摘要:本文以安徽省S205省道改扩建工程为背景,就骨架密实类的沥青混凝土进行级配设计,提出以关键筛孔以上颗粒为主骨料,其他作为填料来分析混合料的构成。主骨料的空隙除预留设计空隙以外均被填料填充,这样就形成了理想的骨架密实类结构,考虑到实际施工时的压实情况,主骨料的空隙范围确定为在堆积松散状态空隙和振实状态空隙之间。整个级配通过六个控制性筛孔来控制,结合相关参数来设计骨架密实类的AC-13型沥青混凝土级配范围。
关键词:骨架 空隙 级配 混凝土 1 工程概况
本项目背景是二零零九年度安徽省公路管理局的大修项目S205省道改扩建工程,由于该道路车辆荷载为重交通,主要行驶车辆为砂石矿料车辆,超载严重,所以在对沥青混凝土面层设计时采用高温稳定性好、抗车辙的骨架密实类级配。本项目的沥青混凝土分为两层,上面层为4cmAC-13型,下面层为6cmAC-20型,本文主要作面层AC-13型的骨架密实类级配范围设计。
2 骨架密实类级配范围设计 2.1 控制性筛孔的确定
(1)最大粒径的确定,由AC-13型本身性质定义为最大粒径
dmax=16mm。
(2)最大公称粒径的确定,由AC-13型本身性质定义为d公称=13.2mm。
(3)d1/2max粒径的确定,为控制粗集料中的集料离析,需要控制d1/2max粒径,由AC-13型本身性质定义为d1/2max=9.5mm。
(4)d关键粒径的确定,《JTGD50-2006公路沥青路面设计规范》第5.3.2款规定d关键=2.36mm。
(5)响粉胶比粒径的确定,即控制0.075mm颗粒的含量,d粉胶=0.075mm。
(6)“禁区”筛孔的确定,为避免矿料级配中细集料用量向最大理论密度线靠近,致使成型后的沥青混合料矿料间隙率(VMA)偏小,所以要对在靠近最大理论密度线的矿料级配进行控制,所控制的区域为“禁区”,控制标准为(表1)。
2.2 空隙率的确定
经试验测得关键性筛孔2.36mm以上粗集料在堆积松散状态下的密度与最大表观密度相比,空隙体积率在42%～43%,在振实紧密状态下的密度和最大表观密度相比,空隙体积率在38%～39%。
2.3 级配范围上限计算
本项目AC-13用集料筛分结果见（表2）,不同规格下的矿料理论密度见（表3）。
由于本项目为二级公路,重交通量,设计空隙率(VV)取高限5%,矿料间隙率(VMA)取15%,沥青饱和度65%～75%取中值70%,计算沥青占有体积率为15%×70%=10.5%。
已知关键性筛孔尺寸2.36mm以上粗集料在松散状态下最小绝对体积为58%,所以关键性筛孔尺寸尺寸2.36mm以下的细集料+矿粉+沥青+预留孔隙率总和为42%,细集料在沥青混合料总绝对体积应占42%-15%=27%(包含矿粉)。
根据不同规格矿料筛分结果可知大于关键性筛孔尺寸2.36mm以上的颗粒含量为:
1#:100%;2#:99.6%;3#:88.7%;4#:14.7%;5#:0%。
大于关键性筛孔尺寸2.36mm以上粗集料综合平均理论密度为:(2.801×1+2.807×0.996+2.793×0.887+2.785×0.147)/(1+0.996+0.887+0.147)=2.799(g/cm3)。
小于关键性筛孔尺寸2.36mm以下细集料(包含矿粉)综合平均理论
密
度
为:(2.807×0.004+2.793×0.113+2.785×0.853+2.766×0.03)/(0.004+0.113+0.853+0.03)=2.785(g/cm3)。
关键性筛孔尺寸2.36mm以上粗集料的重量相对单位体积的沥青混合料而言下为:58×2.799=162.342。
2.36mm以下细集料(包含矿粉)的重量相对单位体积的沥青混合料而言下为:27×2.785=75.195。
沥青用量为:10.5×1=10.5。
为提高沥青混合料的抗老化性能,增加沥青胶泥的裹覆矿料的比表面积上的粘附性和粉胶比采用1:1.5的粉胶比,则填料用量为10.5×1.5=15.75。所以关键性筛孔尺寸2.36mm以下至0.075mm以上的细集料用量为:75.195-15.75=59.445。
矿料总量为:162.342+75.195=237.492。 配合比计算为: 粗
集
料
:
细
集
料
:
矿
粉
=162.342/237.492:59.445/237.492:15.75/237.492=68:25:7。
d关键为:25%+7%=32%。 油石比为:10.5/237.492=4.4%。
推算沥青混合料设计空隙率为:15%-10.5%=4.5%。 所以各控制性筛孔通过率计算如下:
(1)dmax通过率,dmax=100%。
(2)d公称通过率,为控制集料的离析需要控制集料的公称粒径,取d公称=97.5%。
(3)d1/2max粒径通过率,(d1/2max-d关键)/(100-d关键)=0.4～0.8,为了提高高温稳定性,比值取0.6。得d1/2max=78.8%。
(4)d关键通过率,由前部分计算可知d关键=32%。 (5)d粉胶通过率,由前部分计算可知d0.075=7%。
(6)禁区通过率见（表1）中的禁区下限。至此,AC-13骨架密实型各控制性筛孔的上限通过率全部求出,列表为（表4）。
2.4 级配范围下限计算
本项目AC-13用集料筛分结果见表5.2,不同规格下的矿料理论密度见表5.3。本项目为二级公路,重交通量,设计空隙率(VV)取高限5%,矿料间隙率(VMA)取15%,沥青饱和度65%～75%取中值70%,计算沥青占有体积率为15%×70%=10.5%。
已知关键性筛孔尺寸2.36mm以上粗集料在振动状态下最小绝对体积为62%,所以关键性筛孔尺寸尺寸2.36mm以下的细集料+矿粉+沥青+预留孔隙率总和为38%,细集料在沥青混合料总绝对体积应占38%-15%=23%(包含矿粉)。
根据不同规格矿料筛分结果可知大于关键性筛孔尺寸2.36mm以上的颗粒含量为:
1#:100%;2#:99.6%;3#:88.7%;4#:14.7%;5#:0%。
大于关键性筛孔尺寸2.36mm以上粗集料综合平均理论密度为:(2.801×1+2.807×0.996+2.793×0.887+2.785×0.147)/(1+0.996+0.887+0.147)=2.799(g/cm3)。
关键性筛孔尺寸2.36mm以上粗集料的重量相对单位体积的沥青混合料而言下为：58×2.799=162.342。
2.36mm以下细集料（包含矿粉）的重量相对单位体积的沥青混合料而言下为：27×2.785=75.195。
沥青用量为：10.5×1=10.5。
为提高沥青混合料的抗老化性能，增加沥青胶泥的裹覆矿料的比表面积上的粘附性和粉胶比采用1:1.5的粉胶比，则填料用量为10.5×1.5=15.75。所以关键性筛孔尺寸2.36mm以下至0.075mm以上的细集料用量为：75.195-15.75=59.445。
矿料总量为:173.538+64.055=237.593。 配合比计算为: 粗
集
料
:
细
集
料
:
矿
粉
=173.538/237.593:48.305/237.593:15.75/237.593
=73:20:7。
关键性筛孔通过率为:20%+7%=27%。 油石比为:10.5/237.593=4.4%。
推算沥青混合料设计空隙率为:15%-10.5%=4.5%。 所以各控制性筛孔通过率计算如下: ⑴dmax通过率,最大粒径dmax=100%。
⑵d公称通过率,为控制集料的离析需要控制集料的公称粒径,取d公称=95%。
⑶d1/2max通过率,(d1/2max-d关键)/(100-d关键)=0.4～0.8为了提高高温稳定性,比值取0.6,得d1/2max=70.8%。
⑷d关键通过率,由前部分计算可知d关键=27%。 ⑸d粉胶通过率,由前部分计算可知d粉胶=7%。
⑹禁区通过率见（表1）中的禁区下限与规范下线的中值。至此,AC-13骨架密实型各控制性筛孔的下限通过率全部下求出,列表为（表5）。
2.5 AC-13骨架密实型混合料级配范围的确定
将（表4）和（表5）合并成AC-13骨架密实型混合料级配范围,见（表6）。
3 结语
本文所作的骨架密实类级配设计是针对于面层AC-13型结构做详细设计,在其他型式的骨架密实类沥青混凝土结构设计时同样适用,而且方法一样,可以直接套用。此法在二零零九年度的安徽省S205省
道改扩建工程项目的沥青混凝土面层—AC-20、AC-13中得到了运用,取得了良好效果。项目运营至今后经过检测数据表明该道路路面平整度指数保持在竣工时的1.8以下,构造深度满足规范要求,路面未发现车辙和推移等沥青混凝土路面的常见病害,证明该方法科学实用,值得推广。
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