基于均勻試驗的振動成型方式下粗集料間隙率研究*

謝遠新

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

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基于均勻試驗的振動成型方式下粗集料間隙率研究*

謝遠新1,2)

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

為進一步認識級配變化對粗集料間隙率VCA的影響，采用振動壓實方式對連續密級配粗集料部分以振動頻率和振動時間作為試驗參數進行試驗研究，試驗采用16次均勻設計方案.試驗結果及回歸分析表明，連續密級配礦料空隙率的大小主要取決于礦料自身性質(粒徑、幾何形狀、表面性質)，級配變化對空隙率的影響最大幅值不超過3%，無法通過調整級配而使礦料空隙率或瀝青混合料礦料間隙率(VMA)發生較大改變.通過試驗研究證實了采用振動壓實試驗進行粗集料間隙率研究的方法是可行的.

道路工程；試驗；均勻設計；振動壓實；粗集料間隙率

0　引　　言

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

在對現有規范所述試驗方法進行理論分析和試驗比對后，認為其試驗方法與現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)，試驗結果隨機性較大，不能充分反映粗集料VCA值的變化趨勢.經過多次試驗嘗試和比較，最終選用振動壓實成型儀為試驗設備，以振動頻率和振動時間作為試驗參數予以優化，在該試驗參數條件下，粗集料的填充密度最大且破碎率不大于2%，因為，根據干涉理論和進行SMA級配研究所取得成果[6-9]：當再次粒級的含量超出合理含量2%以上時，會對大粒級集料形成的密實結構產生干涉.

1　試驗參數

1) 振動壓實儀參數采用振動壓實儀進行振動壓實.試模尺寸為內徑152 mm，高170 mm；鋼筒內墊塊直徑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) 振動壓實體積參數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) 振動時間參數振動時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，視破碎率大小調整振動時間，以到達最密實狀態，即VCA最小，破碎率不大于2%為限.

4) 破碎率計算破碎顆粒篩孔以振動壓實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.

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

2　均勻試驗方案設計

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個粒級[10-11]，按均勻分散原則設計采用16次(組)均勻設計方案(中心化偏差14.03%)，每組組內進行3次平行試驗.均勻設計試驗方案見表1.

表1　粗集料(AC-13型)均勻設計試方案

3　試驗結果分析

振動壓實密度和空隙率及其統計分析結果列于表2.

表2　粗集料均勻設計試驗結果統計分析(n=3)

統計分析表明，各組組內3平行試驗的數據的離散性可以接受，可以取試驗結果的平均值進行后續計算或分析.

各粒級質量百分比與VCA之間存在相關性，回歸方程形如VCA=aX2+bX+c，為一元二次多項式.

0.096 7X1+36.6

(1)

0.057 7X2+35.4

(2)

0.100X3+36.4

(3)

回歸系數及相關系數列于表3，并如圖1所示.

表3　回歸方程系數

圖1　均勻設計試驗結果

X2(9.5～4.75mm)粒級百分比與VCA的相關性差，原因在于均勻設計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)分別進行顯著性檢驗，見表4.

常數項在VCA中占據絕大部分，且t-stat值是其他項的18～28倍，表明粗集料的VCA值趨于一個常數，可視為是粗集料固有性質(如表明紋理、顆粒形狀等)的反映.因此可認為對VCA值起決定作用的是粗集料本身的性質，而級配組成的影響次之.此結論與單因素試驗結果一致.同時，X3、X2×X3交互項對VCA值具有顯著影響.

對式(4)中的X3求偏導，得到VCAmin對應的X3≈42.5%.

表4　回歸方程顯著性檢驗

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

4　結　　論

1) 采用振動壓實試驗進行粗集料間隙率研究的方法可行.以集料破碎率不大于2%、集料振實密度達到最大且穩定作為振動壓實試驗控制條件，確定出的試驗輸入參數為：振幅25 mm，振頻23 Hz，振動時間15 s.

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

3) 最密實的連續級配組成是一個范圍而不是單值.級配密實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定性的概念.因此，不能用一個固定的空隙率值評價級配是否密實，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，只有特定試驗條件下的試驗值.

[1]天津市市政工程研究院.采用GTM的瀝青混合料配合比設計方法研究[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.

[3]譚憶秋，張肖寧，郭祖辛.用體積法設計SMA混合料的配合比[J].哈爾濱建筑大學學報，1999，32(3):105-110.

[4]趙可，盧永貴，魏如喜.SMA高溫穩定性研究[J].中國公路學報，2004，17(2):11-17.

[5]趙可，周衛峰，魏如喜.SMA高溫穩定性和低溫抗裂性與體積參數的相關性分析[J].公路交通科技，2005，22(1):9-12.

[6]周衛峰.基于GTM的瀝青混合料配合比設計方法研究[D].西安：長安大學，2006.

[7]譚憶秋，徐慧寧，AI-Hadidy A I，等.瀝青混合料體積參數分布規律[J].吉林大學學報(工學版)，2011,41(2):360-365.

[8]常曉琳，馬剛，周偉，等.顆粒形狀及粒間摩擦角對堆石體宏觀力學行為的影響[J].巖土工程學報，2012，34(4):646-653.

[9]譚憶秋，任俊達，紀倫,等.基于X-ray CT的瀝青混合料空隙測試精度影響因素分析[J].哈爾濱工業大學學報，2014,46(6)：65-71

[10]西安公路學院公路系道路工程教研室.瀝青路面[Z].西安：西安公路學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

謝遠新(1980- ):男，博士生，高級工程師，主要研究領域為道路工程結構與材料耐久性

*河北省交通科技項目資助(Y2010023-4)