粗集料嵌挤能力试验方法研究

摘 要

本研究开发了一种粗集料骨架嵌挤能力评价方法，通过锥形压头在一定压力下的锥入能评价沥青混合料中粗集料本身构成的抗变形能力，比较了不同粗集料组合方式的试验结果，证明了该方法的灵敏性和有效性。

关键词

沥青混合料 | 粗集料 | 嵌挤能力

沥青混合料的强度主要来自两方面:一方面是由沥青对矿料的胶结能力而形成的混合料内聚力，另一方面是由于混合料矿料之间相互嵌挤而形成的内摩擦角。对于目前广泛采用的粗集料断级配沥青混合料，粒径大于4.75mm以上的粗集料相互之间的嵌挤能力的大小对混合料强度的高低有显著影响。

“嵌挤”能力虽然不是一个严格意义上的力学指标，但对于散粒体堆积结构却十分重要。骨架粗集料颗粒之间的相互“咬合”作用是影响沥青混合料抗剪切性能的重要因素之一，对此虽然存在普遍共识，却始终没有一个量化的指标来进行客观评价。以往有研究从抵抗变形的角度间接的对粗集料嵌挤能力进行了评价，如经典的CBR方法、单轴贯入法，这两种方法由于实验过程中存在着大量的集料破碎，无法将集料自身强度和嵌挤所形成的抗剪能力区分开来，在实际的沥青路面工作状态下，路面的破坏并非集料的破碎引起，而是由于集料之间的嵌挤不足引起的颗粒位置变化导致的。因此，这两种实验方法作为沥青混合料骨架强度的评价方法存在不合理的地方。另外，抗剪能力的评价最直接的方法是三轴试验和直剪试验，对于松散的粗集料进行三轴试验在操作上具有很大难度，不利于应用，且不易形成与沥青混合料相近的结构状态;直剪试验方法也存在着合理的垂直压力作用大小确定以及避免集料破碎的问题。因此，针对现状有必要研究一种能够评价集料之间“咬合”和“摩擦”作用力而尽量避免集料破碎消耗抵抗力的试验方法，同时方法应该允许粗集料在击实功作用下形成一定密实状态，能够与沥青混合料实际使用状态具有相关性，以评价不同组成结构下粗集料混合料的“嵌挤”能力，为骨架—嵌挤型沥青混合料级配设计提供依据。

试验方法及评价指标

根据摩尔－库仑准则，散粒体材料的抗剪能力来源于其颗粒之间的内摩擦角，内摩擦角不仅依赖于材料颗粒的几何形态及材质等物理特性，同时其所承受的应力状态和变形的约束条件都会显著的影响该值。研究散粒体集料嵌挤能力的必须是在规定的压实功，规定的侧向约束条件下进行。因此，本方法将粗集料放置在规定尺寸的刚性试桶中，并对其进行规定次数的捣实，达到一定的密实程度，通过刚性约束使散粒体材料形成强度;另一方面，应该尽量减小集料破碎所消耗的能力，因此，本方法中，用于贯入的刚性压头端部采用圆锥形，这样在锥入过程中，集料的破碎大大减轻，能够更好地反映颗粒之间的嵌挤所起到的抵抗变形的作用。

为此，设计了一种简易的评价矿料间嵌挤能力的是试验方法——锥入法。它是将一个标准尺寸的圆锥体，按照一定的位移速度插入到矿料内部，同时测量锥体在矿料内部的移动位移以及产生的相应荷载，并绘制试验曲线，试验加载和数据采集示意图1如下。

材料在受力过程中产生变形与重新分布，实际是能量的吸收与消散过程，因此，我们可以采用能量来表征材料在整个受力过程中抵抗变形能力。本研究提出以贯入试验中总能量作为评价指标。

在整个锥入过程中，荷载与位移的乘积(即图2中曲线下面的阴影面积)作为试验过程中所消耗的能量，称为锥入能(见下式)，并以此作为评价粗集料在一定压实状态、一定级配条件下嵌挤能力的指标。

试验结果

对于一种试验方法其有效性的评价体现在2个方面:①试验的灵敏性，即试验结果能否反应不同材料之间的差异，并且这种差异是否符合客观规律;②试验的有效性，即试验结果所反应出的性能差异是否与其使用性能具有一致性。因此，设计了如下3组试验进行验证。

(1)单粒径粗集料

将粗集料筛分为单一粒径，进行击实成型后进行锥入试验，结果表明:随着粒径的增加，捣实状态下的矿料间隙率逐渐减小，结果如表1所示。而锥入能则刚好相反，随着粒径的增加，逐渐增加。从图3上看，锥入能随着粒径的增加在不同阶段出现剧烈增加，按照不同粒径分成了几个族群，以往有的学科将这种现象称之为“量子化”特征，也就是描述物质的能量的不连续性。对于单粒径的锥入试验结果可见，对于锥入能最大的影响因素就是集料的粒径。

(2)双粒径粗集料

对于从4.75～16mm的集料进行分组搭配，且搭配的比例为1∶9，3∶7，5∶5，7∶3和9∶1，组合的方式如表2所示。搭配方式共50种，每一种搭配的平行实验样本量为4。

表中加粗字体部分为该两档粒径不同配比方式下矿料间隙率的最小值，从表3中可以看出，任何两档集料搭配时都存在随较大粒径集料含量减小而先减小后增加的现象，即如果以较大集料作为母体，则随较小集料的加入首先起填充作用，而后出现干涉撑开上一级骨架。

进一步按照相互搭配两档粒径的情况进行分类，分别将所有的搭配形式分成了相邻，相邻两级，相邻三级和相邻4级，结果发现无论怎样搭配在一起的两种集料，是相邻搭配还是隔级搭配，两档集料按不同比例配合以后，其抵抗锥入的能量变异性均远远大于其VCAdrc的变异性，见表4和表5，也就是说，集料配比的变化对其抵抗变形能力的影响远大于其对体积指标的影响。因此，对配比的研究和应用要慎重。

随着搭配在一起的两种集料粒径比增大，其VCAdrc和锥入能的变异性都表现增加的趋势，且以锥入能的增加更为显著。

从三级相邻开始，锥入能的峰值出现在1∶9的位置，而不出现在较大粒径的单粒径处，相邻1，2级集料的锥入能最大值则出现在较大粒径的单粒径处(除13.2∶16以外)，说明相邻的粒径搭配在一起时相互之间的嵌挤基本没有形成，因此，其锥入能的最大影响因素是等效粒径。

从试验结果看，总体上来说，锥入能最大的影响因素是集料的粒径，或者说主导粒径的大小，但同时，在主导粒径较大的时候，对于与之搭配的集料粒径有优劣之分。

(3)级配粗集料

按照对数、幂和指数函数构建级配三种，按照同样的捣实成型方法进行成型，测定以后的VCAdrc值和锥入能结果如表6所示。

比较级配粗集料与单、双粒径锥入能试验结果，结果表明锥入能与等效粒度规律一致。与单粒径试验结果比较可见，其大小介于9.5mm集料和13.2mm集料试验结果之间，结果见图4。

将双粒径级配中与三种粗集料级配等效粒度相近的数据统计起来，可见，在等效粒度相同的情况下，多级搭配的效果要好于双粒径级配。

通过对于单粒径、双粒径及多级粒径粗集料混合料嵌挤能力试验结果可见，该方法能够有效的区分出不同集料组合方式之间抗变形能力。

结论

本文提出了锥入试验方法作为评价骨架嵌挤能力的方法，以锥入能作为评价骨架嵌挤能力的指标，通过对不同集料、不同级配组成的粗集料进行的锥入试验比较，证明了该方法和指标可有效的评价不同集料和级配之间的差异。

全文完。首发于《公路交通技术》技应用技术版2019年10期。添加主编微信CNLQLM99，链接中国沥青路面资源。