，， ， ，

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.海南省路橋投資建設(shè)有限公司,海南 海口 570110)

礦料級(jí)配對(duì)于瀝青路面的重要性不言而喻，良好的級(jí)配設(shè)計(jì)能夠達(dá)到形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用性能及服務(wù)性能良好的瀝青路面的效果[1]。在瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能中，礦料級(jí)配的貢獻(xiàn)率占了主要部分[2-4]。通過堆積密度試驗(yàn)、正交試驗(yàn)及關(guān)鍵篩孔通過率與動(dòng)穩(wěn)定度關(guān)系試驗(yàn)等方法進(jìn)行中面層AC—20瀝青混合料工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍的優(yōu)化。

1 粗集料堆積密度試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)思路

對(duì)基于高溫穩(wěn)定性能的AC—20礦料級(jí)配設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，主要解決3個(gè)方面的問題：粗集料的合理結(jié)構(gòu)的組成；填充細(xì)集料的合理組成；作為填充料的細(xì)集料合理結(jié)構(gòu)組成；粗細(xì)集料之間形成合理比例。本文基于粗集料堆積密度試驗(yàn)得到粗集料最佳組成比例，從而選定粗集料的合理組成結(jié)構(gòu)；通過瀝青混合料正交設(shè)計(jì)馬歇爾試驗(yàn)與關(guān)鍵篩孔通過率與動(dòng)穩(wěn)定度關(guān)系試驗(yàn)得到作為填充料的細(xì)集料合理組成結(jié)構(gòu)及粗細(xì)集料之間的合理比例。

1.2 堆積密度試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

按堆積密度試驗(yàn)方案進(jìn)行粗集料堆積特性分析，從而得到AC—20粗集料合理組成結(jié)構(gòu)。見表1。

參考表2的堆積密度試驗(yàn)，(26.5～19)∶(19～16)以1∶2的比例進(jìn)行逐級(jí)堆積時(shí)的2種間隙率均達(dá)到最小值，將該比例作為第1階段的最佳堆積比例，下一階段堆積試驗(yàn)以此最佳比例為基礎(chǔ)開展。見表3。

表1 AC—20第1階段堆積密度試驗(yàn)方案粒徑組成類型粒徑比例粒徑(mm)分計(jì)比例191613 29 54 751∶111///(26 5～19)∶(19～16)1∶212///1∶313///

表2 AC—20第1階段堆積密度試驗(yàn)結(jié)果粒徑組成類型組成比例合成毛體積密度/(g·cm-3)自然堆積間隙率/%搗實(shí)堆積間隙率/%1∶12 83447 9841 33(26 5～19∶(19～16)1∶22 83347 7940 011∶32 83247 1040 71

表3 AC—20第2階段堆積密度試驗(yàn)方案粒徑組成類型組成比例粒徑(mm)分計(jì)比例191613 29 54 75 1∶1123//1．5∶1122//(26 5～16)∶(16～13 2) 2∶1121．5// 3∶1121// 1∶2126// 1∶3129//

根據(jù)表4堆積試驗(yàn)結(jié)果得到(26.5～16)∶(16～13.2)最佳比例為1.5∶1，當(dāng)超過1.5∶1時(shí)即當(dāng)13.2 mm顆粒增多時(shí)，集料自然堆積間隙率與搗實(shí)堆積間隙率兩者變大的趨勢(shì)越來(lái)越顯著。按第2階段的最佳比例進(jìn)行第3階段堆積密度試驗(yàn)。見表5。

表4 AC—20第2階段堆積密度試驗(yàn)結(jié)果粒徑組成類型組成比例合成毛體積密度/(g·cm-3)自然堆積間隙率/%搗實(shí)堆積間隙率/% 1∶12 83146 3739 801 5∶12 83145 4339 22(26 5～16)∶(16～13 2) 2∶12 83245 7839 76 3∶12 83247 2341 07 1∶22 83046 8940 69 1∶32 83147 1240 98 注：(26 5～16)∶(16～13 2)中，26 5～16表示26 5～19和19～16兩檔料之和，其余類同。

表5 AC—20第3階段堆積密度試驗(yàn)方案粒徑組成類型組成比例粒徑(mm)分計(jì)比例191613 29 54 751∶11225 /(26 5～13 2)∶(13 2～9 5)2∶11222 5 /3∶11221 7 /4∶11221 25/

第3階段堆積試驗(yàn)中，(26.5～13.2)中各檔單粒徑分別按照第1、第2階段中粗集料最佳比例逐級(jí)進(jìn)行。參考表6的試驗(yàn)結(jié)果，(26.5～13.2)∶(13.2～9.5)以2∶1的比例進(jìn)行逐級(jí)堆積的間隙率達(dá)到最小值，表明該比例為第3階段的最佳組成比例。按此最佳比例，進(jìn)行第4階段堆積密度試驗(yàn)。見表7。

表6 AC—20第3階段堆積密度試驗(yàn)結(jié)果粒徑組成類型組成比例合成毛體積密度/(g·cm-3)自然堆積間隙率/%搗實(shí)堆積間隙率/%1∶12 83144 6839 12(26 5～13 2)∶(13 2～9 5)2∶12 83243 2238 833∶12 83145 3539 584∶12 83146 3240 53

參考表8試驗(yàn)結(jié)果，(26.5～9.5)∶(9.5～4.75)以1.5∶1的比例進(jìn)行逐級(jí)堆積的間隙率均最小，表明該比例為第4階段的最佳組成比例；當(dāng)加入9.5～4.75 mm這一檔粗集料時(shí)，相較于第3階段，礦料的間隙率出現(xiàn)明顯的減小，說(shuō)明9.5～4.75 mm這一檔粗集料對(duì)瀝青混合料具有較好的填充作用。

綜合4個(gè)階段的堆積密度試驗(yàn)，得到AC—20粗集料各檔的最佳比例為：1∶2∶2∶2.5∶5。

表7 AC—20第4階段堆積密度試驗(yàn)方案粒徑組成類型組成比例粒徑(mm)分計(jì)比例191613 29 54 75 1∶11222 57 5(26 5～9 5)∶(9 5～4 75)1 5∶11222 55 2∶11222 53 75 3∶112222 5

表8 AC—20第4階段堆積密度試驗(yàn)結(jié)果粒徑組成類型組成比例合成毛體積密度/(g·cm-3)自然堆積間隙率/%搗實(shí)堆積間隙率/% 1∶12 82742 4537 84(26 5～9 5)∶(9 5～4 75)1 5∶12 82941 4637 35 2∶12 83041 7837 63 3∶12 83043 1138 42

2 正交馬歇爾試驗(yàn)

2.1 因素和水平的選取

采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)，以馬歇爾指標(biāo)和體積指標(biāo)作為目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行研究。正交馬歇爾試驗(yàn)主要考慮礦料級(jí)配主要篩孔通過率與油石比兩個(gè)控制參數(shù)。AC—20瀝青混合料礦料級(jí)配這個(gè)控制參數(shù)主要考慮篩孔16、9.5、4.75、2.36 mm等4粒徑主要控制篩孔的通過率(分別用A、B、C、D表示)，4種篩孔通過率在施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定的級(jí)配范圍內(nèi)取上限、上中值、中值、下中值和下限5種水平，其中施工技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的4.75 mm通過率下限為26%，當(dāng)其值與2.36 mm通過率上限44%組合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，不符合實(shí)際情況。為此，根據(jù)交通部對(duì)高速公路重載路段、江蘇省和長(zhǎng)沙理工大學(xué)及沙慶林院士對(duì)AC—20型瀝青混合料礦料級(jí)配推薦的級(jí)配范圍，0.075 mm篩孔的通過率選取規(guī)范推薦級(jí)配范圍中值5%。對(duì)于油石比因素，選取3.8%、4.1%、4.4%、4.7%和5.0%等5種水平(用E表示)，各因素水平見表9。

表9 AC—20級(jí)配優(yōu)化正交表設(shè)計(jì)水平因素各篩孔通過率/%16mm(A)9 5mm(B)4 75mm(C)2 36mm(D)油石比(E)/%1897250285 02866644244 73836139214 44805634194 15785028163 8

2.2 正交試驗(yàn)方案

基于正交試驗(yàn)法，對(duì)5因素5水平進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案如表10。

表10 正交設(shè)計(jì)馬歇爾試驗(yàn)方案試驗(yàn)編號(hào)各篩孔通過率/%16mm9 5mm4 75mm2 36mm油石比/%1897250285 02896644244 73896139214 44895634194 15895028163 86867244214 17866639193 88866134165 09865628284 710865050244 411837239164 712836634284 413836128244 114835650213 815835044195 016807234243 817806628215 018806150194 719805644164 420805039284 121787228194 422786650164 123786144283 824785639245 025785034214 7

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于正交設(shè)計(jì)馬歇爾試驗(yàn)方案的25組礦料級(jí)配進(jìn)行正交馬歇爾試驗(yàn)，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如表11。

表11 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)編號(hào)VV/%VMA/%VFA/%穩(wěn)定度/kN流值/mm毛體積密度/(g·cm-3)13 012 876 410 552 832 56224 413 765 69 782 562 55636 114 257 410 932 552 49548 816 447 810 252 412 476510 116 942 57 622 352 46867 315 052 59 802 412 48478 015 146 810 43 162 47987 316 857 39 883 002 48396 715 858 28 933 102 490105 414 162 711 522 862 538117 116 056 811 252 932 489125 513 961 813 832 882 541136 914 854 612 402 622 492147 114 451 610 522 222 490156 015 962 410 853 132 497165 512 957 614 882 762 536173 513 574 211 223 182 560184 413 768 614 923 182 554197 315 854 112 82 962 486204 312 566 110 452 922 558219 017 148 612 322 542 474225 913 957 811 662 632 496234 612 163 111 222 822 551242 913 276 513 952 662 564253 413 072 811 622 922 563

將正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，極差分析結(jié)果見表12。

根據(jù)表11、表12，對(duì)空隙率和飽和度進(jìn)行極差分析，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中空隙率4%～6%的各因素取值范圍：A：80%～90%，B：50%～68%，C：32%～50%，D：20%～28%，E：4.4%～5.0%；滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中飽和度65%～75%的各因素取值范圍A：78%～90%，B：50%～70%，C：27%～54%，D：16%～40%，E：4.4%～5.2%。4.75 mm、油石比和2.36 mm對(duì)空隙率的影響是顯著的。同時(shí)通過對(duì)礦料間隙率、穩(wěn)定度、流值進(jìn)行極差分析發(fā)現(xiàn)，三者的影響因素主次各不相同。

綜合滿足規(guī)范要求的各因素取值范圍為：A：80%～90%，B：50%～68%，C：32%～50%，D：20%～28%，E：4.4%～5.0%。

表12 極差分析結(jié)果 類別16mm9 5mm4 75mm2 36mm油石比K16 4806 3805 1604 8204 540K26 9405 4605 9205 0205 200空隙率K36 5205 8605 6805 4806 660K45 0006 5606 1007 2406 640K55 6005 8407 2407 5407 060R1 9401 1002 7202 0802 520K114 80014 76013 78013 42014 440K215 36014 02014 50013 74014 440K315 00014 32014 20014 02015 020礦料間隙率K413 68015 12014 60015 64014 520K513 86014 48015 62015 88014 280R1 6801 1001 8402 4600 740K157 9458 3863 4265 1269 36K255 5061 2459 5463 4064 40K357 4460 2060 7261 7056 92飽和度K464 1257 6459 4654 8455 76K563 7661 3061 3053 7052 32R8 623 663 6611 4217 04K19 82611 76011 83410 99611 290K210 10611 37810 89012 50611 300K311 77011 87011 39610 81812 280穩(wěn)定度K412 85411 29012 09211 74810 912K512 15410 41210 49810 64210 928R3 0281 4581 5941 8641 368K12 5402 6942 7442 9102 960K22 9062 8822 7762 6922 938K32 7562 8342 8442 6562 758流值K43 0002 6702 7942 8842 598K52 7142 8362 7582 7742 662R0 4600 2120 1000 2540 362

3 關(guān)鍵篩孔4.75 mm通過率對(duì)車轍試驗(yàn)影響

為研究分析AC—20瀝青混合料關(guān)鍵篩孔4.75 mm通過率與動(dòng)穩(wěn)定度之間的影響關(guān)系，選定AC—20瀝青混合料6條設(shè)計(jì)級(jí)配的關(guān)鍵篩孔2.36 mm通過率依次為25%、30%、35%、40%、45%、50%，級(jí)配編號(hào)依次為1#、2#、3#、4#、5#、6#，根據(jù)設(shè)計(jì)級(jí)配，在相應(yīng)最佳油石比條件下成型試件來(lái)開展車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1。

圖1 關(guān)鍵篩孔4.75 mm通過率與動(dòng)穩(wěn)定度關(guān)系圖

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)關(guān)鍵篩孔4.75 mm通過率與動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行二次項(xiàng)式回歸分析，二次回歸方程為：y=-10.819x2+810.54x-8 416，R2=0.89，兩者相關(guān)性良好。從圖中可知關(guān)鍵篩孔級(jí)配由粗到細(xì)，動(dòng)穩(wěn)定呈現(xiàn)近乎開口向下的拋物線型，當(dāng)關(guān)鍵篩孔4.75mm通過率處于35%～45%，動(dòng)穩(wěn)定度處于最佳范圍，即此時(shí)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能處于一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)最佳的范圍。對(duì)比規(guī)范中AC—20關(guān)鍵篩孔4.75 mm通過率范圍26%～56%，優(yōu)化后的4.75 mm篩孔通過率范圍明顯縮小。

4 AC-20工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍的提出

綜合粗集料堆積密度、正交設(shè)計(jì)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果及關(guān)鍵篩孔通過率與動(dòng)穩(wěn)定度關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果及瀝青路面施工均勻性的需要，以規(guī)范工程級(jí)配范圍為基礎(chǔ)，提出優(yōu)化礦質(zhì)混合料工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍。提出的級(jí)配范圍在級(jí)配設(shè)計(jì)中，主要以滿足其他指標(biāo)的前提下，著重考慮高溫穩(wěn)定性能的設(shè)計(jì)。增大粗集料、減小細(xì)集料用量以適應(yīng)夏季溫度高、高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且設(shè)計(jì)空隙率較高的要求[5]。粗集料各關(guān)鍵篩孔通過率按正交設(shè)計(jì)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整優(yōu)化級(jí)配范圍，粗集料其余篩孔按堆積密度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)參考規(guī)范工程級(jí)配范圍，調(diào)整細(xì)集料級(jí)配范圍，其中0.075 mm級(jí)配范圍采用規(guī)范規(guī)定值，即礦粉與水泥等填料的用量按照規(guī)范規(guī)定使用。推薦的AC—20工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍見表13。

表13 推薦的AC—20工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍粒徑/mm上限/%下限/%粒徑/mm上限/%下限/%26．51001002．36342019100901．1828161691800．6201213．278620．31589．568500．151154．7545350．07573

5 結(jié)論

1) 通過進(jìn)行粗集料的堆積密度試驗(yàn)，得到AC—20粗集料各粒徑組成的最佳比例為：1∶2∶2∶2.5∶5。

2) 通過對(duì)AC—20礦質(zhì)混合料級(jí)配進(jìn)行正交試驗(yàn)及關(guān)鍵篩孔通過率與動(dòng)穩(wěn)定度關(guān)系試驗(yàn)分析，得到混合料礦料級(jí)配主要篩孔通過率范圍。

3) 綜合粗集料堆積密度試驗(yàn)結(jié)果、正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果以及關(guān)鍵篩孔通過率與動(dòng)穩(wěn)定度關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果及瀝青路面施工均勻性的需要，基于規(guī)范工程級(jí)配范圍，提出了AC—20工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍。

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