礦料級配對表面層瀝青混合料體積性質影響的試驗研究＊

陳 群 李宇峙

(中南大學交通運輸學院1) 長沙 410075) (長沙理工大學道路工程交通部重點實驗室2) 長沙 410076)

對于高等級道路瀝青路面表面層瀝青混合料級配,我國較多采用抗滑表層AK-13,AK-16或密實的AC-13Ⅰ,AC-16Ⅰ及多碎石瀝青混凝土(SAC)[1-2].對于表面層瀝青混合料的研究,德國開發了SMA[3];1987年,美國設立戰略公路研究項目(SH RP),提出了以體積配合比法進行混合料組成設計的方法,并規定了級配的禁區與控制點[4-6].表面層瀝青混合料應具有良好的高溫穩定性、耐久性、排水及防滑能力,針對這些使用性能上的要求制定各種不同的級配范圍.但是,現有研究多是針對某個具體工程進行經驗總結或試驗研究.本文擬在現有研究的基礎上,通過較系統的試驗來分析與探討礦料級配對表面層瀝青混合料體積性質影響的一般規律,從而得到針對不同使用性能要求的瀝青混合料級配調整的方法.

以13型級配作為研究對象,試驗采用安山巖礦料、石灰巖質礦粉、重交科氏90#瀝青,測得密度1.035 g/cm3.試驗操作規程及計算方法嚴格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程(JT J013-95)》.下面對關鍵粒徑段含量的影響進行分析.

1 4.75,1.18 mm篩孔通過率的影響試驗分析[7]

1)4.75 mm篩孔通過率對空隙率與粗骨架間隙率影響,見表1.

由表1可知：(1)隨著4.75 mm以下集料含量的逐漸增加,空隙率開始下降很快,這是因為開始混合料骨架中填充空隙的細料太少,隨著細料的增加,細料填充了骨架間的空隙,使得混合料空隙下降很快;(2)增加的4.75 mm以下細料達到一定數量后繼續增加,粗骨架將被細料所撐開,粗骨架間隙率直線上升,之后空隙率主要由細料間的空隙決定,空隙率下降幅度也將逐漸趨于平緩; (3)由表1可知隨著4.75 mm以下細料含量的不斷增加粗骨架間隙率直線上升,一方面論證了中間段粒徑礦料(1.18～4.75 mm)對粗骨架的明顯干涉作用,另一方面說明較細礦料超過一定程度后將撐開粗骨架.由以上分析可得到如下形式的變化曲線,見圖1、圖2.

表1 試驗方案及結果

如圖1,4.75 mm篩孔通過率極小時,起填充作用的細料數量極少,骨架間沒有足夠的細料填充以致空隙率過大;隨著4.75 mm通過率的增加,細料數量逐漸增加,填充骨架間空隙,使得礦料間空隙率直線減小;一直到4.75 mm篩孔通過率達到某一個值(骨架被撐開的瞬間),礦料間空隙率不再劇減,而是呈緩慢減小或以致不再減小的趨勢(此時的礦料間空隙率由細料決定).

圖1 4.75 mm篩孔通過率對空隙率影響

圖2 4.75 mm篩孔通過率對粗集料間隙率影響

如圖2,4.75 mm篩孔的通過率對粗集料間隙率起決定性的作用.當4.75 mm篩孔通過率較小時,骨架間空隙率大致和粗集料干壓狀態下的空隙率相同,骨架結構的完整性沒有遭到破壞;隨著4.75 mm篩孔的通過率繼續增加,到一定量時,骨架開始被撐開,骨架結構的完整性遭到破壞,且隨著4.75 mm篩孔通過率的繼續增加,粗集料間隙率呈直線增加.

2)1.18 mm篩孔通過率對空隙率與粗骨架間隙率影響,見表2.

表2 試驗方案及結果

表2試驗方案的典型特點是間斷了對粗骨架干涉作用強的1.18～4.75 mm中間段粒徑礦料.由表2試驗結果可知：(1)1.18 mm篩孔通過率很小的時候,粗骨架間缺少足夠的細料進行填充,因此混合料中空隙率很大,隨著1.18 mm篩孔通過率的逐漸增加,空隙率呈直線減小的趨勢;(2)當1.18 mm篩孔通過率達到25%以后,繼續增加空隙率減小幅度明顯降低,此時骨架間空隙已被填充,繼續增加細料含量只會使粗骨架被撐開且間隙率變得越來越大,而空隙率此時則主要由細料間的間隙決定.由以上可分析得到如下形式的變化曲線,見圖3.

圖3 1.18 mm篩孔通過率對礦料間隙率的影響

當1.18 mm以下細料含量很小時,礦料間空隙率會很大,若4.75 mm以上粗集料具有一定數量,那么此時瀝青混合料結構就呈現為骨架空隙結構;隨著1.18 mm以下細料數量的逐漸增加,骨架間空隙逐漸被填充,當4.75 mm粗集料具有一定數量且其形成的骨架沒有被撐開,此時形成的結構就是骨架密實結構;當1.18 mm及以下各篩孔通過率繼續增加,骨架逐漸被細料所撐開,礦料間的空隙率由1.18 mm以下細料決定,此時的瀝青混合料常處于密實懸浮結構.

2 細料劃分標準試驗分析

1)瀝青用量、礦粉用量固定不變,4.75 mm以上粗集料各粒徑段含量比例不變,研究2.36～4.75 mm粒徑礦料含量對空隙率和粗骨架間隙率的影響.試驗方案及結果見表3.

從表3可看出：(1)隨著2.36～4.75 mm粒徑段礦料含量的逐漸增加,粗骨架間隙率增加較快,這是因為2.36～4.75 mm集料逐漸將4.75 mm以上的粗集料形成的骨架撐開的緣故;(2)隨著2.36～4.75 mm含量的逐漸增加,空隙率增加不明顯,說明2.36～4.75 mm集料不僅對4.75 mm以上粗集料骨架起撐開作用,而且填充粗骨架間隙,因此空隙率變化不大(由試驗結果可知是空隙率略有增加).

表3 試驗方案及結果

2)瀝青用量、礦粉用量固定不變,4.75 mm以上粗集料各粒徑段含量比例不變,研究1.18～2.36mm粒徑礦料含量對空隙率和粗骨架間隙率的影響.試驗方案及結果見表4.

從表4可看出：(1)隨著1.18～2.36 mm粒徑段礦料含量的逐漸增加,粗骨架間隙率增加較快,這是因為1.18～2.36 mm集料逐漸將4.75 mm以上的粗集料形成的骨架逐漸撐開的緣故; (2)隨著1.18～2.36 mm含量的逐漸增加,空隙率逐漸減小,說明1.18～2.36 mm集料不僅對4.75 mm以上粗集料骨架起撐開作用,而且填充粗骨架間隙使得空隙率減小;(3)對比表3和表4,2.36～4.75 mm集料與1.18～2.36 mm集料對粗骨架均有干涉作用,且干涉程度相差不大, 5%含量時31.78%與31.66%,15%含量時39.52%與39.27%,25%含量時47.32%與46.9%;(4)對比表3和表4中空隙率變化趨勢可知,2.36～4.75 mm集料的干涉作用大于填充作用,1.18～2.36 mm集料的填充作用大于干涉作用.

3)瀝青用量、礦粉用量固定不變,4.75 mm以上粗集料各粒徑段含量比例不變,研究0.6～1.18 mm粒徑礦料含量對空隙率和粗骨架間隙率的影響.試驗方案及結果見表5.

表4 試驗方案及結果

表5 試驗方案及結果

從表5可看出：(1)隨著0.6～1.18 mm含量的逐漸增加,粗骨架間隙率增加較快,這是因為0.6～1.18 mm集料逐漸將4.75 mm以上的粗集料形成的骨架逐漸撐開的緣故;(2)隨著0.6～1.18 mm含量的逐漸增加,空隙率減小很快,說明0.6～1.18 mm集料不僅對4.75 mm以上粗集料骨架起撐開作用,而且填充粗骨架間隙使得空隙率減小;(3)對比表4、表5,1.18～2.36mm集料與0.6～1.18 mm集料對粗骨架均有干涉作用,且干涉程度相差較大,1.18～2.36 mm集料干涉作用大于0.6～1.18 mm集料對粗骨架的干涉作用,5%含量時分別為31.66%與30.68%,15%含量時分別為39.27%與37.13%,25%含量時分別為46.9%與44.77%;(4)由表5中空隙率的迅速下降變化趨勢可知,0.6～1.18 mm集料撐開粗骨架的同時主要填充粗骨架空隙,此試驗中空隙率主要由0.6～1.18 mm集料間的間隙決定;對比表6,1.18～2.36 mm集料撐開粗骨架的同時填充粗骨架空隙,空隙率主要由1.18～2.36 mm集料間的間隙決定;(5)對比表5和表4中空隙率變化趨勢可知,0.6～1.18 mm集料的填充作用大于1.18～2.36 mm集料的填充作用; (6)在礦粉含量為6%時,即使是粒徑較小的0.6～1.18 mm的集料含量超過5%都可能對粗骨架產生影響.但若1.18 mm以下各粒徑段礦料含量合理搭配形成合理級配的話,可能在嵌擠的粗骨架間隙中將能容納更多的1.18 mm以下的集料數量,而且粗骨架間隙率和空隙率都將減小.

由對表3、表4、表5的分析可知：(1)隨著粒徑由2.36～4.75 mm變化到1.18～2.36 mm再變化到0.6～1.18 mm,對粗骨架干涉作用逐漸減小,特別是從1.18～2.36 mm再變化到0.6～1.18 mm,干涉作用減小更加顯著;(2)隨著粒徑由2.36～4.75 mm變化到1.18～2.36 mm再變化到0.6～1.18 mm,對粗骨架間隙的填充作用逐漸增強,特別是從1.18～2.36 mm再變化到0.6～1.18 mm,填充作用增加更加顯著;(3)由于本次試驗表5試驗方案1.18 mm以下礦料沒有形成合理搭配(只有0.6～1.18 mm的集料,缺少0.075～0.6 mm中間集料),因此0.6～1.18 mm的集料超過5%都對粗骨架產生了顯著影響,但這也能從一定程度上說明0.6～1.18 mm的集料對粗骨架也有一定干涉作用;(4)瀝青混合料的結構由三部分組成.4.75 mm以上集料形成骨架,4.75～1.18 mm集料起干涉骨架與填充骨架空隙的雙重作用,1.18 mm以下集料主要起填充骨架空隙作用(填充作用大,含量增加空隙率減小速度快).因為1.18～4.75 mm的礦料起干涉骨架的作用,因此,為了得到穩定的、較強承載能力的骨架結構,須對1.18～4.75 mm的礦料含量有所限制.

因此,針對上面的分析可知細集料應是粒徑小于1.18 mm的集料(填充作用大,含量增加空隙率減小速度快),但是1.18～0.6 mm含量的增加也能對骨架產生影響,因此應限制 1.18～ 0.6 mm含量并使得1.18 mm以下的集料含量形成合理搭配與嵌擠以保證骨架不被破壞.

3 粗、細料含量比例不變,礦粉、瀝青用量不變,研究中間段礦料含量對體積參數的影響

由表6可知,隨著1.18～4.75 mm集料含量由5%增加到15%到25%,粗骨架間隙率由43.1%增加到49.7%到56.9%;而空隙率先從4.97%減少到4.79%,然后再增加到5.96%.說明當1.18～4.75 mm集料含量較少時,填充作用大于干涉作用,隨著1.18～4.75 mm集料含量的增加,干涉作用明顯,空隙率增加.

4 礦粉用量對體積參數影響試驗分析

1)瀝青用量不變,礦料用量基本不變,礦粉用量對空隙率及粗骨架間隙率的影響,見表7.

表6 試驗方案及結果

表7 試驗方案及結果

由表7試驗結果可知：(1)隨著礦粉用量由4%增加到7%,空隙率由6.53%減少到5.88%;礦粉用量由7%增加到10%,空隙率變化不明顯.說明一定量的礦粉對于保證混合料的密實性是必要的,但礦粉達到一定的量,而瀝青用量沒有相應的增加,繼續增加礦粉不能使空隙率減小;(2)當粗料含量和瀝青用量不變,只變化礦粉的用量,粗骨架間隙率變化不大;(3)由表7結果及分析可知,瀝青混合料中0.075 mm以下礦料有兩種相反作用：0.075 mm以下礦料顆粒最細,能使混合料更加密實;在瀝青用量一定的時候,隨著0.075 mm以下礦粉含量的增加,瀝青膠漿勁度增加,并不利于混合料的擊實.

2)粉膠比不變,礦料用量基本不變,礦粉用量3個水平,瀝青用量相應也3個水平,對空隙率及粗骨架間隙率的影響.見表8.

表8 試驗方案及結果

由表8試驗結果可知：粉膠比質量比維持在7∶4.5的比值不變,隨著礦粉用量由4%上升到7%(瀝青用量由2.6%上升到4.5%),空隙率由11.8%下降到5.88%,粗骨架間隙率由47%下降到46%說明瀝青增加有利壓實;礦粉用量由7%上升到10%(瀝青用量由4.5%上升到6.4%),空隙率由5.88%下降到1.25%,粗骨架間隙率繼續有所減少但幅度不大.

5 結束語

通過系統的試驗分析探討了礦料級配對13型表面層瀝青混合料體積性質的影響規律.在試驗的基礎上,分析了關鍵篩孔4.75,1.18 mm篩孔通過率對空隙率、粗骨架間隙率的影響規律、細料劃分標準、中間段礦料含量對體積參數影響及礦粉用量對體積參數的影響.試驗分析所得結論為表面層瀝青混合料設計時針對不同使用性能要求時礦料級配調整提供了一些參考依據.

[1]高 英,曹榮吉.瀝青混合料級配類型選擇分析[J].公路,2002(1)：84-87.

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