砂粒式超薄沥青混凝土粗集料骨架特性.pdf

砂粒式超薄沥青混凝土粗集料骨架特性 祝斯月等 l 3 3 砂粒式超 薄沥青混凝土粗集料骨架特性 祝 斯月 ， 匾 。 ， 豆 怀 兵 ， 李 鑫 。 ， 秦先 涛 。 ( 1 长安大学材料科学与工程学院， 西安 7 1 0 0 6 1 ； 2 长安大学交通铺面材料教育部工程研究中心 ， 西安 7 1 0 0 6 1 ； 3 长安大学公路学院， 西安 7 1 0 0 6 4 ) 摘要 为了研究砂粒式超薄沥青混凝土级配的骨架特性 ， 采用逐级填充试验， 以粗集料间隙率( V C A) 、 加州承 载比( C B R) 和最大贯入荷载( MP L ) 为指标， 分析 了不同粗集料组合方式对砂粒式超薄沥青混凝土骨架密实性以及骨 架强度的影响， 探讨 了C B R、 MP L用于评价干混集料骨架强度的适应性， 并结合均匀设计和灰关联熵分析法确定 了 影响粗集料骨架特性的关键筛孔， 进而推荐了各档粗集料含量的范围。结果表 明， 最大贯入荷载能很好地反映集料 抵抗外界荷载的能力， 适合作为砂粒式超薄沥青混凝土骨架强度的评价指标； 2 3 6 rai n 、 1 1 8 1 T I I T I 筛孔上集料含量对 VC A和 MP L的影响显著 ； 三档粗集料含量 的推 荐范围分别为 8 3 1 6 3 ； 7 8 6 8 2 6 ； 5 1 9 1 。 关键 词 道路工程砂粒式超薄沥青混凝土逐级填充试验均匀配方设计灰关联熵最大贯入荷载 中图分 类号 ： U4 1 6 2 1 7 文献标识码 ： A D OI ： 1 0 i 1 8 9 6 j i s s n 1 0 0 5 0 2 3 X 2 0 1 5 0 2 0 2 9 The Sk e l e t o n Ch a r a c t e r i s t i c s 0 f Co a r s e Ag g r e g a t e s i n Gr a n u l a r Ul t r a - t hi n As pha l t Co nc r e t e Z H U S i y u e ， I c H E N S h u a n f a 1 ， D O U H u a i b i n g ， L I X i n 。 ， Q I N X i a n t a o 。 ( 1 S c h o o l o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g，Ch a n g a n Un i v e r s i t y ，Xi a n 7 1 0 0 6 1 ；2 En g i n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r o f Tr a n s p o r t a t i o n Ma t e r i a l s o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ，C h a n g a n Un i v e r s i t y ，Xi a n 7 1 0 0 6 1 ；3 S c h o o l o f Hi g h wa y ，Ch a n g a n Un i v e r s i t y，Xi a n 7 1 0 0 6 4 ) Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e s e a r c h t h e s k e l e t o n c h a r a c t e r i s t i c s O g r a n u l a r u l t r a - t h i n a s p h a l t c o n c r e t e ，t h e i n f l u e n c e s o f c o a r s e a g g r e g a t e c o mp o s i t i o n o n t h e c o mp a c t i o n a n d f r a me s t r e n g t h we r e a n a l y z e d u s i n g g r a d u a l l y f i l l i n g t e s t b a s e d o n t h e i n d i c a t o r s o f v o i d s i n c o a r s e a g g r e g a t e s( VCA)，Ca l i f o r n i a b e a r i n g r a t i o( CB R)a n d ma x i mu m p e n e t r a t i o n l o a d ( M P I ) Th e a p p l i c a b i l i t y o f u s i n g CBR a n d M P L t o e v a l u a t e t h e f r a me s t r e n g t h o f t h e a g g r e g a t e s wa s d i s c u s s e d Th r o u g h u n i f o r m d e s i g n me t h o d a n d g r e y c o r r e l a t i o n e n t r o p y ，t h e k e y s c r e e n o p e n i n g s we r e d e t e r mi n e d Th e n t h e r a n g e s o f c o a r s e a g g r e g a t e s c o n t e n t we r e r e c o mme n d e d a s we l 1 Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e MPL c a n we l 1 r e f l e c t t h e r e s i s t a n c e o f t h e a g g r e g a t e s t o t h e e x t e r n a l l o a d Th e VCA a n d MPL a r e g r e a t l y i n f l u e n c e d b y t h e c o n t e n t o f a g g r e g a t e s a b o v e t h e 2 3 6 mm a n d 1 1 8 r n r n s i e v e s Th e r e c o mme n d e d c o n t e n t s o f t h e t h r e e c o a r s e a g g r e g a t e s a r e 8 3 一 1 6 3 ，7 8 6 8 2 6 a n d 5 1 一9 1 r e s p e c t i v e l y Ke y wo r d s r o a d e n g i n e e r i n g，g r a n u l a r u l t r a - t h i n a s p h a l t c o n c r e t e ，g r a d u a l l y f i l l i n g t e s t ，mi x t u r e u n i f o r m d e s i g n ，g r e y c o r r e l a t i o n e n t r o p y ，ma x i mu m p e n e t r a t i o n 1 o a d 0 引言 砂粒式超薄沥青混凝土是厚度为 1 5 2 0 mm、 最大公称 粒径仅为 4 7 5 mm的超薄沥青t 昆 凝土面层 ， 主要用于高等级 沥青或水泥路面的预防性养护及轻微病害的矫正性养护， 也 可作为新建路面 的磨耗层。砂粒式超 薄沥青混凝土 除具有 普通超薄沥青混凝 土的优势外 ， 还能显著减小 面层厚度 ， 尤 其适用于对标高和结构 自重有严格 限制的工程。此外 ， 它能 有效利用道路建设 中产生的废 旧石料 节约资源口 。美 国 NC AT( Na t i o n a l C e n t e r f o r As p h a l t Te c h n o l o g y ) 研究报告中 对砂粒式超薄沥青混凝土提 出了较宽泛的级配范 围E 。 。国 内采用不同粗细集料的分界筛孔对砂粒式超薄沥青混凝土 的级配进行了探讨_ 5 。然而， 砂粒式超薄沥青混凝土具有 粒径小的特点， 在级配设计中粗集料颗粒间嵌挤力的大小及 密实程度是级配设计的关键 因素。此外 ， 对于粗集料这一松 散材料 ， 目前主要通过粗集料间隙率来判断其骨架状态， 然 而粗集料间隙率主要是体现集料密实性 的指标 ， 集料颗粒间 的稳定性主要由集料抵抗外界荷载的能力即骨架强度决定 ， 而如何评价干混集料骨架强度 目前还没有明确的方法。 本研究采用逐级填充试验 ， 以 VC A、 C B R和 MP L为指 标分析 了粗集料组合方式对砂粒式超 薄沥青混凝土骨架 性 能的影响， 探讨了集料骨架稳定性 的评价方法 ， 结合均匀设 *“ 十二 五” 国家科技支撑计 划( 2 0 t l B AE 2 7 B 0 4 ) 祝斯 月： 女 ， 1 9 8 7年生 ， 博士生 ， 主要 研究方 向为路 面材料E ma i l ： z h u s i y u e c h d g ma i l c o m 砂粒式超薄沥青混凝土粗集料骨架特性 祝斯月等 1 3 5 渐减小， 这是因为粗集料形成的空隙逐 渐被填充 。当 S 2 集 料的含量达到 6 O 时 VC A最小 ， 为 3 4 3 ， 之后随着 S 集 料含量的继续增加 ， 由于 S 集料的干涉作用凸显， VC A反而 增大 。随着 S 集料含量的逐渐增加 C B R值呈波动性先增大 后减小， 与 V C A的变化规律并不完全一致 ， 即当 V C A最小 时， C B R值并未达到最大。集料间空隙率并非决定矿料稳定 性的唯一 因素 ， 矿料间的接触点才是真正的受力主体口 。因 此， 在级配组成设计 时应综合考 虑 V C A和 C B R 的变 化规 律， 即应使集料在形成稳定骨架结构 的同时， 还具有一定的 密实度， 单纯意义上的最大密实度 或骨架强度没有 实际价 值。 从图 3还 可 以看 出， 当 S 集 料 的含量 为 8 O 、 8 5 、 9 0 时， 三者间的 V C A相差不大， C B R值较大且 比较接近。 这说明 S 1 与 S 2 集料在这 3 种组合时 ， 干混集料兼具较好的 骨架强度与骨架密实度 。 图 3 V C A与 C B R试验结果 Fi g 3 T e s t r e s u l t s o f VCA a n d CB R 2 1 2 单轴 贯入 试验 前面已通过 C B R试验确定 了 S 与 S 2 集料之间 3种较 好 的组合。为了进一步区分这 3 种组合 的优劣 以获得最优 的方案 ， 对以上 3 种组合进行单轴贯入试验。单轴贯入试验 中矿料 内部受力与沥青路面所受剪应力中的嵌锁力相似 ， 能 很好地模拟矿料 的实 际受力状况。对于松散材料这一 不稳 定体 ， 其骨架破坏时贯人深度与集料间堆躲作用的大小关系 密切 ， 即不同集料组合其骨架破坏 时的贯入深度不尽相 同。 单轴贯入试验具有能实时反映集料 问贯入荷载与贯人 深度 之间变化规律的优势 ， 且试验精度较高。3 组集料组合的贯 入曲线( L o a d p e n e t r a t i o n c u r v e ， L P C ) 如图 4所示。 从单轴贯人试验结果 可以看 出， 随着贯入深度的增加， 贯入荷载先急剧增大 ， 达到一个峰值即最大贯入荷载， 然后 经历一个屈服阶段后便迅速下降。这是 因为砂 粒式超 薄沥 青混凝土的粗骨料之间存在一个堆垛强度 ， 超过最大贯人荷 载后粗集料 间的堆垛 结构被破坏 ， 表现为贯 人荷载急剧下 降 。因此， 最大贯入荷载可以反映集料间抵抗外力作用的大 小 ， 即集料间的骨架强度。随后， 由于粗集料 间的堆垛作用 已被破坏， 贯入深度继续增加时贯人荷载主要表现为容器 的 约束作用， 与矿料级配稳定性关系不大。 从图 4 可 以看 出， 3组试验的最大贯入荷载出现的深度 明显不同， 这正好说明采用同一贯入深度下的贯人荷载来评 价集料问的骨架强度是不准确的。因此采用 C B R值来衡量 砂粒式超薄沥青混凝土的骨架强度具有一定的局限性 。对 比图 4 ( a ) 一( c ) 可 以看出， 当次级集料 S 的含量为 8 5 时， 贯入荷载的峰值为 2 5 0 N， 为 3 种组合中最大。因此 ， 根据一 级逐级填充试验确定初级集料 S 与次级集料 S 2 集料之间的 最佳比例为 1 5： 8 5 ( i e 为 S l ) 。 表 2 二级逐级填充试验结果 Ta b l e 2 Te s t r e s u l t s o f s e c o n d - s t a g e g r a d u a l l y f i l l i n g t e s t s 3 0 0 250 z 2 0 0 l辞 挺1 5 0 雠 1 0 0 5 0 0 3 0 0 250 毫 2 0 0 挺1 5 O E( ) 。结果表明， 振实 VC A与 2 3 6 mm筛孔上集 料含量相关度最大 ， 1 1 8 r n m其次 ， 4 7 5 mm最小。各筛孔 集料含量与最大贯入荷 载的灰熵关联 度依次为 ： E( 3 2 ) 一 0 9 8 5 ， E( x 2 ) 一O 9 9 4 ， E( x 3 ) ：O 9 8 4 ， 其中 4 7 5 ml T l 与 1 1 8 mm筛孔上集料含量与最大贯入荷载的灰熵关联度相差不 大 ， 表示该两档集料对砂粒式超薄沥青混凝土骨架强度的影 响相当。2 3 6 mm筛孔上集料含量与最大贯人荷载的灰熵 关联度最大， 是影响骨架强度的主要因素。 越 斗 K 壤 4 ， 5mm 2 j 6 mi l l 1 18mm 图 5 各筛孑 L 集料含量与 V C A的灰熵关联度 Fi g 5 GE C b e t we e n VCA a n d a g g r e g a t e c o n t e n t 综合分析可知， 2 3 6 mm筛孔上集料含量是影响砂粒式 超薄沥青混凝土骨架密实性与骨架稳定性的主要因素 ， 1 1 8 mm集料含量也对砂粒式超薄沥青混凝土骨架密实性有重要 影响， 且为粗 细集料 的分 界筛孔。因此 ， 确定 2 3 6 mm 和 砂粒式超薄沥青混凝土粗集料骨架特性 祝斯月等 1 3 7 1 1 8 mm筛孔为砂粒式超薄沥青混凝土 的关键筛孔 。结合 均匀试验结果 ， 关键筛孔上下浮动 2 ， 非关键筛孔上下浮动 4 ， 得到砂粒式超薄沥青混凝土粗集料各粒径含量范围如 表 4所示 。 表 4 三档粗集料含量的推荐范围 Ta b l e 4 Th e r e c o mme n d e d c o n t e n t s o f t h e t h r e e c o a r s e a g g r e g a t e s 誉 埋 图 6 各筛孔集料含量与最大贯入荷载的灰熵关联度 F i g 6 GE C b e t we e n M P L a n d a g g r e g a t e c o n t e n t 3 结论 ( 1 ) 单轴贯入试验时集料 内部受力与沥青路面所受剪应 力中的嵌锁力相似， 所得到的最大贯入荷载能准确反映集料 间抵抗外力作用的大小， 建议采用最大贯入荷载作为砂粒式 超薄沥青混凝土骨架强度的评价指标 。( 2 ) 2 3 6 mm与 1 1 8 mm筛孔上集料含量 与振实粗集料 间隙率和最大贯入荷 载 之间的相关度大 ， 是影响砂粒式超薄沥青混凝土骨架特性的 主要因素， 建议采用 2 3 6 mm、 1 1 8 mm筛孔作 为砂粒式超 薄沥青混凝土粗集料的控制筛孔 。( 3 ) 砂粒式超薄沥青混凝 土各粒径粗 集料含量 推荐 范围为 S ： 8 3 1 6 3 ； S ： 7 8 6 8 2 6 ； S ： 5 1 9 1 。 1 2 3 4 参考文献 F a r h a n a Ra h ma n ，M u s t a q u e Ho s s a i n，S t e f a n A Ro ma n o s c h i I n v e s t i g a t i o n o f 4 7 5 mr n n o m i n a l ma x i m u m a g g r e g a t e s i z e s u p e r p a v e mi x i n Ka n s a s R Ka n s a n s ：Ka n s a n s De p a r t me n t o f Tr a n s D o r t a t i o n， 2 0 1 1 L i Fu p u，S h e n J i na n S t u d y a n d a p p l i c a t i o n o f a s p h a l t p a v e me n t o f t h i n l a y e r s s ma l l s t o n e S MA J J Hi g h w a y Tr a n s p o r t a t i 0 n Re s De v e l o p me n t ， 2 0 0 4， 2 1( 1 2 ) ： 5( i n Ch i n e s e ) 李福普 ， 沈金安 薄层小粒径 S MA路面的研究与应用 J 公路交通科技， 2 0 0 4 ， 2 1 ( 1 2 ) ： 5 Xi e Ho n g b i n，Co o l e y L Al l e n ，Mi c h a e l H Hu n e r J r 4 7 5 mi t t NMAS s t o n e ma t r i x a s p h a l t ( S MA)mi x t u r e s - R Al a b a ma ：Na t i o n a l Ce n t e r f o r As p h a l t Te c h n o l o g y ， 2 0 0 3 Ra n d y C W e s t ， Mi e h a e l A He i t z ma n，Da v i d M Ra u s c h Gr a n t J u l i a n L a b o r a t o r y r e f i n e me n t a n d f i e l d Va l i d a t i o n o f 4 7 5 mm s u p e r p a v e d e s i g n a s p h a l t mi x t u r e R Al a b a ma ： Na t i o n a l Ce n t e r f o r As p h a l t Te c h n o l o g y， 2 0 1 1 5 Wa n g Xi a o f e n g Th e a g g r e g a t e s c o mp o s i t i o n o f f i n e g r a i n e d S MA J Hi g h w a y ， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 1 1 1 ( i n C h i n e s e ) 王笑风 细粒式 S MA - 5级配组成设计研究 J 公路 ， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 1 1 1 6 W u Ku a n g h u a i ，e t a 1 De s i g n o f S M A- 5 a s p h a l t mi x t u r e f o r t h i n o v e r l a y s J J S o u t h C h i n a Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ： Na t u r a l S c i e n c e E d i t o n ， 2 0 0 6， 3 4 ( 4 ) ： 4 3 ( i n Ch i n e s e ) 吴旷怀， 等 美国超薄罩面层 S MA- 5 沥青混合料的设计口 华南理工大学学报： 自然科学版， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 4 ) ： 4 3 7 Li Zu z h o n g Re s e a r c h o n ma t e r i a l o f s t r e s s - a b s o r b i n g l a y e r a s p h a l t mi x t u r e a n d a n t i c r a c k i n g p e r f o r ma n c e D Xi a n ： Ch a n g a n Un i v e r s i t y ， 2 0 0 9 ( i n Ch i n e s e ) 李祖仲 应力吸收层沥青 昆合老组成设计及抗裂性能研究 D 西安 ： 长安大学， 2 0 0 9 8 Fu Qi l i n Re s e a r c h o n t h e c o mp o s i t i o n d e s i g n p a r a me t e r s a n d me t h o d o f o p e n - g r a d e d l a r g e s t o n e a s p h a l t mi x e s D Xi a n ： Ch a n g a n Un i v e r s i t y ， 2 0 1 1 ( i n Ch i n e s e ) 付其林 开级配大粒径沥青碎石组成设计参数与方法研究 D 西安： 长安大学， 2 0 1 1 9 W mi a m R Va v r i k，e t a 1 Th e b a i l e y me t h o d o f g r a d a t i o n e v a l u a t i o n：Th e i n f l u e n c e o f a g g r e g a t e g r a d a t i o n a n d p a c k i n g c h a r a c t e r i s t i c s o n v o i d s i n t h e mi n e r a l a g g r e g a t e E J J As s o c i a t i o n As p h a l t P a v i n g Te c h n o l o g i s t ， 2 0 0 1 ， 7 0： 1 3 2 1 0 Cr a i g Ma s o n An e v a l u a t i o n o f t h e b a i l e y me t h o d t o p r e d i c t v o i d s i n t h e mi n e r a l a g g r e g a t e D We s t Vi r g i n i a ：We s t Vi r g i n i a Un i v e r s i t y， 2 0 0 6 1 1 C h e n Z h o n g d a ，Yu a n Wa n j i e ，Ga o C h u n h a i R e s e a r c h o n d e s i g n me t h o d o f mu l t i l e v e l d e n s e b u i l t - i n g r a d a t i o n J C h i n a J Hi g h wa y Tr a n s p o r t ， 2 0 0 6 ， 1 9 ( 1 ) ： 3 2 ( i n Ch i n e s e ) 陈忠达， 袁万杰 ， 高春海 多级嵌挤密实级配设计方法研究 J 中国公路学报， 2 0 0 6 ， 1 9 ( 1 ) ： 3 2 1 2 Z h a o Yo n g l i Co mp o s i t i o n me c h a n i s m o f a s p h a l t mi x t u r e s D Na n j i n g ： S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ， 2 0 0 5 ( i n C h i n e s e ) 赵永利 沥青混合料的结构组成机理研究 D 南京 ： 东南大 学 ， 2 0 0 5 1 3 F a n g Ka i t a i Un i f o r m d e s i g n a n d i t s a p p l i c a t i o n J Ap p l S t a t i s t i c s Ma n a g e me n t ， 1 9 9 4 ， 1 3 ( 1 ) ： 5 7 ( i n Ch i n e s e ) 方开泰 均匀设计及其应用 J 数理统计与管理 ， 1 9 9 4 ， 1 3 ( 1 ) ： 5 7 1 4 I i u Z h o n g g e n ，Z h a n g D e n g l i a n g ，L i S h i j i e ，e t a 1 Un i f o r m d e s i g n f o r a g g r e g a t e g r a d a t i o n o f S MA J J C h a n g a n Un i v e r s i t y： Na t u r a l S c i e n c e Ed i t i o n ， 2 0 0 3， 2 3 ( 1 ) ： 1 ( i n Ch i n e s e ) 刘忠跟， 张登良， 李世杰 ， 等 均匀设计在 S MA骨料级配设 计中的应用 J 长安大学学报： 自然科学版， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 1 ) ： 1 1 5 Z h a n g Qi s h a n ， Gu o X i j i a n g ， D e n g J u l o n g Gr e y r e l a t i o n e n t r o p y me t h o d o f g r e y r e l a t i o n a n a l y s i s J S y s t e ms E n g Th e o r y Pr a c t i c e ， 1 9 9 6 ( 8 ) ： 7 ( i n Ch i n e s e ) 张岐山， 郭喜江， 邓聚龙 灰关联熵分析方法 J 系统工程理 论与实践， 1 9 9 6 ( 8 ) ： 7 ( 责任编辑余波)