嵌挤骨架型集料级配设计的研究

第28卷第5期2008年10月

文章编号:1671-2579(2008) 05-0215-04

中外公路

嵌挤骨架型集料级配设计的研究

王立久, 刘慧

(大连理工大学, 辽宁大连 116024)

摘要:该文以填充理论和干涉理论为基础, 根据集料的填充特性, 提出了嵌挤骨架型沥青混合料集料新的临界筛孔的计算系数, 从理论上计算出了多级嵌挤骨架型沥青混合料集料中粗、细集料的用量:粗集料占74%, 细集料和填料占26%。同时引入了分形理论, 根据粗、细集料的架构效应和填充作用的不同, 分别提出了粗、细集料级配设计的数学模型。通过计算得出了多级嵌挤骨架型沥青混合料矿料的级配曲线, 并用贝雷法对其进行了检验。结果表明, 文中提出的矿料级配设计方法有别于以往的级配设计方法, 是一种纯理论的设计方法。

关键词:级配设计; 分形理论; 嵌挤骨架; 控制筛孔; 集料

国外嵌挤骨架密实型沥青混合料设计一般采用粒子干涉理论、Superpave 级配理论以及贝雷法设计理念。粒子干涉理论通过逐级填充、Superpave 级配理

论通过控制点、贝雷法通过设计密度来控制骨架密实。目前贝雷法很少单独用来设计矿料的级配, 一般都是作为形成骨架与否的检验方法与其他设计方法结合使用。国内张肖宁教授等提出了CAVF 法(粗集料孔隙填充法) , 可用来检验原材料矿料级配是否符合骨架密实结构和据此确定粗集料、细集料和填料各自占的质量百分比。沙庆林院士提出的SAC 矿料级配设计方法是一套比较系统的骨架密实设计方法。

纵观国内外的间断级配设计思路, 侧重点都是在实现嵌挤密实这一功能上, 但对于粗集料、细集料的级配考虑不足, 同时大多数是基于实践经验和大量的试

验之上的。本文根据前人研究的成果, 以逐级填充和干涉理论为基础, 借鉴混凝土骨料和土粒的分形理论, 从理论上对嵌挤骨架型沥青混合料矿料级配设计方法

进行了研究。

1 嵌挤骨架型矿料级配设计的理论基础

关于集料或骨料的堆积与填充特性, 国内外的沥青混合料和混凝土研究工作者都做了大量的研究工作, 并取得了一定的成果。集料是不规则颗粒, 在混合料中的排列也是不规则的, 国内外许多研究者均借助球体体积特性来探索沥青混合料集料的体积特性。

对于同种粒径和次级填充的球体, 不同紧密排列方式下的空隙率如表1所示。

表1 等粒径和异粒径球体有规则排列的空隙率

排列方式棱锥体或棱柱体六方体平行六面体

等粒径次级填充等粒径次级填充等粒径次级填充

排列说明

错排, 球心连线成等边三角形, 上一层球心在下一层球的间隙处

每8个球中填1个d 1=0. 414D 与6个球相切、2个d 2=0. 225D 与4个小球相切

1个一级球体r 1

2个次级球填充, r 2=0. 225r 11个一级球体r 1

3个次级球填充, r 2=0. 315r 1

堆积率/%

[1**********]1

空隙率/%

[1**********]9

收稿日期:2007-12-28(修改稿)

:, , 教授, . E-t

中外公路 28卷根据以上分析并结合我国同济大学林绣贤教授的研究成果可以得出如下结论:

(1) 相同粒径或相同粒径比的球形颗粒排列时, 空隙率与其粒径大小无关, 仅与排列和填充方式有关。

(2) 异种粒径颗粒所形成的空隙率与排列方式、粒径比和相对用量息息相关。

(3) 在排列方式相同时, 多级配粒径球体的空隙率小于单粒径球体的空隙率。

(4) 即使是在紧密排列的情况下, 颗粒排列方式也不是单一的, 是多种密排方式的混合。

粗细筛的分界筛孔为3. 89mm, 林绣贤教授取0. 25D 时, 粗细集料分界筛孔应为4m m 。由于我国标准方孔筛尺寸中并没有3. 89mm 或4mm 的方孔筛, 所以多数专家学者在研究时均选择与之较相近的筛孔尺寸4. 75mm 作为粗细集料的分界筛孔。故4. 75mm 处的通过率为26%。多级嵌挤骨架级配设计法与其他设计方法控制筛孔通过量的比较见表2。

表2 几种矿料级配控制筛孔通过量混合料类型M SSF -16SM A -16SA C-16A C-16 A C-16 A K -16AM -16

不同筛孔(mm) 的通过率%4. 752. 362620~3230, 35, 40

32~5018~3515~356~25

2 嵌挤骨架型沥青混合料矿料级配设计

根据上述理论基础, 本文借鉴集料骨架的传递性和继承性, 在众多学者研究的基础上提出了多级嵌挤骨架型沥青混合料矿料级配设计法。

2. 1 粗细临界筛孔的确定

矿料级配组成设计的首要工作是粗细集料的划分。贝雷法的数学基础是三圆平面模型, 考虑了不同集料形状组合。当集料全为圆形时, 即接触面全为球面时, 填充其形成空隙的内切圆直径为0. 15D(D 为圆球的直径) ; 当接触面为一平面两球面时, 填充其形成空隙的内切圆直径为0. 20D ; 当接触面为两平面一球面时, 填充其形成空隙的内切圆直径为0. 24D ; 当接触面为三平面时, 填充其形成空隙的内切圆直径为0. 29D 。贝雷法粗、细集料划分的界限是取其4种情况下的平均值0. 22D , 林绣贤教授对粗、细集料划分的界限值取的是经验值0. 25D 。本文不考虑集料均为圆形的情况, 粗、细集料划分的界限值取其他3种接触情况的平均值0. 243D 。

2. 2 嵌挤骨架粗细集料的控制通过量

沥青混合料矿料级配设计的关键为:粗集料、细集料的合理比例, 粗细集料的合理组成等。

由于集料形状的复杂性, 研究其堆积特性有一定的困难, 故借助于球体颗粒的体积填充特性来研究集料的填充特性。表1中球体颗粒堆积特性的研究表明:球体颗粒的密排方式有:棱柱体、六方体、平行六面体等紧密排列形式。无论是何种密排方式, 其一级球体的堆积率都是74%, 即空隙率为26%。因此, 根据集料的填充理论可知, 嵌挤骨架级配粗集料的用量为74%, 即控制筛孔的通过率为26%。

以最大公称粒径为16mm 的沥青混合料为例, 根传统级配设计中粗细集料的分界筛孔是2. 36mm 。而骨架型级配设计中粗细集料的分界筛孔是根据集料对骨架形成的贡献大小来确定的, 对于不同最大公称粒径的混合料来说临界筛孔是不同的。M SSF -16、SMA-16、SAC-16均属于骨架型级配。从表2中的数据可以看出, M SSF-16控制筛孔的通过量与SMA-16的中值相同, 由于SAC 级配并非是一个取值范围, 而是单一的曲线, 所以SAC-16控制筛孔的通过量是不同的数值。

2. 3 嵌挤骨架型沥青混合料粗集料各级配的确定

混合料骨架的形成和空隙率的大小并不仅仅与某一单一级别的粒径的填充状态有关, 对于多级集料而言, 还与集料粒径比和相对数量息息相关。由于粗集料和细集料在混合料中都会起到一定的架构效应和填充作用, 但二者对骨架形成贡献不同。粗集料在混合料中主要贡献是形成骨架, 也即是架构效应为主, 填充作用为次。而细集料在混合料中是填充作用为主, 架构效应为次。本文根据粗、细集料对混合料形成骨架结构的主次贡献的不同, 分别推导出了粗、细集料级配设计的数学模型。

借鉴Ding er -Funk 方程、混凝土和土粒的级配分形理论的思想, 经过研究分析, 推导出粗集料各级通过量的数学模型如下:

P (D i ) D x i -D min

100%P (D i +1) =D max -D min

(1)

5期嵌挤骨架型集料级配设计的研究

(2)

i +1

; D max 为细集D i

x i min

P(D i ) =P (D i +1) 100%

D max -D min

与相邻两粒径比有关的指数, x =lg

式中:P (D i +1) 为粒径为D i +1处筛孔的通过率(%) ; P(D i ) 为粒径为D i 处筛孔的通过率(%) ; x 是与集料

粒径有关的指数, x =

max

; D max 为粗集料的最大粒lg D i

料的最大粒径; D min 为细集料的最小粒径。

根据前述球体颗粒填充特性的分析可知, 无论是密排棱柱体、六方体还是平行六面体一级球体形成的空隙率为26%, 次级球体填充后的空隙率均为19%, 故次级球的用量为7%。对于MSSF-16而言, 第二级控制筛孔为:4. 75 0. 255=1. 21mm, 取1. 18mm 。因此4. 75~1. 18mm 集料的用量为7%。则细集料总量为:7 (100-52) 100% 15%。

根据公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南 (2002) , 填料的取值范围是8%~12%, 也即是0. 075mm 筛孔的通过率为8%~12%。由于对确定填料的通过量缺少理论依据, 故本文通过确定细集料的通过量来确定其通过量。经计算细集料各级用量和各粒径通过量如表4所示。

表4 细集料各级筛孔通过率计算结果

筛孔/mm 4. 752. 361. 180. 60. 30. 150. 075

计算P(D i )

[1**********]90

粒级范围/mm 4. 75~2. 362. 36~1. 181. 18~0. 60. 6~0. 30. 3~0. 150. 15~0. 075

各级用量/%4. 3. 2. 2. 1. 1. 126184

通过率/%2621. 918. 716. 11412. 210. 8

径; D min 为粗集料的最小粒径。

本文以最大公称粒径为16mm 的混合料作为研究对象, 第一控制筛孔的大小为4. 75m m; 根据上述计算结果, 即粒径大于4. 75m m 的粗集料的质量为矿料混合料质量的74%, 4. 75mm 筛孔的通过率为26%。粗集料各级筛孔通过率计算结果如表3所示。

表3 粗集料各级筛孔通过率计算结果

筛孔/mm 191613. 29. 54. 75

计算P(D i )

/%1008763280

粒级范围/mm 19~1616~13. 213. 2~9. 59. 5~4. 75

各级用量/%9. 617. 825. 920. 7

通过率/%10090. 472. 646. 726

2. 4 细集料各级级配和填料用量的确定

同样借鉴Ding er-Funk 方程、混凝土和土粒的级配分形理论的思想, 经过研究分析, 推导出细集料各级通过量的数学模型如下:

D x i -D min

P(D i ) = 100%(3)

D max -D min

式中:P(D i ) 为粒径为D i 处筛孔的通过率(%) ; x 为

2. 5 MSSF-16的合成级配及其检验结果

根据上述粗、细集料和填料的计算结果, 本设计实例MSSF-16的合成级配如表5所示。

表5 MSSF-16合成级配

级配类型M SSF-16SM A -16上SM A -16下

下列筛孔(mm) 的通过率/%

[1**********]

1690. 410090

13. 272. 68565

9. 546. 76545

4. 75263220

2. 3621. 92415

1. 1818. 72214

0. 616. 11812

0. 3141510

0. 1512. 2149

0. 07510. 8128

目前矿料级配检验方法有贝雷法、沙庆林院士研究的SAC 级配检验方法、张肖宁教授的CAVF 法等。其中贝雷方法是比较完善的一种级配检验方法, 故本文采用贝雷法对混合料的级配进行检验, 除了贝雷法中的CA 比(粗集料比) 、FA C 比(细集料粗比) 和FA f 比(细集料细比) 3参数之外, 还增加了参数F A P 比, 对矿粉的用量加以检验。对于N M PS 为16mm 的集, 8我国标准方孔筛中并没有8m m 或4mm 的尺寸, 所以多数专家学者在研究时均选择与之较相近的筛孔尺寸9. 5m m 为N M PS /2, 4. 75mm 为PCS 。其各级控

制筛孔和检验结果如表6、7所示。

表6 MSSF-16各级控制筛孔

N M P S 16

N M PS /29. 5

P CS 4. 75

SCS 1. 18

T CS 0. 3

mm M CS 0. 075

中外公路 28卷

表7 MSSF-16级配贝雷检验参数

项目

检验参数FA C

P SCS P PC S P 1. 18P 4. 750. 72

FA f P TC S P SCS P 0. 3P 1. 180. 75

FA P P MCS P T CS P 0. 075P 0. 30. 77

充特性, 提出了新的临界筛孔的计算系数, 从理论上计算出了多级嵌挤骨架型沥青混合料集料中粗、细集料的用量:粗集料占74%, 细集料和填料占26%。

(2) MSSF 矿料级配设计方法以逐级填充理论和粒子干涉理论为基础, 引入了分形理论, 借鉴混凝土骨料和土粒的分形原理, 根据粗、细集料的架构效应和填充作用的不同, 利用骨架的传递性和继承性, 从理论上分别对集料级配的主、次骨架结构进行设计, 提出了粗、细集料级配设计的数学模型。

(3) MSSF 矿料级配设计方法计算出了多级嵌挤骨架型沥青混合料矿料的级配曲线, 并用贝雷法对其进行了检验。

(4) MSSF 矿料级配设计方法是一种纯理论的设计方法, 迎合了矿料级配设计方法由实践走向理论的

FA P

CA 比P NMP S/2-P PC S

贝雷法

100-P NM PS /2P 9. 5-P 4. 75

计算公式

100-P 9. 5

计算结果0. 39建议范围

0. 30~0. 450. 60~0. 850. 65~0. 900. 70~0. 90

文献[17]中指出:由于16型级配为我国所特有, 结合美国贝雷法对19型级配、12. 5型级配和9. 5型级配筛孔划分与比值范围之间的关系, 并根据16型级配筛孔划分结果, 提出了16型级配的比值范围, 如表8表示。

表8 贝雷法SMA 级配比值范围

N M PS /mm 191612. 59. 5

CA 比

FA C

FA f

发展趋势, 提高了级配设计的可操作性。

(5) 由于该设计方法是一种新的矿料级配设计方法, 需要进一步完善该设计体系并研究与其配套的沥青混合料配合比设计方法。参考文献:

0. 35~0. 500. 60~0. 850. 65~0. 900. 70~0. 900. 30~0. 450. 60~0. 850. 65~0. 900. 70~0. 900. 25~0. 400. 60~0. 850. 60~0. 850. 60~0. 850. 15~0. 300. 60~0. 850. 60~0. 850. 60~0. 85

根据表中贝雷参数的计算结果, M SSF-16矿料级配的设计结果均在由经验而来的取值范围内, 从理论上满足形成多级嵌挤骨架的要求。

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:3 M SSF 矿料级配设计方法与其他嵌

挤结构设计方法的比较

目前多级嵌挤结构矿料级配设计方法的研究方兴未艾, 研究方法和手段也各不相同。其中张登良教授、胡长顺教授和陈忠达教授的研究较具代表性, 但是他们的研究都是建立在试验的基础之上, 都是通过逐级填充的试验来实现, 试验工作量大, 设计过程复杂。

MSSF 矿料级配设计方法综合考虑了不同级别集料的不同的填充状态、集料的粒径比和相对用量等因素。借鉴了骨架的继承性, 引入了分形理论, 结合填充理论和粒子干涉理论, 从理论上分析了集料骨架形成原理。根据各级集料的不同架构效应和填充作用, 分别给出了粗、细集料级配的数学模型, 计算出了各级筛孔的通过量。

4 结论

第28卷第5期2008年10月

文章编号:1671-2579(2008) 05-0219-05

中外公路

应用VCA DRF 和VCA AC 方法进行SAC20级配设计

王富玉1, 任立锋2, 戴文亭1

(1. 吉林大学, 吉林长春 130025; 2. 吉林省交通基本建设质量监督站)

摘要:V CA DRF 和V CA AC 矿料级配设计、检验方法是沙庆林院士针对目前矿料级配设计方法中不能依据岩石性质进行设计、检验、调整以事先控制矿料级配性能而提出的一种矿料级配设计、检验方法。文中对选定的SAC20级配利用该方法进行了检验、调整, 说明该方法简便、灵活, 且调整后的级配高温稳定性、水稳定性及抗水渗透性能良好。

关键词:矿料级配; 检验方法; VCA DRF 方法; VCA AC 方法

沙庆林院士的多碎石沥青混凝土SAC 系列的设

计与施工 (以下简称 SAC 系列 ) 一书中介绍的SAC 系列矿料级配的设计方法及用VCA

DRF

重交通道路石油沥青, 根据现行公路工程沥青与沥青混合料试验规程 (JT J 052-2000) 进行试验, 结果见表1。

表1 沥青试验结果检测项目

针入度(25 , 100g, 5s) /0. 1mm

延度(5 , 5cm/min) /cm 软化点(环球法) / 动力粘度(60 ) /cPa s

闪点(CO C) / 密度(25 ) /g cm -3溶解度(三氯乙烯) /%蜡含量(蒸馏法) /%T F OT 后残留物

质量变化/%残留针入度比/%延度(15 , 5cm/min) /cm

试验结果

[**************]. 01299. 72. 0-0. 0269. 76. 5

和VCA

方法

对矿料级配进行骨架密实结构初步检验和最终检验的方法, 不仅提供给工程人员一个全新的级配设计理念, 而且提供了检验级配的具体操作方法。调研国内外矿料级配设计方法, 均不能提供给使用者依据岩石不同性质进行设计、检验、调整以满足不同结构要求, 且能够同时控制矿料级配中每一筛孔通过率的矿料级配设计方法。本文将结合SAC20级配的设计过程对上述方法的具体应用进行介绍。

1 原材料性质试验

1. 1 沥青的技术指标试验

本试验采用的是江苏泰州沥青厂生产的AH -30

注:沥青技术要求参考 SAC 系列

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基金项目:河北省交通科技项目(编号:Y -040212) ; 吉林大学青年教师基金项目:,