摘 要

為了合理確定攪拌設(shè)備振動(dòng)篩篩孔，基于Superpave級(jí)配設(shè)計(jì)理論和Bailey級(jí)配理論，分析了瀝青混合料中粗細(xì)集料的比例與骨架嵌擠結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系、細(xì)集料含量對(duì)混合料抗永久變形能力和壓實(shí)難易程度的影響、半篩孔材料通過(guò)率對(duì)粗集料骨架結(jié)構(gòu)和施工特性的影響及最大粒徑篩孔對(duì)剔除超限料的作用等，得出篩孔的選擇原則；以AC-16型瀝青混合料為例，進(jìn)行了攪拌設(shè)備篩孔選擇與生產(chǎn)級(jí)配控制試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，目標(biāo)級(jí)配和生產(chǎn)級(jí)配偏差可控制在±１％以內(nèi)。

關(guān)鍵詞

瀝青混合料；攪拌設(shè)備；振動(dòng)篩；級(jí)配控制

間歇式瀝青混合料攪拌設(shè)備中，振動(dòng)篩作為核心設(shè)備［1-2］，其生產(chǎn)量和生產(chǎn)質(zhì)量對(duì)混合料路用性能有著極其重要的影響。振動(dòng)篩的篩孔大小決定了熱料倉(cāng)中的材料規(guī)格，篩孔尺寸的設(shè)置是否合理對(duì)混合料的級(jí)配組成以及生產(chǎn)穩(wěn)定性都有直接影響［3-5］。許多實(shí)體工程通常依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或參考以往類似工程選擇各種類型混合料的控制用標(biāo)準(zhǔn)篩孔，并以此為基礎(chǔ)，根據(jù)一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定攪拌設(shè)備振動(dòng)篩的篩孔尺寸［6］。sivilevicius   Ｈ研究了間歇式攪拌設(shè)備熱料倉(cāng)的材料變化情況［7-8］；Mphanty   MK等研究了振動(dòng)篩的篩分特性［9］；李學(xué)春等研究了振動(dòng)篩與級(jí)配精度之間的關(guān)系［10］；孟彩茹主要研究了試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)篩孔與設(shè)備使用篩孔之間的關(guān)系等［11］。然而，目前尚缺乏基于混合料特性的振動(dòng)篩篩孔選擇的理論分析以及在理論指導(dǎo)下的混合料篩孔的確定技術(shù)。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，從設(shè)備和材料之間的相互作用關(guān)系出發(fā)，基于級(jí)配設(shè)計(jì)理論及試驗(yàn)研究，對(duì)篩孔選擇原則加以確定。

Superpave瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)理論

Superpave瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)理論采用0.45次方級(jí)配圖，級(jí)配圖上有特征點(diǎn)和范圍要求，通過(guò)設(shè)置“控制點(diǎn)”和“限制區(qū)”控制級(jí)配曲線的范圍，如圖1所示［12-15］?？刂泣c(diǎn)處于最大公稱粒徑、最大粒徑、中細(xì)粒徑（2.36ｍｍ 或4.75ｍｍ）和填料粒徑處。限制區(qū)在中細(xì)粒徑尺寸（4.75 ｍｍ 或2.36ｍｍ）和0.3ｍｍ之間，沿最大密度級(jí)配線形成一個(gè)區(qū)域。通過(guò)限制區(qū)的級(jí)配容易形成“駝峰”級(jí)配，“駝峰”級(jí)配混合料中含有較多的細(xì)集料或砂，較軟弱，抗永久變形能力差，難以壓實(shí)，且由于“駝峰”級(jí)配混合料中含有較多的細(xì)集料，因此礦料間隙率較小，對(duì)瀝青用量敏感，易塑性化。較好的混合料級(jí)配為：細(xì)集料低于限制區(qū)，粗集料位于最大密度線上方；交通量或荷載越大，級(jí)配應(yīng)越靠近粗集料控制點(diǎn)，不推薦遵從最大密實(shí)度線的級(jí)配形式。這種礦料結(jié)構(gòu)有著明顯的優(yōu)點(diǎn)：粗集料易于形成骨架結(jié)構(gòu)，間隙率大，瀝青飽和度高，耐久性強(qiáng)［16］。只有在嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量的情況下，尤其是細(xì)集料棱角性很好，且不會(huì)出現(xiàn)“駝峰”時(shí)，級(jí)配才可不避開限制區(qū)。

Bailey級(jí)配多級(jí)嵌擠理論

Bailey級(jí)配設(shè)計(jì)法提出了多級(jí)嵌擠理論，該理論給出了級(jí)配控制的關(guān)鍵篩孔和重要篩孔。Bailey通過(guò)劃分粗集料和細(xì)集料及設(shè)定貝雷參數(shù)推薦取值范圍，闡述了級(jí)配和混合料特性之間的關(guān)系［17］。

(1)粗、細(xì)集料的劃分。集料中的大顆粒為粗集料，填充粗集料空隙的小顆粒為細(xì)集料，一般將分界篩孔定為4.75ｍｍ或2.36ｍｍ。貝雷法中的粗、細(xì)集料分界由最大公稱粒徑確定，其數(shù)學(xué)模型是等直徑平面圓，如圖2所示。

該模型表明，顆粒之間的空隙大小取決于顆粒的尺寸、形狀及組成形式。當(dāng)有3個(gè)圓弧接觸面時(shí)，顆?？障堕g內(nèi)切圓的直徑為0.15Ｄ（Ｄ 為顆粒粒徑尺寸）；當(dāng)有2個(gè)圓弧接觸面和1個(gè)直線接觸面時(shí)，內(nèi)切圓直徑為0.20Ｄ；當(dāng)有2個(gè)直線接觸面和1個(gè)圓弧接觸面時(shí)，內(nèi)切圓直徑為0.24Ｄ；當(dāng)有3個(gè)直線接觸面時(shí)，內(nèi)切圓直徑為0.29Ｄ。由于實(shí)際使用的材料既非全方也非全圓，因此取以上4種情況的平均值0.22Ｄ 作為粗集料與細(xì)集料的分界點(diǎn)，稱為第一控制篩孔，0.22是比例因子。同濟(jì)大學(xué)的林繡賢認(rèn)為比例因子在一定范圍（一般為0.18～0.28）內(nèi)變化對(duì)結(jié)構(gòu)特性并沒(méi)有顯著影響，通過(guò)分析，可取0.25作為比例因子［18］。在工程應(yīng)用中，混合料級(jí)配第一控制篩孔應(yīng)取與計(jì)算值接近的標(biāo)準(zhǔn)篩孔。第一控制篩孔尺寸計(jì)算公式為

(2）Bailey參數(shù)。Bailey級(jí)配設(shè)計(jì)法在粗、細(xì)集料的用量上設(shè)定了限制范圍，細(xì)一級(jí)的材料用量由粗一級(jí)材料的間隙決定，以此類推，形成多級(jí)嵌擠結(jié)構(gòu)。這種級(jí)配的混合料具有較好的高溫抗車轍能力。Bailey設(shè)計(jì)法中的參數(shù)計(jì)算和推薦取值范圍如下。

①粗集料的粗料率。Bailey混合料設(shè)計(jì)方法中，粗、細(xì)集料的分界點(diǎn)為第一控制篩孔，而又將粗集料以0.5Ｄ 為界劃分為粗料和細(xì)料，稱該篩孔為粗集料的結(jié)構(gòu)分界點(diǎn)。該分界點(diǎn)對(duì)粗集料自身結(jié)構(gòu)有重要影響，其特性可用粗集料的粗料率描述，即

②細(xì)集料的粗料率。細(xì)集料也由粗料和細(xì)料組成，分界點(diǎn)篩孔稱為第二控制篩孔，其篩孔尺寸計(jì)算見式（3）。按照同樣的方法可進(jìn)一步計(jì)算第三控制篩孔。

細(xì)集料填充了粗集料嵌擠之后的空隙，更細(xì)的集料填充了細(xì)集料中較粗顆粒相互嵌擠產(chǎn)生的空隙。因此，可用細(xì)集料的粗料率評(píng)價(jià)細(xì)集料中粗顆粒填充特性，即

綜上所述，混合料中粗、細(xì)料的分界點(diǎn)是級(jí)配控制的關(guān)鍵，決定了級(jí)配是否能夠形成嵌擠結(jié)構(gòu)，影響著混合料的高溫抗車轍能力。因此，首先應(yīng)嚴(yán)格控制級(jí)配中第一控制篩孔的通過(guò)率。其次是控制重要篩孔（主要指限制區(qū)篩孔）的通過(guò)率，若級(jí)配中含有較多的細(xì)集料，則混合料的強(qiáng)度主要由瀝青膠砂決定，集料難以形成較強(qiáng)的骨架，混合料會(huì)塑性化，抗永久變形能力降低，且混合料對(duì)瀝青用量的敏感性上升，在施工過(guò)程中難以充分壓實(shí)。第三應(yīng)控制粗集料結(jié)構(gòu)分界點(diǎn)（粗集料中的粗料和細(xì)料的分界點(diǎn)，即半篩孔）的通過(guò)率，粗集料自身結(jié)構(gòu)主要受到半篩孔材料通過(guò)率的影響。細(xì)料比例降低，會(huì)增加對(duì)空隙的填充程度，降低礦料間隙率；細(xì)料比例提高，會(huì)降低填塞料比例，提高干涉料的比例，使空隙率增大，也會(huì)相應(yīng)地增大礦料間空隙率。第四是控制公稱最大粒徑篩孔或最大粒徑篩孔的通過(guò)率，目的就是剔除超限料。由于篩孔尺寸對(duì)混合料質(zhì)量控制十分重要，故對(duì)篩孔的選擇需要遵循一定的原則，基礎(chǔ)控制篩孔目標(biāo)有最大公稱粒徑篩孔（或最大粒徑篩孔）、第一控制篩孔、限制區(qū)篩孔、半篩孔等。需要特別注意的是，在選擇剔除超限料篩孔時(shí)，宜選公稱最大粒徑篩孔，不宜同時(shí)選擇最大公稱粒徑篩孔和最大粒徑篩孔。這是因?yàn)閿嚢柙O(shè)備振動(dòng)篩的篩孔尺寸在標(biāo)準(zhǔn)篩的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)了放大，已換算成為等效篩孔。不同類型混合料的特征篩孔如表1所示。

根據(jù)以上原則確定的標(biāo)準(zhǔn)篩孔尺寸并不能直接用于攪拌設(shè)備振動(dòng)篩，還需要考慮振動(dòng)的篩分效率，因此需要將標(biāo)準(zhǔn)篩孔換算成振動(dòng)篩的等效篩孔。表2為各熱料倉(cāng)中材料推薦規(guī)格與等效篩孔尺寸，其中方案1為最佳方案，應(yīng)為首選。

瀝青混合料的級(jí)配組成和穩(wěn)定性與間歇式攪拌設(shè)備振動(dòng)篩的篩分效率密切相關(guān)，當(dāng)篩孔堵塞時(shí)，篩分效率降低，混合料出現(xiàn)竄倉(cāng)現(xiàn)象。由顆粒堵塞篩孔數(shù)學(xué)模型可知［19］，是否容易堵篩由材料的物理特性、篩孔尺寸、篩網(wǎng)剛度以及振動(dòng)篩的動(dòng)力學(xué)參數(shù)等因素共同決定。臨界堵篩計(jì)算公式為

圖３表明，篩孔越小，堵篩發(fā)生的可能性越大，則需要振動(dòng)篩提供的逃逸能力也越大。當(dāng)篩孔尺寸小于６ｍｍ時(shí)，堵篩會(huì)變得較為嚴(yán)重，這與工程實(shí)際情況相符。某工地３mｍ篩孔的堵塞情況如圖４所示。

由于篩孔大小由混合料類型決定，故對(duì)于具體工程而言，篩孔尺寸難以改變。所以，堵篩問(wèn)題通常通過(guò)調(diào)整振動(dòng)篩動(dòng)力學(xué)參數(shù)來(lái)解決［20-21］，其中最常用的方法是調(diào)整振動(dòng)篩的振幅和振動(dòng)頻率，但對(duì)同一臺(tái)振動(dòng)篩來(lái)說(shuō)，各層篩網(wǎng)都安裝在一個(gè)整體機(jī)箱內(nèi)，為了解決小尺寸篩孔堵篩而調(diào)整整體振動(dòng)參數(shù)顯然不合理；還有一種解決方法是通過(guò)降低篩網(wǎng)剛度ｋ實(shí)現(xiàn)，即選用剛度較小的彈性篩會(huì)更有效，如圖5所示。

某高速公路上面層為AC-16型瀝青混合料，依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG  F40-2004）要求，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)、體積指標(biāo)試驗(yàn)，并經(jīng)過(guò)路用性能檢驗(yàn)確定目標(biāo)級(jí)配，如表３和圖６所示。在生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)階段，首先確定振動(dòng)篩的篩孔尺寸。根據(jù)前文理論分析，AC-16型瀝青混合料的粗細(xì)集料分界篩孔為4.75ｍｍ，限制區(qū)控制篩孔為2.36ｍｍ，半篩孔為9.5ｍｍ，超限料剔除篩孔為19ｍｍ。將以上標(biāo)準(zhǔn)篩孔換算為振動(dòng)篩等效篩孔所對(duì)應(yīng)的尺寸，分別為3.0、5.5、11、21ｍｍ，其中3.0ｍｍ 篩網(wǎng)采用自潔能力較好的波浪型彈性篩網(wǎng)。篩網(wǎng)確定之后進(jìn)行熱料倉(cāng)取樣篩分，結(jié)果如表４所示。由篩分結(jié)果可見，除了2.36ｍｍ 篩孔的通過(guò)率略低于90％以外，其他篩孔的通過(guò)率均大于90％，篩分效率很高，混竄倉(cāng)率很小。該試驗(yàn)結(jié)果表明，以上篩孔十分利于生產(chǎn)級(jí)配的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中的穩(wěn)定性控制。根據(jù)篩分結(jié)果和目標(biāo)級(jí)配，確定4＃ 倉(cāng)、3＃倉(cāng)、2＃ 倉(cāng)集料及砂倉(cāng)、礦粉、水泥的質(zhì)量比為28∶26∶15∶26∶4∶1，礦料合成級(jí)配及級(jí)配曲線如表5和圖7所示。目標(biāo)級(jí)配與生產(chǎn)級(jí)配對(duì)比結(jié)果如表6所示，兩者之間的偏差均在±1％以內(nèi)。

(１)不同粒徑的材料顆粒組成的級(jí)配決定了混合料的結(jié)構(gòu)、性能和施工特性，在生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)合理選擇振動(dòng)篩的篩孔，以滿足混合料的級(jí)配控制和特性要求。

(２)由于攪拌設(shè)備中能夠配置的篩網(wǎng)規(guī)格僅為４～６個(gè)，在選擇篩網(wǎng)時(shí)應(yīng)確定與混合料特性密切相關(guān)的篩孔。混合料的級(jí)配結(jié)構(gòu)中粗集料和細(xì)集料的比例是形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，其分界點(diǎn)尺寸為第一控制篩孔；其次是限制區(qū)篩孔，限制區(qū)篩孔通過(guò)率決定著級(jí)配中細(xì)集料的含量，會(huì)影響混合料的抗永久變形能力和壓實(shí)難易程度；第三是半篩孔，該尺寸篩孔的材料通過(guò)率會(huì)影響粗集料自身結(jié)構(gòu)，對(duì)施工離析和變異性有重要影響；第四是最大粒徑篩孔，目的是剔除超限料。