常温沥青混合料的骨架嵌挤结构设计及评价

李文赛,徐文远,夏 冬,解 晨,陈 丹

(东北林业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨 150040)

设计与试验

常温沥青混合料的骨架嵌挤结构设计及评价

李文赛,徐文远,夏 冬,解 晨,陈 丹

(东北林业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨 150040)

针对常温沥青混合料早期强度不足、胶结材料强度较低等问题,以逐级填充和干涉理论为基础,借鉴集料和土粒的分形理论建立数学函数模型,并根据数学模型得出5种不同的设计级配.结果表明:5种设计级配的沥青混合料均具有良好的密实度和嵌挤能力,且存在一个粗集料级配曲线范围,使沥青混合料具有较高的密实度和骨架嵌挤能力.

常温沥青混合料;骨架嵌挤结构;设计级配;密实度

0 引 言

目前对于骨架嵌挤结构级配设计的研究方法和手段各不相同,但重点都是在嵌挤密实方面,且基本都是基于热拌沥青混合料的研究;而常温沥青混合料强度的形成具有时间性和过程性的特点,与热拌沥青混合料有很大的区别[1].骨架嵌挤结构的作用对于常温沥青混合料更为显著,如热拌沥青混合料常用的SMA级配,在用于常温沥青混合料时易发生早期的结构破坏,形成车辙[2].因此对于热拌沥青混合料的骨架嵌挤结构很难直接用于常温沥青混合料的级配设计.

本文针对常温沥青混合料,依据前人的研究成果,以逐级填充理论、干涉理论作为基础,借鉴混凝土矿料与土粒的分形理论[3-5],建立骨架嵌挤结构级配设计模型;然后对设计级配粗集料骨架结构进行密实度和嵌挤能力的评价.

1 设计理论

1．1 填充理论

相同粒径比或相同粒径的球形颗粒排列时,堆积率与其粒径的大小无关,仅与排列和填充方式有关[6].不同紧密排列方式下同种粒径和次级填充的球体的堆积率和空隙率如表1所示,r1,r2分别为一级球体和次级球体的半径[7].

由表1可知,对于球体颗粒,无论是平行六面体、六方体还是四面体的紧密排列方式,其一级球体的堆积率都是74%,空隙率为26%.

表1 不同填充方式下填充球体有规则排列的堆积率和空隙率

1．2 堆积理论

在理想紧密堆积状态时,不同粒径颗粒通过量的累积百分数的理论分布用Dinger-Funk方程表示为[8-9]

式中:d为颗粒的粒径;CPFT为粒径不大于d的颗粒的质量累积百分数;dmin为集料中的最小粒径;dmax为集料中的最大粒径;f为两相邻孔径比的对数;R为通过相邻两筛孔的颗粒质量之比.

1．3 分形理论

当不同粒径的碎石混合后,表征碎石特征尺寸的筛孔孔径形成一种分布,这个分布可用函数表示为[10]

式中:D为筛孔孔径;P(D)为孔径为D时的筛孔通过百分率;x为矿料的粒径分形维数,常取2或3.

2 级配设计方法

2．1 模型建立的基本假设

模型建立的基本假设如下:粗集料视为同等粒径的球形颗粒,即为一级填充颗粒;细集料视为同等粒径的球状颗粒,即为二级填充颗粒;把粗、细集料作为整体考虑.

一级球体的堆积率为74%,即一级球体堆积的空隙率为26%;则骨架嵌挤结构的粗集料用量为74%,即关键筛孔上集料的累积百分数为74%.

2．2 粗细集料级配的函数模型

粗集料设计参考Dinger-Funk方程、混凝土和土粒的级配分形理论方法,得出粗集料各级通过率的数学模型为

粗集料级配调整模型为

细集料数学模型为

式中:Di为第i个筛孔孔径;P(Di)为孔径为Di的筛孔通过质量百分率;xc为粗集料与粒径相关的系数,xc＝(lg Dmax－lg Di)/lg Di;xx为细集料与粒径相关的系数,xx＝lg Di＋1－lg Di.

2．3 级配设计

由公式(3)～(8)对13型沥青混合料进行粗、细集料的级配设计,本设计关键筛孔选择r2＝0.225r1.即2.36 mm为关键筛孔(粗细集料的分界筛孔).粗、细集料设计级配见表1、2.

表2 粗集料设计级配%

表3 细集料设计级配

由填充理论可知,二级填充颗粒的用量为7%,则对于13型沥青混合料而言,0.6 mm筛孔到2.36 mm筛孔集料用量为7%,细集料用量约为14%.因此初步确定13型骨架嵌挤型沥青混合料粗集料用量为74%,细集料用量为14%,矿粉用量为12%.设计5种级配并依次记为A、B、C、D、E.13型骨架嵌挤结构设计级配见表3、图1.

表4 13型骨架嵌挤结构设计级配通过百分率%

图1 13型骨架嵌挤密实结构设计级配曲线

3 粗集料骨架结构的密实度和嵌挤能力试验

3．1 试验材料及方法

本试验中,矿料选用东北地区产的安山岩.对于粗集料骨架结构的密实度,以粗集料的堆积试验和捣实试验进行评价[11-12],试验方法采用《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)中的标准试验方法.对于粗集料骨架结构嵌挤能力,采用锥入试验进行评价,以锥入度和锥入能作为评价指标.

捣实试验中试筒容积为5 L,质量为0.810 kg.锥入试验中锥形头夹角为60°,锥头压力为13 k N.增加AC-13、AM-13以及常用的骨架嵌挤结构SMA-13和冷补料常用级配LB-13作为对比,其级配见表5.5种设计级配和4种对比级配曲线如图2所示.

表5 4种对比粗集料级配 %

图2 设计级配和对比级配曲线

3．2 试验结果与分析

粗集料骨架结构的密实度试验结果见表6,可知5种设计级配与间断级配SMA-13、LB-13的粗集料密实度更为相近.从表6还可得出:5种设计配合比的捣实密度平均值为1.671 g·cm－3,总体方差为0.63×10－4,变异系数为0.5%;捣实空隙率平均值为37.809%,总体方差为0.49×10－2,变异系数为0.2%.而AM-13和AC-13的捣实密度平均值为1.693 g·cm－3,空隙率平均值为37.216%.设计级配与常用的密实级配相差较大,如图3所示,捣实密度和捣实空隙率成较为显著的反比关系,且半连续级配AM-13和连续级配AC-13与其他7组级配相差较大.

表6 粗集料骨架结构的密实度试验结果

粗集料骨架结构的嵌挤能力试验结果如表7所示,可知5种设计级配与间断级配SMA-13、LB-13的粗集料嵌挤能力更为相近.从表7得出:A、B、C、 D、E五种设计级配与LB-13、SMA-13两种级配的锥入度平均值为34．1 mm,总体方差为0．476,变异系数为2．6%;锥入能平均值为434 k N·mm总体方差为75．7,变异系数为2%.而AM-13和AC-13的锥入度平均值为39.5 mm,锥入能平均值为503 k N·mm.设计级配与常用的密实级配相差较大,如图4所示.图4中锥入度和锥入能成显著的正比关系,且可以看出其他7组级配的锥入度和锥入能很接近,而AM-13和AC-13两种级配类型的锥入度和锥入能大于其他级配.同时,从图3和图4可以看出:捣实空隙率与锥入度呈近似反比关系;锥入度曲线随着空隙率的增大而减小.

图3 捣实密度与捣实空隙率曲线

表7 粗集料骨架的嵌挤能力试验结果

图4 锥入度与锥入能曲线

综上可知,5种设计级配的密实度和嵌挤能力与常用的骨架嵌挤结构间断级配SMA-13和LB-13相近,且优于连续级配AC-13和半开级配AM-13;并且作为理论设计级配,相对于SMA-13和LB-13在工程应用中更方便、更经济.

4 结 语

(1)本文根据球体颗粒堆积理论确定了粗集料的质量百分比为74%,细集料的质量百分比为14%,填料的质量百分比为12%;并以粗集料作为一级填充,细集料作为二级填充,建立数学模型进行配设计,最后对粗集料级配进行调整.通过计算得出A、B、C、D、E五种13型骨架嵌挤结构设计级配.

(2)5种设计级配的密实度和嵌挤能力与常用密实级配相近.5种设计级配与2种常用密实级配的捣实密度的变异系数为0．5%,捣实空隙率的变异系数为0．2%,锥入度的变异系数为2．6%,锥入能的变异系数为2%.

[1] 薛小刚．沥青混合料级配优化及配合比设计方法研究[D]．西安:长安大学,2005．

[2] 余胜军．常温沥青混合料性能研究[D]．重庆:重庆交通大学, 2012．

[3] 陈忠达,袁万杰,高春海．多级嵌挤密实级配设计方法研究[J]．中国公路学报,2006,19(1):32-37．

[4] 刘树堂,曹卫东,任晓刚,等．Superpave体系级配设计关键技术分析与VMA曲线预测[J]．中国公路学报,2015,28(2):8-13,25．

[5] 何 锐,王 帅,李 丹,等．水泥混凝土粗集料类型对其空间分布特性的影响[J]．材料科学与工程学报,2015,33(4):576-581,618．

[6] 王立久,刘 慧．骨架密实型沥青混合料集料级配设计方法[J]．中国公路学报,2008,21(5):6-9．

[7] DINGER D R．One-dimensional Packing of Spheres(PartI): Mono-disperse and Bimodal Distributions[J]．Am Ceram Soc Bull,2000,79(2):71-76．

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[9] 姜晓伟,宓永宁,高 跃．不同分维骨料级配对混凝土性能影响的研究[J]．房材与应用,2006,34(2):5-7．

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[11] 肖 维,王晓磊．多级嵌挤密实结构沥青混合料压实特性[J]．筑路机械与施工机械化,2007,24(3):25-27．

[12] 李福建．基于骨架嵌挤的13型沥青混合料配合比设计研究[D]．重庆:重庆交通大学,2011．

[责任编辑:杜敏浩]

Design and Evaluation of Interlocking Skeleton Structure of Asphalt Mixture at Room Temperature

LI Wen-sai,XU Wen-yuan,XIA Dong,XIE Chen,CHEN Dan
(School of Civil Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,Heilongjiang,China)

Aiming at the problems such as low early strength of the asphalt mixture at room temperature and low strength of the cementing material,a mathematical function model was established by using the fractal theory of aggregate and soil based on the step-by-step filling and interference theory,and five kinds of design gradations were obtained according to the model．The results show that mixtures with the design gradations have good density and interlocking status,and there is a coarse aggregate gradation curve range that makes the asphalt mixture have high density and an interlocking skeleton structure．

asphalt mixture at room temperature;interlocking skeleton structure;design gradation;density

U414．1

B

1000-033X(2017)05-0037-04

2016-11-19

黑龙江省运输厅科技项目(HLJ20162D08)

李文赛(1991-),男,河南开封人,在读硕士,研究方向为道路工程.

徐文远(1969-),男,内蒙古根河人,博士,教授,研究方向为道路工程及道路交通环境.