空隙率随机制砂关键筛孔的变化规律研究

申来明+杨海峰+房士伟

摘要：为研究机制砂关键筛孔通过率对沥青混合料空隙率的影响，采用控制变量法研究了机制砂236、06、0.075 mm筛孔通过率对AC13沥青混合料空隙率的影响，试验结果表明：06 mm筛孔通过率对空隙率的影响最大，其次是0.075 mm筛孔通过率，2.36 mm筛孔通过率对空隙率的影响最小。此外，采用了均匀设计试验对上述结论进行了验证。

关键词：机制砂；关键筛孔；空隙率；均匀试验

中图分类号：U214.03文献标志码：B

Abstract： In order to study the impact of critical sieve meshes for manufactured sand on the porosity of asphalt mixture， the control variates method was applied to find out how the passing rates of three sieve meshes， including 2.36 mm， 0.6 mm and 0.075 mm， affect the porosity of AC13 asphalt mixture. The results show that the passing rate of sieve mesh of 0.6 mm has the biggest impact， and 2.36 mm the least. The conclusion was verified by uniform design test.

Key words： manufactured sand； critical sieve mesh； porosity； uniform experiment

0引言

与天然砂、石屑相比，机制砂颗粒具有规整、片状颗粒少、表观纹理丰富、粉尘含量低等优良的物理特性，对沥青混合料的路用性能具有明显地改善作用，因此受到越来越多的重视。目前，大多数沥青路面选择用石灰岩机制砂作为细集料。机制砂因其粒径小，在沥青混合料中主要起填充作用，对沥青混合料的体积指标例如空隙率、矿料间隙率等影响显著。由于中国的沥青路面设计规范采用体积法进行设计，其中空隙率至关重要，因此，有必要研究机制砂对沥青混合料空隙率的影响[13]。

本文主要是通过控制变量法和均匀试验设计，研究机制砂关键筛孔通过率对沥青混合料的影响，从而深入了解机制砂在沥青混合料中的填充机理。

1原材料技术指标

1.1沥青

采用SBS（IC）改性沥青，其技术指标的试验结果如表1所示。

1.2粗集料

粗集料为辉绿岩，粗集料技术指标的试验结果如表2所示。

1.3细集料

细集料采用由规格为95～19 mm的碎石加工生产的石灰岩质机制砂，其规格为0～2.36 mm。机制砂技术指标的试验结果如表3所示。

1.4矿粉

矿粉由规格为9.5～19 mm的石灰岩碎石自行加工生产，其技术指标的试验结果如表4所示。

2机制砂关键筛孔研究

机制砂的最大公称粒径为2.36 mm，根据贝雷级配理论可计算出机制砂的第1控制筛孔PCS和第2控制筛孔SCS的值SPCS和SSCS。

SPCS=0.6 mm

SSCS=025SPCS=0.15 mm

但是根据实际工程经验，0.15 mm筛孔的通过率对沥青混合料的体积指标与路用性能影响不明显，而0.075 mm筛孔的通过率影响较大，也是机制砂生产质量的控制指标[45]。综上所述，根据贝雷级配理论以及实际施工经验，确定机制砂的关键筛孔为0075、06、2.36 mm。

3试验方案设计

3.1单因素对空隙率的影响

由前面可知，机制砂的关键筛孔为0.075 mm、0.6 mm、2.36 mm，并研究每个关键筛孔的通过率对沥青混合料空隙率的影响。基于AC13沥青混合料，采用控制变量法，通过马歇尔标准击实试验，分别研究机制砂0.075 mm、0.6 mm、2.36 mm筛孔的通过率对空隙率的影响，具体方案如下。

3.1.12.36 mm筛孔通过率对空隙率的影响

变化机制砂2.36 mm筛孔的通过率，以5%为变化步幅，变化范围为80%～100%，即80%、85%、90%、95%、100%。其他筛孔的通过率不变，将机制砂作为一个整体，粗集料逐级回配，得到AC13合成级配，记为1#、2#、3#、4#、5#，如表5所示。

3.1.20.6 mm筛孔通过率对空隙率的影响

变化机制砂0.6 mm筛孔的通过率，以7%为变化步幅，变化范围为25%～60%，即为25%、32%、39%、46%、53%、60%。其他筛孔的通过率不变，将机制砂作为1个整体，粗集料逐级回配，得到AC13合成级配，记为6#、7#、8#、9#、10#、11#，如表6所示。

3.1.30075 mm筛孔通过率对空隙率的影响

变化机制砂0.075 mm筛孔的通过率， 变化范围取0～15%，以3%为变化步幅，即各通过率为0、3%、6%、9%、12%、15%。其他筛孔的通过率不变，将机制砂作为1个整体，得到AC13合成级配，记为12#、13#、14#、15#、16#、17#，如表7所示。

3.2多因素对空隙率的影响

采用均匀设计方法研究机制砂各关键筛孔不同通过率对空隙率的影响，通过均匀试验对上述单因素试验结果进行检验。

均匀设计的指标为AC13沥青混合料的空隙率，影响因素为机制砂关键筛孔的通过率，即0075 mm筛孔的通过率、06 mm筛孔的通过率、236 mm筛孔的通过率，分别记为x1、x2、x3，各因素范围分别取0～15%、25%～60%、80%～100%，采用等水平均匀设计，将各因素分为6个水平，如表8所示。

由以上分析可知，该试验方案为3因素6水平，因此选取等水平均匀设计表U*6（63）。根据U*6（63）的使用表，将x1、x2、x3三个因素分别放在U*6（63）表的1、2、3列，其试验方案如表9所示。

4试验结果分析

4.1单因素试验结果与分析

根据试验方案中的级配1#～17#成型马歇尔试验，粗集料为辉绿岩，细集料为石灰岩机制砂，矿粉为石灰岩质矿粉，沥青采用SBS改性沥青，沥青混合料拌和温度为175 ℃，击实温度为155 ℃，每组试验成型5个试件，采用水中重法测得每个试件的空隙率，取平均值作为最终试验结果（下同），如表10所示。

4.1.12.36 mm筛孔通过率对空隙率的影响

从图1可看出，空隙率随2.36 mm筛孔通过率的增大而逐渐减小。因为当通过率增大时，2.36 mm粒径以下的集料增多，而AC13混合料是悬浮密实结构，粒径小的颗粒含量越多，其填充效果越好，即空隙率越小。

机制砂2.36 mm筛孔通过率从80%变化到100%时，AC13沥青混合料的空隙率从3.82%降低到3.4%，降低了0.42%，降低率为2.1%。

4.1.20.6 mm筛孔通过率对空隙率的影响

从图2可看出，空隙率随0.6 mm筛孔通过率的增大逐渐减小。因为当通过率越大，0.6 mm粒径以下的集料越多，其填充效果越好，空隙率越小。

机制砂0.6 mm筛孔通过率从25%增加到60%时，AC13沥青混合料的空隙率从4.28%降低到2.71%，降低了1.57%，降低率为4.5%。

4.1.30.075 mm筛孔通过率对空隙率的影响

从图3可看出，空隙率随0.075 mm筛孔通过率的增大逐渐减小。因为当通过率增大时，石粉含量增加，有效填充了混合料之间的空隙，空隙率变小。

机制砂0.075 mm筛孔通过率从0增加到15%时，AC13沥青混合料空隙率从3.795%降低到322%，降低了0.575%，降低率为3.8%。

上述试验结果表明，0.6 mm筛孔的通过率对沥青混合料空隙率的影响最大。有相关研究表明，03～0.6 mm档料在AC13沥青混合料中起干涉作用。0.6 mm筛孔的通过率越大，0.3～0.6 mm档料越多，干涉越明显。在其他条件相同时，空隙率逐渐增大。

4.2均匀试验结果与分析

6组均匀试验结果如表11所示。

4.2.1回归分析

将0.075 mm、0.6 mm与2.36 mm筛孔的通过率分别作为自变量x1、x2、x3，将空隙率作为因变量y，利用均匀设计软件采用全回归法进行线性回归分析，设置显著水平为0.05，得到的回归方程如下

y=5.82-4.57x1-2.47x2-1.14x3（1）

该方程的相关系数R2=0.983 4。

4.2.2回归方程显著性检验

回归方程是否合理，需要检验其显著性。利用F分布检验回归方程的显著性，如表12所示。

样本容量N=6，显著性水平α=0.05，检验值Ft=39.48，临界值F（0.05，3，2）=19.16，Ft>F（0.05，3，2），回归方程显著。

4.2.3回归系数显著性检验

由回归方程的显著性检验可知回归方程是显著的，但是总体回归效果的显著并不能说明每个自变量对因变量都是重要的，因此利用F分布对每个回归系数进行显著性检验，检验结果如表13所示。

经上述回归方程和回归系数检验可知，回归方程和回归系数是显著的。

由均匀设计软件可知回归方程（1）的标准回归系数、偏回归平方和与偏相关系数，如图4所示。

由图4（b）可知：|Pj2|>|Pj1|>|Pj3|，Pj1、Pj2、Pj3分别为自变量x1、x2、x3的标准回归系数。06 mm筛孔的通过率对空隙率影响最大，0.075 mm筛孔次之，2.36 mm筛孔通过率对空隙率影响最小，与单因素研究结论一致，即表明了0.3～0.6 mm档料对沥青混合料起干涉作用。

5结语

研究机制砂关键筛孔通过率对沥青混合料空隙率的影响，得到以下结论。

（1） 通过控制变量法研究机制砂单一关键筛孔对空隙率的影响，其变化规律为空隙率均随着机制砂2.36、0.6、0.075 mm关键筛孔通过率的增加而降低，降低率分别为2.1%、4.5%、3.8%。

（2） 采用均匀设计方法研究机制砂0.075 mm、0.6 mm、236 mm筛孔多因素对沥青混合料空隙率的影响，并得到回归方程 ，经检验回归方程和回归系数均显著。

（3） 根据单因素和多因素的研究结果表明：0.6 mm筛孔对空隙率影响最大，其次是0.075 mm筛孔，236 mm筛孔对空隙率的影响最小。0.3～0.6 mm档料对AC13沥青混合料起干涉作用。

参考文献：

[1]陈璟.细集料对沥青混合料性能的影响研究[D].西安： 长安大学， 2007.

[2]彭波.沥青混合料集料几何特性与结构研究[D].西安：长安大学，2008.

[3]梁立军.细集料对沥青混合料性能影响研究[J].北方交通，2008（5）：6263.

[4]方开泰.均匀设计与均匀设计表[M].北京：科学出版社，1994.

[5]韩海峰，吕伟民.细集料棱角性对沥青混合料性能的影响[J].同济大学学报：自然科学版，2002，30（3）：302306.

[责任编辑：杜卫华]