羅立峰
(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院, 廣州 516139)
近年來(lái),為了改善瀝青混合料的高溫性能,適應(yīng)重載交通的使用要求,骨架密實(shí)型瀝青混合料結(jié)構(gòu)引起業(yè)界的普遍重視。理想的骨架密實(shí)型配比是指由混合料中的粗集料形成骨架,細(xì)集料、礦粉及瀝青(膠結(jié)料)作為填充料逐級(jí)填充于粗集料骨架之間的空隙而不撐開,形成具有一定力學(xué)性能的多級(jí)體系。
一堆粗集料堆放在一起,肯定能形成骨架。不同配比的粗集料堆放在一起,肯定可以形成不同強(qiáng)度的骨架。如果說(shuō)配比是千變?nèi)f化的,那么骨架也是千變?nèi)f化的,進(jìn)而可以推知,其嵌擠能力也是千變?nèi)f化的。既然骨架是千變?nèi)f化的,就有個(gè)選擇的問(wèn)題,即哪個(gè)骨架才是我們所需要的?回答是嵌擠力強(qiáng)的那個(gè)骨架。因此礦料級(jí)配設(shè)計(jì)中的骨架設(shè)計(jì)階段,重要的不是研究如何形成骨架,而是找到那個(gè)嵌擠能力強(qiáng)的骨架。從某種意義上說(shuō),提高嵌擠能力才是混合料礦料級(jí)配設(shè)計(jì)的目標(biāo),而不是單純的形成骨架結(jié)構(gòu)。
如果說(shuō)“骨架”是個(gè)體積概念,那么“嵌擠”就應(yīng)該是個(gè)力學(xué)概念了。目前評(píng)價(jià)一個(gè)礦料結(jié)構(gòu)是否屬于骨架嵌擠結(jié)構(gòu),主要是通過(guò)比較混合料拌和前搗實(shí)試驗(yàn)測(cè)定的粗集料搗實(shí)礦料間隙率VCADRC和試件成型后混合料的粗集料礦料間隙率VCAmix。當(dāng)VCAmix≤VCADRC時(shí),則判定這種礦料結(jié)構(gòu)屬于骨架嵌擠型結(jié)構(gòu)。事實(shí)上VCA本身就是一個(gè)體積指標(biāo),是通過(guò)體積指標(biāo)預(yù)估評(píng)價(jià)其力學(xué)性能的,所以這是判斷是否形成骨架的方法,而非評(píng)價(jià)嵌擠力的方法。嵌擠力是個(gè)力學(xué)指標(biāo),應(yīng)該通過(guò)某個(gè)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。CBR-V嵌擠密實(shí)型礦質(zhì)混合料設(shè)計(jì)方法,正是基于這一理念提出的[1-3]。
CBR-V嵌擠密實(shí)型礦料設(shè)計(jì)方法,是一種分段設(shè)計(jì)方法,采用多級(jí)嵌擠與多級(jí)填充的兩階段設(shè)計(jì)思路。第一階段多級(jí)嵌擠采用CBR為評(píng)價(jià)指標(biāo),確定礦質(zhì)混合料骨架嵌擠部分的級(jí)配;第二階段多級(jí)填充采用體積(V)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),充分考慮VMA的前提下,完成礦質(zhì)混合料填充密實(shí)部分的級(jí)配,最終完成嵌擠密實(shí)型礦質(zhì)混合料配比設(shè)計(jì)[4]。
通常填料是單獨(dú)供應(yīng)的,在整個(gè)拌和各供給體系中是獨(dú)立的,直至加入攪拌缸。粉料的英文名為Mineral Filler,簡(jiǎn)記為MF。定義:粉料(MF)是指篩分中粒徑小于等于0.075mm的部分。填料=細(xì)集料部分+填料部分。
細(xì)集料這里定義為機(jī)制砂,分S15和S16兩種。目前瀝青混合料多采用S16,即公稱粒徑為0~3mm。機(jī)制砂按粗集料巖性有同源和不同源之分,當(dāng)粗集料和機(jī)制砂巖性相同時(shí),為同源,反之為不同源。目前大多數(shù)機(jī)制砂是石灰?guī)r加工而成的。細(xì)集料的英文名為Fine Aggregate,簡(jiǎn)記為FA。定義:細(xì)集料是指篩分中粒徑小于等于2.36mm、大于0.075mm的部分。細(xì)集料=粗料部分(2.36mm~4.75mm)+細(xì)料部分+填料部分。
粗集料一般大于一檔以上,按規(guī)格有S1~S14之多,一般根據(jù)級(jí)配要求進(jìn)行選取。粗集料的英文名為Coarse Aggregate,簡(jiǎn)記為CA。定義:粗集料(CA)是指篩分中粒徑大于2.36mm的部分。粗集料=粗料部分+細(xì)料部分+填料部分。
(1)取CA-1、CA-2和CA-3若干。
(2)對(duì)CA-1、CA-2和CA-3進(jìn)行分段篩分,并留CA-1-1、CA-2-1和CA-3-1部分。
(3)將CA-1-1和CA-2-1按80%:20%,70%:30%,60%:40%,50%:50%,40%:60%,30%:70%,20%:80%等比例摻配,按照“集料承載比(CBR)試驗(yàn)方法”進(jìn)行試驗(yàn),測(cè)定各比例的CBR值。
(4)采用EXCEL電子表格進(jìn)行繪圖,獲取多項(xiàng)式擬合方程,求取CBR最大值CBRmax。若擬合結(jié)果不太理想,則應(yīng)增加比例單位,如通過(guò)判斷應(yīng)該增加75%:25%,65%:35%等,有效地加密將使得結(jié)果區(qū)域更為理想,求取的CBR最大值CBRmax更為準(zhǔn)確。求取CBR12對(duì)應(yīng)的配比ca1:ca2,ca1+ca2=100%。
(5)按照ca1:ca2的比例摻配,形成新的一檔料CA-12。
(6)將CA-12和CA-3按80%:20%,70%:30%,60%:40%,50%:50%,40%:60%,30%:70%,20%:80%等比例摻配,按照“集料承載比(CBR)試驗(yàn)方法”進(jìn)行試驗(yàn),測(cè)定各比例的CBR值。
(7)采用EXCEL電子表格進(jìn)行繪圖,獲取多項(xiàng)式擬合方程,求取CBR最大值CBR123。若擬合結(jié)果不太理想,相關(guān)系數(shù)r2較小,則應(yīng)增加比例,如通過(guò)判斷應(yīng)該增加75%:25%,65%:35%等等,有效地加密將使得結(jié)果趨于理想,求取的CBR最大值CBRmax更為準(zhǔn)確。
(8)同步以上步驟,可求取多檔的摻配比例。若本示例中的CA-3是S16,即2.36~4.75mm檔料,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),其比例按90%:10%,92%:8%,94%:6%,96%:4%,98%:2%這幾個(gè)比例摻配就可以了。
(9)按同樣方法求取CBR最大值CBRmax,其對(duì)應(yīng)的比例ca12:ca3,ca12+ca3=100%。
(10)將ca1和ca2乘以ca12,保持ca3不變,即可得到三檔粗料的摻配比例。假定三檔粗集料的比例為e:d:c,e+d+c=100%。
(11)超過(guò)三檔粗料時(shí),類似處理。具體參照?qǐng)D1所示。
圖1 集料摻配過(guò)程
骨架間隙率VMA、瀝青用量Va和空隙率VV是確定瀝青混合料路用性能穩(wěn)定性的重要控制指標(biāo)。在礦料集料級(jí)配設(shè)計(jì)階段,無(wú)疑骨料間隙率VMA成為其最重要的控制指標(biāo)。CBR-V法通過(guò)預(yù)留混合料間隙率VMA的方法,確保了骨料間隙率VMA的水平。根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證,采用CBR-V設(shè)計(jì)的瀝青混合料礦料間隙率和預(yù)估瀝青混合料的間隙率具有較好的相關(guān)性,如圖2所示。
圖2 CBR-V-20瀝青混合料預(yù)估VMA與樣本VMA對(duì)比
《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)對(duì)于不同公稱最大粒徑的密實(shí)型混合料的礦料間隙率VMA最小值有明確的規(guī)定[7],見(jiàn)表1。
表1 不同瀝青混合料VMA最小值的技術(shù)要求 (單位:%)
在CBR-V法瀝青混合料設(shè)計(jì)中,預(yù)估的VMA取表1所對(duì)應(yīng)的最小值+0.5,實(shí)際樣本的VMA大多能滿足規(guī)范要求。其它種類的混合料可參照其它種類混合料的技術(shù)要求進(jìn)行取值。
令根據(jù)CBR試驗(yàn)所取得的配比合成的粗集料合檔料的搗實(shí)單位體積(若為密級(jí)配可取松裝密度)為VCBR=1。其體積特性如圖3所示。
圖3 粗集料合檔料的體積特性
粗集料合檔料的平均毛體積密度:
(1)
粗集料合檔料的間隙率為VCA1。
粗集料的平均搗實(shí)密度(ρsch):
(2)
(3)
根據(jù)1.3取定礦料間隙率VMA,必須滿足現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)表5.3.3-1、表5.3.3-2及表5.3.3-3的要求。具體應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求及瀝青混合料類型確定。
一級(jí)填充細(xì)集料(FA)的填充體積(Vfa)及質(zhì)量(Mfa):
Vfa=VCA1-VMA
(4)
Mfa=Vfa×ρma×92%
(5)
一級(jí)填充細(xì)集料的間隙率VXA2如式(6)。細(xì)集料填充過(guò)程體積變化過(guò)程特性如圖4所示。
(6)
圖4 一級(jí)填充細(xì)集料的填充過(guò)程體積變化特性
二級(jí)填充填料(MF)的體積(Vmf)及填充料的質(zhì)量(Mmf):
VX3=VXA2
(7)
Mmf=VX3×ρmf×92%
(8)
多級(jí)填充后填充料的質(zhì)量百分比MT(%)如式(9)。填充料填充的過(guò)程及體積變化特性如圖5所示。
(9)
圖5 多級(jí)填充料填充過(guò)程及體積變化特性
各檔料分段部分的配比:
(10)
(11)
(12)
FA-1-2:MT-Mmf
(13)
MF:Mmf
(14)
具體計(jì)算時(shí)可通過(guò)編制電子表格完成。
整個(gè)配比滿足式(15):
(15)
(1)保證細(xì)集料(FA)配比不變,僅就超粒徑量調(diào)入粗集料粒徑相近的檔料。調(diào)整后產(chǎn)生的總級(jí)配(100%)不足的部分,按級(jí)配比例分配到各粗集料,保持總級(jí)配合計(jì)100%。
(2)填料(MF)總量不變??紤]其它各檔料對(duì)MF的貢獻(xiàn),并從MF中扣除??鄢笠鸬目偧?jí)配(100%)不足的部分,按比例調(diào)整到各粗集料,保持總級(jí)配100%不變。
廣東某高速公路中面層GAC-20C,SBS改性瀝青,粗集料為凝灰?guī)r,細(xì)集料為機(jī)制砂,礦粉為石灰?guī)r。試驗(yàn)室對(duì)所采用的瀝青進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)、延度、密度等指標(biāo)的測(cè)試,滿足現(xiàn)行規(guī)范要求;集料、填料的吸水率和密度試驗(yàn)結(jié)果也滿足現(xiàn)行規(guī)范要求;集料含有一定量的雜石且規(guī)格雖滿足要求,但扁平狀較多,規(guī)格較差。9.5~19mm:4.75~9.5mm:2.36~4.75mm=56.4%:37.6%:6%。
2.2.1 多級(jí)骨架嵌擠
一級(jí)摻配:分兩步進(jìn)行。第一步為粗選,按5#:4#料0%:100%、20%:80%、40%:60%、60%:40%、80%:20%及100%:0%摻配后進(jìn)行改進(jìn)的CBR試驗(yàn),了解CBR5.0的變化趨勢(shì);第二步為精選,在CBR5.0比較大的凸起點(diǎn)處,在凸起的兩側(cè)點(diǎn)位處按5%的間隔加密,再進(jìn)行改進(jìn)的CBR試驗(yàn)。具體數(shù)值見(jiàn)表2,變化情況如圖6所示。
表2 5#(18~22mm)與4#(11~18mm)不同摻配比例時(shí)CBR5.0試驗(yàn)結(jié)果
圖6 5#(18~22mm)與4#(11~18mm)不同摻配比例時(shí)CBR5.0試驗(yàn)結(jié)果
分析表2和圖6,可知5#(18~22mm)與4#(11~18mm)不同摻配比例時(shí),CBR5.0試驗(yàn)結(jié)果有兩個(gè)凸起點(diǎn),在此定義為卡點(diǎn)??c(diǎn)1在4#(11~18mm)摻量為60%處,卡點(diǎn)2在4#(11~18mm)摻量為75%處;前者CBR5.0為45.33,后者CBR5.0為42.42。按照CBR5.0越大骨架最強(qiáng)的理念,若要所設(shè)計(jì)的混合料骨架最強(qiáng),則本案應(yīng)選取CBR5.0=45.33所對(duì)應(yīng)的摻配比例,即5#(18~22mm):4#(11~18mm)=40%:60%。如果機(jī)械地采用這種理念,不去分析卡點(diǎn)2的優(yōu)劣,勢(shì)必放棄一次優(yōu)選的機(jī)會(huì)。為此,以下各級(jí)摻配分卡點(diǎn)1(40/60)和卡點(diǎn)2(25/75)分別進(jìn)行,最終通過(guò)綜合分析決定采用哪一個(gè)配比。重復(fù)以上試驗(yàn),獲取各級(jí)摻配比例??偨Y(jié)以上試驗(yàn)結(jié)果,得到卡點(diǎn)1(40/60)和卡點(diǎn)2(25/75)對(duì)應(yīng)的骨架嵌擠摻配比例,見(jiàn)表3。
表3 卡點(diǎn)1(40/60)和卡點(diǎn)2(25/75)對(duì)應(yīng)的骨架嵌擠摻配比例
2.2.2 多級(jí)填充
礦料間隙率的選取。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)表5.3.3-1 密級(jí)配瀝青混凝土混合料馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),AC-20設(shè)計(jì)孔隙率為4%時(shí)的礦料間隙率VMA(%)不小于13的要求,選取本級(jí)配的礦料間隙率VMA=13.5。
2.2.3 測(cè)定各檔料CBR-V計(jì)算所需參數(shù)
CBR-V計(jì)算所需參數(shù)見(jiàn)表4。
表4 CBR-V計(jì)算所需參數(shù)
2.2.4 填充計(jì)算
利用已編制的電子表格進(jìn)行填充計(jì)算,計(jì)算后的級(jí)配比例見(jiàn)表5。
表5 CBR-V級(jí)配比例
利用已編制的電子表格進(jìn)行級(jí)配調(diào)整,調(diào)整后的級(jí)配比例見(jiàn)表6。
表6 CBR-V級(jí)配調(diào)整比例
驗(yàn)證階段除驗(yàn)證CBR-V設(shè)計(jì)方法所獲取的級(jí)配以外,還應(yīng)考慮施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況。在已獲取的兩個(gè)配比中,2#倉(cāng)的比例分別為0和2.5,這是不切合實(shí)際的,實(shí)際工作中如果取這兩個(gè)值,會(huì)出現(xiàn)兩種情況,一是若不加2#倉(cāng)的料,那2#倉(cāng)的料何去何從?若加2#倉(cāng)的料,2.5%的料如何準(zhǔn)確加入呢?考慮到以上問(wèn)題,以對(duì)骨架嵌擠影響最小為原則,只能在3#倉(cāng)進(jìn)行調(diào)整。本文從材料和施工兩方面考慮,暫取2#倉(cāng)的用量比例為5%。具體調(diào)整后的比例見(jiàn)表7和表8。各級(jí)配的瀝青混合料性能指標(biāo)見(jiàn)表9。
表7 各檔料及各級(jí)配篩分情況
表8 各級(jí)配比例
表9 各級(jí)配的瀝青混合料性能指標(biāo)
根據(jù)CBR-V法獲取的四個(gè)級(jí)配,應(yīng)該選取哪一個(gè)比較好呢?從瀝青混合料性能指標(biāo)來(lái)講,級(jí)配1和級(jí)配2各指標(biāo)均滿足規(guī)范要求且級(jí)配符合設(shè)計(jì)級(jí)配要求,所以應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題。級(jí)配3和級(jí)配4兩個(gè)級(jí)配的瀝青混合料性能指標(biāo)流值超標(biāo),似乎不太理想,但經(jīng)過(guò)程觀察,在進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)時(shí),當(dāng)穩(wěn)定度為8kN時(shí),流值均在1.2左右,然后慢慢變大,在破壞前突然變大,說(shuō)明該瀝青混合料后期的延展性比較好,應(yīng)該是個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因此從過(guò)程看級(jí)配3和級(jí)配4破壞前的流值僅可以作為參考。剔除流值的影響,其它各指標(biāo)均表現(xiàn)不錯(cuò)。尤其是動(dòng)穩(wěn)定度方面,級(jí)配3和級(jí)配4均好于級(jí)配1和級(jí)配2。對(duì)應(yīng)主骨架測(cè)定的CBR5.0值,級(jí)配1和級(jí)配2對(duì)應(yīng)的卡點(diǎn)2(25/75)CBR5.0=42.42,級(jí)配3和級(jí)配4對(duì)應(yīng)的卡點(diǎn)1(40/60)CBR5.0=45.33,也就是說(shuō)級(jí)配3和級(jí)配4的骨架較級(jí)配1和級(jí)配2強(qiáng)。
骨架調(diào)整前,從CBR-V獲取的動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行對(duì)比,級(jí)配3的動(dòng)穩(wěn)定度為8 700,級(jí)配1的動(dòng)穩(wěn)定度為8 108,這說(shuō)明動(dòng)穩(wěn)定度與骨架強(qiáng)度之間具有明顯的相關(guān)性,即級(jí)配的骨架越強(qiáng),其動(dòng)穩(wěn)定度越大。進(jìn)一步對(duì)級(jí)配1和級(jí)配3進(jìn)行數(shù)值分析比較,一級(jí)摻配時(shí)的CBR5.0,級(jí)配1相比級(jí)配3下降了約7%;動(dòng)穩(wěn)定度方面,級(jí)配1相比級(jí)配3下降了約7.3%。也就是說(shuō)骨架的CBR5.0提高1%,其構(gòu)成的瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相應(yīng)地也提高1%。當(dāng)然這只是本工程案例的情況,是否有普遍規(guī)律,還需加以驗(yàn)證。
考慮完瀝青混合料性能方面的影響之后,其次應(yīng)考慮施工方面。首先要考慮的是5#料和4#料之間的比例問(wèn)題,即采用25/75還是40/60的問(wèn)題,因?yàn)檫@影響到拌合樓的上料問(wèn)題。分析冷料和熱料的組成,5#料的粒徑為18~22mm,4#料的粒徑為11~18mm。5#料和4#料合起來(lái)的粒徑為11~22mm,對(duì)應(yīng)的冷料是10~20mm。理想的狀況是所上的冷料經(jīng)加熱分篩后,形成的4#料和5#料正好為配比所用,這樣拌合樓不會(huì)出現(xiàn)溢料或等料的現(xiàn)象,可提高拌和效率,節(jié)約生產(chǎn)成本。所以在選擇哪一個(gè)級(jí)配時(shí),從施工角度,應(yīng)先對(duì)兩個(gè)比例進(jìn)行合成,看看那個(gè)比例合成后與冷料的級(jí)配相近。具體分析見(jiàn)表10。
表10 5#和4#熱料不同配比與冷料級(jí)配的對(duì)比分析
續(xù)上表
從表10可知,5#料與4#料的摻配比例為25%和75%時(shí),對(duì)應(yīng)的冷料10~20mm相比,差值和為10,遠(yuǎn)小5#料與4#料的摻配比例為40%和60%時(shí)差值和的36。從施工的角度出發(fā),為減少施工過(guò)程中的溢料,確保施工的平順,節(jié)約生產(chǎn)成本,采用5#料與4#料的摻配比例為25%和75%較為合理,即采用級(jí)配1或級(jí)配2。
觀察級(jí)配1和級(jí)配2可知,級(jí)配1時(shí)CBR-V直接獲取的,級(jí)配2是調(diào)整后的,瀝青混合料性能方面除動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)外,兩個(gè)級(jí)配的其它指標(biāo)相當(dāng)。動(dòng)穩(wěn)定度方面,級(jí)配1為8 108,級(jí)配2為7 016,級(jí)配1優(yōu)于級(jí)配2,如果僅從理論上考慮,應(yīng)選擇級(jí)配1。但其實(shí)級(jí)配1存在一個(gè)大問(wèn)題,即2#(3~6mm)的比例為零,這使得這檔料的去處出現(xiàn)問(wèn)題。為解決此問(wèn)題,從3#(6~11mm)倉(cāng)料中分5個(gè)點(diǎn)到2#倉(cāng),這樣雖然動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)有所下降,但實(shí)際問(wèn)題解決了,且調(diào)整后配比瀝青混合料各性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。綜合以上分析,最終推薦級(jí)配2為生產(chǎn)配比。
(1)CBR-V礦料級(jí)配設(shè)計(jì)方法是基于試驗(yàn)的一種設(shè)計(jì)方法,通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)反映集料的狀況,由于在試驗(yàn)中集料的不同特征得到了綜合的體現(xiàn),所以可以認(rèn)為試驗(yàn)中考慮了集料的各種特征,是一個(gè)能夠體現(xiàn)集料全部特征的設(shè)計(jì)方法,具有級(jí)配唯一性特征。
(2)CBR試驗(yàn)應(yīng)采用改進(jìn)的CBR試驗(yàn)方法。在試驗(yàn)及分析過(guò)程中應(yīng)采用粗選和精選兩階段逐步遞進(jìn)的方式,確保所獲取的CBRmax具有一定的代表性。
(3)礦料間隙率取值時(shí)可在參考的最小VMA的基礎(chǔ)上加0.5,確保混合料的體積指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)文件要求。若不滿足,應(yīng)重新設(shè)定,直至滿足要求。
(4)多級(jí)填充計(jì)算填充量建議按毛體積密度或視密度的92%考慮。這是由于現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度的最低要求是達(dá)到理論最大密度的92%,太大可能會(huì)損壞骨架,導(dǎo)致瀝青混合料高溫穩(wěn)定性下降。
(5)CBR-V設(shè)計(jì)完成后的級(jí)配,應(yīng)根據(jù)材料和施工要求進(jìn)行必要的調(diào)整。尤其是2.36~4.75mm檔料,為使得調(diào)整對(duì)骨架強(qiáng)度的影響最小,僅考慮從粒徑高一級(jí)的檔料中進(jìn)行調(diào)整。
(6)通過(guò)CBR-V礦質(zhì)集料級(jí)配設(shè)計(jì)方法對(duì)AC-20中面層瀝青混凝土生產(chǎn)配合比進(jìn)行設(shè)計(jì), 經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,瀝青混合料各性能均滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)文件要求,表明采用CBR-V法進(jìn)行瀝青混合料設(shè)計(jì)是可行的。