每日一識丨第458期
瀝青混合料中礦料級配的研究
本文字數：2508字
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摘要：通過逐級堆積密度試驗結果得到不同集料的最佳比例；通過分形理論對集料的7種不同顆粒級配進行分析；然後對這些不同級配分別進行馬歇爾試驗結果得到級配對混合料的影響。
關鍵詞：瀝青混合料；間隙率；分形理論；礦料級配
瀝青混合料由礦料和瀝青結合料拌和而成的混合料的總稱。瀝青混合料的組成包括瀝青、集料、添加劑和間隙率4部分。其中集料是瀝青混合料強度的骨架，良好的級配是瀝青混合料良好的性能基礎，故集料級配是瀝青混合料拌和施工過程中重要的控制指標。本文主要是研究AC-16瀝青混合料的級配。
1
級配設計
由於試驗量的限制不可能考慮到所有級配情形，本文粗集料的結果組成採用堆積密度試驗進行逐級堆積，得到間隙率較小的礦料級配作為優化後的粗集料合理結構組成，通過選取典型的礦料級配進行重點研究。
1.1
原材料
試驗所用粗集料為漳州地區的灰綠巖碎石；細集料採用灰綠巖機制砂；將原材料篩分為單粒徑進行試驗研究。瀝青採用廈門華特瀝青實業有限公司70#A級道路石油瀝青。
1.2
堆積密度試驗方案及結果
將原材篩分為單粒徑，然後將粗集料按照表1的試驗方案進行不同比列混合，按照T 0309-2005的試驗方法進行堆積密度試驗。通過逐級堆積密度試驗，從而得到不同粒徑的堆積密度性質。
表1: 堆積試驗方案與結果
註：帶*為該組試驗方案中最佳；下一階段按此最佳比例進行後續堆積試驗。
在階段（一）驗結果表明：粒徑16：13.2比例為1：2時，自然堆積間隙率和搗實堆積間隙率均為最小值；在階段（二）中表明：粒徑(16～13.2)：9.5比例為1：1時，自然堆積間隙率和搗實堆積間隙率均為最小值；在階段（三）中表明：粒徑(16～9.5)：4.75比例為1.5：1時，自然堆積間隙率和搗實堆積間隙率均為最小值；在階段（四）中表明：粒徑(16～4.75)：2.36比例為4：1時，自然堆積間隙率和搗實堆積間隙率均為最小值；隨著較細的粗集料加入，礦料間的自然堆積間隙率和搗實堆積間隙率越小。
由表2可以得到該粗集料的最佳級配比例為：16mm：13.2mm：9.5mm：4.75mm：2.36mm=2：4：6：8：5。
1.3
典型級配的選取
本文選取了條典型的級配進行研究（如表2），級配1～級配5代表5種關鍵篩孔通過率,即為5種不同粗細比例的礦料級配；級配6～級配7、級配3代表粗集料相同，細集料不同的級配。
表2: 試驗級配表
2
試驗結果及分析
2.1
瀝青混合料的級配分形
所謂分形是一種散亂的延伸，單結構卻十分精細的圖案，如把它放大，就會顯示反覆出現的細節，相似的結構在所有尺度上都存在，分形現象是一個重要特徵就是自相似性，應用中多是統計意義上自相似和局部一定尺度上的分型結構，分形幾何最重要的概念是分形維數，簡稱分維。瀝青混合料骨料級配具有突出的自相似性，完全可以利用分形幾何學進行研究，而且骨料中存在幾個層次的分形，骨料表面就是一種分形，不同集料混合後，代表骨料尺寸的粒徑就形成了一個分布，這個分布函數就是一種數學分形。
對於骨料級配質量分維數的計算目前主要有兩種方法：（1）根據骨料通過各級篩孔的通過率用計算機迭代求出；（2）利用ln（Mx/M）與lnx的關係求出。現本文用第（2）種方法，只要在雙對數坐標ln（Mx/M）與lnx函數圖存在直線段，就表明混合料骨料顆粒分布具有分形結構，ln（Mx/M）與lnx關係用回歸一次方程，根據斜率有ln（Mx/M）=（3-D）lnx+a,可求出D。由表2的級配通過對數可以得到級配對數表；然後通級配對數曲線可以得到各級配的一元線性回歸方程表3。
表3：一元線性回歸方程
由上表3可以看出，級配2～級配4可以看出細集料增加，混合料分形維數是在乘增加趨勢，級配1和級配5存在不符合AC-16的級配要求，則級配的相關係數偏小。級配6的顆粒偏粗，細集料偏少，分形維數明顯較小。即為級配越細，分維數越大；級配越粗，分維數越小。
2.2
最佳瀝青用量及結果分析
根據上面的顆粒級配，選取油石比為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%，分別進行馬歇爾試驗，得到7種不同級配的馬歇爾試驗結果（表4）。
表4: 馬歇爾試驗結果
從表4可以看出，不同的顆粒級配對混合料的毛體積密度、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、最佳油石比、穩定度、流值均有一定的影響。所選的7種級配的最佳油石比在4.5%～4.9%範圍內，在級配1～級配5中表明：隨著級配關鍵篩孔通過率的降低，瀝青混合料的最佳油石比逐漸減小。級配6～級配7、級配3的馬歇爾試驗結果表明：粗集料相同，細集料的不同會影響瀝青混合料的空隙率和最佳瀝青用量；細集料偏細，最佳油石比增加，瀝青混合料空隙率減小；細集料偏粗，最佳油石比減小，瀝青混合料空隙率增大。
3
結論
（1） 通過逐級堆積密度試驗方法，找出該粗集料的最佳級配比例為：16mm：13.2mm：9.5mm：4.75mm：2.36mm=2：4：6：8：5。
（2） 通過分形理論可以得到級配越細，分維數越大；級配越粗，分維數越小。
（3） 通過馬歇爾試驗可以得到不同的顆粒級配對混合料的毛體積密度、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、最佳油石比、穩定度、流值均有一定的影響；在級配1～級配5中表明：隨著級配關鍵篩孔通過率的降低，瀝青混合料的最佳油石比逐漸減小；級配3、級配6～級配7表明：在粗集料相同時，細集料偏細，瀝青混合料最佳油石比越大。
參考文獻：
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作者 | 李斌、林建權、李願望
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