研究瀝青混凝土礦料級配合比設計方法

 研究瀝青混凝土礦料級配合比設計方法

　　摘要:隨著城市交通運輸?shù)陌l(fā)展,瀝青路面由于比普通路面優(yōu)越得多,因此廣泛應用于城市道路及高等級主要交通干線。因為瀝青混合料的配合比設計結(jié)果直接影響瀝青路面的施工質(zhì)量和使用壽命，所以瀝青混凝土在施工質(zhì)量控制過程中，必須抓住并把握好施工質(zhì)量監(jiān)控的各個環(huán)節(jié)及提高監(jiān)理工作的主動性，更能有效地保證工程質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞:馬歇爾試驗；瀝青用量；計算比例

　　引言：

　　國際上有各式各樣的瀝青配合比設計方法，根據(jù)實際情況、經(jīng)驗與技術(shù)水平，一致認為仍然采用馬歇爾設計方法是最佳，這也是基本方法和依據(jù)。但同時又不能拘泥于規(guī)范，在有條件的地方和工程，鼓勵學習國際上的先進經(jīng)驗，使配合比設計水平得到提高。因此本文采用其他配合比設計方法在工程中應用，但考慮到目前施工質(zhì)量檢驗階段一般都采用馬歇爾方法，而且便于與標準的馬歇爾方法、以往的實踐經(jīng)驗進行對比，所以本文在采用其他配合比設計方法時按規(guī)定的馬歇爾方法進行檢驗，并提出相應的指標。

　　一．瀝青混凝土礦料級配設計

　　礦料級配計算方法，現(xiàn)在大都采用計算機EXCEL的功能，開發(fā)了各種各樣的礦料級配設計和級配曲線繪制方法，速度快，圖表清晰，均可使用。不過有的單位完全按照數(shù)理統(tǒng)計的最優(yōu)化設計方法設計這未必是好方法，因為畢竟各個篩孔的重要性是不一樣，所以還是人機對話不斷調(diào)整得到的方式較好。

　　礦料級配設計的第一步是繪制瀝青混合料的最大密度線，其畫法應按照試驗規(guī)程的方法，不得各行其是。關(guān)于最大密度線曾經(jīng)有過3種意見，即下圖1中的A、B、C線，后來統(tǒng)一采用A線，本文采用此法。通過級配曲線與最大密度線的相互位置，可以大致估計出礦料級配的VMA和混合料的空隙率。由于各個的篩孔不一致，例如美國沒有16mm篩孔，所以最大密度線的具體位置稍有差別。

　　美國Superpave混合料設計體系的一大特點是對礦料級配進行優(yōu)選，而我們常常要求礦料級配曲線盡量靠近中值，這是不對的。為此本文補充了級配曲線進行優(yōu)選的內(nèi)容，希望在設計級配范圍內(nèi)計算1～3組粗細不同的配比，使包括0.075mm、2.36mm、4.75mm篩孔在內(nèi)的較多篩孔的通過量分別位于設計級配范圍的上方、中值及下方，然后進行一系列比較。盡管如此優(yōu)選也是初步的，還沒有包括經(jīng)濟分析在內(nèi)。如果結(jié)合具體的材料價格對各種級配進行經(jīng)濟比較，那就更好了。

　　二．馬歇爾試驗

　　近段時間以來，對于瀝青混合料試件體積指標，包括密度、空隙率、VMA、VFA的測定和計算方法一直存在一些爭議，許多配合比設計都說是4％空隙率，但實際上可能相差很大�？障堵适怯蔀r青混合料試件的密度和最大理論密度計算得到的，統(tǒng)一空隙率計算方法就必須統(tǒng)一試件相對密度和最大理論相對密度的測定或計算方法。關(guān)于最大理論相對密度的問題，試驗規(guī)程規(guī)定了進行實測的真空法、溶劑法，也有計算法，不同的方法有不小的差別。經(jīng)過大量的對比試驗，反復征求各方面的意見，認為溶劑法計算體積時把集料內(nèi)部開口體積都扣除，最大密度偏大，測定的空隙率過大，不符合實際情況。一致同意采用真空法實測瀝青混合料的最大理論相對密度作為施工的標準方法。在測定過程中，要求完全按照試驗規(guī)程的方法，將混合料充分分散，達到規(guī)定的真空度和抽氣時間，以便真正做到混合料處于零空隙率狀態(tài)�；旌狭系拇娣艜r間則統(tǒng)一為暫不存放。

　　但是，對普通瀝青混合料，人工分散到6mm以下，在水中加極少量的表面活性劑，借助于抽真空及震蕩15min能將混合料進一步分散，重復試驗的精度能做到0.011以內(nèi)。如果采用真空法測定改性瀝青混合料或SMA混合料的最大理論相對密度時，試驗表明，改性瀝青因為粘度大，不僅人工分散很難達到小于6mm以下的要求，而且在小于6mm以下的團粒中仍然包含有不少氣泡，它在相同的真空及振動情況下不能使團粒繼續(xù)分散，封閉在集料團粒中的空氣不能跑出，最大理論相對密度將變小，且平行誤差超過要求，所以得不到“零空隙”時的最大理論相對密度。對改性瀝青的SMA混合料有纖維時分散更困難。因此對改性瀝青混合料和SMA混合料，將只能用計算法求取混合料的最大理論密度。但在如何計算的方法上，又有不少不同的意見。大部分單位和專家認為可以參考美國Superpave計算有效相對密度的方法，根據(jù)各種集料不同的吸水率選用不同的系數(shù)C值計算有效相對密度是可行的。Superpave規(guī)定一般情況可取C＝0.8，對集料吸水率較大時，可取C＝0.5～0.8。我國學者經(jīng)過試驗研究，由瀝青浸漬密度反算得到的不同吸水率時的C值見下圖2。

　　圖中關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)達到0.9998。本文規(guī)定了實際計算的步驟，它利用計算機計算是非常簡單的。由圖可見，Superpave所說的C值可取0.5～0.8大體上適用于吸水率0.5％～1.7％的范圍內(nèi)，吸水率超過1.7％是很少的。在引進有效相對密度后，必然需要確定合成毛體積相對密度和合成表觀相對密度，對合成表觀相對密度的計算一般沒有分歧，但對合成毛體積相對密度的方法則有種種不同的意見。意見集中在2.36mm以下的機制砂、石屑如何測定毛體積相對密度上。研究課題進行了大量的對比試驗，得出了規(guī)范規(guī)定的方法，即“機制砂及石屑可按T0330方法測定，也可以其中篩出的2.36mm～4.75mm部分的毛體積相對密度代替”。

　　具體到工程上使用時，目標配合比設計階段各種材料是分開的，工程上可根據(jù)實際情況處理。例如：

　�、佼斒�屑規(guī)格為0～5mm，或者雖然已經(jīng)分開有3-5mm(S14)及0-3mm(S16)兩檔規(guī)格，但材料品種相同時，將其中的2.36mm以下部分篩除后按粗集料方法(T0304)測定毛體積相對密度，作為這些材料的毛體積相對密度；

　�、诓牧戏珠_有3-5mm(S14)及0-3mm(S16)兩檔規(guī)格，但材料品種不同，例如3-5mm為玄武巖，0-3mm為石灰?guī)r，則將3-5mm材料中的2.36mm以下部分篩除，從0-3mm(S16)材料中篩取2.36mm篩上部分，分別按粗集料T0304方法測定毛體積相對密度使用。在生產(chǎn)配合比設計時，材料從熱料倉取樣。但拌和機的熱料倉中的材料有相當?shù)幕祀s，測定毛體積相對密度也會變得更復雜。因為同一個熱料倉會有不同品種的石料，如機制砂、天然砂、石屑，甚至包括礦粉、纖維、消石灰等。這時要弄清不同材料的比例很困難，分別取用不同材料測定表觀相對密度和毛體積相對密度更是不可能。所以此時只能將這個倉的全部材料將0.075mm部分篩除后作為混料進行兩種密度的測定，盡管仍然會不準確，但也無法解決。在進行各種配合比設計時，體積指標的計算方法必須統(tǒng)一，因為它直接影響配合比設計結(jié)果，也影響壓實度檢測的標準密度。經(jīng)過本文的修改以后，我國在瀝青混合料體積指標的計算上與美國現(xiàn)行方法基本上已經(jīng)沒有區(qū)別。只是由于改性瀝青的最大相對密度確定方法有差異，所以表1上公式都相同，實際結(jié)果略有所不同。

　　表1.中美兩國在體積指標計算方法上的差別              

　　有效瀝青用量   完全相同

　　必須注意的是原規(guī)范都要求按下式計算瀝青的體積百分數(shù)，且以VA＋VV作為VMA，由于直接引用了有效相對密度、有效瀝青用量、瀝青吸收入集料的比例等等概念，由總的瀝青用量計算的VA實際上已經(jīng)沒有意義。相反，要求計算有效瀝青用量及瀝青膜的厚度，同時計算粉膠比，以估計瀝青用量是否合理，這也是重大的改變。

　　試件的密度，都采用毛體積相對密度，這一點比較統(tǒng)一，但具體測定時又有水中重法、表干法、蠟封法、體積法之分，進行了大量的對比試驗，統(tǒng)一采用表干法，吸水率大于2％時采用蠟封法，對大孔隙的混合料采用體積法，而通常不再采用水中重法，只有施工質(zhì)量檢驗時作為相對比較，對吸水率非常小的還可以使用。當然，瀝青混合料采用表干法或蠟封法并非理想的方法。在美國，正在研究一種新的真空包裝法(Corelok)測定瀝青混合料試件的毛體積相對密度。

　　三．確定最佳瀝青用量（油石比）

　　在以前，我國采用日本的方法，即以全部滿足規(guī)范要求的瀝青用量范圍中值為最佳瀝青用量。按此方法能共同滿足要求的瀝青用量范圍往往很窄，基本上只有空隙率一個指標。它與現(xiàn)在美國由空隙率決定最佳瀝青用量一樣，不過只要在設計范圍內(nèi)就行，不一定是4％�？紤]到空隙率不容易準確測定，參照了當時歐美許多國家的辦法，把馬歇爾穩(wěn)定度、密度的影響放了進來，實際上是馬歇爾試驗加經(jīng)驗的方法。美國MS-2馬歇爾方法確定最佳瀝青用量也是一個綜合平衡的方法。1994年第6版后改變?yōu)橐栽O計空隙率范圍的中值(4％)作為初始瀝青用量，檢驗其他各項指標是否都符合設計要求，如果符合，即作為最佳瀝青用量。如果不能全部符合設計要求時，則找出全部符合設計范圍內(nèi)的中值，以此作為最佳瀝青用量OAC，對兩種方法進行了折衷。在2000年的美國熱拌瀝青混合料施工手冊中，仍采用MS-2的方法。但對機場道路，提出了采用4項指標：密度峰值、4％的空隙率、75％的VFA以及馬歇爾穩(wěn)定度的峰值所對應的瀝青用量的平均值作為設計的最佳瀝青用量。在澳大利亞以前的規(guī)范中也使用了VFA的中值。本文修訂時，綜合考慮了各個方面，對確定最佳瀝青用量規(guī)定一個寬松的方法，強調(diào)必須特別重視當?shù)氐某晒Φ慕?jīng)驗，在實用上有非常重要的意義。尤其對于一個較小范圍的地區(qū)，材料和級配基本上變化不大，成功的實踐經(jīng)驗更有價值。調(diào)查認為原規(guī)范確定最佳瀝青用量基本上是可行的。鑒于目前仍然采用馬歇爾試驗作為配合比設計方法以及在空隙率指標測定不準確的情況下，還不具備僅依靠空隙率一個指標確定最佳瀝青用量的條件。因此綜合確定了本文現(xiàn)在推薦的方法。在空隙率標準上，本文根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，不固定一個值(例如4％)，而是在不同的氣候和交通條件下選用不同的值。在確定OAC1時，增加了VFA中值相對應的瀝青用量參加平均，是考慮到VFA反映瀝青結(jié)合料填充礦料間隙的程度，對混合料的耐久性有意義，將其考慮進來是必要的。

　　但是，許多單位在采用S型密實嵌擠型級配后，發(fā)現(xiàn)繪制的各種指標與油石比的關(guān)系曲線中，密度和穩(wěn)定度兩個指標中有一個或者兩個經(jīng)常不出現(xiàn)峰值。本文考慮到這種情況，規(guī)定在這種情況下可以以空隙率為準確定最佳瀝青用量，但必須檢驗其他指標都符合要求。

　　四．計算瀝青結(jié)合料被集料吸收的比例及有效瀝青含量

　　瀝青結(jié)合料被集料吸收的比例及有效瀝青含量是由集料的合成毛體積相對密度與合成表觀相對密度計算得到的，在總的瀝青用量中扣除了這部分被吸收的瀝青數(shù)量后便可得到有效瀝青含量。計算有效瀝青含量的目的在于估算粉膠比和瀝青膜的厚度。由于我們以前計算粉膠比時都計算0.075mm通過率與總的瀝青質(zhì)量之比，本文改為有效瀝青用量后，粉膠比將會比以前小，這里仍然要求控制在0.8～1.2范圍內(nèi)，實際比以前放寬了，所以更應該注意粉膠比偏大的危險。計算瀝青膜厚度的方法很多，本文采用的表面積系數(shù)是美國NCAT研究的成果。所需要注意的是，集料的比表面主要取決于細粉數(shù)量，對大于4.75mm部分的表面積只計算一個(100×0.0041)的值，其他檔次都不再重復計算。在澳大利亞1996年瀝青路面設計手冊中規(guī)定的集料比表面計算方法與日本的相同，按式A=(2+0.02a+0.04b+0.08c+0.14d+0.30e+0.60f+1.60g)×0.20482(m2/kg)計算，其中9.5mm以上均歸入系數(shù)2中，式中a～g依次為4.75、2.36……0.075mm通過率。但計算瀝青膜厚度的方法卻不同。我們通常會采用下式計算：　                         

　　公式中QEB為有效瀝青含量(混合料的質(zhì)量%)，QBIT為總瀝青用量(混合料的質(zhì)量%)，A為混合集料表面積(m2/kg)，ρBIT為25°C瀝青密度(t/m3)。瀝青膜的厚度，通常情況下連續(xù)密級配瀝青混合料的瀝青膜有效厚度宜不小于6μm，密實式瀝青碎石混合料的有效瀝青膜厚度宜不小于5μm，在進行配合比設計時也可參考這個數(shù)值控制。

　　四．結(jié)束語

　　本論文就對配合比設計檢驗的指標增加了瀝青混合料的滲水試驗要求，是經(jīng)過專題研究，在大量實際測定結(jié)果的基礎(chǔ)上匯總出來的經(jīng)驗。研究表明，滲水性與空隙率有很大的關(guān)系，但又有很大的區(qū)別，空隙率是反映的總的空隙，而滲水性只反映開空隙，它與級配類型、集料粒徑等多種因素要關(guān)系。