回收舊集料評價(jià)及再生合成級配設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)

文鳳友

（湖南國信建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

瀝青混合料材料在道路工程中大規(guī)模的建設(shè)帶來了日益增長的養(yǎng)護(hù)任務(wù)［1，2］，道路工程中舊集料回收利用是循環(huán)發(fā)展、節(jié)能減排的有效手段［3］。原有道路中集料在服役期間由于車輛荷載等其他荷載的反復(fù)作用，導(dǎo)致集料顆粒出現(xiàn)不同程度的破碎，原混合料級配配比與初始設(shè)計(jì)配比出現(xiàn)較大變異，原設(shè)計(jì)級配配比已不能作為指導(dǎo)再生合成級配設(shè)計(jì)依據(jù)，需依據(jù)回收集料級配篩分結(jié)果進(jìn)行重新配比設(shè)計(jì)。

1 舊集料評價(jià)及變異分析

1.1 舊集料評價(jià)

依托某就地?zé)嵩偕┕ろ?xiàng)目，按照規(guī)范結(jié)對項(xiàng)目RAP料進(jìn)行抽提篩分試驗(yàn)，其集料篩分試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1和圖1分析可知，舊集料級配曲線出現(xiàn)明顯細(xì)化的現(xiàn)象，其中9.5、13.2mm篩孔的粗集料超出級配上限值，且0.075、0.15mm篩孔的細(xì)集料較大偏出配中值。這說明該級配在服役期間由于車輛荷載的長期作用導(dǎo)致其級配有一定程度的細(xì)化，還有部分集料細(xì)化可能與就地?zé)嵩偕娕儆嘘P(guān)。

表1 RAP料篩分試驗(yàn)

圖1 RAP料級配篩分結(jié)果

1.2 舊集料級配變異評價(jià)

舊集料變異主要來源于舊路面破損程度的差異與銑刨工藝造成取值樣本間級配的變異［4］，而分析樣本級配均勻程度常用方法為方差或標(biāo)準(zhǔn)差，若兩者隨機(jī)變量的方差相等時(shí)該方法則無法反映出兩個(gè)隨機(jī)變量各自的分散程度，而變異系數(shù)Cvi能反映某一變量自身的不穩(wěn)定性［5］。故采用變異系數(shù)Cvi評估舊料級配的變異性。由于級配通過率是由各篩分計(jì)篩余量計(jì)算得到的，所以級配變異系數(shù)Cvi應(yīng)采用分計(jì)篩余為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式：

式中，Pri為第i篩孔的分計(jì)篩余量，%；Pi+1為第i+1、i個(gè)篩孔的通過率，%；Cvi為第i篩孔的變異系數(shù)，%；Pv為第i篩孔分計(jì)篩余平均值，%。

由圖2分析可知，13.2、16mm篩孔的粗集料其變異系數(shù)明顯大于其他篩孔，說明16mm和13.2mm篩孔的變異性較大。0.075、2.36mm篩孔細(xì)集料比其他篩孔的細(xì)集料變異系數(shù)也較大，說明這兩檔細(xì)集料變異性較大。由圖3分析可知，2.36mm篩孔的方差較大，說明該篩孔數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。

圖2 變異系數(shù)Cvi變化示意圖

圖3 方差S2變化示意圖

由圖4分析可知，16、2.36mm篩孔的變異性對舊集料整體的變異影響比較顯著，其權(quán)重因子分別為14.62、24.32。同時(shí)，0.15mm＜0.075mm（篩底）篩孔細(xì)集料的變異性對整體變異性影響較小，其余篩孔的影響程度介于這兩者之間。綜合考慮級配離散性和權(quán)重明確了舊集料中變異性貢獻(xiàn)主要篩孔為16、13.2、2.36mm和0.075mm。

圖4 各個(gè)篩孔權(quán)重因子

2 地?zé)嵩偕鸀r青混合料級配設(shè)計(jì)

2.1 表征細(xì)度模數(shù)合成級配設(shè)計(jì)

根據(jù)RAP料的級配類型是AC-16，選擇新集料包括正大（13～16mm）碎石、正大（9～13mm）碎石、正大（6～9mm）碎石、正大（3～6mm）碎石、正大（0～3mm）碎石、2#機(jī)制砂、0.3#機(jī)制砂，填料為礦粉。

舊集料再生主要是舊集料級配的調(diào)整優(yōu)化，通過加入一定比例新集料來改善其性能。以某就地?zé)嵩偕S修改造項(xiàng)目為依托，級配設(shè)計(jì)均采用該路面的RAP料。RAP摻量以60%、70%、80%比例進(jìn)行再生料級配設(shè)計(jì)，為了合理控制舊料的變異性，選擇超出級配上限最大的A2集料作為RAP料的代表級配，由于原舊料2.36mm篩孔通過率小于38%且9.5mm和13.2mm超出級配上限，目標(biāo)級配以規(guī)范中值為參考結(jié)合舊集料特點(diǎn)設(shè)定為9.5mm以上篩孔略高于規(guī)范中值、4.75mm篩孔略低于規(guī)范中值的AC-16C型。

通過細(xì)度模數(shù)表征級配特點(diǎn)進(jìn)行合成級配設(shè)計(jì)，該方法涵蓋了0.15mm以上篩孔所有的孔徑的通過率，對于級配特點(diǎn)有較為全面的反映。所以采用細(xì)度模數(shù)表征再生合成級配有一定的代表性。其計(jì)算公式如下：

式中，Mx為細(xì)度模數(shù)；AX為各個(gè)篩孔累計(jì)篩余百分?jǐn)?shù)，%。

在進(jìn)行級配設(shè)計(jì)時(shí)為使不同RAP摻配比例的細(xì)度模數(shù)基本相同，對于不同RAP摻量采用不同的級配進(jìn)行合成級配設(shè)計(jì)。通過對新集料級配不斷的調(diào)試，各檔集料篩分通過率及摻配比例分別見表2和表3，其合成級配如表4所示。

表2 各檔集料篩分結(jié)果

表3 RAP料和各檔料調(diào)用比例

表4 各級配細(xì)度模數(shù)合成級配設(shè)計(jì)

由表3、圖5分析可知，通過計(jì)算各級配的細(xì)度模數(shù)值基本相等，但80%RAP摻量的級配曲線仍稍偏離前兩者。原因在于舊料摻配比例越大對其合成級配影響越發(fā)顯著。新料級配A、B、C均不在AC-16級配范圍內(nèi)，RAP摻量越大其新料級配偏離級配下限值越大，雖其合成級配曲線基本重合。但其新料級配偏離AC-16級配范圍的程度隨著RAP摻量的增大而變大。故單從合成級配因素分析，RAP料摻配比例越大新料級配對舊料改善效應(yīng)越差，偏離目標(biāo)級配越大，導(dǎo)致可控變量因素增多。

圖5 細(xì)度模數(shù)合成級配設(shè)計(jì)

2.2 貝雷法檢驗(yàn)

2.2.1 CA、FAc、FAf參數(shù)檢驗(yàn)

對于非貝雷法設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)級配采用貝雷法［7］檢驗(yàn)，一方面可以檢驗(yàn)表征細(xì)度模數(shù)設(shè)計(jì)級配的合理性；另一方面能較好的反映出設(shè)計(jì)級配是否具有較好的粗細(xì)集料均勻性，其主體思想是采用CA、FAc、FAf這三個(gè)參數(shù)對合成級配進(jìn)行分析。

（1）CA比。

式中，PD/2為D/2（D為公稱最大粒徑）的通過率，%；PPCS為第一控制篩孔的通過率，%。

（2）FAC比。

式中，PSCS為第二控制篩孔的通過率，%。

（3）FAf比。

式中，PTCS為第三控制篩孔的通過率，%。

上述關(guān)系中，比例因子采用0.22，PCS=0.22NMPS（NMPS為最大粒徑）、SCS=PCS×0.22、TCS=SCS×0.22。參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

表5 參數(shù)統(tǒng)計(jì)

一般認(rèn)為當(dāng)CA比增大，D/2～PCS間的粗集料增多降低了集料壓密性，而FAc比增大會(huì)導(dǎo)致空隙率和礦料間隙率變小，F(xiàn)Af則表示最細(xì)集料的嵌擠情況。由圖6分析可知，摻量60%、70%和80%的合成級配其CA比均大于1，反映該級配粗集料較小粒徑顆粒會(huì)懸浮在骨架結(jié)構(gòu)中。而FAc和FAf均接近0.5，反映合成級配細(xì)集料均衡性較好。

圖6 合成級配摻量與檢驗(yàn)參數(shù)關(guān)系

2.2.2 P理論篩孔修正

由以上3個(gè)參數(shù)可知，控制篩孔的尺寸并非是按0.22系數(shù)理論計(jì)算得到篩孔尺寸取值，而是按其接近篩孔尺寸的通過率來計(jì)算得到的，影響CA值的兩個(gè)控制篩孔的理論值與實(shí)際值有較大差別［8］。因此，采用P理論篩孔（理論篩孔通過率）進(jìn)行修正。理論篩孔的通過率值利用實(shí)際篩孔通過率的加權(quán)平均方法來計(jì)算得到。例P5.2=P4.75+（5.2-4.75）/（9.5-4.75）·（P9.5-P4.75），其計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 理論篩孔參數(shù)計(jì)算結(jié)果%

由圖7分析可知，修正后的CA值有較大的變化且比修正前明顯變小，而FAc和FAf的修正前后變化較小。說明采用理論值臨近的實(shí)際篩孔通過率來計(jì)算，對CA值影響較大。分析其原因在于13.2、9.5mm和4.75mm這3個(gè)實(shí)際篩孔之間孔徑差值分別為3.7mm和4.75mm，可見第一控制篩孔的通過率其理論值與實(shí)際值會(huì)有較大的誤差，使CA值出現(xiàn)明顯變化。而修正后的參數(shù)除60%摻量FAf略大于0.55外，其余數(shù)值基本滿足我國AC級配（CA比0.45～0.85、FAc比0.40～0.55、FAf比0.40～0.55）合理范圍內(nèi)，說明該合成級配粗細(xì)集料顆粒間較好的均勻性。

圖7 合成級配摻量與修正檢驗(yàn)參數(shù)關(guān)系

2.2.3 K值參數(shù)檢驗(yàn)

上述貝雷法中CA反映的PCS以上篩孔粗集料的比例關(guān)系，而FAc、FAf反映的是PCS以下篩孔細(xì)集料之間的比例關(guān)系，若只采用三參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)是無法反映出整個(gè)級配粗細(xì)集料比例的情況。以下例A、B級配為例進(jìn)行說明見表7。

表7 A和B級配貝雷法檢驗(yàn)示例%

表7中A和B級配CA比均為0.6、FAc比均為0.45、FAf均為0.45，其CA比、FAc比和FAf比均滿足當(dāng)前認(rèn)為優(yōu)良級配的合理范圍內(nèi)。但以PCS劃分粗細(xì)集料，A級配粗細(xì)集料比值為2：8；B級配粗細(xì)集料比值為8：2，顯然A、B級配均屬于不良級配，其級配整體粗細(xì)集料比例嚴(yán)重失調(diào)。

貝雷法是利用設(shè)計(jì)密度（設(shè)計(jì)密度=粗集料松裝密度×K，K的合理取值范圍為95%～105%）［9］來控制粗細(xì)集料比例進(jìn)行級配設(shè)計(jì)的，因此，在貝雷法檢驗(yàn)三參數(shù)基礎(chǔ)上增加一個(gè)檢驗(yàn)參數(shù)，提出對已定級配反算松裝密度的百分?jǐn)?shù)K值，來分析整個(gè)級配粗細(xì)集料均勻性和級配骨架結(jié)構(gòu)嵌擠情況。其公式：

式中，K為松裝密度的百分?jǐn)?shù)修正值；Pi為i檔粗集料用量；Qi為i檔細(xì)集料用量；ρ粗松i為i檔粗集料松裝密度，g/cm3；ρ粗毛i為i檔粗集料毛體積密度，g/cm3；ρ細(xì)搗i為i檔細(xì)集料（0.075mm篩孔以下為填料）干搗密度，g/cm3。

將合成級配的粗集料各檔集料分別按比例進(jìn)行回配看成一檔粗集料，其細(xì)集料各檔料按比例進(jìn)行回配看成一檔細(xì)集料，上述公式簡化處理見式（8）。用密度桶分別測定ρ粗松和ρ細(xì)搗，用掛籃法測定ρ粗毛。測定結(jié)果見表8和表9。

表8 ρ粗松和ρ粗毛測定結(jié)果 g/cm-3

表9 ρ細(xì)搗測定結(jié)果g/cm-3

結(jié)合表4將上述結(jié)果代入式（8）可反算K值，其結(jié)果見表10。

表10 反算K值結(jié)果 %

一般要求K值滿足95%～105%區(qū)間時(shí)，其級配具有良好的壓實(shí)性和骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，當(dāng)K值高于105%時(shí)，粗集料顆粒嵌擠不密實(shí)使空隙率變大造成混合料難以壓實(shí)；當(dāng)K值低于95%時(shí)，細(xì)集料顆粒過量級配骨架結(jié)構(gòu)不穩(wěn)。由計(jì)算結(jié)果可知，3種摻量的合成級配滿足95%～105%區(qū)間，其合成級配粗細(xì)集料有良好的均勻性和骨架嵌擠結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

利用CVi和Wi對舊集料進(jìn)行分析，綜合考慮級配離散性和權(quán)重，明確了舊集料在服役期間變異性貢獻(xiàn)主要篩孔為16、13.2、2.36mm和0.075mm，采用細(xì)度模數(shù)進(jìn)行級配設(shè)計(jì)，可改善級配變異性，用貝雷法對級配進(jìn)行檢驗(yàn)，用P理論篩孔對貝雷法檢驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行修正，最后利用K值對合成級配進(jìn)行檢驗(yàn)分析，得出了合成級配粗細(xì)集料有良好均勻性和骨架嵌擠結(jié)構(gòu)的結(jié)論。