基于连续级配的粗集料间隙率均匀试验研究

谢远新

（1.重庆大学土木工程学院，重庆市 400030；2.重庆鹏方路面工程技术研究院，重庆市 400025）

基于连续级配的粗集料间隙率均匀试验研究

谢远新1,2

（1.重庆大学土木工程学院，重庆市 400030；2.重庆鹏方路面工程技术研究院，重庆市 400025）

为进一步认识级配变化对粗集料间隙率VCA的影响，基于振动压实方式对连续密级配粗集料部分以振动频率和振动时间作为试验参数进行试验研究，试验采用3因素、15水平均匀设计方案进行。试验及回归分析表明，连续密级配矿料空隙率的大小主要取决于矿料自身性质（粒径、几何形状、表面性质），级配变化对空隙率的影响最大幅值不超过3%，无法通过调整级配而使矿料空隙率或沥青混合料矿料间隙率（VMA）发生较大改变。试验研究证实了采用振动压实试验进行粗集料间隙率研究的方法可行。

道路工程；试验；均匀设计；粗集料间隙率

0 引言

已有研究成果[1-6]认为，对于确定的原材料和级配，粗集料间隙率VCA值取决于试验方法（力的作用方式、功能大小、试验容器容积大小、集料容积与沥青混合料试件体积的差别对试验结果的应用产生的影响等），即VCA不是定值，理论计算无法确定具体集料的VCA。于是，试验方法的合理性决定了试验结果的价值。

在对现有规范所述试验方法进行理论分析和试验比对后，认为其试验方法与现有沥青混合料成型方式不相符（功能大小与力的作用方式、容器体积等），试验结果随机性较大，不能充分反映粗集料VCA值的变化趋势。经过多次试验尝试和比较，最终选用振动压实成型仪为试验设备，以振动频率和振动时间作为试验参数予以优化。在该试验参数条件下，粗集料的填充密度最大且破碎率不大于2%，因为，根据干涉理论和进行SMA级配研究所取得成果（见文献[3-6]）：当再次粒级的含量超出合理含量2%以上时，会对大粒级集料形成的密实结构产生干涉。

1 试验参数

1.1 振动压实仪参数

采用振动压实仪进行振动压实。试模尺寸为内径152 mm，高170 mm；钢筒内垫块直径151 mm，厚20 mm。频率范围0～30 Hz，振幅25 mm，静压力1 900 N，激振力9 000 N。

1.2 振动压实体积参数

VCA测定所需集料的体积V=πr2×h,其中：r=152 mm，h=12±0.5 mm。

1.3 振动时间参数

振动时间以粗集料不破碎或者破碎率不大于2%为限，先以30 s试振，视破碎率大小调整振动时间，以到达最密实状态即VCA最小，破碎率不大于2%为限。

1.4 破碎率计算

破碎颗粒筛孔以振动压实所采用集料级配中最小颗粒筛孔尺寸控制，通过该最小颗粒筛孔尺寸量即为破碎颗粒含量。

试验结果表明：振动频率对粗集料密度和破碎率的影响非常显著，而振动时间的影响不显著。在容许2%破碎率的条件下，振动频率为23 Hz、振动时间为15s时，获得的粗集料密度最大，故选用此参数作为后续试验研究控制依据。

2 均匀试验方案设计

以AC-20型级配为研究对象，将粗集料分为三个粒级[7,8]：26.5～19 mm、19～9.5 mm和9.5～4.75 mm，分别记为X1、X2和X3。按照均匀设计法，取3因素、15水平进行试验（均匀设计中心化偏差14.14%），试验方案见表1所列。每组取4平行试验，以VCA为判据，研究级配对VCA的影响。

表1 均匀试验设计表

3 试验结果分析

试验结果列于表2，并如图1所示。对各组试验结果进行统计分析，各组组内的试验结果的离散性大致相当，试验精度可以接受。出于限制最大粒级X1（26.5～19 mm）比例的考虑，对X1的水平变化限定在10%以内，试验结果表明，由于X1比例过少，对VCA未产生规律性影响，如图1（b）所示。

X2与VCA之间存在良好的相关性 [图1（c）、图1（d）]，经验公式为：

式中：X2为19～9.5 mm粒级质量百分比，%。

对式（1）中的VCA求极小值，则对应的X2= 48%。

用同样的方法得到X3与VCA的相关公式[图1（e）、图1（f）]：

式中：X3为9.5～4.75 mm粒级质量百分比，%。

由式2解得，VCA极小值对应的X3=45.5%。

由X1+X2+X3=100（%）解得：

X1=100-48-45.5=6.5（%）

表2 粗集料均匀设计试验结果表（n=4）

事实上，由于X1比例过小，对粗集料空隙率无明显影响，可以将X1与X2合并，合并之后大粒级X（X=X1+X2）与VCA的相关公式为[图1（g）、图1（h）]：

式（2）和式（3）互为镜像，粗集料级配优化变为单因素优化问题。对于AC-20型级配，最密实的粗集料组成比例为：

以粒级X2和X3的质量百分比为自变量，VCA为因变量，对表1中的均匀设计试验数据进行二元二次回归，回归关系为：

对于上式，r=0.791 0，各回归项的t值分别为：二次项 t=48.447；一次项 t=-45.223；交互项t= 4.279；常数项 t=101.384。（t(0.05/2)=2.004，t(0.01/2)= 2.669）回归效果显著，常数项回归效果最为显著，X2与X3的交互作用微弱。

图1 粗集料均匀设计试验结果分析图

对回归方程中的X3求偏导，得到X3=44.15%，与按式（3）解得的X3=100-X=100-54.7=45.3（%）极为接近。

均匀设计试验结果同样表明，较密实的粗集料级配是一个范围，取VCA低值所对应的级配范围进行组间差值与组内差值比较，得到级配变化对VCA无显著影响的区间为：

4 结论

（1）采用振动压实试验进行粗集料间隙率研究的方法是可行的。以集料破碎率不大于2%、集料振实密度达到最大且稳定作为振动压实试验控制条件，确定出的试验输入参数为：振幅25 mm，振频23 Hz，振动时间15 s。

（2）试验及回归分析表明，连续密级配矿料空隙率的大小主要取决于矿料自身性质（粒径、几何形状、表面性质），级配变化对空隙率的影响最大幅值不超过3%。无法通过调整级配而使矿料空隙率或沥青混合料矿料间隙率（VMA）发生较大改变。这一结论直接关系到对沥青混合料的VMA设定下限值（不得小于某值）是否合理、可行的问题。

（3）最密实的连续级配组成是一个范围而不是单值。级配密实与否只是由同一种集料配制的不同级配之间相比较而言的一个定性的概念。因此，不能用一个固定的空隙率值评价级配是否密实，而只能采用相对比较方法，找出级配对空隙率的影响趋势，从个例中抽象出共性的一面。对于具体的级配矿料，其空隙率不存在真值，只有特定试验条件下的试验值。

[1]天津市市政工程研究院.采用GTM的沥青混合料配合比设计方法研究[R].天津：天津市市政工程研究院,2002.

[2]天津市市政工程研究院.城市快速路高性能沥青路面研究[R].天津：天津市市政工程研究院,2005.

[3]谭忆秋，张肖宁，郭祖辛.用体积法设计SMA混合料的配合比[J].哈尔滨建筑大学学报，1999，32(3):105-110.

[4]赵可，卢永贵，魏如喜.SMA高温稳定性研究[J].中国公路学报，2004，17(2):11-17.

[5]赵可，周卫峰，魏如喜.SMA高温稳定性和低温抗裂性与体积参数的相关性分析[J].公路交通科技，2005，22(1):9-12.

[6]周卫峰.基于GTM的沥青混合料配合比设计方法研究[D].西安：长安大学，2006.

[7]西安公路学院公路系道路工程教研室.沥青路面[Z].西安公路学院，1986.

[8]沈金安.沥青与沥青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

U414

A

1009-7716（2017）03-0222-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.061

2016-03-01

河北省交通科技项目（Y2010023-3）

谢远新（1980-），男，黑龙江绥化人，博士研究生，高级工程师，研究方向为道路铺装工程结构与材料耐久性。