密斷級配瀝青混合料配合比設計探索

譚興友

(柳州高速公路運營有限公司，廣西 柳州 545005)

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密斷級配瀝青混合料配合比設計探索

譚興友

(柳州高速公路運營有限公司，廣西 柳州 545005)

瀝青混合料配合比設計，包括油石比與礦料級配設計兩方面。文章針對當前密斷級配瀝青混合料配合比設計存在的問題，探索瀝青混合料油石比和礦料級配的最佳理論計算與設計方法，并以實際工程AC20C瀝青混合料配合比為例，對所提出的理論原理和設計方法進行了試驗論證。

瀝青混合料；油石比計算式；粗集料通過率計算式；冪級配公式；級配優化

0 引言

瀝青混凝土結構強度由瀝青粘聚力強度與礦料級配結構強度組成。瀝青粘聚力強度由瀝青粘聚力提供，除瀝青質量還與瀝青用量有關，瀝青用量過少，瀝青提供的粘聚力不足，瀝青路面易發生早期水損、坑洞、網裂；瀝青用量過多，自由瀝青多，在高溫下瀝青粘結力下降，瀝青路面易發生車轍、擁包，因此應注重瀝青混合料油石比設計，如技術規范對瀝青質量、空隙率與間隙率等相關技術要求。礦料級配結構強度由礦料級配結構承擔，如果礦料級配失當結構強度弱，瀝青路面易發生早期水損、坑洞、網裂、車轍、擁包，因此應注重瀝青混合料礦料級配設計。為兼顧二者，現在許多瀝青路面工程都采用密斷級配瀝青混合料，主要是其具有好的抗車轍、抗水損、抗裂等良好路用性能。但是，對于密斷級配有人認為：(1)瀝青混凝土粗集料骨架間隙率小于其粗集料松裝間隙率即為密斷級配；(2)瀝青混凝土粗集料骨架間隙率小于其粗集料搗實間隙率才為密斷級配，沒有明確標準。現行技術規范對最佳油石比的設計、試驗及評判有很詳細的要求，對礦料級配是根據工程所處地區環境憑經驗確定，路用性能檢驗符合要求即可，沒有強調對礦料級配進行優化設計，而路用性能好壞主要受礦料級配影響，因此，有必要對如何設計性能優良的密斷級配瀝青混合料配合比進行探索性試驗研究。

1 密斷級配瀝青混合料配合比設計理論原理及試驗方法分析

由于瀝青混凝土各材料組合遵循體積填充理論，體積填充理論認為瀝青混凝土的體積等于粗細集料、填料、瀝青及空隙體積之和。瀝青混合料配合比設計包含最佳油石比與礦料級配設計。

關于瀝青混合料最佳油石比，可通過體積填充理論、馬歇爾空隙率與礦料間隙率技術要求、粗細集料、填料和瀝青密度、合成礦料吸水率導出最佳油石比計算式1，由計算式計算而得。由于計算式充分考慮了各礦料和瀝青的密度、礦料吸水率及技術要求，其計算結果必然滿足規范對空隙率、礦料間隙率及瀝青飽和度的技術要求。對于同種瀝青混合料的有效瀝青體積百分率(馬歇爾礦料間隙率與空隙率之差)技術要求是一個定值，礦料合成級配在一個相對小的范圍波動時，其合成礦料的密度、吸水率變化很小，因此油石比也基本是一個定值。

最佳油石比計算式：

Pb=(VMA-VV)/[(100-VMA)×γsb]×γb×100+wx

(1)

Pb——瀝青混合料油石比(%)；

VMA——設計的馬歇爾礦料間隙率(%)；

VV——設計的馬歇爾空隙率(%)；

γsb——合成礦料毛體積相對密度；

γb——瀝青相對密度；

wx——合成礦料吸水率(%)。

關于密斷級配瀝青混合料最佳礦料級配。首先密斷級配瀝青混凝土強調瀝青混合料的粗集料骨架結構，即注重礦料最佳級配設計，又由于礦料級配是由多檔粗集料、細集料和填料組合而成，在設計礦料級配規定區間內有相當多種組合方式，要獲得最佳級配，設計試驗工作量大難以操作，為此有必要采取科學的方法，減少試驗工作量，提高其可操作性。為此，通過體積填充理論、馬歇爾礦料間隙率技術要求、粗細集料密度、填料密度、粗集料堆積密度可導出粗集料4.75 mm篩通過率計算式2。通過測定粗集料松裝搗實密度，采用粗集料通過率計算公式確定粗集料通過率區間，通過冪函數式3設計5個粗細不同的礦料理論級配，從而科學地減少試驗工作量，提高了可操作性。

粗集料松裝、搗實試驗及粗集料4.75 mm篩孔通過率計算式：

P=[(VCADRC-VMA)×PSb細]/[(100-VMA)×PSb]×100

(2)

P——4.75 mm篩通過率；

VCADRC——粗集料松裝、搗實骨架間隙率；

VMA——瀝青混合料目標礦料間隙率；

PSb細——礦料中合成細集料毛體積相對密度；

PSb——礦料中合成礦料毛體積相對密度。

理論級配冪函數計算式：

y=axb

(3)

y——各篩孔通過率；

x——篩孔孔徑；

a、b——回歸系數。

由于5個礦料理論級配粗細程度不同，級配由細變粗，其粗集料骨架結構必然由骨架結構松散狀態到骨架結構緊密狀態再到骨架結構失穩狀態，其馬歇爾、路用性能試驗結果必然成規律性變化，從而可得各參數最大值或最佳值所對應的4.75 mm篩孔最佳通過率，再根據工程所處地區環境、通行量與重載車流量對不同參數設置不同權重，粗集料4.75 mm篩最佳通過率取各參數的加權平均值，用公式(3)設計最佳理論標準級配。如工程處在高溫地區可調高動穩定度與車轍變形量權值；如工程處在低溫地區可調高抗彎拉強度與抗彎拉應變、調低目標空隙率權值；如工程處在高溫濕熱地區、通行量與重載車流量大，瀝青路面的高溫抗車轍、抗水損等能力應均衡設置權值，等等。根據最佳油石比及最佳理論標準級配進行生產配合比設計和檢驗，進而可設計出馬歇爾試驗結果符合技術要求、粗集料骨架結構優良、路用性能更優的生產配合比。

他“啪”地放下電話,從墻上摘下鐵路信號燈,把與鐵路服配套的藍帽子按在頭上,開門出去,大狼狗溜溜地跟著。

本文以實際工程AC20C瀝青混合料配合比為例，對前述理論原理和方法加以論證。

2 原材料

2.1 原材料篩分、初步級配合成及密度試驗

集料篩分、初步級配合成、密度試驗結果見表1。

表1 各檔集料水篩分、級配合成及密度表

2.2 粗集料松裝、搗實試驗及粗集料4.75 mm篩通過率計算

取上述合成級配粗集料做松裝、搗實密度試驗，按式(2)進行粗集料4.75 mm篩孔通過率計算，其馬歇爾目標礦料間隙率取13.0%，結果見表2。

表2 粗集料松裝、搗實密度及粗集料4.75 mm篩通過率數值表

3 瀝青混合料礦料理論級配與最佳油石比計算

工程采用SBS(I-D)改性瀝青，25℃相對密度1.031。目標礦料間隙率取13.0%，則相應的目標空隙率為4.0%。考慮拌合樓除塵因素，礦粉用量均用5.0%。最佳油石比、理論級配采用式(1)與式(3)設計，設計計算結果見表3，各級配密度及吸水率差異很小，最佳油石比均為4.3%。

表3 各級配各粒級用量、合成相對密度、吸水率及油石比表

3.3 各級配瀝青混合料馬歇爾、動穩定度及彎拉試驗

工程用瀝青針入度<55(0.1 mm)，軟化點>75 ℃，采用標準馬歇爾試件，故擊實溫度采用165 ℃～170 ℃，為使車轍試件與實際路面厚度相同，試件尺寸采用60×300×300(mm)；為檢驗各級配整體厚度抗彎拉應變能力和減少表面構造影響，試件尺寸采用50×50×250(mm)。試驗結果見表4及圖1～9。

表4 馬歇爾、車轍及彎拉試驗表

圖1 級配與馬歇爾密度關系圖

圖2 級配與馬歇爾空隙率關系圖

圖3 級配與飽和度關系圖

圖4 級配與馬歇爾穩定度關系圖

圖5 級配與流值關系圖

圖6 級配與動穩定度關系圖

圖7 級配與車轍變形量關系圖

圖8 級配與彎拉強度關系圖

圖9 級配與彎拉應變關系圖

3.4 瀝青混合料礦料最佳理論標準級配與最佳油石比

由表4及圖1可知，級配由細變粗馬歇爾密度由大變小、空隙率由小變大、瀝青飽和度由大變小、穩定度與流值由小變大再變小；級配由細變粗、動穩定度由小變大再變小、車轍變形量由大變小再變大、抗彎拉強度由小變大再變小、彎拉應變由小變大再變小，證明其粗集料骨架結構經歷了由骨架結構松散狀態到骨架結構緊密狀態再到骨架結構失穩狀態，通過這些參數的規律性變化可求得各參數最大值或最佳值對應的4.75 mm篩最佳通過率，結果見表5。由于本工程地處高溫濕熱地區、通行量與重載車流量大，瀝青路面高溫抗車轍抗水損等能力應均衡考量，故各權值均取1，由此得4.75 mm篩孔最佳通過率為27.3%，結果見表5。采用式(3)與式(1)設計最佳理論標準級配和最佳油石比，結果見表6。

表5 4.75 mm篩孔最佳通過率(%)選擇表

表6 瀝青混合料礦料最佳理論標準級配與最佳油石比表

4 生產配合比設計與驗證

4.1 生產配合比級配設計

熱料篩分、礦料合成級配設計情況見表7。

表7 熱料篩分、礦料合成級配設計表

4.2 生產配合比馬歇爾、路用性能驗證試驗

生產配合比馬歇爾試驗情況見表8；生產配合比路用性能試驗情況見表9。

表8 生產配合比馬歇爾試驗

表9 生產配合比路用性能驗證試驗表

由表8～9可見馬歇爾試驗結果均滿足相關技術要求，路用性能試驗結果相當優良，生產配合比最佳油石比4.3%，生產級配見表7。

5 結論

密斷級配瀝青混合料最佳油石比設計：根據瀝青混凝土體積填充理論推導出最佳油石比計算公式、通過原材料的密度試驗結果、馬歇爾空隙率及礦料間隙率技術要求，由公式計算而得。

密斷級配瀝青混合料最佳礦料級配設計：根據瀝青混凝土體積填充理論推導出粗集料4.75 mm篩孔通過率計算公式，通過粗集料松裝搗實密度試驗科學的縮小試驗級配區間，減少試驗工作量；根據礦料間隙率技術要求、理論冪級配公式設計5個理論標準級配；根據各理論級配馬歇爾、路用性能試驗結果分析與粗集料骨架結構分析以及考量工程所處地區環境、通行量及重載車流量等因素，優化設計礦料最佳理論標準級配。

本方法科學地簡化了最佳油石比獲取方式，強化了礦料級配設計。瀝青混合料馬歇爾、路用性能試驗結果不再是單純的檢驗性指標，增加作為級配擇優選擇性指標使用，把工程所處地區環境、通行量及重載車流量作為級配設計的重要考量因素，從而更好地優化礦料級配，設計的生產配合比路用性能更加優良，適應性更好。

6 結語

瀝青混合料最佳油石比可由Pb=(VMA-VV)/((100-VMA)×γsb)×γb×100+wx公式計算而得。

根據粗集料松裝搗實密度，由P=[(VCADRC-VMA)×PSb細]/[(100-VMA)×PSb]×100公式縮小試驗級配區間，減少試驗工作量。利用冪函數式y=axb設計出粗細不同的5個礦料標準級配，通過5個礦料標準級配的馬歇爾、動穩定度及彎拉等試驗結果分析，結合環境因素考量，設計最佳理論標準級配，進而設計出路用性能更加優良、適應性好的生產配合比。

本成果由密斷級配瀝青混合料(AC)配合比設計試驗所得。密級配瀝青穩定碎石混合料(ATB)、瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)，同樣以馬歇爾力學體積、路用性能為控制指標，亦可借鑒本方法加以應用。

[1]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術規范[S].

[2]JTJ052-2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].

[3]JTG D50-2004，瀝青路面設計技術規范[S].

[4]JTG E42-2005，公路工程集料試驗規程[S].

[5]熱拌密級配瀝青混合料油石比設計計算法研究[J].西部交通科技，2014(8)：19-23.

Discussions on Mixing Ratio Design of Dense-gap Graded Asphalt Mixture

TAN Xing-you

(Liuzhou Expressway Operations Co.，Ltd.，Liuzhou，Guangxi，545005)

The mixing ratio design of asphalt mixtures includes the asphalt-aggregate ratio and aggregate gradation design.Aiming at the problems in current mixing ratio design of dense-gap graded asphalt mixtures，this article discussed the best theoretical calculation and design method for asphalt-aggregate ratio and aggregate gradation of asphalt mixtures，and with the mixing ratio of AC20C asphalt mixture in actual project as the example，it conducted the experimental demonstration on the proposed theoretical principles and design methods.

Asphalt mixture；Asphalt-aggregate ratio formula；Coarse aggregate passing-rate calculation formula；Power grading formula；Gradation optimization

U416.217

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.09.006

1673-4874(2016)09-0021-06

2016-08-02

譚興友(1963—)，從事高速公路建設及養護管理工作。