基于体积法的BRA沥青混合料配合比设计方法

2013-01-11杨凯

城市道桥与防洪 2013年6期

杨凯

（天津市市政工程设计研究院，天津市 300051）

0 引言

现行的《公路工程沥青路面施工技术规范》没有关于BRA的配合比设计方法、掺配方式的具体规定。因此，大部分BRA沥青路面的混合料配合比都是根据以往施工经验按照传统马歇尔设计方法进行设计，而试验表明传统配合比设计方法并不能充分发挥BRA优异的路用性能，主要表现为：（1）BRA对合成级配产生干涉作用；（2）混合料最佳沥青含量偏低，导致沥青膜厚度不足，降低了水稳定性；（3）级配针对性弱，不能根据道路使用环境、BRA种类和掺量设计级配。

针对以上问题，本文在体积法的基础上做了一些改进，提出基于体积法的BRA沥青混合料配合比设计方法。试验表明此法简便、可行，提高了BRA混合料的路用性能。

1 设计思路

BRA的相对密度较小（1.62～1.72），单位质量体积是石料的1.5倍左右，不可避免地会对合成级配产生影响。运用体积法设计BRA沥青混合料时考虑了BRA的体积，通过间断2.36～4.75 mm集料及在数学模型中加入代表BRA体积的代数项这两种方式，减小BRA对合成级配产生的颗粒干涉影响，使沥青、BRA、矿粉、细集料及设计空隙的总体积等于主骨料空隙体积。

VMA是沥青混合料重要的体积参数，合适的VMA可以确保混合料有足够的沥青膜厚度，保持混合料的耐久性。传统方法设计的BRA沥青混合料，VMA和沥青膜厚度都低于规范要求，这是因为BRA的粘结和填充作用减小了混合料中需要基质沥青裹覆的集料面积和填充空隙，从而导致达到相同VV所需的沥青含量减少，VMA降低。因此，方程组中引入VMA项，使VMA在配合比设计过程中得到控制，也使集料表面的沥青膜厚度得到保证。不同工程的交通、气候条件各异，设计者需要实际情况调整矿粉、沥青和BRA比例。为此，方程组中引入BRA掺量、油石比两个方程，通过胶浆性能与数学模型结合的方法增加级配设计的适用性。

综上，基于体积法的BRA沥青混合料配合比计算公式如下：

方程组中有 qc、qf、qm、qa、qb，5个未知数，分别表示粗集料、细集料、矿粉、基质沥青和BRA的质量百分数。P0.075、qN、x、y分别表示矿粉 0.075 mm筛孔通过率、BRA中地沥青含量、粉胶比、BRA掺量（地沥青与基质沥青之比）。设计者只要确定VMA、VV、粉胶比和BRA掺量就可以用数学方法计算出BRA沥青混合料的配合比。

式（1）与最初的体积法设计公式相比有以下改进：（1）引入新的方程与未知数，方程组自由度为0，有效沥青用量通过数学计算得出，避免了设计中的随意性；（2）加入VMA等体积参数，使混合料的沥青膜厚度得以控制；（3）考虑了胶浆性能，混合料针对性更强。

2 确定体积参数

体积法方程组中，BRA、矿粉、粗集料、细集料和沥青的相对密度由试验测定。沥青混合料设计空隙率VV和矿料间隙率VMA参照施工规范要求VV和VMA分别取4%、14%。粉胶比、BRA掺量通过胶浆试验确定分别为1.0、31%。

粗集料间隙率VCA主要取决于粗颗粒的表面性质和颗粒形状，各档粗集料的比例对VCA影响较小[2]。结合实际情况确定粗集料13.2～9.5 mm：9.5～4.75 mm为1∶1。实测粗集料相对密度，计算粗集料骨架间隙率VCA，试验结果见表1。

表1 VCA计算结果

研究表明，粗集料含量大于72%时，随着粗骨料的增加细集料的减少，细集料已不能充分填充粗骨料的空隙[3]。根据试验结果，松装密度与实际要求相符，确定VCA为43.2%。

综上，将设计参数代入方程组计算，得到粗集料含量、细集料含量、沥青油石比。计算结果见表2、表3。

表2 体积参数

表3 各种材料比例（单位：%）

3 设计实例

3.1 试验材料

集料采用闪长岩，矿粉由石灰岩磨制，沥青为克拉玛依70#重交道路石油沥青。BRA灰分含量75%，采用“干法”工艺掺配。各种材料的相对密度见表4。

表4 试验材料相对密度

3.2 合成级配

为了增加对比性，试验中采用体积法、传统方法分别进行BRA沥青混合料配合比设计，以BRA-V13、BRA-13表示。级配见表5。

表5 混合料级配

3.3 体积参数验证及路用性能

对混合料进行马歇尔试验，试验结果见表6。

由表6试验结果可知，基于体积法设计的BRA沥青混合料，基质沥青用量比传统方法设计的混合料提高近0.4%，沥青膜厚度增加1μm，VV、VMA与设计值基本相同，VFA在中值附近，说明基于体积法进行BRA沥青混合料配合比设计是可行的。受BRA中地沥青的影响，体积法最佳油石比的设计值与实测值不同，设计时需要根据地沥青含量对计算出的最佳油石比进行折减，按照折减后的油石比进行试验。

对两种BRA沥青混合料进行高温、低温和水稳定性试验，试验结果见表7。