细集料对沥青混合料骨架结构的干涉影响分析

2012-09-06 00:54李永明于金龙

城市建设理论研究 2012年22期

李永明于金龙

摘要：本文就细集料对沥青混合料粗集料骨架结构的干涉影响进行了分析。研究了沥青混合料骨架间隙大小分布情况、干涉最敏感筛孔、干涉最敏感筛孔的敏感性以及干涉指数（表征沥青混合料的干涉程度）与沥青混合料高温稳定性指标的关联性，得到了颗粒干涉和胶浆干涉分别对沥青混合料粗集料骨架的干涉特性以及干涉指数与动稳定度的拟合函数。

关键词：颗粒干涉；胶浆干涉；粗集料间隙率；干涉敏感性；

中图分类号：TU57+1文献标识码：A 文章编号：

一、前言

骨架密实结构沥青混合料既有以粗集料为主的嵌锁骨架，又有细集料和沥青胶浆填充空隙，形成很强的粘结力，故沥青混合料整体强度高、稳定性好、抗高温永久形变能力强，正因如此骨架密实结构沥青混合料已经逐渐成为沥青路面的发展方向。而作为填充骨架间隙的细集料，在什么情况下才能填充密实而不发生干涉，什么情况下才能不影响沥青混合料的均匀性，各粒径细集料对骨架产生干涉的大小程度等这些问题还有待深入研究。

本文通过试验研究，首先进行沥青混合料骨架间隙大小分布情况研究；然后在此基础上通过试验找到细集料的干涉最敏感筛孔，并对最敏感筛孔的敏感性进行深入的分析，得到颗粒干涉和胶浆干涉分别对沥青混合料粗集料骨架的影响；最后，通过干涉指数（表征沥青混合料的干涉程度）与沥青混合料高温稳定性指标的关联性分析，得到了干涉指数与动稳定度的拟合函数，达到了通过干涉指数预估沥青混合料的高温稳定性的目的。

二、沥青混合料骨架间隙大小分布情况研究

（一）研究方法

采用CT技术和体视学结合的方式来分析研究沥青混合料骨架间隙是一种直接的研究方法，本文采用的是一种间接的研究方法，即通过确定细集料的级配（该细集料级配刚好既不对沥青混合料产生颗粒干涉，又不产生胶浆干涉）从而间接的表征沥青混合料骨架间隙的大小分布情况。

为确定细集料的级配，本文首先确定了粗集料，并固定不变；然后将单一粒径的细集料与粗集料、沥青、矿粉按马歇尔方法成型，再以干涉与否作为判断条件不断调整细集料的用量，依此从大粒径到小粒径先后确定出各粒径细集料的用量。由于2.36mm粒径细集料在设计中一般都通过间断该档细集料来避免其对粗集料骨架的干涉，所示本文不对2.36mm粒径细集料的干涉性质进行讨论。试验过程中，胶浆干涉的避免是通过式(2-1)和式(2-2)计算各集料、沥青和矿粉用量来实现；颗粒干涉的避免是通过不断调整细集料的用量的来实现。

(2-1)

(2-2)

式中： ——粗集料与沥青、矿粉成型马歇尔试件测得的粗集料间隙率； ——粗集料重量百分数； ——细集料重量百分数； ——矿粉重量百分数； ——沥青混合料设计空隙率； ——合成细集料毛体积相对密度； ——矿粉的表观相对密度； ——粗集料紧装密度； ——有效沥青体积百分数，其取值可根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40—2004）中表5.3.3—1和表5.3.3—3求得；

（二）干涉与否的判定方法

参照试样：粗集料加适量矿粉和沥青后按马歇尔试件的成型方法成型；

对比试样：粗集料、细集料、沥青和矿粉按马歇尔试件的成型方法成型；

判定方法：测定参照试样和对比试样的粗集料间隙率分别为和，当时，判定细集料未对粗集料形成的骨架结构产生干涉。

（三）试验结果

1.对论文所选粗集料，1.18mm、0.6mm、0.3mm和0.15mm各档细集料在临界干涉状态下，与粗集料的用量比值分别为0.12—0.13、0.02—0.04、0.015—0.025、0.015—0.025，当大于该值时，就开始出现干涉现象，干涉程度随着该值的增大而不断增大。

2、0.075mm粒径细集料和0.075mm以下粒径细集料对沥青混合料粗集料骨架产生的颗粒干涉作用可以忽略不计，他们在沥青混合料中主要起填充的作用。

三、干涉最敏感筛孔研究

（一）干涉指数的定义

为定量分析细集料对沥青混合料骨架产生干涉的程度，定义干涉指数如下：

(3-1)

式中： ——参照试样的粗集料骨架间隙率；

——对比试样的粗集料骨架间隙率。

（二）干涉最敏感筛孔的确定

本文运用沥青混合料骨架间隙大小分布情况研究结果得到临界方案，临界方案刚好既不产生颗粒干涉，又不产生胶浆干涉，其级配如表3-1所示。为确定干涉最敏感筛孔，在临界方案的基础上分别增加相同用量的不同粒径细集料构成对比方案组，分析比较各对比方案和临界方案的粗集料骨架间隙率，得出各档细集料对沥青混合料骨架产生的干涉大小，从中找出干涉程度最大者，其对应的筛孔即干涉最敏感筛孔。

试验结果如图3-1和图3-2所示。由图可看出，对于本文所选粗集料，仅颗粒干涉作用下的干涉最敏感筛孔以及颗粒、胶浆干涉同时作用下的最敏感筛孔都是1.18mm，所以确定1.18mm为该种级配的粗集料的干涉最敏感筛孔。

表3-1 临界方案级配列表

图3-1 仅颗粒干涉作用的敏感筛孔

图3-2 颗粒、胶浆干涉同时作用的敏感筛孔

（三）干涉最敏感筛孔的敏感性分析

1、仅颗粒干涉作用的敏感性分析

为分析仅颗粒干涉作用下干涉最敏感筛孔的敏感性，在临界方案的基础上，对1.18mm粒径细集料用量分别增加1.5%、3%、4.5%、6%，同时通过减少0.075mm和0.075mm以下粒径细集料（对粗集料骨架产生的颗粒干涉可以忽略不计）的用量，由式(2-1)和式(2-2)计算各集料的百分比用量来避免胶浆干涉的发生，由此形成对比方案组，分析研究沥青混合料的粗集料骨架间隙率随着1.18mm粒径细集料用量的增加而变化的规律。

图3-3 骨架间隙率变化趋势图

图3-4骨架间隙率增长趋势图

从图3-3中可以看出在仅颗粒干涉作用的情况下，随着1.18mm粒径细集料用量的增加，沥青混合料的粗集料骨架间隙率不断增大，从而表明随着1.18mm粒径细集料用量的增加，沥青混合料的干涉程度越来越大。从图3-4中可以看出在仅颗粒干涉作用的情况下，随着1.18mm粒径细集料用量的增加，沥青混合料的粗集料骨架间隙率增加的幅度越来越小。

对其进行分析，其原因在于颗粒干涉会导致之前的沥青混合料粗集料骨架间隙大小分布情况发生变化。如果在已经出现干涉的情况下继续增加1.18mm粒径细集料用量，由于骨架间隙大小分布情况已经发生变化，新增加的1.18粒径细集料中的一部分细集料填充到新出现的空隙中而不会对粗集料骨架产生颗粒干涉，从而导致粗集料骨架间隙率增加的幅度减小，而且新增加的1.18mm粒径细集料中不对粗集料骨架产生颗粒干涉的细集料比重会随着干涉程度的增加而增加，所以粗集料骨架间隙率增加的幅度随着1.18粒径细集料用量的不断增加而不断减小。

2、颗粒、胶浆干涉同时作用的敏感性分析

为分析颗粒、胶浆干涉同时作用下干涉最敏感筛孔的敏感性，在临界方案的基础上，对1.18mm粒径细集料用量分别增加1.5%、3%、4.5%、6%，其他各档集料用量不变，由此形成对比方案组，分析研究沥青混合料的粗集料骨架间隙率随着1.18mm粒径细集料用量的增加而变化的规律。

从图3-5中可以看出在颗粒、胶浆干涉同时作用的情况下，随着1.18mm粒径细集料用量的增加，沥青混合料的粗集料骨架间隙率不断增大，表明随着1.18mm粒径细集料用量的增加，沥青混合料的干涉程度越来越大。从图3-6中可以看出在颗粒、胶浆干涉同时作用的情况下，随着1.18mm粒径细集料用量的增加，沥青混合料的粗集料骨架间隙率增加的幅度越来越小。

图3-5 骨架间隙率变化趋势图

图3-6骨架间隙率增长趋势图

3、仅胶浆干涉作用的敏感性分析

分析仅颗粒干涉作用以及颗粒、胶浆干涉同时作用的情况下，沥青混合料粗集料骨架间隙率随1.18mm粒径细集料用量增加的变化规律，可以得到仅胶浆干涉作用情况下，沥青混合料粗集料骨架间隙率随着1.18mm粒径细集料用量增加的变化规律，如图3-7所示。

图3-7 骨架间隙率变化趋势图

图3-8线性拟合

由图3-7可以看出，仅胶浆干涉作用下沥青混合料粗集料骨架间隙率随着1.18mm粒径细集料用量的增加而线形增大，也即仅胶浆干涉作用下沥青混合料粗集料骨架间隙率随着1.18mm粒径细集料用量的增加而增大的幅度是不变的，所以，随着1.18mm粒径细集料用量的增加，沥青混合料的粗集料骨架间隙率的变化趋势在仅颗粒干涉作用下与在颗粒、胶浆干涉同时作用下是一致的。为定量描述沥青混合料粗集料骨架间隙率与1.18mm粒径细集料用量两者之间的关系，对其进行线性拟合，拟合结果如图3-8、表3-2和表3-3所示。

表3-2 拟合数据列表

表3-3 拟合公式参数列表

四、干涉指数与动稳定度的关联性分析

为分析干涉指数与动稳定度的关联性，在临界方案的基础上，分别对1.18mm、0.6mm、0.3mm和0.15mm粒径细集料增加3%的用量，而其他各档集料用量不变，如此构成对比方案组，分析研究沥青混合料的动稳定度随着干涉指数的增加而变化的规律。

图4-1 干涉指数与动稳定度关系图

图4-2三阶衰减拟合曲线图

从图4-1可以看出随着干涉指数的不断增加，沥青混合料的动稳定度在不断减小,表明沥青混合料的动稳定度是随着沥青混合料的骨架性的减弱而减小，随着沥青混合料的骨架性的增强而增大。为定量分析干涉指数与动稳定度之间的关联性，以干涉指数为自变量，以动稳定度为因变量，采用三阶衰减拟合函数对试验数据进行数据拟合，建立干涉指数与动稳定两者之间的数量关系，拟合结果如图4-2、表4-1和表4-2所示。

表4-1 三阶衰减拟合结果列表

公式