骨架嵌擠密實型瀝青混合料集料配合比設計

康 偉

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

引言

美國SHRP研究計劃表明，集料在瀝青混合料高溫抗車轍方面發(fā)揮的作用較大，在瀝青混合料低溫抗裂性能方面的作用較小[1]，說明在表征混合料高溫性能時，集料起著主要作用。多級骨架嵌擠密實級配（Multilevel Dense Built-in Gradation）有著與SAC、SMA骨架密實級配類似的優(yōu)點，即路面防滑、抗磨耗性能好、高溫穩(wěn)定性好、低溫抗裂性好、耐疲勞破壞等優(yōu)點[2]，尤其適用于西部地區(qū)的道路建設，以改善“大溫差”環(huán)境下的路用性能。

常規(guī)的瀝青混凝土集料配合比，是通過調整級配使其符合規(guī)范級配建議的范圍?？紤]到集料原材料的產地、加工破碎方式的差異，同一類粒徑的集料也會有不同特性，所以需要因地制宜進行級配設計。依據(jù)逐級填充理論，對骨架嵌擠密實型級配設計方法進行研究，針對集料的特性設計相應的級配，并分析所得級配的組成特點，將該級配特點與常用的集料級配進行對比，找到一種考慮集料特性、因地制宜的骨架嵌擠密實型瀝青混合料集料配合比設計方法。

1 配合比設計

依據(jù)逐級填充理論作為骨架嵌擠密實型級配設計依據(jù)，采用單因素搗實實驗確定粗集料、細集料骨架，最終用Superpave的體積設計法算出混合料的合成配比[3]。類似于土工試驗的最大壓實度試驗，對不同配比的粗、細集料進行搗實試驗，繼而根據(jù)形成的骨架結構來確定集料級配。

1.1 粗集料級配設計

確定粗集料骨架級配需要兩個階段。首先將13.2～9.5 mm的集料按比例填充到16～13.2 mm的粗集料中，再次將9.5～4.75 mm的集料按比例填充到16～13.2 mm的粗集料中，對不同粒徑的集料配合比進行調整，采用逐級填充方式，由較大粒徑向次級粒徑兩兩組合，以集料骨架間隙率為VCADRC控制指標，尋找該指標最小時的集料級配，這個級配就是集料形成骨架填充狀態(tài)的最優(yōu)配比。

將粒徑為13.2～9.5 mm的集料按0%～100%的比例填充到16～13.2 mm的集料，兩檔集料混合料的骨架間隙率的變化情況見圖1。13.2～9.5 mm的填充率從10%增大到100%時，混合料的骨架間隙率呈現(xiàn)明顯的先減小后增大，在70%填充率時達到最小值。

圖1 第Ⅰ級粗集料填充曲線

第Ⅰ級粗集料填充結果表明，16～13.2 mm、13.2～9.5 mm兩檔料的最佳組合比例為3∶7，填充率超過70%以后，13.2～9.5 mm粒徑對骨架結構的干涉作用愈發(fā)明顯。

根據(jù)粗集料的單因素搗實試驗結果，粗集料中的三檔料16～13.2 mm、13.2～9.5 mm、9.5～4.75 mm，其最佳質量比例為0.12∶0.28∶0.6，此時粗集料的搗實相對密度為1.52。粗集料在此比例下，集料混合料可以達到最為密實的嵌擠狀態(tài)。

1.2 細集料級配設計

細集料級配的確定與粗集料一樣，按照粒徑4.75～2.36 mm、2.36～1.18 mm、1.18～0.6 mm、0.6～0.3 mm、0.3～0.15 mm、0.15～0.075 mm進行逐級填充，將最大粒徑和次大粒徑以不同填充比例進行混合，以最小為目標條件進行下一級集料填充，直至得到每一檔料的最優(yōu)組成比例。

根據(jù)細集料的單因素搗實試驗結果，細集料中的六檔料4.75～2.36 mm、2.36～1.18 mm、1.18～0.6 mm、0.6～0.3 mm、0.3～0.15 mm、0.15～0.075 mm，其最佳質量比例為0.188∶0.126∶0.134∶0.192∶0.16∶0.2，此時細集料的搗實相對密度為1.84。細集料在此比例下，集料混合料可以達到最為密實的嵌擠狀態(tài)。

1.3 礦質混合料合成配比

混合料中粗集料質量：

式中：ρ1—粗集料搗實密度，kg/m3。

混合料中細集料質量：

式中：ρ2—細集料搗實密度，kg/m3。

混合料中礦粉質量：

式中：ρ3—細集料搗實密度，kg/m3；VCADRC2—細集料礦料間隙率，%。

細集料、礦粉合成搗實密度：

細集料、礦粉合成表觀密度：

式中：—細集料和礦粉表觀密度，kg/m3。

細集料、礦粉混合料間隙率：

細集料、礦粉質量比：

填充粗集料骨架間隙的細集料與礦粉質量總和：

粗集料、細集料、礦粉合成質量比：

計算混合料中各檔集料質量比例見表1。

表1 試驗用集料級配

瀝青密度：

集料有效密度：

假定瀝青用量Pb=4.5%，則集料用量Ps=100%-4.5%=95.5%。

瀝青混合料理論最大密度：

為了確保瀝青混合料的路用性能以及耐久性，參考Superpave設計法的設計標準，選擇壓實瀝青混合料的空隙率V=4%。

瀝青混合料毛體積密度：

單位體積瀝青混合料中集料質量：

瀝青混合料中全部集料的毛體積密度：

單位體積瀝青混合料吸入集料的瀝青體積：

單位體積瀝青混合料有效瀝青體積：

式中：D—集料最大公稱尺寸，mm。

表2 MDBG-13級配

初始估算瀝青用量：

再次假定瀝青用量Pb=4.6%，則集料用量Ps=95.4%，瀝青混合料理論最大密度Gmm=2.455 g/cm3，瀝青混合料毛體積密度Gmb=2.357 g/cm3，單位體積瀝青混合料中集料質量Gmw=2.248 g，單位體積瀝青混合料吸入集料的瀝青體積Vba=0.01 cm3，單位體積瀝青混合料有效瀝青體積Vbe=0.1 cm3，經計算，初始估算瀝青用量Pbi=4.6%，與假定的瀝青用量相同。

2 級配組成分析

Superpave混合料設計要求包括三個方面，即設計旋轉壓實次數(shù)、體積性質要求以及粉膠比要求。雖然該設計法采用旋轉壓實儀成型試件，但其粉膠比的要求、試驗級配初始瀝青用量的計算方法可以作為WMA設計時的參考。將MDBG-13級配與Superpave粗細級配劃分標準對比，該類型級配屬于粗級配范疇。Superpave對于粉膠比的要求，粗、細級配混合料的粉膠比范圍各不相同，其范圍分別為0.8～1.6和0.6～1.2。通過計算，此次采用的MDBG-13級配的粉膠比為1.27，符合0.8～1.6的要求范圍。

將AC-13、SMA-13以及MDBG-13型級配曲線繪制于雙對數(shù)坐標軸中，見圖2、圖3。

圖2 MDBG-13、AC-13級配曲線

圖3 MDBG-13、SMA-13級配曲線

可以看出，AC-13型級配的上下限屬于典型的連續(xù)密級配類型，無論是AC-13型級配的上限或者下限，在雙對數(shù)坐標中其級配曲線近似為一條斜直線。從分形級配理論的角度說，AC型級配可以用一個分形維數(shù)表示[4]。MDBG-13型級配在4.75 mm篩孔的通過率是一個轉折點，將級配曲線分為不同斜率的兩段直線。恰好4.75 mm篩孔是公稱最大粒徑13.2 mm混合料的粗細集料分界點。雖然MDBG-13型級配處于規(guī)范的AC型級配范圍內，但它不屬于連續(xù)級配范疇，而具有間斷級配的特點。按照瀝青混合料強度形成的機理，混合料的結構類型可以分為兩大類，即集料骨架之間形成的嵌擠結構和最大密實狀態(tài)的結構[5]，MDBG-13型級配同時具有密級配和間斷級配的特點，可以稱為骨架密實型級配。又因為MDBG-13型級配形成了主、次骨架的嵌擠結構，因此可以稱為多級嵌擠密實型級配。

經過試算，試驗級配系用瀝青用量4.6%，基于得出的集料級配和瀝青用量，制作馬歇爾標準試件，檢驗該種級配是否符合與預定的空隙率及規(guī)范要求的技術標準。從試驗數(shù)據(jù)可以看出，試件空隙率vv=3.7%，試算的試件空隙率vv=4.0%，兩者基本吻合。依據(jù)粗集料骨架間隙率是否滿足大于混合料礦料間隙率的條件，判斷MDBG-13是否形成骨架。

搗實狀態(tài)下粗集料骨架間隙率：

瀝青混合料試件的粗集料間隙率：

由計算結果可知VCADRC＞VCAmix，有關研究表明，對于連續(xù)型密級配瀝青混合料，混合料的骨架嵌擠密實狀態(tài)可定義為：松散狀態(tài)下礦料間隙率大于壓實后的混合料礦料間隙率。計算結果說明設計的混合料粗集料骨架沒有被瀝青瑪蹄脂撐開，設計級配滿足集料骨架嵌擠原則。

試件的穩(wěn)定度符合并且高于規(guī)范的要求，但試件的流值偏大，稍高于AC規(guī)范4 mm的要求，說明試驗用瀝青混合料MDGB-13，其中瀝青膠結料偏多造成混合料高溫穩(wěn)定性的下降，混合料偏“軟”。但試件流值符合SMA規(guī)范的5～6 mm的范圍要求，說明MDBG-13具有SMA的某些特點，即瀝青膠結料較多、混合料處于一種骨架密實狀態(tài)。通過對MDBG-13混合料的車轍試驗，該種瀝青混合料的動穩(wěn)定度為1 824 次/mm，超過常規(guī)熱拌瀝青混合料動穩(wěn)定度的要求，說明該種瀝青混合料的高溫抗車轍能力可以滿足要求。

3 結語

由于集料級配對瀝青混合料的路用性能影響較大，即便是相同級配、相同瀝青摻量下，來自不同料場的集料制拌出的瀝青混合料體積及路用性能也有顯著的差異。（1）參考Superpave瀝青用量計算方法試算瀝青用量，依據(jù)具體的集料性質以及混合料體積參數(shù)計算瀝青用量。雖然Superpave是在GTM成型方法下給出的瀝青用量計算方法，但經過驗證也可將其應用于馬歇爾成型的瀝青混合料設計。（2）逐級填充理論作為骨架嵌擠密實型級配設計依據(jù)，采用單因素搗實試驗確定粗集料、細集料骨架，最終用Superpave的體積設計法算出混合料的合成配比。這種配合比設計方法下的骨架嵌擠密實瀝青混合料，具有抗滑耐磨、空隙率小、抗疲勞、高溫抗車轍的優(yōu)點。經過試驗驗證，骨架嵌擠密實型級配的瀝青混合料表現(xiàn)出較好的路用性能。因此，采用骨架嵌擠密實級配設計方法，針對不同集料的特性設計相應級配，這種因地制宜的級配設計方法更具合理性。