级配组成对排水性混合料空隙率影响研究.docx

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1、2009 年 9 月JO URNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLO GYSep . 2009DO I :10 . 3963/ j . issn . 167124431 . 2009 . 17 . 018级配组成对排水性混合料空隙率影响研究邢明亮 ,陈拴发 ,陈华鑫 ,王秉纲(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室 ,西安 710064)摘 要 : 空隙率是排水沥青混合料的主要控制指标 ,而矿料级配组成是影响排水性沥青混合料空隙率的首要因素 。该文通过回归计算 ,分析了级配组成中不同筛孔通过率对其空隙率的影响程度次序 ,并结合满足排水性要求所需要的最小 空隙率

2、及混合料的强度 ,推荐出级配范围 。研究表明 :2 . 36 mm 筛孔通过率是影响排水性混合料空隙率和连通空隙率的 关键筛孔 ,在推荐级配范围内 2 . 36 mm 筛孔通过率每增加 1 % ,空隙率将随之减小 1 %左右 ,同时空隙率与连通空隙率之 间存在良好的相关性 。关键词 : 道路工程 ; 排水性沥青混合料 ; 空隙率 ; 筛孔通过率 ; 相关关系中图分类号 : U 416 . 217文献标识码 : A文章编号 :167124431 (2009) 1720062204Research on Inf l uence of Gra dat ion to AirVoid of Porous

3、 Asphalt MixtureX I N G M i n g2l i a n g , C H EN S h u a n2f a , C H EN H u a2x i n , W A N G B i n g2ga n g( Key L aboratory for Special Area Highway Engineering of Minist ry ofEducatio n , Changan U niversity , Xian 710064 ,China)Abstract : Air void is t he co nt rol index of porous asp halt mix

4、t ure. However , gradatio n co mpositio n is t he key factor whichinfluences t he air void in porous asp halt mixt ure. This paper analyzes t he influence degree order of different percentage passing t he sieves to air void by regressio n calculatio n. And reco mmendatory range of gradatio n is p ut

5、 forward based o n satisfied wit h t he need of drainage and intensity of mixt ure. This research discovers t hat t he percentage passing 2 . 36 mm sieve is t he mostimportant to influence t he air void and effective air void in t he mixt ure. The result indicates t hat t he air void would reduce wi

6、t h t he percentage passing 2 . 36 mm sieve increasing. At t he same time , a good relatio nship is discovered to exist bet ween air void and effective air void.Key words : road engineering ; porous asp halt mixt ure ; air void ; percentage passing sieves ; interrelatio nship目前许多发达国家已经将行车安全作为路面设计理念最

7、核心的内容之一 ,特别是通过提高路面的抗滑性能来改善行车安全性 。室内外试验及工程经验表明 ,排水性沥青路面以其优良的表面透水特性成为解决 这一问题的有效措施之一 。在排水性沥青混合料设计中 ,空隙率为主要的控制指标 ,而矿料级配组成则是影响混合料空隙率的首要因素 。近年来 ,国内外学者对空隙率的影响因素进行了较多研究 ,但没有提出影响空 隙率特别是连通空隙率的关键筛孔尺寸 。牛俊明等人通过正交试验分析了级配对排水性沥青混合料空隙率 的影响 ,结果表明 ,粗集料 (4 . 75 mm 以上) 含量对空隙率影响最显著 ,粗集料含量每增加 5 % ,空隙率增加约3 % ;其次是 4 . 75 9

8、. 5 mm 骨料含量 ,最后是沥青用量1 。Mallick 等人的研究则表明 ,当 4 . 75 mm 筛孔通收稿日期 :2009204220 .基金项目 :深圳市建筑工务署科技项目 ( SZC G2006024730) 和浙江省交通厅科技项目 (2007 H16) .作者简介 :邢明亮 (19812) ,女 ,博士. E2mail : xml - 214 163 . co m第 31 卷 第 17 期邢明亮 ,陈拴发 ,陈华鑫 ,等 :级配组成对排水性混合料空隙率影响研究63过率不超过 15 %时 ,混合料能形成“石2石”骨架结构 ,这种骨架结构可以提高混合料的连通空隙率和抗车辙能力 ,但

9、会使得混合料的耐久性衰减较快2 25 。如何选取合适的级配范围配制满足技术要求的排水性混合 料 ,特别是满足混合料中对排水性能起决定性作用的连通空隙率的要求成为目前亟待解决的一个重点问题 。 作者通过对不同级配混合料的室内性能研究 ,分析关键筛孔通过率对混合料空隙率和连通空隙率的影响 ,提 出排水性沥青混合料级配的设计范围 ,为排水性混合料的级配设计提供理论依据 。表 1沥青的技术指标1 试验试验结果测试项目基质沥青高粘改性沥青1 . 1沥青结合料基质沥青为 ESSO270 ,改性剂采用日本大有 株式会社生产的 TPS 。基质沥青与高粘改性沥青技术指标如表 1 所示 。1 . 2集料混合料所采

10、用的粗 、细集料均为辉绿岩 ,矿粉 为石灰岩矿粉 ,其 0 . 075 mm 通过率大于 80 % ,其 物理力学性质如表 2 所示 。软化点/ 针入度/ (0 . 1 mm)延度/ cm 粘韧性/ ( Nm) 韧性/ ( Nm)质量变化/ %49 . 964 . 1 150 (15- 0 . 0686 . 290 . 250 . 344 . 1 (5 )29 . 616 . 9- 0 . 0886 . 730 . 4 (5 )25)TFO T 后残留针入度比/ %残留延度/ cm34 . 3 (15 )表 2 集料的物理性质集料毛体积相对密度表观相对密度吸水率/ %压碎值/ %磨耗值/ %粗

11、集料细集料 矿粉2 . 682 . 732 . 642 . 710 . 60 . 21013筛孔尺寸对空隙率影响分析沥青混合料的级配组成对其力学性能及使用性能具有十分重要的影响 。不同筛孔通过率对排水性沥青 混合料性能有着不同的影响 。排水性沥青混合料中粗集料含量高达 70 %以上 ,在理论上不仅具有足够的颗 粒形成具有较高强度的空间骨架 , 同时又有一定细集料起胶结作用 , 使混合料内部摩阻力和粘结力都较2高6 28。该文在规范推荐级配范围基础上 ,针对最大公称粒径为 13 . 2 mm 的排水混合料进行研究 ,以空隙率和连通空隙率为检测指标 ,分析 9 . 5 mm ,2 . 36 mm

12、,1 . 18 mm ,0 . 075 mm 筛孔通过率P9 . 5 , P2 . 36 , P1 . 18 , P0 . 075以及 4 . 75 mm 与 2 . 36 mm 筛孔的通过率之差所示 。P 对混合料空隙率和连通空隙率的影响 。设计级配如表 3表 3 试验级配方案级配编号各筛孔 ( mm) 的通过率/ %1613 . 29 . 54 . 752 . 361 . 180 . 60 . 30 . 150 . 0751234567891010010010010010010010010010010095959595959595959595606060606767747480808172

13、6353031182722238131823182318231823610141861010618145 . 08 . 411 . 815 . 15 . 48 . 09 . 15 . 814 . 011 . 44 . 06 . 89 . 512 . 34 . 86 . 08 . 35 . 510 . 08 . 83 . 05 . 17 . 39 . 44 . 14 . 07 . 45 . 36 . 06 . 123 . 556 . 53 . 526 . 5523 . 5对每组级配分别在 3 . 5 % ,4 . 1 % ,4 . 7 % ,5 . 3 % ,6 . 0 %5 种油石比下进行混合

14、料的析漏试验 、飞散试验和 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/64武 汉 理 工 大 学 学 报2009 年 9 月马歇尔试验 ,综合确定各个级配的最佳油石比及空隙率 、连通空隙率 ,试验结果各主要筛孔通过率与空隙率的关系曲线如图 1 所示 。由图 1 中曲线变化可以看出 :1) 2 . 36 mm 筛孔通过率对混合料空隙率的影响最为显著 ,其通过率每增加 1 % ,空隙率将减小 1 %左右 。 原因为细集料含量增多时 ,将会填充由粗集料形成的空隙 ,

15、从而使得混合料的空隙率急剧减小 。2) 1 . 18 mm 筛孔通过率的影响其次 。其通过率每增加 2 % ,相应空隙率将下降约 1 % 。3) 9 . 5 mm 筛孔通过率每增加 3 . 5 % ,混合料的空隙率会相应增加约 1 % ,比 2 . 36 mm 和 1 . 18 mm 筛孔 通过率的影响程度更弱 。4) 4 . 75 mm 筛孔通过率与空隙率的关系曲线中出现峰值 ,表明混合料中粗集料的含量不能太多或太 少 ,否则将影响其耐久性和骨架空隙结构的形成 。以空隙率为因变量 , P9 . 5 , P2 . 36 , P1 . 18 , P0 . 075和P 为自变量 ,采用前进筛选法进

16、行回归分析 ,得到空隙率 n 0 与各影响因素之间的回归方程如下 ,相关系数如表 4 所示 。n0 = 32 . 83 - 0 . 769 3 P2 . 36 ( R 2 = 0 . 781 2)n0 = 34 . 865 - 0 . 635 P2 . 36 - 0 . 403 P1 . 18 ( R 2 = 0 . 944 3)n0 = 29 . 001 + 0 . 107 7 P9. 5 - 0 . 714 P2 . 36 - 0 . 405 P1 . 18 ( R 2 = 0 . 978 5)n 0 = 27 . 601 + 0 . 126 P9. 5 - 0 . 758 P2 . 36

17、 - 0 . 411 P1 . 18 + 0 . 261 P0 . 075 ( R 2 = 0 . 987)( 1)( 2) ( 3)( 4)0 . 076 6 P( R 2n0 = 29 . 45 + 0 . 091 5 P9 . 5 - 0 . 704 P2 . 36 -0 . 405 P1 . 18 + 0 . 220 3 P0. 075 -= 0 . 989 8)( 5)从表 4 中可以看出 ,以空隙率为因变量时 ,依次进入回归方程的参数为 : P2 . 36 ,P1 . 18 , P9 . 5 , P0 . 075 和 P。在考察的几个自变量中 ,2 . 36 mm 筛孔的通过率与空

18、隙率 的相关系数为 0 . 781 2 ,远远大于其它几个 自变量 ,说明 2 . 36 mm 筛孔通过率是影响 混合料空隙率大小的关键因素 ,与前面的 图表定性分析相吻合 。同样的方法得到表 4 筛选变量法逐步回归系数 (因变量为空隙率)联合变量与空隙率 n0 之间的相关系数考虑因素选出参数 P9 . 5 P2 . 36 P1 . 18 P0 . 075 P第 1 步第 2 步 第 3 步 第 4 步 第 5 步0 . 052 50 . 813 70 . 978 50 . 781 20 . 479 60 . 944 30 . 095 40 . 781 20 . 945 10 . 987 00

19、 . 256 70 . 823 20 . 978 10 . 984 10 . 989 8P2 . 36P1 . 18P9 . 5P0 . 075PP2 . 36与连通空隙率的相关系数为 0 . 842 6 ,也是影响混合料连通空隙率大小的关键因素 。因此在进行级配设计时 ,应严格控制 2 . 36 mm 筛孔的通过率 ,通过调整 P2 . 36使之满足空隙率的要求 。3 合理空隙率范围的确定根据排水性沥青混合料空隙率与各主要筛孔之间的回归公式 ,可以计算目标空隙率对应的混合料级配表 5推荐的排水性沥青混合料级配范围各筛孔 ( mm) 的通过质量百分率/ %1613 . 29 . 54 . 75

20、2 . 361 . 180 . 60 . 30 . 150 . 075空隙率 18 %空隙率 25 %推荐范围10090 1004 103 103 868 . 862 . 162 7024 . 812 . 612 2619 . 310 . 210 2011 . 58 . 48 124 . 12 . 52 5 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.http:/第 31 卷 第 17 期邢明亮 ,陈拴发 ,陈华鑫 ,等 :级配组成对排水性混合料空隙率影响研究65范围 。例如

21、将目标空隙率定为 18 % 25 % ,根据该目标空隙率及回归方程可以依次确定各主要筛孔的通过率 ,然后通过内插法得到其余筛孔的通过率 , 进而得到整个级配的控制范围 。表 5 中为最大公称粒径为13 . 2 mm时计算推荐的排水性沥青混合料级配范围 。 对试验过程中得到的空隙率与连通空隙率进行回归 ,如图 2 所示 。从图 2 中可以看出连通空隙率与空隙率之间存在较好的相关性 ,其线性回归方程为 :n 1 = 0 . 988 1 n 0 - 5 . 184 ( R 2 = 0 . 953)式中 , n 1 为连通空隙率 , % ; R 为连通空隙率与空隙率的相关系数 。 由式 (6) 可知

22、:当 n0 = 18 时 , n1 = 12 . 8 ;当 n 0 = 25 时 , n1 = 19 . 8 。 结合回归方程 ( 6) 的计算结果知 ,当目标空隙率确定为 18 % 25 %时 ,连通空隙率的范围大致为 13 % 20 % ,能够满足不同降雨时路面排水的需 要 。当目标空隙率为 20 %时 ,连通空隙率相应在14 . 5 %左右 。由于连通空隙率与空隙率之间存在较好的相关性 ,因而实际工程中多以控制空隙率为主要目标 ,当空隙率达到目标设计 值时 ,相应的连通空隙率也能满足排水要求 。( 6)结论4a . 不同筛孔通过率对空隙率影响程度不同 。在研究的几个因素中 ,2 . 36

23、 mm 筛孔通过率是影响空隙率和连通空隙率大小的关键筛孔 ,对混合料空隙率大小起决定性作用 ;b. 2 . 36 mm 筛孔通过率每增加 1 % ,空隙率将减小 1 %左右 ,在试验范围内 ,二者接近反比例关系 。在混 合料的级配设计过程中 ,应根据目标空隙率的要求 ,调整 2 . 36 mm 筛孔通过率 ,以得到满足要求的级配 ;c. 空隙率与连通空隙率之间存在良好的相关性 ,相关系数 R 2 为 0 . 953 ,为方便起见 ,在实际应用中多以 空隙率为混合料设计的控制指标 。参考文献12牛俊明 , 赵平均 , 许永明 . 排水性沥青混合料抗滑层设计方法研究 J . 西安公路交通大学学报

24、,1997 (1) :12216 .Alvarez A E , Martin A E , Estakhri C K , et al . Synt hesis of Current Practice o n t he Design , Co nst ructio n , and Maintenance244 .of Porous Frictio n CoursesJ . F HWA : s. n. ,2006 :413Mallick R B , Kandhal P S , Cooley L A , et al . Design , Co nst ructio n and Performance

25、of New Generatio n Open2graded Frictio nCourse J . Journal of t he Associatio n of As p halt Paving Technologist , 2000 (69) :3912423 .陈华鑫 , 邢明亮 , 陈拴发 . 排水沥青混合料设计方法综述 J . 公路 , 2008 (10) :1522156 .45678邢明亮 . 透水性沥青混合料组成设计及性能研究 D .西安 :长安大学 , 2007 .何昌轩 . 沥青混合料骨架结构抗剪强度特性的试验研究 J . 交通运输工程与信息学报 ,2007 (4) :84288 .赵永利 . 沥青混合料的结构组成机理研究 D . 南京 :东南大学 , 2005 .丛卓红 , 郑南翔 . 沥青混合料级配优化设计 J . 长安大学学报 , 2007 (3) :15219 . 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/