谢远新

(重庆大学土木工程学院1)　重庆　400044)　(重庆鹏方路面工程技术研究院有限公司2)　重庆　400025)



基于均匀试验的振动成型方式下粗集料间隙率研究*

谢远新1,2)

(重庆大学土木工程学院1)重庆400044)(重庆鹏方路面工程技术研究院有限公司2)重庆400025)

为进一步认识级配变化对粗集料间隙率VCA的影响，采用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16次均匀设计方案.试验结果及回归分析表明，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.通过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是可行的.

道路工程；试验；均匀设计；振动压实；粗集料间隙率

0　引　　言

已有研究成果认为，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[1-5].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[6-9]：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) 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.

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为152 mm，h为12±0.5 mm.

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.

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，对于公称最大粒径不同的粒料而言，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15 s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-13型级配为研究对象，将粗集料分为X1(16～9.5 mm)、X2(9.5～4.75 mm)和X3(4.75～2.36 mm)3个粒级[10-11]，按均匀分散原则设计采用16次(组)均匀设计方案(中心化偏差14.03%)，每组组内进行3次平行试验.均匀设计试验方案见表1.

表1　粗集料(AC-13型)均匀设计试方案

3　试验结果分析

振动压实密度和空隙率及其统计分析结果列于表2.

表2　粗集料均匀设计试验结果统计分析(n=3)

统计分析表明，各组组内3平行试验的数据的离散性可以接受，可以取试验结果的平均值进行后续计算或分析.

各粒级质量百分比与VCA之间存在相关性，回归方程形如VCA=aX2+bX+c，为一元二次多项式.

0.096 7X1+36.6

(1)

0.057 7X2+35.4

(2)

0.100X3+36.4

(3)

回归系数及相关系数列于表3，并如图1所示.

表3　回归方程系数

图1　均匀设计试验结果

X2(9.5～4.75mm)粒级百分比与VCA的相关性差，原因在于均匀设计方案中含有近乎间断级配的5号和(X1+X2)仅有9.7%的15号，这2组级配明显失衡，在一定程度上影响了分析精度，见1d)，e).

X2，X3与VCA的二元二次回归方程为

9.0×10-4X2X3+36.4

(4)

对式(3)和式(4)分别进行显著性检验，见表4.

常数项在VCA中占据绝大部分，且t-stat值是其他项的18～28倍，表明粗集料的VCA值趋于一个常数，可视为是粗集料固有性质(如表明纹理、颗粒形状等)的反映.因此可认为对VCA值起决定作用的是粗集料本身的性质，而级配组成的影响次之.此结论与单因素试验结果一致.同时，X3、X2×X3交互项对VCA值具有显著影响.

对式(4)中的X3求偏导，得到VCAmin对应的X3≈42.5%.

表4　回归方程显著性检验

不考虑交互作用的影响，按式3求得，当X3=40.8%时，VCAmin=34.4%，代入式(4)，解得：X2=29.1%，则X1=100-X2-X3=30.1%.此时，X1∶X2∶X3=30.1∶29.1∶40.8，相对应的VCA亦在最小值范围内，即：X1∶X2=51∶49，(X1+X2)∶X3=59∶41.该组成可视为由均匀设计试验得出的最密实的AC-13粗集料的级配.

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可行.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[Z].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[Z].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]谭忆秋，徐慧宁，AI-Hadidy A I，等.沥青混合料体积参数分布规律[J].吉林大学学报(工学版)，2011,41(2):360-365.

[8]常晓琳，马刚，周伟，等.颗粒形状及粒间摩擦角对堆石体宏观力学行为的影响[J].岩土工程学报，2012，34(4):646-653.

[9]谭忆秋，任俊达，纪伦,等.基于X-ray CT的沥青混合料空隙测试精度影响因素分析[J].哈尔滨工业大学学报，2014,46(6)：65-71

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

[11]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.

Study on the Voids in Coarse Aggregate by Means of Vibration Molding Based on the Uniform Experiment

XIE Yuanxin1,2)

(SchoolofCivilEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)1)(ChongqingPofunPavementEngineeringResearchInstitute,Chongqing400025,China)2)

In order to further understand of the effect of coarse aggregate gradation variation on the clearance rate ofVCA, the vibration compaction method is applied to experimentally investigate the continuous dense gradation of coarse aggregate part with the vibration frequency and time as the test parameters. The experiment adopts 16 times of uniform design scheme. The test results and regression analysis indicate that the size of continuous dense gradation of aggregate voids in mineral aggregate mainly depends on its properties such as the particle size, geometry and surface properties. The effect of gradation variation on the maximum amplitude of void fraction is less than 3% and it cannot cause large variation of the mineral void or asphalt mixture voids by adjusting the gradation. It is proved to be feasible to use the vibration compaction test method to study the rough set material clearance rate.

road engineering; experiment; uniform design; vibrating compaction;VCA

2016-07-02

U414

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.009

谢远新(1980- ):男，博士生，高级工程师，主要研究领域为道路工程结构与材料耐久性

*河北省交通科技项目资助(Y2010023-4)