(qiáng)度的空間骨架，同時(shí)又有一定細(xì)集料填充骨架空隙，使混合料內(nèi)部摩阻力和粘結(jié)力都較高。透水性瀝青混合料與其它瀝青混合料相比，最顯著的特點(diǎn)就是具有較大的空隙率（一般為15%～25%）。而混合料的空隙率主要取決于集料的級(jí)配組成和顆粒形狀、瀝青含量以及混合料的壓實(shí)程度。其中集料級(jí)配組成是控制混合料空隙率大小的首要因素，為此，首先要找到對(duì)混合料空隙率產(chǎn)生最顯著影響的篩孔通過率[1]。

2 不同粒徑礦料對(duì)級(jí)配設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)

關(guān)于礦料合成級(jí)配中各篩孔對(duì)混合料空隙率、穩(wěn)定度和流值等指標(biāo)的影響，國內(nèi)外已有過很多研究，?？∶鞯热送ㄟ^正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果表明（試件采用馬歇爾試件，空隙率測定采用體積法）[2]：對(duì)空隙率影響最顯著的因素是粗骨料（4.75mm以上）含量，每增加5%粗骨料，空隙率增加約3%；其次是4.75mm～9.5mm骨料含量，再其次是瀝青用量；對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度影響最顯著的因素也是粗骨料（4.75mm以上）含量，其次是4.75mm～9.5mm骨料含量，影響最小的是瀝青用量；對(duì)流值影響最顯著的因素亦是粗骨料（4.75mm以上）含量，其次是瀝青用量，最小的是4.75mm～9.5mm骨料含量，Mallick等人的研究也顯示，當(dāng)4.75mm篩孔的通過率等于或小于15%時(shí)，混合料中碎石存在石與石間的接觸，這種接觸方式可以提高混合料的連通空隙率和抗車轍能力，但會(huì)降低混合料的耐久性，因此，即使同樣的設(shè)計(jì)空隙率，有必要對(duì)各主要篩孔的通過率進(jìn)行試驗(yàn)研究，確?；旌狭系墓δ苄院湍途眯跃_(dá)到最高的水平。

根據(jù)粒徑大小，透水性瀝青混合料可分OGFC-16，OGFC-13，OGFC-10等不同類型，為了便于分析，同時(shí)結(jié)合依托工程要求，本文僅對(duì)OGFC-13配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，其余類型的混合料設(shè)計(jì)方法與此相同。

為了盡量減少重復(fù)試驗(yàn)的次數(shù)，并保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，本文采用正交L16（45）設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)級(jí)配，分析篩孔通過率對(duì)混合料空隙率的影響[2， 4]。試驗(yàn)中最大公稱粒徑為13.2mm，以空隙率和連通空隙率為檢測指標(biāo)，考察9.5mm，2.36mm，1.18mm，0.075mm篩孔通過率以及4.75mm與2.36mm篩孔的通過率之差5個(gè)因素，每個(gè)因素考慮4種水平，如表1所示。其余篩孔通過率可由已確定的篩孔通過率按內(nèi)插法計(jì)算得到。按此種方法設(shè)計(jì)的級(jí)配共16組，除去組合后不成立的級(jí)配，剩余組合級(jí)配如表2所示。

表1 試驗(yàn)考察因素、每個(gè)因素的水平及試驗(yàn)檢測指標(biāo)

編號(hào)考察因素考察水平（%）檢測指標(biāo)

1

2

3

4

9.5mm篩孔的通過率60，67，74，80空隙率

連通空隙率

22.36 mm篩孔的通過率8，13，18，23

31.18 mm篩孔的通過率6，10，14，18

40.075 mm篩孔的通過率2，3.5，5，6.5

54.75mm與2.36mm篩孔通過率之差0，4，8，12

表2 試驗(yàn)級(jí)配方案

級(jí)配編號(hào)各篩孔（mm）的通過率（%）估算油石比（%）

1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075

110095608865.0 4.0 3.0 22.9

210095601713108.4 6.8 5.1 3.54.7

3100956026181411.8 9.5 7.3 56.5

4100956035231815.1 12.3 9.4 6.58.4

51009567301865.4 4.8 4.1 3.54.2

610095673123108.0 6.0 4.0 23.8

710095741818109.1 8.3 7.4 6.56.9

81009574272365.8 5.5 5.3 55.3

9100958022181814.0 10.0 6.0 24.9

10100958023231411.4 8.8 6.1 3.55.5

本試驗(yàn)中主要考慮混合料級(jí)配對(duì)空隙率及連通空隙率的影響，由于瀝青用量的變化對(duì)空隙率也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，為減少這種影響，瀝青用量應(yīng)選用最佳瀝青用量，目前規(guī)范中采用經(jīng)驗(yàn)公式來估算最佳瀝青用量，即先通過經(jīng)驗(yàn)公式求得集料的比表面積，假定瀝青膜的厚度，二者的乘積即為估算瀝青用量，然后再通過析漏試驗(yàn)對(duì)瀝青用量進(jìn)行校核。集料比表面積A的估算公式為：

A=（2+0.02a+0.04b+0.08c+0.14d+0.3e+0.6f+1.6g）/48.74 （m2/kg） （1）

式中：a、b、c、d、e、f、g分別為4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075mm篩孔的通過百分率。

瀝青用量=礦料比表面積A×瀝青膜厚h （2）

瀝青膜厚h一般瀝青混合料取8～10μm[4]，對(duì)于透水性瀝青混合料而言，由于其空隙率較大，考慮到外界環(huán)境因素對(duì)耐久性的影響，結(jié)合規(guī)范推薦值，瀝青膜厚度h宜取14μm[2]。計(jì)算結(jié)果換算為油石比如表2所示。從表中結(jié)果可以看出，對(duì)不同級(jí)配，由計(jì)算方法估計(jì)的瀝青用量差別較大，油石比最大高達(dá)8.4%，最小僅為2.9%。針對(duì)此種情況，對(duì)每組級(jí)配分別采用3.5%，4.1%，4.7%，5.3%，6.0%5種油石比下進(jìn)行析漏試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)和飛散試驗(yàn)，并確定各個(gè)級(jí)配的最佳油石比及最佳油石比下的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，比較兩次的結(jié)果，對(duì)有些級(jí)配，油石比的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果基本一致，而有些級(jí)配最佳油石比的計(jì)算值與試驗(yàn)值相差甚遠(yuǎn)，說明現(xiàn)行規(guī)范中的集料表面積的計(jì)算公式有一定的局限性。對(duì)所選的10種試驗(yàn)方案中級(jí)配的影響因素進(jìn)行定量的分析如下：

表3 各種級(jí)配在最佳油石比下混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果匯總

級(jí)配編號(hào)油石比（%）毛體積密度（g/cm3）理論密度（g/cm3）空隙率（%）連通空隙率（%）穩(wěn)定度（KN）流值（0.1mm）

14.11.865 2.549 26.9 21.7 5.235.0

24.71.948 2.523 22.8 19.5 6.449.9

35.22.075 2.519 17.1 12.0 9.463.5

45.32.203 2.495 11.7 7.5 11.459.4

54.72.0152.516 19.9 15.5 7.740.0

65.32.109 2.495 15.5 8.6 9.642.1

74.52.013 2.524 21.1 16.2 6.834.4

85.32.029 2.498 18.812.8 9.038.6

94.72.084 2.520 17.3 12.7 8.439.1

105.32.126 2.499 15.0 8.6 10.447.3

圖1 各主要篩孔通過率與油石比及空隙率的關(guān)系圖

圖2 空隙率與穩(wěn)定度的關(guān)系

2.1 2.36mm通過率的影響

對(duì)于最大公稱粒徑為13.2mm的級(jí)配來說，以2.36mm篩孔來劃分粗細(xì)集料較為合理，對(duì)比表2、表3中的結(jié)果可以看出：

①2.36mm通過率增加時(shí)，礦料表面為了達(dá)到相同要求的瀝青膜厚度，混合料的瀝青用量將增加。2.36mm通過率每增加1%，達(dá)到相同瀝青膜厚度時(shí)所要求的最佳油石比會(huì)相應(yīng)增加0.1%左右；

②在相同瀝青用量情況下，2.36mm通過率增加，由粗集料形成的空隙將被細(xì)集料填充，而使得混合料的空隙率減小。2.36mm通過率每增加1%，空隙率將減小1%左右，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，二者接近成反比關(guān)系。

2.2 9.5mm通過率的影響

對(duì)比表2、表3中級(jí)配3，級(jí)配5和級(jí)配7的結(jié)果，可以看到：當(dāng)混合料中細(xì)集料（小于2.36mm）含量相同時(shí)， 9.5mm通過率對(duì)空隙率有一定的影響，當(dāng)9.5mm通過率從60%增加到67%，再增加到74%時(shí)，空隙率依次為17.1%、19.9%、21.1%，即9.5mm通過率每增加3.5%，相應(yīng)的混合料的空隙率就會(huì)增加1%，相比2.36mm通過率對(duì)空隙率的影響來說，雖然顯得弱了一些，但也應(yīng)引起重視。而日本排水路面技術(shù)規(guī)范中對(duì)9.5mm通過率不加控制，認(rèn)為9.5mm篩孔通過率對(duì)空隙率的影響很小，這一點(diǎn)有待進(jìn)一步驗(yàn)證。當(dāng)9.5mm通過率由74%增加到80%時(shí)，空隙率反而下降，是因?yàn)榇藭r(shí)1.18mm通過率明顯增大，細(xì)集料在起粘結(jié)作用的同時(shí)也填充了粗集料形成的骨架空隙，從而導(dǎo)致混合料內(nèi)部空隙率下降。

2.3 1.18mm通過率的影響

對(duì)比表2、表3中級(jí)配4，級(jí)配6、級(jí)配8和級(jí)配10的結(jié)果，可以看到：當(dāng)混合料中細(xì)集料含量相同，且油石比也恒定的情況下， 1.18mm通過率影響著空隙率的大小，當(dāng)1.18mm通過率由6%上升到18%時(shí)，相應(yīng)的空隙率由18.8%降到11.7%，即1.18mm通過率每增加1.7%，對(duì)應(yīng)混合料中空隙率就會(huì)下降1%。

2.4 4.75mm通過率的影響

對(duì)比表2、表3中級(jí)配4，級(jí)配6、級(jí)配8和級(jí)配10的結(jié)果，可以看到：在混合料中粗集料（大于2.36mm）含量及油石比一定的情況下，當(dāng)4.75mm通過率由23%變化到35%的過程中，空隙率分別為15.0%、18.8%、15.5%和11.7%，空隙率先增加后減小，出現(xiàn)一個(gè)峰值，說明在混合料的級(jí)配組成中，要達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)空隙率2.36mm～4.75mm的含量應(yīng)該有一個(gè)最佳值。

2.5 空隙率對(duì)穩(wěn)定度的影響

由圖2可以看出，空隙率與穩(wěn)定度之間存在良好的相關(guān)性。

式中：S-馬歇爾試件的穩(wěn)定度，kN；

-空隙率，%。

3 結(jié)論

3.1 對(duì)空隙率影響最顯著的是2.36mm篩孔通過率。當(dāng)2.36mm通過率增加1%時(shí)，達(dá)到相同瀝青膜厚度時(shí)所要求的最佳油石比將增加0.1%左右；在相同瀝青用量情況下2.36mm通過率每增加1%，空隙率將減小1%左右。

3.2其次對(duì)空隙率影響較顯著的是1.18mm通過率，當(dāng)混合料中細(xì)集料含量相同，且油石比恒定的情況下，1.18mm通過率每增加1.7%，對(duì)應(yīng)混合料中空隙率就會(huì)下降1%。

3.3再次對(duì)空隙率影響較顯著的是9.5mm通過率，當(dāng)混合料中粗集料（大于2.36mm）含量一定時(shí)，9.5mm通過率每增加3.5%，相應(yīng)的混合料中的空隙率就會(huì)增加1%。但是日本排水路面技術(shù)規(guī)范中對(duì)9.5mm通過率不加控制，認(rèn)為9.5mm篩孔通過率對(duì)空隙率的影響很小。研究中還發(fā)現(xiàn)混合料中2.36mm～4.75mm的含量應(yīng)該有一個(gè)最佳值。

3.4 通過對(duì)10種礦料級(jí)配主要篩孔通過率與空隙率關(guān)系的回歸分析，也發(fā)現(xiàn)2.36mm通過率是影響空隙率的最主要的因素，得出了透水性瀝青混合料空隙率與各主要篩孔通過率的關(guān)系以及空隙率與連通空隙率的相關(guān)性，并在此基礎(chǔ)上確定出透水性瀝青混合料的合理級(jí)配范圍。

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