基于最大密实度曲线理论的微表处集料级配范围设计方法研究

2014-12-13陈国强��

中华建设科技 2014年10期

陈国强��

【摘要】为了解决用现有型号微表处修复较深车辙会重复出现车辙的问题，阐述了开发新型号微表处的必要性;通过最大密实度曲线理论适应性分析、集料颗粒排列规律的推导及其试验，结合经验提出了适合微表处的最大密实度曲线;针对微表处施工工艺的特点，研究了集料内摩阻力的规律和稀浆混合料的和易性，提出了最佳和易性曲线;在最大密实度曲线和最佳和易性曲线的基础上，给出了确定微表处集料级配范围的方法。

【关键词】最大密实度曲线理论;沥青路面;车辙;微表处;集料级配范围

Research on micro-surfacing aggregate gradation range of design method based on theoretical maximum density of the curve

Chen Guo-qiang

（Pingdingshan City Highway AdministrationPingdingshanHenan467000）

【Abstract】In order to solve the existing model with micro-surfacing repair deep rut rutting problem will be repeated， explains the necessity to develop new models of micro-surfacing; adaptation analysis by the maximum density of the curve theory， the law of aggregate particles arranged derivation and its test， combined with the experience proposed maximum density of the curve for micro-surfacing; the characteristics of the construction process for micro-surfacing， studied law in the aggregate slurry frictional resistance and workability of the mix， made the best and easy curve; based on the maximum density of the curve and the curve of the best workability， given to determine the micro-surfacing aggregate gradation range of methods.

【Key words】The maximum density of the curve theory;Asphalt pavement; rut;Aggregate gradation range;Micro-surfacing

1. 前言

（1）修复沥青路面车辙是微表处的主要用途之一，用微表处修复沥青路面车辙是直接填补的唯一方法，同时也是经济高效的方法，目前均用MS-3型微表处填补车辙，其集料最大粒径为10mm。在我国，当修复沥青路面车辙时其深度普遍在20mm以上（称为“较深车辙”），如果用现有型号微表处材料直接填补，稀浆混合料摊铺厚度很大，而对于这种成型厚度超过集料最大粒径较多的微表处的抗车辙性能很差，其自身很快就会产生车辙。因此，绝大多数研究把重点放在致力于提高现有型号微表处的抗车辙性能上。

（2）典型的沥青路面结构分为三种：悬浮密实结构、骨架空隙结构和骨架密实结构，其中悬浮密实结构抗车辙性能最差，骨架密实结构抗车辙性能最强。微表处混合料与悬浮密实型混合料相比，级配细得多，细料含量多得多，油石比大得多，因此，成型厚度超过集料最大粒径较多的微表处的抗车辙性能比三种典型的沥青路面结构都要差得多。

（3）实践发现，抗车辙性能最强的骨架密实型沥青路面时常会产生车辙，这说明通过提高现有型号微表处的抗车辙性能，达到用之填补较深车辙的微表处自身不再产生车辙的目的是行不通的。然而，如果微表处的成型厚度与集料最大粒径一致，并且集料最大粒径又与车辙深度相当，那么用这种微表处填补较深车辙时，其自身将不会产生车辙。故利用最大密实度曲线理论，研究微表处集料级配范围设计的方法，开发新型号的微表处，以满足不同深度车辙填补的需要是十分必要的。

2. 最大密实度曲线理论适应性分析

（1）最大密实度曲线理论是通过大量试验提出的一种理想曲线。固体颗粒按粒度大小有规则地组合排列，粗细搭配，可以得到密实度最大、空隙最小的路面结构。福勒认为：集料级配曲线越接近抛物线，则其密实度越大。其表达式为：

p=100（d/D）0.5 （1）

式中：p——在最大粒径为D的集料中某筛孔d的通过率，%。

（2）泰波进一步研究认为，式（1）中的指数应为变数n，当n=0.45时，密实度最大;通常使用的集料级配范围n幂应在0.3～0.7之间。因此，在实际应用中，集料级配曲线应允许在一定范围内波动，则式（1）变为：

pi=100（di/D）n （2）

式中：di——要计算的分级集料粒径，mm;

D——集料的最大粒径，mm;

pi——要计算的等级集料的通过率，%;

n——实验指数，取0.3～0.7。

（3）不同国家或组织（包括中国、日本、德国、法国、西班牙等以及ISSA）颁布的稀浆混合料级配范围（包括MS-2型和MS-3型）并不完全相同，并且它们都比按最大密实度级配曲线理论计算的稀浆混合料的级配偏细，两者并不一致。另外，室内试验和工程实践发现用最大密实度级配曲线理论设计的稀浆混合料的和易性有时满足不了施工的需要，甚至直接导致施工失败。因此，不能直接用最大密实度级配曲线理论来设计稀浆混合料的集料级配范围。

3. 集料颗粒排列规律及其试验

3.1路面结构中相同粒径的颗粒因排列方式不同，骨架间隙的体积也不同，间隙体积的大小主要取决于同径颗粒的排列情况。为了方便，用球体代替碎石，对不同排列方式和层数时的间隙率进行计算，如图1所示。

（1）排列方案一：如图1（a）所示，其中第一层球和第三层球完全一样并且平面位置相对应，图中未画第三层。通过计算其间隙率为27.4%。

（2）排列方案二：与图1（a）排列方式一样，但只有二层。通过计算其间隙率为30.9%。

（3）排列方案三：与图1（a）排列方式一样，但只有一层，如图1（b）。通过计算其间隙率为39.5%。

（4）排列方案四：如图1（c）排列方式，只有一层。通过计算其间隙率为48%。

3.2计算结果表明：最大粒径碎石的排列方式决定路面结构的性能和品质，最大粒径碎石因排列层数和方式不同，骨料所占的空间（包括骨料自身的体积和骨料之间的空隙）和间隙体积也不相同;骨料所占的空间和间隙体积的大小主要取决于最大粒径碎石的排列层数和方式，而与其粒径大小无关;骨料所占的空间和间隙体积随最大粒径碎石在路面结构中的层数（厚度）的减少而增大，而且其增量是递增的;最大粒径碎石单层排列时相邻三球相互接触即球心的连线呈等边三角形时其间隙体积最小。这就是集料颗粒排列规律。

3.4由表1可以看出，通过理论计算得出的集料颗粒排列规律与实践是相符的。集料颗粒排列规律表明，用相同的混合料摊铺不同厚度的路面，随着摊铺厚度（H）的减小，最大粒径（D）碎石之间的空隙将增大，为了保证路面的密实度，就需要加大细料的用量，也就是说，随着H/D的减小，细料用量要增加。

3.5最大密实度曲线理论是热拌热铺沥青路面的设计依据，在这种路面结构中，H/D=2～3，此时路面结构能够达到密实，而在微表处结构中H/D=1，相比骨料之间的空隙增大，因此需要用更多的细料来填充。这就是现有稀浆混合料级配范围都比按最大密实度级配曲线理论计算的稀浆混合料的级配范围偏细的原因，同时它也是设计新型号稀浆混合料集料级配范围的准则。

4. 集料内摩阻力

4.1集料内摩阻力的大小对稀浆混合料的可拌和性和和易性影响很大。内摩阻力小则稀浆混合料容易拌和，其和易性好;内摩阻力大则稀浆混合料不易拌和，其和易性不好。

4.2集料是无粘聚力的材料，其内摩阻力的大小取决于内摩擦角的大小。内摩擦角大则内摩阻力大;内摩擦角小则内摩阻力小。

内摩擦角可用直剪仪（如图2）测定。

tgφ-内摩擦系数;

φ-内摩擦角。

则此直线就是集料的抗剪强度关系线，φ就是集料的内摩擦角。

4.4同一型号稀浆混合料集料级配的粗细不同，其内摩擦角也不同。表2是MS-5型微表处（最大粒径20mm）粗细不同级配集料内摩擦角测量记录计算表。

4.5由表2可以看出，同一型号稀浆混合料集料级配的粗细不同则内摩擦角也不同，内摩擦角随着集料级配变粗而增加，n从0.3变为0.6，内摩擦角增加7.87°。这是在工程实践中采用的稀浆混合料级配范围要比按最大密实度级配曲线理论计算的稀浆混合料的级配范围偏细的又一原因。

5. 最佳和易性曲线

5.1最大密实度理论是对热拌热铺类沥青混合料进行研究总结出来的，它研究的首要问题是“最大密实度”。而对于微表处工艺来讲，不但要求微表处结构有最大的密实度，而且要求稀浆混合料具有良好的和易性。因为稀浆混合料的拌和和摊铺能力都比较低，导致“和易性”是微表处工艺首先要解决的问题，它关系到微表处施工的成败，和易性不好的稀浆混合料做出的微表处是不合格的，甚至直接导致施工中断。

5.2最佳和易性是指稀浆混合料的稠度值最佳即在2～3cm之间，并且流动性、可塑性、稳定性、均匀性和密实性均好的状态。影响稀浆混合料和易性的因素很多，其中集料级配是重中之重。实践表明，在pi=100（di/D）n中存在一个n值的范围，它能够使稀浆混合料的和易性达到最佳，当然对于不同型号的稀浆混合料，n值的范围会不一样。例如：MS-5型稀浆混合料最佳和易性相对应的n值范围是0.3～0.6。因此，pi=100（di/D）n（其中n=0.3～0.6）就是MS-5型稀浆混合料最佳和易性曲线的解析式，其试验如表3所示。

表3和易性试验记录汇总表

备注室内试验温度15～26℃、湿度<50%、油石比均为7.5% ，

此表为大量试验和实践数据的汇总并非单次试验的结果。

对于同一型号的稀浆混合料，级配偏细者和易性更能保证。

6. 稀浆混合料集料级配范围确定方法

6.1微表处集料级配范围不但要求能使路面结构密实度达到最大，而且要求稀浆混合料和易性达到最佳。

6.2通过最大密实度曲线理论适应性分析、集料颗粒排列规律及其试验，结合经验，认为微表处最大密实度曲线为pi=100（di/D）n，其中n=0.25～0.55，把此级配范围记为集合A;通过集料内摩阻力以及最佳和易性曲线的研究表明，微表处集料级配宜细不宜粗，所要设计的稀浆混合料最佳和易性曲线为pi=100（di/D）n，其中n根据微表处型号确定，把此级配范围记为集合B。那么，集合A和集合B的交集（A∩B）不但能使微表处的密实度达到最大，而且能使其稀浆混合料的和易性达到最佳。

7. 结束语

（1）最大密实度曲线理论是热拌热铺沥青混合料集料级配范围的设计依据，不能直接用之设计稀浆混合料集料级配范围。

（2）稀浆混合料集料级配范围的确定以及施工时级配的设计，都应坚持宜细不宜粗的原则。

（3）修复车辙时，微表处的型号要与车辙深度匹配。如果微表处的成型厚度与集料最大粒径一致，并且集料最大粒径又与车辙深度相当，那么用这种微表处填补较深的车辙，其自身将不会产生车辙;如果微表处成型厚度超过集料最大粒径较多（5mm以上），则会重复出现车辙。

（4）我国规范已给出的能用于修复车辙的微表处只有MS-3型，它适合用于填补10mm左右深的车辙;对于15mm～30mm深的车辙，可根据情况设计开发新型号的微表处来填补，包括MS-4型（最大粒径16mm）、MS-5型（最大粒径20mm）、MS-6型（最大粒径26.5mm）、MS-7型（最大粒径31.5mm）;比MS-7型再粗的微表处很难做，不建议用之填补车辙。因此，深度大于30mm的车辙不宜用微表处修复。

参考文献

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[文章编号]1619-2737（2014）09-26-794