基于均勻試驗(yàn)的振動(dòng)成型方式下粗集料間隙率研究*

謝遠(yuǎn)新

(重慶大學(xué)土木工程學(xué)院1)　重慶　400044)　(重慶鵬方路面工程技術(shù)研究院有限公司2)　重慶　400025)

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基于均勻試驗(yàn)的振動(dòng)成型方式下粗集料間隙率研究*

謝遠(yuǎn)新1,2)

(重慶大學(xué)土木工程學(xué)院1)重慶400044)(重慶鵬方路面工程技術(shù)研究院有限公司2)重慶400025)

為進(jìn)一步認(rèn)識級配變化對粗集料間隙率VCA的影響，采用振動(dòng)壓實(shí)方式對連續(xù)密級配粗集料部分以振動(dòng)頻率和振動(dòng)時(shí)間作為試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用16次均勻設(shè)計(jì)方案.試驗(yàn)結(jié)果及回歸分析表明，連續(xù)密級配礦料空隙率的大小主要取決于礦料自身性質(zhì)(粒徑、幾何形狀、表面性質(zhì))，級配變化對空隙率的影響最大幅值不超過3%，無法通過調(diào)整級配而使礦料空隙率或?yàn)r青混合料礦料間隙率(VMA)發(fā)生較大改變.通過試驗(yàn)研究證實(shí)了采用振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行粗集料間隙率研究的方法是可行的.

道路工程；試驗(yàn)；均勻設(shè)計(jì)；振動(dòng)壓實(shí)；粗集料間隙率

0　引　　言

已有研究成果認(rèn)為，對于確定的原材料和級配，粗集料間隙率VCA值取決于試驗(yàn)方法(力的作用方式、功能大小、試驗(yàn)容器容積大小、集料容積與瀝青混合料試件體積的差別對試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用產(chǎn)生的影響等)，即VCA不是定值，理論計(jì)算無法確定具體集料的VCA[1-5].于是，試驗(yàn)方法的合理性決定了試驗(yàn)結(jié)果的價(jià)值.

在對現(xiàn)有規(guī)范所述試驗(yàn)方法進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)比對后，認(rèn)為其試驗(yàn)方法與現(xiàn)有瀝青混合料成型方式不相符(功能大小與力的作用方式、容器體積等)，試驗(yàn)結(jié)果隨機(jī)性較大，不能充分反映粗集料VCA值的變化趨勢.經(jīng)過多次試驗(yàn)嘗試和比較，最終選用振動(dòng)壓實(shí)成型儀為試驗(yàn)設(shè)備，以振動(dòng)頻率和振動(dòng)時(shí)間作為試驗(yàn)參數(shù)予以優(yōu)化，在該試驗(yàn)參數(shù)條件下，粗集料的填充密度最大且破碎率不大于2%，因?yàn)椋鶕?jù)干涉理論和進(jìn)行SMA級配研究所取得成果[6-9]：當(dāng)再次粒級的含量超出合理含量2%以上時(shí)，會(huì)對大粒級集料形成的密實(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉.

1　試驗(yàn)參數(shù)

1) 振動(dòng)壓實(shí)儀參數(shù)采用振動(dòng)壓實(shí)儀進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí).試模尺寸為內(nèi)徑152 mm，高170 mm；鋼筒內(nèi)墊塊直徑151 mm，厚20 mm.頻率范圍0～30 Hz，振幅25 mm，靜壓力1 900 N，激振力9 000 N.

2) 振動(dòng)壓實(shí)體積參數(shù)VCA測定所需集料的體積V=πr2×h，其中：r為152 mm，h為12±0.5 mm.

3) 振動(dòng)時(shí)間參數(shù)振動(dòng)時(shí)間以粗集料不破碎或者破碎率不大于2%為限，先以30 s試振，視破碎率大小調(diào)整振動(dòng)時(shí)間，以到達(dá)最密實(shí)狀態(tài)，即VCA最小，破碎率不大于2%為限.

4) 破碎率計(jì)算破碎顆粒篩孔以振動(dòng)壓實(shí)所采用集料級配中最小顆粒篩孔尺寸控制，通過該最小顆粒篩孔尺寸量即為破碎顆粒含量.

試驗(yàn)結(jié)果表明，對于公稱最大粒徑不同的粒料而言，振動(dòng)頻率對粗集料密度和破碎率的影響非常顯著，而振動(dòng)時(shí)間的影響不顯著.在容許2%破碎率的條件下，振動(dòng)頻率為23 Hz、振動(dòng)時(shí)間為15 s時(shí)，獲得的粗集料密度最大，故選用此參數(shù)作為后續(xù)試驗(yàn)研究控制依據(jù).

2　均勻試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

以AC-13型級配為研究對象，將粗集料分為X1(16～9.5 mm)、X2(9.5～4.75 mm)和X3(4.75～2.36 mm)3個(gè)粒級[10-11]，按均勻分散原則設(shè)計(jì)采用16次(組)均勻設(shè)計(jì)方案(中心化偏差14.03%)，每組組內(nèi)進(jìn)行3次平行試驗(yàn).均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案見表1.

表1　粗集料(AC-13型)均勻設(shè)計(jì)試方案

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

振動(dòng)壓實(shí)密度和空隙率及其統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果列于表2.

表2　粗集料均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析(n=3)

統(tǒng)計(jì)分析表明，各組組內(nèi)3平行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)的離散性可以接受，可以取試驗(yàn)結(jié)果的平均值進(jìn)行后續(xù)計(jì)算或分析.

各粒級質(zhì)量百分比與VCA之間存在相關(guān)性，回歸方程形如VCA=aX2+bX+c，為一元二次多項(xiàng)式.

0.096 7X1+36.6

(1)

0.057 7X2+35.4

(2)

0.100X3+36.4

(3)

回歸系數(shù)及相關(guān)系數(shù)列于表3，并如圖1所示.

表3　回歸方程系數(shù)

圖1　均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

X2(9.5～4.75mm)粒級百分比與VCA的相關(guān)性差，原因在于均勻設(shè)計(jì)方案中含有近乎間斷級配的5號和(X1+X2)僅有9.7%的15號，這2組級配明顯失衡，在一定程度上影響了分析精度，見1d)，e).

X2，X3與VCA的二元二次回歸方程為

9.0×10-4X2X3+36.4

(4)

對式(3)和式(4)分別進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，見表4.

常數(shù)項(xiàng)在VCA中占據(jù)絕大部分，且t-stat值是其他項(xiàng)的18～28倍，表明粗集料的VCA值趨于一個(gè)常數(shù)，可視為是粗集料固有性質(zhì)(如表明紋理、顆粒形狀等)的反映.因此可認(rèn)為對VCA值起決定作用的是粗集料本身的性質(zhì)，而級配組成的影響次之.此結(jié)論與單因素試驗(yàn)結(jié)果一致.同時(shí)，X3、X2×X3交互項(xiàng)對VCA值具有顯著影響.

對式(4)中的X3求偏導(dǎo)，得到VCAmin對應(yīng)的X3≈42.5%.

表4　回歸方程顯著性檢驗(yàn)

不考慮交互作用的影響，按式3求得，當(dāng)X3=40.8%時(shí)，VCAmin=34.4%，代入式(4)，解得：X2=29.1%，則X1=100-X2-X3=30.1%.此時(shí)，X1∶X2∶X3=30.1∶29.1∶40.8，相對應(yīng)的VCA亦在最小值范圍內(nèi)，即：X1∶X2=51∶49，(X1+X2)∶X3=59∶41.該組成可視為由均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)得出的最密實(shí)的AC-13粗集料的級配.

4　結(jié)　　論

1) 采用振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行粗集料間隙率研究的方法可行.以集料破碎率不大于2%、集料振實(shí)密度達(dá)到最大且穩(wěn)定作為振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)控制條件，確定出的試驗(yàn)輸入?yún)?shù)為：振幅25 mm，振頻23 Hz，振動(dòng)時(shí)間15 s.

2) 試驗(yàn)及回歸分析表明，連續(xù)密級配礦料空隙率的大小主要取決于礦料自身性質(zhì)(粒徑、幾何形狀、表面性質(zhì))，級配變化對空隙率的影響最大幅值不超過3%.無法通過調(diào)整級配而使礦料空隙率或?yàn)r青混合料礦料間隙率(VMA)發(fā)生較大改變.這一結(jié)論直接關(guān)系到對瀝青混合料的VMA設(shè)定下限值(不得小于某值)是否合理、可行的問題.

3) 最密實(shí)的連續(xù)級配組成是一個(gè)范圍而不是單值.級配密實(shí)與否只是由同一種集料配制的不同級配之間相比較而言的一個(gè)定性的概念.因此，不能用一個(gè)固定的空隙率值評價(jià)級配是否密實(shí)，而只能采用相對比較方法，找出級配對空隙率的影響趨勢，從個(gè)例中抽象出共性的一面.對于具體的級配礦料，其空隙率不存在真值，只有特定試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)值.

[1]天津市市政工程研究院.采用GTM的瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法研究[Z].天津：天津市市政工程研究院,2002.

[2]天津市市政工程研究院.城市快速路高性能瀝青路面研究[Z].天津：天津市市政工程研究院,2005.

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[7]譚憶秋，徐慧寧，AI-Hadidy A I，等.瀝青混合料體積參數(shù)分布規(guī)律[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2011,41(2):360-365.

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[10]西安公路學(xué)院公路系道路工程教研室.瀝青路面[Z].西安：西安公路學(xué)院公路系道路工程教研室，1986.

[11]沈金安.瀝青與瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

Study on the Voids in Coarse Aggregate by Means of Vibration Molding Based on the Uniform Experiment

XIE Yuanxin1,2)

(SchoolofCivilEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)1)(ChongqingPofunPavementEngineeringResearchInstitute,Chongqing400025,China)2)

In order to further understand of the effect of coarse aggregate gradation variation on the clearance rate ofVCA, the vibration compaction method is applied to experimentally investigate the continuous dense gradation of coarse aggregate part with the vibration frequency and time as the test parameters. The experiment adopts 16 times of uniform design scheme. The test results and regression analysis indicate that the size of continuous dense gradation of aggregate voids in mineral aggregate mainly depends on its properties such as the particle size, geometry and surface properties. The effect of gradation variation on the maximum amplitude of void fraction is less than 3% and it cannot cause large variation of the mineral void or asphalt mixture voids by adjusting the gradation. It is proved to be feasible to use the vibration compaction test method to study the rough set material clearance rate.

road engineering; experiment; uniform design; vibrating compaction;VCA

2016-07-02

U414

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.009

謝遠(yuǎn)新(1980- ):男，博士生，高級工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈缆饭こ探Y(jié)構(gòu)與材料耐久性

*河北省交通科技項(xiàng)目資助(Y2010023-4)