基于體積法的BRA瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法

楊 凱

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051）

0 引言

現(xiàn)行的《公路工程瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》沒(méi)有關(guān)于BRA的配合比設(shè)計(jì)方法、摻配方式的具體規(guī)定。因此，大部分BRA瀝青路面的混合料配合比都是根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)按照傳統(tǒng)馬歇爾設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，而試驗(yàn)表明傳統(tǒng)配合比設(shè)計(jì)方法并不能充分發(fā)揮BRA優(yōu)異的路用性能，主要表現(xiàn)為：（1）BRA對(duì)合成級(jí)配產(chǎn)生干涉作用；（2）混合料最佳瀝青含量偏低，導(dǎo)致瀝青膜厚度不足，降低了水穩(wěn)定性；（3）級(jí)配針對(duì)性弱，不能根據(jù)道路使用環(huán)境、BRA種類和摻量設(shè)計(jì)級(jí)配。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文在體積法的基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)，提出基于體積法的BRA瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)表明此法簡(jiǎn)便、可行，提高了BRA混合料的路用性能。

1 設(shè)計(jì)思路

BRA的相對(duì)密度較小（1.62～1.72），單位質(zhì)量體積是石料的1.5倍左右，不可避免地會(huì)對(duì)合成級(jí)配產(chǎn)生影響。運(yùn)用體積法設(shè)計(jì)BRA瀝青混合料時(shí)考慮了BRA的體積，通過(guò)間斷2.36～4.75 mm集料及在數(shù)學(xué)模型中加入代表BRA體積的代數(shù)項(xiàng)這兩種方式，減小BRA對(duì)合成級(jí)配產(chǎn)生的顆粒干涉影響，使瀝青、BRA、礦粉、細(xì)集料及設(shè)計(jì)空隙的總體積等于主骨料空隙體積。

VMA是瀝青混合料重要的體積參數(shù)，合適的VMA可以確保混合料有足夠的瀝青膜厚度，保持混合料的耐久性。傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的BRA瀝青混合料，VMA和瀝青膜厚度都低于規(guī)范要求，這是因?yàn)锽RA的粘結(jié)和填充作用減小了混合料中需要基質(zhì)瀝青裹覆的集料面積和填充空隙，從而導(dǎo)致達(dá)到相同VV所需的瀝青含量減少，VMA降低。因此，方程組中引入VMA項(xiàng)，使VMA在配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中得到控制，也使集料表面的瀝青膜厚度得到保證。不同工程的交通、氣候條件各異，設(shè)計(jì)者需要實(shí)際情況調(diào)整礦粉、瀝青和BRA比例。為此，方程組中引入BRA摻量、油石比兩個(gè)方程，通過(guò)膠漿性能與數(shù)學(xué)模型結(jié)合的方法增加級(jí)配設(shè)計(jì)的適用性。

綜上，基于體積法的BRA瀝青混合料配合比計(jì)算公式如下：

方程組中有 qc、qf、qm、qa、qb，5個(gè)未知數(shù)，分別表示粗集料、細(xì)集料、礦粉、基質(zhì)瀝青和BRA的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。P0.075、qN、x、y分別表示礦粉 0.075 mm篩孔通過(guò)率、BRA中地瀝青含量、粉膠比、BRA摻量（地瀝青與基質(zhì)瀝青之比）。設(shè)計(jì)者只要確定VMA、VV、粉膠比和BRA摻量就可以用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出BRA瀝青混合料的配合比。

式（1）與最初的體積法設(shè)計(jì)公式相比有以下改進(jìn)：（1）引入新的方程與未知數(shù)，方程組自由度為0，有效瀝青用量通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得出，避免了設(shè)計(jì)中的隨意性；（2）加入VMA等體積參數(shù)，使混合料的瀝青膜厚度得以控制；（3）考慮了膠漿性能，混合料針對(duì)性更強(qiáng)。

2 確定體積參數(shù)

體積法方程組中，BRA、礦粉、粗集料、細(xì)集料和瀝青的相對(duì)密度由試驗(yàn)測(cè)定。瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率VV和礦料間隙率VMA參照施工規(guī)范要求VV和VMA分別取4%、14%。粉膠比、BRA摻量通過(guò)膠漿試驗(yàn)確定分別為1.0、31%。

粗集料間隙率VCA主要取決于粗顆粒的表面性質(zhì)和顆粒形狀，各檔粗集料的比例對(duì)VCA影響較小[2]。結(jié)合實(shí)際情況確定粗集料13.2～9.5 mm：9.5～4.75 mm為1∶1。實(shí)測(cè)粗集料相對(duì)密度，計(jì)算粗集料骨架間隙率VCA，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 VCA計(jì)算結(jié)果

研究表明，粗集料含量大于72%時(shí)，隨著粗骨料的增加細(xì)集料的減少，細(xì)集料已不能充分填充粗骨料的空隙[3]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，松裝密度與實(shí)際要求相符，確定VCA為43.2%。

綜上，將設(shè)計(jì)參數(shù)代入方程組計(jì)算，得到粗集料含量、細(xì)集料含量、瀝青油石比。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 體積參數(shù)

表3 各種材料比例（單位：%）

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 試驗(yàn)材料

集料采用閃長(zhǎng)巖，礦粉由石灰?guī)r磨制，瀝青為克拉瑪依70#重交道路石油瀝青。BRA灰分含量75%，采用“干法”工藝摻配。各種材料的相對(duì)密度見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)材料相對(duì)密度

3.2 合成級(jí)配

為了增加對(duì)比性，試驗(yàn)中采用體積法、傳統(tǒng)方法分別進(jìn)行BRA瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，以BRA-V13、BRA-13表示。級(jí)配見(jiàn)表5。

表5 混合料級(jí)配

3.3 體積參數(shù)驗(yàn)證及路用性能

對(duì)混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6試驗(yàn)結(jié)果可知，基于體積法設(shè)計(jì)的BRA瀝青混合料，基質(zhì)瀝青用量比傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的混合料提高近0.4%，瀝青膜厚度增加1μm，VV、VMA與設(shè)計(jì)值基本相同，VFA在中值附近，說(shuō)明基于體積法進(jìn)行BRA瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)是可行的。受BRA中地瀝青的影響，體積法最佳油石比的設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值不同，設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)地瀝青含量對(duì)計(jì)算出的最佳油石比進(jìn)行折減，按照折減后的油石比進(jìn)行試驗(yàn)。

對(duì)兩種BRA瀝青混合料進(jìn)行高溫、低溫和水穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，體積法設(shè)計(jì)的BRA瀝青混合料的路用性能均優(yōu)于傳統(tǒng)BRA混合料。說(shuō)明基于體積法設(shè)計(jì)的BRA瀝青混合料具有良好的路用性能。

4 結(jié)論

本文在體積法的基礎(chǔ)上，提出了基于體積法的BRA瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法。此方法可以方便、快捷地確定不同BRA摻量的瀝青混合料配合比。試驗(yàn)表明，體積法顯著改善了BRA瀝青混合料的VMA等體積指標(biāo)，提高了BRA混合料性能，在實(shí)際工程中可以參考使用。

[1]楊凱.布敦巖瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法及性能研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文,2012.

[2]盧永貴,張登良.基于路用性能的瀝青混合料體積設(shè)計(jì)方法[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào),2001,21(2):30-33.

[3]郝培文,張宗濤,張登良.間斷密級(jí)配的設(shè)計(jì)方法[J].石油瀝青,2000,14(4):11-31.