摘 要

為了合理確定攪拌設(shè)備振動篩篩孔，基于Superpave級配設(shè)計理論和Bailey級配理論，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)集料含量對混合料抗永久變形能力和壓實難易程度的影響、半篩孔材料通過率對粗集料骨架結(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)級配控制試驗研究，結(jié)果表明，目標(biāo)級配和生產(chǎn)級配偏差可控制在±１％以內(nèi)。

關(guān)鍵詞

瀝青混合料；攪拌設(shè)備；振動篩；級配控制

間歇式瀝青混合料攪拌設(shè)備中，振動篩作為核心設(shè)備［1-2］，其生產(chǎn)量和生產(chǎn)質(zhì)量對混合料路用性能有著極其重要的影響。振動篩的篩孔大小決定了熱料倉中的材料規(guī)格，篩孔尺寸的設(shè)置是否合理對混合料的級配組成以及生產(chǎn)穩(wěn)定性都有直接影響［3-5］。許多實體工程通常依據(jù)經(jīng)驗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)一定的對應(yīng)關(guān)系確定攪拌設(shè)備振動篩的篩孔尺寸［6］。sivilevicius   Ｈ研究了間歇式攪拌設(shè)備熱料倉的材料變化情況［7-8］；Mphanty   MK等研究了振動篩的篩分特性［9］；李學(xué)春等研究了振動篩與級配精度之間的關(guān)系［10］；孟彩茹主要研究了試驗室標(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)，基于級配設(shè)計理論及試驗研究，對篩孔選擇原則加以確定。

Superpave瀝青混合料級配設(shè)計理論

Superpave瀝青混合料級配設(shè)計理論采用0.45次方級配圖，級配圖上有特征點和范圍要求，通過設(shè)置“控制點”和“限制區(qū)”控制級配曲線的范圍，如圖1所示［12-15］?？刂泣c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，沿最大密度級配線形成一個區(qū)域。通過限制區(qū)的級配容易形成“駝峰”級配，“駝峰”級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，且由于“駝峰”級配混合料中含有較多的細(xì)集料，因此礦料間隙率較小，對瀝青用量敏感，易塑性化。較好的混合料級配為：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，級配應(yīng)越靠近粗集料控制點，不推薦遵從最大密實度線的級配形式。這種礦料結(jié)構(gòu)有著明顯的優(yōu)點：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，且不會出現(xiàn)“駝峰”時，級配才可不避開限制區(qū)。

Bailey級配多級嵌擠理論

Bailey級配設(shè)計法提出了多級嵌擠理論，該理論給出了級配控制的關(guān)鍵篩孔和重要篩孔。Bailey通過劃分粗集料和細(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個圓弧接觸面時，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個圓弧接觸面和1個直線接觸面時，內(nèi)切圓直徑為0.20Ｄ；當(dāng)有2個直線接觸面和1個圓弧接觸面時，內(nèi)切圓直徑為0.24Ｄ；當(dāng)有3個直線接觸面時，內(nèi)切圓直徑為0.29Ｄ。由于實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，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)變化對結(jié)構(gòu)特性并沒有顯著影響，通過分析，可取0.25作為比例因子［18］。在工程應(yīng)用中，混合料級配第一控制篩孔應(yīng)取與計算值接近的標(biāo)準(zhǔn)篩孔。第一控制篩孔尺寸計算公式為

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

①粗集料的粗料率。Bailey混合料設(shè)計方法中，粗、細(xì)集料的分界點為第一控制篩孔，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。該分界點對粗集料自身結(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，分界點篩孔稱為第二控制篩孔，其篩孔尺寸計算見式（3）。按照同樣的方法可進(jìn)一步計算第三控制篩孔。

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)集料的粗料率評價細(xì)集料中粗顆粒填充特性，即

綜上所述，混合料中粗、細(xì)料的分界點是級配控制的關(guān)鍵，決定了級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)格控制級配中第一控制篩孔的通過率。其次是控制重要篩孔（主要指限制區(qū)篩孔）的通過率，若級配中含有較多的細(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，混合料會塑性化，抗永久變形能力降低，且混合料對瀝青用量的敏感性上升，在施工過程中難以充分壓實。第三應(yīng)控制粗集料結(jié)構(gòu)分界點（粗集料中的粗料和細(xì)料的分界點，即半篩孔）的通過率，粗集料自身結(jié)構(gòu)主要受到半篩孔材料通過率的影響。細(xì)料比例降低，會增加對空隙的填充程度，降低礦料間隙率；細(xì)料比例提高，會降低填塞料比例，提高干涉料的比例，使空隙率增大，也會相應(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率，目的就是剔除超限料。由于篩孔尺寸對混合料質(zhì)量控制十分重要，故對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，宜選公稱最大粒徑篩孔，不宜同時選擇最大公稱粒徑篩孔和最大粒徑篩孔。這是因為攪拌設(shè)備振動篩的篩孔尺寸在標(biāo)準(zhǔn)篩的基礎(chǔ)上經(jīng)過了放大，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)備振動篩，還需要考慮振動的篩分效率，因此需要將標(biāo)準(zhǔn)篩孔換算成振動篩的等效篩孔。表2為各熱料倉中材料推薦規(guī)格與等效篩孔尺寸，其中方案1為最佳方案，應(yīng)為首選。

瀝青混合料的級配組成和穩(wěn)定性與間歇式攪拌設(shè)備振動篩的篩分效率密切相關(guān)，當(dāng)篩孔堵塞時，篩分效率降低，混合料出現(xiàn)竄倉現(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)剛度以及振動篩的動力學(xué)參數(shù)等因素共同決定。臨界堵篩計算公式為

圖３表明，篩孔越小，堵篩發(fā)生的可能性越大，則需要振動篩提供的逃逸能力也越大。當(dāng)篩孔尺寸小于６ｍｍ時，堵篩會變得較為嚴(yán)重，這與工程實際情況相符。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，故對于具體工程而言，篩孔尺寸難以改變。所以，堵篩問題通常通過調(diào)整振動篩動力學(xué)參數(shù)來解決［20-21］，其中最常用的方法是調(diào)整振動篩的振幅和振動頻率，但對同一臺振動篩來說，各層篩網(wǎng)都安裝在一個整體機(jī)箱內(nèi)，為了解決小尺寸篩孔堵篩而調(diào)整整體振動參數(shù)顯然不合理；還有一種解決方法是通過降低篩網(wǎng)剛度ｋ實現(xiàn)，即選用剛度較小的彈性篩會更有效，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，通過馬歇爾試驗、體積指標(biāo)試驗，并經(jīng)過路用性能檢驗確定目標(biāo)級配，如表３和圖６所示。在生產(chǎn)配合比設(shè)計階段，首先確定振動篩的篩孔尺寸。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)篩孔換算為振動篩等效篩孔所對應(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 篩孔的通過率略低于90％以外，其他篩孔的通過率均大于90％，篩分效率很高，混竄倉率很小。該試驗結(jié)果表明，以上篩孔十分利于生產(chǎn)級配的精準(zhǔn)設(shè)計和施工過程中的穩(wěn)定性控制。根據(jù)篩分結(jié)果和目標(biāo)級配，確定4＃ 倉、3＃倉、2＃ 倉集料及砂倉、礦粉、水泥的質(zhì)量比為28∶26∶15∶26∶4∶1，礦料合成級配及級配曲線如表5和圖7所示。目標(biāo)級配與生產(chǎn)級配對比結(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配決定了混合料的結(jié)構(gòu)、性能和施工特性，在生產(chǎn)過程中，應(yīng)合理選擇振動篩的篩孔，以滿足混合料的級配控制和特性要求。

(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，在選擇篩網(wǎng)時應(yīng)確定與混合料特性密切相關(guān)的篩孔?；旌狭系募壟浣Y(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)篩孔通過率決定著級配中細(xì)集料的含量，會影響混合料的抗永久變形能力和壓實難易程度；第三是半篩孔，該尺寸篩孔的材料通過率會影響粗集料自身結(jié)構(gòu)，對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。