ATB—25沥青混合料级配优化

1、ATB25沥青混合料级配优化第36卷,第6期2011年12月公路工程HighwayEngineeringVo1.36,No.6Dec.,2011ATB一25沥青混合料级配优化钟梦武,蒋功雪,孙超林,(1.湖南省交通科学研究院,湖南长沙410015;410219)朱沅峰.,罗志高,袁海雅,吴开2.湖南省长湘高速公路建设开发有限公司,湖南长沙摘要】以混合料骨料填充理论为基础,运用理论计算的手段给出了高温多雨大交通量高速公路沥青路面下面层用ATB一25的合理级配范围,并且根据生产实践对级配进行了优化.与规范规定的级配范围相比,优化后的ATB-25混合料级配范围,适当提高了级配下限的细集料比例,保证了

2、ATB一25混合料的密实性;且大幅度减少了级配上限细集料比例,使ATB-25混合料始终处骨架密实结构,提高了ATB一25混合料的高温抗车辙性能.同时,ATB-25矿料级配骨架密实结构理论分析与试验验证表明,考虑正常的施工偏差,优化后的级配范围始终处于骨架密实结构,高温稳定性和水稳性能可以得到保证,可以应用在我国高温多雨大交通量高速公路的下面层中.关键词道路工程;ATB-25混合料;级配优化;骨架密实结构中图分类号U416.217文献标识码A文章编号】16740610(2011)06000105OptimizationofAggregateGradationforATB-25AsphaltMix

3、tureZHONGMengwu,JIANGGongxue.,SUNChaolin,ZHUYuanfeng,LUOZhigao,YUANHaiya,WUKai(1.HunanCommunicationsResearchInstitute,Changsha,Hunan410015,China;2.HunanChangx-iangExpresswayConstructionandDewlopmentCo.,Ltd,Changsha,Hunan410219,China)AbstractBaseonthetheoryoffillingaggregatemixture,thispapergivesarea

4、sonablegradationrangeofATB一25mixtureusedinlowel.layerbelowthehighwaywhichisinhightemperature,rainyandhightrafficbymeansoftheoreticalcalculations,andoptimizesthegradationaccordingtoproductionprac-tice.Comparingtothespecificationofthegradationrange,thedifferencesbetweentheoptimizedATB-25mixturegradati

5、onarethatthelowerlimitofaggregategradationappropriatelyincreasethefineaggregateratio,ensuringthedensityofATB一25raixture.Whiletheupperlimitofaggregategradationsubstantiallyreducetheproportionoffineaggregate,makingtheATB一25mixturealwaysattheskeletondensestructureandimprovingATB一25mixture,sperformanceo

6、fresistingruttinginhightemperature.Meanwhile,theskeletondensestructuretheoryandexperimentalverificationofATB-25aggregategradationshowsthatconsideringthedeviationofthenormalconstruction,theoptimizedgradationrangeisalwaysintheskele-tondensestructure,whosehightemperaturestabilityandwaterstabilityproper

7、tiescanbeguaranteed.Therefore,itcanbeusedinlowerlayerbelowthehighwaywhichisinhightemperature,rainyandhightraffic.Keywordsroadengineering;ATB-25mixture;optimizationofaggregategradation;skeletondensestructure0前言沥青混合料是由沥青结合料粘结矿料组成的,其高温稳定性的形成机理也来源于沥青结合料的高温粘结性和矿料级配的嵌挤作用.但是在高温状态下,即使采用了经过改性的高粘度沥青结合料,仅仅依靠沥青

8、是无法承受重载车辆荷载的强大水平推挤力和水平剪切作用的.在这种情况下,由粗,细集料收稿日期20110910基金项目】交通部西部交通科技项目(20093l8785104)作者简介钟梦武(1966一),男,湖南新邵人,教授级高级工程师,从事路面结构与材料设计研究.2公路工程36卷和矿粉组成的矿料级配起到了重要作用.有研究表明,沥青混合料的高温抗车辙能力有60%依赖于矿料级配的嵌挤作用,沥青结合料的粘结性能只能有40%的贡献.实践经验与理论分析表明,当ATB一25用做高温多雨大交通量高速公路沥青路面的下面层时,不仅应密水,而且应具有良好的高温稳定性.而我国现行公路沥青路面施工技术规范(JTGF40-

9、2004)中推荐的ATB一25级配范围,实践证明却并不理想,难以确保上述性能,主要原因有以下几个方面:规范推荐级配范围太宽,4.75mm与2.36mm筛孔通过率的上,下限差值超过了12%(现行规范要求控制在12%以内),分别达到了20%和17%.当实际级配靠近低限时,难以保证ATB的密实性,空隙率会比较大,在多雨地区容易导致水损害.当ATB一25取代通常用的AC一25,作为沥青路面下面层使用时,在实际级配靠近规范上限时,将成为一种悬浮式密实结构,在高温地区的大交通量高速公路上,将影响其抗车辙的能力.鉴于上述情况,本文在现有规范级配的基础上,通过试验与理论分析,对用于下面层的ATB一25级配开展

10、优化技术研究,提出适合于高温多雨大交通量高速公路的级配范围.1级配优化技术思路首先提出的混合料级配要满足使用环境条件对沥青混合料基本性能的要求.本文主要针对用于高温多雨,大交通量高速公路下面层的ATB一25级配范围进行优化.以往道路工作者认为,下面层在高温季节由于层位较低,温度相对较低,且混合料粒径相对较粗,不是产生车辙的主要层次.但是调查分析表明,在超载,重载现象非常严重的我国高速公路上,特别是在南方高温多雨地区,下面层的车辙也是不容忽视的.因此,沥青混合料的基本性能要求为:密实不透水;具有较强的高温稳定性.其次,从沥青混合料的集料级配角度上来说,要使沥青混合料密实不透水的话,集料间隙率不能

11、太大.尽管大的集料间隙率,可以通过多用沥青来使其密实,但这样不仅经济性差,而且务必会降低沥青混合料的高温稳定性.而要使沥青混合料具有较强的高温稳定性,就应使沥青混合料中的粗集料形成骨架嵌挤结构,我国沙庆林院士开发的SAC,德国开发的SMA,法国开发的BBM等等,都是应用了这一基本原理】.应用在高温多雨大交通量条件下的ATB-25的矿料级配优化原则是用粗集料形成骨架,用细集料填充骨架中的空隙,使设计出的沥青混合料既密实不渗水,又具有较高的高温抗永久变形能力,即形成骨架嵌挤密实结构.同时,应保证在当前施工技术水平条件下,考虑正常的材料偏差,配料偏差与施工离析,最终沥青混凝土的有关技术指标仍在允许范

12、围之内.以往规定的级配范围过大,往往接近范围下限的矿料级配的沥青混凝土性质,与接近范围上限的矿料级配的沥青混凝土性质,会有质的差别.即使实际施工级配没有超出规定范围,其路用性能也是得不到基本保证的.2矿料级配设计方法矿料级配骨架密实结构的设计,目前有2种基本方法.凭经验确定一个较宽的级配范围,让使用者按照较宽范围的中值和根据矿料的组成,自己选择一条级配曲线,这种方法随意性太大.是以一种连续级配的粗集料为骨架,在保证粗集料骨架不被挤开的条件下,用另一连续级配细集料填隙,形成一个既具有高的密实度,又具有高内摩阻力的密实骨架结构.国内许多学者均对此进行过研究,利用逐级填充理论,通过大量的试验,得出混

13、合料最小间隙率下粗细集料的比例,最终得出混合料的级配范围.还有学者,采用正交试验设计方法和使用性能试验,得出不同环境下混合料的最佳级配引.这些研究,通过大量的试验,合理的给出了混合料的级配范围.本文从理论计算分析的角度,试图给出适合高温多雨(大交通量)条件下,ATB一25的合理级配范围.骨架密实结构是以粗集料为主的断级配,矿料级配分为三大部分,一部分是粗集料,第二部分是细集料,第三部分是填料.粗细集料的分界线统一定为4.75mm,即大于4.75mm为粗集料,4.750.075mm为细集料,小于0.075mm的为填料.本文将矿料级配计算分别按粗集料,细集料两部分进行,填料含量事先根据经验确定.2

14、.1粗集料的级配范围理论计算ATB一25粗集料的级配计算可以按照基本公式(1)进行.1d,Pd=klI(1),max,式中:Pdi为筛孔尺寸di的通过量,%;D.为矿料第6期钟梦武,等:ATB-25沥青混合料级配优化3的最大粒径,mm;di为某筛孔尺寸,mill;|j,n为系数.ATB一25的最大粒径为31.5mm,公称最大粒径为26.5mm,其通过量一般为90%一100%.4.75mm的通过量以满足一定的粗集料间隙率VCA且路面不渗水来加以确定.ATB一25作为基层(或下面层)使用.一般都不使用改性沥青,其抗车辙能力更加要依赖于混合料的骨架结构.因此,VCA接近VCAR为宜.课题组采用不同的

15、ATB一25石灰石粗集料级配,试验得到不同级配下粗集料的自然堆积状态下以及捣实状态下的密度,计算所得VCA.与VCA删值见表1.从表中结果可以发现:VCA眦一般介于39.0%表1ATB一25VCADc与VCA值一览表Table1TheVCADRcandVCAnnIvalueofATB一2540.0%之间,平均可按39.5%考虑,VCA删介于45.0%一46.O%之间,平均可按45.5%考虑.VCA.与VCA的平均值可按42.5%考虑.根据实践经验,ATB一25在高温地区的油石比大约为3.5%左右.据此推算(参见本文第3部分ATB一25矿料级配的骨架密实结构理论分析),4.75mm的通过量定为2

16、3%33%,基本能够保证密实不渗水,又处于良好的骨架嵌挤状态(即VCA接近VCARc).用d26.5,Pdi=100,与df=4.75,Pdi=33两组数据代入式(1),得到下列2个联立方程.100_|I(26.5)33=4.1.575)"解此方程组,得系数k=111.794,n:=0.645,由此可得计算ATB一25粗集料级配范围上限的公式为,d.,0.645Pdil1?794【),P=12.087d(2)同样,用df=26.5,P=90,与d4.75,Pd23两组数据代人式(1),计算ATB一25粗集料级配,d.,0.794范围下限的公式为Pdi103?239【),即:Pdf=6

17、.671dOi.794(3)按式(2),式(3)计算的ATB一25粗集料级配范围见表2.2一钿集料的级配范围理论计算细集料级配计算的基本公式的形式与粗集料级配的计算公式相同,只是把公式(1)右侧的分母D用4.75代人即可.由于4.75him筛孔通过量应与计算粗集料级配时的通过量相同,已确定为23%一33%,在此,只要根据以往实践经验确定0.075lnm的通过量,即可求解计算细集料级配的公式.对于ATB-25,大多将0.075mm的通过量定为2%一6%.用df=4.75,Pdi=33,D.=4.75与di=0.075,P=6,D.=4.75两组数据代人式(1),可以建立下列两个联立方程.33=k

18、(,44-75)()解此方程组,得系数k=33,n=0.411,由此可得计算ATB-25细集料级配范围上限的公式为P,d.,0.411=33【),即:P=17.394d0.411(4)同样,用df=4.75,Pdl=23,D=4.75与df=0.075,P=2,D=4.75两组数据代人式(1),可以得到计算ATB-25细集料级配范围下限的公式ffrJPdi=23()姗:P:9.187dO.589(5)按式(4),式(5)计算的ATB一25细集料级配范围见表2.2.3级配调整根据生产实践经验,表2所列计算级配中的4.759.5mm之间的用料偏多,平均达到了18%,而13.219mm之间的用料偏少

19、,一般情况下,会与碎石场的生产比例严重失调,对于一些场地不大的料场来说,将严重影响碎石场的正常生产,而且会4公路工程36卷增加生产成本.如果对4.7519nlm之间的粗集料用量比例结合以往经验进行少量调整,适当减少4.759.5mm之间的用料,并适当增加l3.2mm以上粗集料的用量,使级配中粗集料的用量比例基本与碎石场的粗集料生产比例相协调,那么,不仅可以解决上述问题,而且因增加了粒径相对较大部分的粗集料用量比例,沥青混合料的高温稳定性将更好.调整后的级配见表2.表2ATB一25矿料级配范围Table2AggregategradationofATB-25asphaltmixture图I为优化后

20、的ATB一25(以下称为yATB一25)混合料级配曲线图,由图可见,较规范ATB一25级配相比,yATB一25级配范围明显变窄,4.75mm与2.36mm筛孔上下限通过率差值均为10%,降低幅度分别为50%,44%;对于级配下限,级配优化适当提高了细集料比例,保证了yATB-25混合料的密实性;对于级配上限,级配优化较大幅度减少了细集料比例,使yATB一25始终处骨架密实结构,确保了yATB-25混合料的高温抗车辙性能.00.0750.6I.182.364.759.513.216.019.0筛孔尺寸/(mill,0.45次幂)百分含量,%;P为4.75mm以上粗集料的百分含量,%;尸为沥青混合

21、料的油石比,%;7r为沥青混合料试件毛体积相对密度;y为沥青的相对密度;为沥青混合料的空隙率,%;VCAi为沥青混合料粗集料的间隙率,%.式(6)等号左边为4.75mm以下矿料所占的体积百分率,沥青所占体积百分率与沥青混合料中的空隙率三部分之和.等号右边为沥青混合料中粗集料间隙率.也就是说沥青混合料中粗集料的间隙除去沥青砼所必要的空隙外,其余间隙刚好均被细集料和沥青填满,即形成骨架密实结构.用公式6判别沥青混凝土结构属性的条件如表3所示.表3混凝土结构类型判别Table3Determinethetypeofmixturestructure手0另条件VCAix>VCA.'结

22、构类型悬浮结构VCADRc<VCAmixVCAndfVCAmixVCAonc疏松骨架结构紧密骨架嵌挤结构26531?53.1yATB一25级配上限图1yATB-25沥青混合料矿料级配Figure1AggregategradationofyATB一25asphaltmixture3yATB-25矿料级配的骨架密实结构理论分析假设沥青的相对密度为1,矿料都是用同种石灰石材质,且相对密度相同.根据工程实践经验,最佳油石比采用P.=3.5%,沥青混合料试件的毛体积相对密度,近似取2.43.我们可以用下列公式(6)来定性地分析yATB一25沥青混凝土骨架密实结构情况.c100-VCAmix

23、+?VCA砒(6)式中:P,为4.75mm以下(包括细集料与矿粉)的当现场沥青混合料的实际级配接近设计级配范围(如表2所列)的上限线,4.75mm通过率达到上限33%时(=33%),P.=100%一33%=67%.用y6=1,=2.43,Ps=33%,P.=67%代入式(6)得:VCA一(7)在式(7)中,当删=3%时,VCA=40.6%;当伽=5%时,VCAix=41.9%;当=4%左右时,VCA=41.3%,即当t等于4%左右时,VCA介于VCA.与VCA删的平均值42.5和VCAc=39.5之间(见表1),也就是说,当4.75mm通过率达到33%时,在正常油石比情况下,yATB-25沥青

24、混凝土接近紧密骨架密实结构状态.同理,假设将yATB一25的4.75mm通过率提高到38%,经过计算,仍然能确保其处于骨架密实结构,但接近疏松骨架结构,第6期钟梦武,等:ATB-25沥青混合料级配优化5其高温稳定性将欠佳,考虑到yATB-25一般没有采用改性沥青,为确保其高温稳定性,结合实践经验,将yATB一25的4.75mm通过率的上限定为33%是比较合适的.3.2yATB-25级配中限当现场沥青混合料的实际级配接近设计级配范围(如表2所列)的中限线,4.75mm通过率达到中限28%时(P,=28%),P.=100%一28%=72%.用6=1,=2.43,P,=28%,P.=72%代人式(6

25、)得:VCA一(8)在式(8)中,当=4%时,VCA=36.8%;当=6%时,VCA=38.2%;即当伽等于4%一6%时,VCAmix小于VCA.(平均值39.5)2%左右(见表1).室内外试验证明,在细矿料偏少的情况下,由于压实功的作用VCAmix总是小于VCA.,其差值最大可达约5%.也就是说,当设计级配:走中线时,yATB一25不仅处于良好的紧密骨架嵌挤结构状态,而且密实不渗水.3.3yATB-25级配下限当现场沥青混合料的实际级配接近设计级配范围(如表2所列)的下限线,4.75mm通过率达到下限23%时(P,=23%),P.=100%一23%=77%.用y6:1,=2.43,P,=23

26、%,P.=77%代人式(6)得:VCA一(9)在式(9)中,当伽:7%时,VCA=34.7%,比VCA.(约39.5%,见表1)小4.8%,已基本达到了粗集料嵌挤的极限状态.也就是说,当4.75mm通过率小到23%,即使粗集料处于最紧密的嵌挤状态(即粗集料间隙率最小),在正常油石比情况下,其空隙率达到了不渗水的极限状态(实践经验表明,一般情况下,要使沥青混合料不渗水,现场空隙率必须大于7%),必须加强现场压实.现场压实度达到100%以上,才能使之不渗水.因此,4.75mm通过量下限通过率采用23%,已不能再小了.4yATB-25矿料级配的骨架密实结构试验验证yATB一25矿料级配的骨架密实结构

27、试验验证时,沥青采用50号A级道路石油沥,集料采用石灰石,矿粉采用石灰石磨细矿粉,试验室对所采用沥青,集料与矿粉分别进行主要指标的测试,结果表明均达到JTGF40规范的要求.按照我国JTGF40规范规定的热拌沥青混合料配合比设计方法一"马歇尔试验方法"对yATB-25级配中值进行了配合比设计,最终确定最佳油石比P为3.4%.采用PP±0.3%对yATB一25上,中,下限级配分别做马歇尔试验和车辙试验,对所用级配的沥青混合料进行体积指标检验与高温稳定性检验,试验结果见图2,图3.图2yATB一25沥青混合料油石比与空隙率关系Figure2Airvoids-aspha

28、haggregateratioofyATB一25asphaltmixtures70006O00i500o一4o003000帽2O001O0046994192苣s.,;-0_3%尸口(3.4%)+0.3%油石比/%图3车辙试验结果Figure3Resultsofruttingtests由图2可知:考虑施工偏差,当级配处于上限.油石比在P+0.3%时,沥青混合料空隙率大于2%,只要高温稳定性满足要求,是可以接受的.当级配处于下限,油石比在P一0.3%时,沥青混合料空隙率为6.5%,小于7%,经验表明,沥青混合料密实性是有保障的.由图3可知:yATB-25上,中,下限级配沥青混合料,车辙试验采用50

29、号A级道路石油沥青,其动稳定度均大于现行规范对改性沥青混合料动稳定度的最高要求(3000次/mm),即使混合料级配处于级配上限,并且油石比在P+0.3%的于抗车辙最(下转第21页)第6期黄胤超,等:基于二次响应面的震区边坡稳定性可靠度分析21(上接第5页)不利的情况下,动稳定度仍高达3373次/mm,说明yATB-25级配,具有优良的高温抗车辙性能.5结语在粗集料,细集料,填料均为同种石灰石矿料的基础上,yATB一25级配范围,经骨架密实结构理论分析与试验验证,能确保其为骨架密实结构,可用做我国高温多雨,大交通量条件下高速公路沥青路面下面层.对于不同的材料应根据VCA.与VCA及各种材料的密度按上述涉及方法进行适当的调整.在进行目标配合比与生产配合比设计时,应使设计级配尽量走yATB一25级配中线(非.关键筛孔不一定能在中线位),特别是4.75mm,2.36mm与0.075mm等关键性筛孔.按现行配合比设计方法完成所有工作后,还