264 山东建筑大学学报 2017 年 0 引言自诞生以来, 因其优异的性能表现而成为全世界高等级路面材料之一, 随着新交通环境的不断变化, 对性能的要求也在不断提高骨架密实型以高内摩阻力的矿料结构和适当的细料胶浆水平而具有出色的路用性能表现 [1-3] 较好内摩阻力需要集料间的嵌挤作用产生,

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泱夯茅
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1 第 32 卷第 3 期 2017 年 6 月山东建筑大学学报 JOURNAL OF SHANDONG JIANZHU UNIVERSITY Vol.32 No.3 Jun 文章编号 : (2017) 骨架密实型级配优化设计及性能分析徐龙 1, 毕玉峰 2, 1, 于大海 (1. 山东建筑大学交通工程学院, 山东济南 ;2. 山东省交通规划设计院, 山东济南 ) 摘要 : 研究法国 GB5 新型及其设计方法在我国的适用性, 对于明确 GB5 性能特点具有一定参考价值, 对实际工程应用也有一定借鉴意义文章基于法国 GB5 骨架密实型及其设计方法, 分析了 GB5 型的特点, 依照其设计原理设计混合料级配并进行了系列室内试验, 对用 GB5 矿料级配设计方法获得的高性能 GB5-13 与应用传统马歇尔设计法设计的 SMA-13 两种进行对比分析结果表明 :GB5-13 密实度大且沥青用量低, 比 SMA-13 沥青用量低 10%; 新型因初始空隙率水平低且矿料级配内摩阻力高而具有较好的水稳定性,GB5-13 劲度模量大, 控制应变模式下的 GB5-13 疲劳性能逊于 SMA-13; 优化矿料级配后的高温稳定性有所提高, 而低温性能未得到改善关键词 : ; 骨架密实 ; 级配设计 ;GB5-13 中图分类号 :U411 文献标识码 :A Gradationoptimizeddesignandperformanceanalysis ofskeletondenseasphaltmixture XuLong 1,BiYufeng 2,,YuDahai 1 (1. ShandongProvincialCommunicationsPlanningand Design Institute, Jinan250031, China;2. Schoolof TransportationEngineering,ShandongJianzhuUniversity,Jinan250101,China) Abstract:IthascertainreferencevaluefortheperformancecharacteristicsofGB5asphaltmixtureto researchtheapplicabilityoffrancegb5denseskeletonstructurenewasphaltmixturetochina,which hassomereferencesignificanceforthepracticalengineeringapplication.thispaper,basedonfrance GB5denseskeletonstructureasphaltmixtureanditsdesignmethod,analyzedthecharacteristicof GB5asphaltmixture,tookaseriesoflaboratorytestsanddesigninggradationbasedonthetheoryof that,andmadeacomparativeanalysisofthepavementperformanceofgb5-13whichintermsof GB5mineralaggregategradationdesignmethodandSMA-13thatbasedonMarshaldesignmethod. TestingresultsshowGB5asphaltmixturehasgreatcompactneswith10% lowerasphaltcontentthan SMA-13.Thenewtypeofasphaltmixturehashighmoistureresistanceduetolowerinitialporosity andhigherinnerfriction,andwithgreatstifnesmodulus,thefatigueresistanceofgb5-13isworse thansma-13 sbycontrolingstrainmode.theasphaltmixturewithoptimizedgradationhasgreat hightemperaturestability,butthelow temperaturecrackresistanceofthatisnotimproved. Keywords:asphaltmixture;denseskeleton;gradationdesign;GB5-13 收稿日期 : 作者简介 : 徐龙 (1990-), 男, 在读硕士, 主要从事沥青与等方面的研究.E mail:sdxl005@163.com 通讯作者 : 毕玉峰 (1971-), 男, 研究员, 博士, 主要从事道路结构及材料等方面的研究.E mail:biyf@163.com

264 山东建筑大学学报 2017 年 0 引言自诞生以来, 因其优异的性能表现而成为全世界高等级路面材料之一, 随着新交通环境的不断变化, 对性能的要求也在不断提高骨架密实型以高内摩阻力的矿料结构和适当的细料胶浆水平而具有出色的路用性能表现 [1-3] 较好内摩阻力需要集料间的嵌挤作用产生, 矿料嵌挤特性的优良直接关系着高性能的形成与否国内主流矿料级配设计方法包括主骨料空隙填充法

2 264 山东建筑大学学报 2017 年 0 引言自诞生以来, 因其优异的性能表现而成为全世界高等级路面材料之一, 随着新交通环境的不断变化, 对性能的要求也在不断提高骨架密实型以高内摩阻力的矿料结构和适当的细料胶浆水平而具有出色的路用性能表现 [1-3] 较好内摩阻力需要集料间的嵌挤作用产生, 矿料嵌挤特性的优良直接关系着高性能的形成与否国内主流矿料级配设计方法包括主骨料空隙填充法 CAVF(CourseAggregateVoidFilingmethod) [4] 和多碎石沥青混凝土 SAC (Stone Asphalt Concrete) [5-6] 矿料级配设计法以及多级嵌挤密实级配 MDBG(MultilevelDenseBuilt ingradation) 设计方法 [7], 国外的贝雷法 [8] [9] Superpave 法等也不同程度地得到应用在此基础上, 级配设计方法的研究大致可分为 3 类 : 基于某种特定类型的级配优化 [10-11] 基于不同混合料设计方法的级配 [12] 优化和基于综合路用性能设计指标或评价指标 ( 高温性能体积参数等 ) 的级配优化 [13-14] 各种设计方法特点突出又目标一致, 通过以上列举的各方法均能获得具有较好嵌挤特性的骨架型 Superpave 法提出的级配控制点和禁区的概念有助于设计者一定程度上控制级配的粗细状态, 但级配设计过程仍含有较大的经验性贝雷法是唯一粗细集料划分界限随公称最大粒径变化的级配设计方法, 同时提出粗集料比 (CA) 细集料中粗集料比例 (F AC ) 和细集料中细集料比例 (F AF ) 等 3 个级配检验指标, 其体系的完整性较之其他设计方法更强 CAVF 法的设计标准是细集料颗粒和沥青胶浆均不对粗集料的嵌挤结构造成干涉, 其粗细级配确定方法和合成级配验证均需进一步完善 SAC 法明确了 CAVF 法中未确定的级配验证方法, 提出 VCA AC 和 VCA DRF 两种级配检验方法多级嵌挤密实型级配 MDBG 设计方法是通过室内捣实试验和体积分析获得合成级配配比, 并借助贝雷法进行级配验证, 体系完善文章主要介绍了一种新型间断级配矿料设计方法, 并用其设计骨架密级配混合料 GB5-13(Grave Bitume5-13), 消除集料颗粒间的干涉作用和边界作用, 使其集料嵌挤达到最优化, 空隙率水平最优化, 以此提高矿料级配的骨架嵌挤能力并提高其密实度, 可以降低用来填充集料颗粒间空隙的沥青用量选用 SMA-13(StoneMasticAsphalt-13) 作为对照, 借助室内试验评价 GB5-13 的路用性能和力学性能 1 法国 GB5 简述法国 GB5 新型以消除干涉作用对矿料空隙率的影响为前提, 基于集料嵌挤理论来确定不同粒径集料用量, 形成单间断或双间断级配的密实骨架嵌挤结构, 继而与聚合物改性沥青拌合而形成高性能 (HPAs) 其具有密实度大劲度模量高和抗疲劳性能好的特点, 有助于降低沥青路面厚度和提高路面寿命 1.1 理论基础 Fran ois 介绍了 Caquot 提出的 GB5 型集料嵌挤的理论方法 [15], 并得到 20 世纪 70 年代后的研究者不断丰富发展, 得出与之相对应的许多嵌挤模型和精确算法该嵌挤理论由 Peraton [16] 转 [17] 化应用到领域, 之后 Olard 等不断完善, 形成 GB5 设计体系不同粒径的两种颗粒间存在两类相互作用影响集料空隙比的大小, 即边界作用和干涉作用, 后者又称之离散作用当在空间无限大的细集料中加入少量粗集料, 细集料的排列被干扰, 即边界作用产生此时, 边界处的空隙增大但粗集料占据细集料的空间更大, 矿料的空隙比 ( 空隙与矿质实体的体积之比 ) 减小, 并且边界作用与颗粒间的空隙以及颗粒和颗粒团接触产生的任何形式 ( 管状和板状等 ) 的边界有关交界面处空隙的增加与加入粗集料的表面积成比例关系 [15] 干涉作用是指在无限大体积的粗集料中加入些许细集料, 随着细集料数量的增加, 部分粗集料被迫分离, 使其空间结构发生改变部分被迫分离的粗集料间空隙增大, 矿料空隙比相应增加边界作用和干涉作用图解如图 1 2 和 3 [15] 所示, 图 3 中 F 为细集料空隙比 ;C 为粗集料空隙比 ;D 为边界作用系数图 1 边界作用图

2 集料嵌挤优化方法由 1.1 所述可知, 矿料骨架结构的形成需消除干涉作用的影响根据 Furnas 的研究成果, 将矿料按粒料粒径相对大小分为细集料中集料和粗集料其中, 中集料与粗集料的粒径比应小于 0.2(d 中 0.2d 粗 ), 细集料与中集料的粒径比也应小于 0.2 (d 细 0.2d 中 ), 即相邻两档集料的平均粒径比不大于 0.

3 第 3 期徐龙, 等 : 骨架密实型级配优化设计及性能分析 265 图 2 干涉作用图图 3 边界作用和干涉作用图解图相邻两档集料的平均粒径比越大, 边界作用和干涉作用对矿料空隙比的影响越明显当一种集料粒径相对于另一种非常小 (d 细集料 /d 粗集料 0.008) 时, 在二元混合料中, 通过三条直线来描述混合料空隙比的变化规律, 定义临界值 P x 和 P t 来消除边界作用和干涉作用对空隙比的影响 [15] 点 P t 处的粗集料比例使得相邻两档集料间无干涉作用产生且混合料空隙比最小, 即密实度达到最大值对应细集料含量由高到低的 3 条直线关系如图 4 所示, 其中 E 为常数 [15] 图 4 不同含量细集料的矿料空隙比变化图 1.2 集料嵌挤优化方法由 1.1 所述可知, 矿料骨架结构的形成需消除干涉作用的影响根据 Furnas 的研究成果, 将矿料按粒料粒径相对大小分为细集料中集料和粗集料其中, 中集料与粗集料的粒径比应小于 0.2(d 中 0.2d 粗 ), 细集料与中集料的粒径比也应小于 0.2 (d 细 0.2d 中 ), 即相邻两档集料的平均粒径比不大于 0.2 根据所设计矿料最大公称粒径及其所含粒料种类 (n), 分 n-1 步对其进行迭代优化, 每一步迭代优化需 6 次旋转压实来确定最优配比, 每次压实要用法式旋转压实仪分别对不加沥青的粒料压实 20 转, 确定其各自的空隙比其中每一步都要对相应集料组成的矿料做 3 次旋转压实试验来确定如图 4 所示的 3 条直线方程,3 次压实所取粗集料比例分别为 0% 40% 和 100% 临界值 P t 处进行 1 次旋转压实,P t ±3% 处进行 2 次旋转压实来对临界值 P t 进行敏感性分析假设存在 3 类集料, 分别为粗集料中集料和细集料, 则概括集料嵌挤优化的具体步骤如下 : (1) 把中集料看作细集料, 经 6 次旋转压实确定临界值 P t1, 即中集料用量为 1- P t1, 粗集料用量 P t1 (2) 把上一步确定的最佳用量比的中粗集料看作粗集料, 再经 6 次旋转压实确定临界值 P t2, 最终确定细集料中集料和粗集料的最佳配比 2 骨架密实型 GB5-13 级配优化设计 2.1 集料筛分试验集料选用济南黄河三桥施工现场玄武岩, 各档集料筛分结果见表级配优化过程文章所述 GB5-13 包含矿粉和等 4 档集料, 由 1.2 所述矿料级配优化方法可知, 共需进行 3 步级配优化, 每步优化粗细集料的体积之和为单位 1, 采用美式旋转压实仪, 垂直压力 600kPa, 有效内旋转角 1.16, 旋转速率 30r/min, 压实次数 5r/ 次优化过程如下 : 第一步优化中,10-15 集料为粗集料,0-5 集料为细集料, 且 d 细集料 /d 粗集料 =0.1846<0.2 按照文章 1.2 所述流程进行旋转压实, 矿料空隙比分别由式 (1)~(3) 表示为

4 266 山东建筑大学学报 2017 年表 1 各档集料筛分结果料档通过各筛孔百分率 /% 平均粒径 d/mm 矿粉 e 1 = p (1) e 2 =1.7419p-1 (2) e 3 =0.5435p (3) 式中 :e i 为矿料空隙比,i=1,2,3;p 为粗集料比例由式 (2) 和 (3), 求得优化后的 P t 值为 79%, 优化过程如图 5 所示 7 所示由式 (8) 和 (9) 得到 P t 为 90%, 优化过程如图图和三档集料优化过程图图和两档集料优化过程图在第一步优化的基础上, 粗集料由 79% 的集料和 21% 的 0-5 集料组成, 细集料为 ,d 细集料 /d 粗集料 =0.2394>0.2, 此时粗细集料间会产生一定程度的干涉作用, 需对计算出的 P t 值进行优化, 验证其敏感性经旋转压实矿料空隙比分别由式 (4)~(6) 表示为 e 1 = p (4) e 2 =1.5197p-1 (5) e 3 =0.3817p (6) 由式 (5) 和 (6) 得到 P t 为 87.9%, 在该值附近取不同 p 值进行试验, 求取使得矿料空隙比达到最优的点, 最终取 P t =83%, 优化过程如图 6 所示经过两次优化后, 将 65.6% 的集料和 17.4% 的 0-5 集料以及 17% 的集料组成粗集料, 矿粉为细集料,d 细集料 /d 粗集料 =0.1572< 0.2, 满足要求进行旋转压实试验得到矿料空隙比由式 (7)~(9) 表示为 e 1 = p (7) e 2 =1.3834p-1 (8) e 3 =0.2698p (9) 图 7 矿粉和四档集料优化过程图经三步优化后, 确定 GB5-13 各档料体积配比如下 : (1)10-15:79% 83% 90% =59% (2)0-5:21% 83% 90% =15.7% (3)0-1.18:17% 90% =15.3% (4) 矿粉 :1-90% =10% 为避免填料过多引起高温稳定性不足, 保证混合料一定空隙率水平 ( 不同于水泥混凝土 ), 并结合拌合厂的实践情况, 将填料体积配比确定为 5% [17] 各档集料体积比转化为质量比为 10-15:0-5:0-1.18: 矿粉 = 62%:17%:16%: 5% 另外, 按照马歇尔级配中值逼近法确定 SMA-13 级配组成木质纤维用量均为 0.3% 两种矿料级配各档集料通过百分率物理指标分别见表 2 3, 合成级配曲线如图 8 所示

第 3 期徐龙, 等 : 骨架密实型级配优化设计及性能分析 267 表 2 两种级配组成通过各筛孔百分率 /% 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 GB5-13 100 99.8 90.0 47.7 38.0 31.7 28.9 20.2 13.8 10.3 7.7 SMA-13 100 99.9 93.3 61.2 25.

5 第 3 期徐龙, 等 : 骨架密实型级配优化设计及性能分析 267 表 2 两种级配组成通过各筛孔百分率 /% GB SMA 规范上限规范下限表 3 两种矿料物理指标合成表观合成毛体积合成矿料有效合成矿料吸水率合成矿料粗集料干捣实矿料间隙率最小矿料间隙率相对密度 γ sa 相对密度 γ sb 相对密度 γ se /% 比例 /% VCA DRC /% VCA min /% GB SMA 沥青选用成品 SBS 改性沥青, 其技术参数见表 4 按照 JTGF 公路沥青路面施工技术规范 [18], 用马歇尔击实仪双面击实 50 次成型试件两种切面如图 9 所示, 测定其体积指标见表 5 表 4 沥青技术参数图 8 两种的合成级配曲线图从表 2 3 和图 8 可以看出,SMA-13 以 3-5 为间断档, 骨架结构的形成依靠 5-10 和两档集料, 则 5-10 势必会对的组成结构造成干涉级配理论依据不同,GB5-13 的间断档为 5-10, 骨架结构的形成单靠一档料, 其级配曲线上半部分稍低于规范下限, 下半部分高于规范上限, 粗中显粗, 细中偏细, 成 S 型沥青针入度 (25,100g, 软化点 5 延度 (5cm min -1 ) 5s)/0.1mm / /cm SBS 沥青规范 40~ 种性能对比分析 3.1 马歇尔指标分析图 9 SMA-13( 左 ) 和 GB5-13( 右 ) 切面图表 5 两种的体积指标最佳沥青用空隙率矿料间隙率沥青饱和度密度量 Pb/% VV/% VMA/% VFA/% /(g cm -3 ) 析漏 /% 飞散 /% 粉胶比 FB GB SMA 从表 5 可以看出,GB5-13 沥青用量比 SMA- 13 减少 10%,VMA 水平低于 SMA-13, 沥青饱和度略高总体而言,GB5-13 相对于 SMA-13 具有更高的密实度 3.2 路用性能验证通过 60 车辙试验单轴贯入试验小梁弯曲试验浸水试验和冻融劈裂试验分别对的高温稳定性低温性能和抗水损害性能进行验证 [18-19] 试验结果见表 6 由表 6 可知, 基于新型骨架嵌挤原理的 GB5-13 高温稳定性和抗水损害性能均要优于 SMA-13, 原因在于 GB5-13 要比 SMA-13 更加密实, 前者矿料颗粒以为主要骨架集料, 摩阻力高另外, 前者其沥青用量低车辙试验

6 268 山东建筑大学学报 2017 年环境下,5-10 料档较偏细, 从车辙试验和单轴贯入试验结果来看,SMA -13 动稳定度对 GB5-13 的占比为 79.5%, 抗剪强度占比为 79.6%, 说明其高温性能稳定另外, 骨架密级配混合料 GB5-13 低温抗裂性能稍逊于 SMA-13, 但远大于规范要求值表 6 两种路用性能指标路用性能指标动稳定度 /( 次 mm -1 ) 抗剪强度 /MPa 残留稳定度 /% 冻融劈裂强度比 /% 破坏应变 /με 规范 SMA GB 动态模量分析通过单轴动态模量试验分别测定和 50 等 4 个温度点下及 20Hz 等 5 个频率的两种动态模量利用时温等效原理, 以 20 为基准温度绘制 2 种的动态模量主曲线, 如图 10 所示图 10 两种动态模量主曲线图从图 10 中可以看出,GB5-13 高频区动态模量高于 SMA-13, 低频动态模量区两者几乎无差别结合抗剪强度数据可知, 高抗剪强度的 GB5-13 具有良好的高温稳定性,SMA-13 低温性能优良另外,GB5-132 的 20 10Hz 动态模量为 7518MPa, 较相同条件下 SMA-13 的动态模量 5724MPa 高 31%, 说明在接近沥青路面实际受力状态的情况下,GB5-13 更优越一些 3.4 疲劳性能验证采用控制应变形式的四点弯曲疲劳试验, 试验结果见表 7 表 7 两种疲劳试验结果初始劲度模量 /MPa 应变水平 /με 疲劳次数 / 次 GB SMA 由表 7 可知,GB5-13 初始劲度模量均高于 SMA-13, 应变控制模式下,GB5-13 要达到固定应变水平, 每次重复荷载作用于试件的所需应力值就会增大,GB5-13 就容易达到疲劳寿命值另外, GB5-13 沥青用量水平较 SMA-13 低, 也是导致其疲劳性能差的一个因素 4 结论通过上述研究表明 : (1)GB5 矿料级配设计方法依靠单档集料形成骨架嵌挤结构, 优化后的矿料级配与 SBS 改性沥青拌合而成的混合料 GB5-13 较 SMA-13 更加密实, 沥青用量降低 10% (2)GB5-13 和 SMA-13 两种均具有较好的水稳定性, 但 GB5-13 要比 SMA-13 好一些, 主要由于前者的骨架嵌挤结构更稳定, 具有较好的内摩阻力, 且前者的初始空隙率比后者要小, 更加密实, 沥青胶浆填充效果好级配优化后的 GB5-13 疲劳性能未得到提高 (3)GB5-13 和 SMA-13 高频 ( 低温 ) 动态模量有差别,GB5-13 低温破坏应变水平和抗弯拉强度低于 SMA-13, 说明 GB5-13 低温性能逊于 SMA -13; 低频动态模量几近相同, 同时 GB5-13 抗剪强度和动稳定度均高于 SMA-13, 说明 GB5-13 高温稳定性较好参考文献 : [1] 倪敏. 骨架密实结构评价指标及性能研究 [M]. 西安 : 长安大学,2015. [2] 李林萍, 张金辉, 胡邦燕. 骨架密实型级配优化设计 [J]. 公路工程,2015,40(5):7-10,13. [3] 刘红瑛, 陈爱文. 集料骨架问题研究 [J]. 公路, 2013,58(11): [4] 张肖宁, 王绍怀, 吴旷怀, 等. 组成设计的 CAVF 法 [J]. 公路,2001(12): [5] 沙庆林.SAC 和其他粗集料断级配的矿料级配设计方法 [J]. 公路,2005(1): ( 下转第 283 页 )

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untitled 164 1 1 2 2.1 2.2 3 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 7 7.1 7.2-1- 164 2 7.3 7.4 8 8.1 8.2 8.3 8.4 9 9.1 9.2 10 10.1 10.2 10.3