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沥青混合料级配设计的研究
⒈前言沥青混合料配合比设计中级配的选择是一个至关重要的内容，直接决定着沥青路面的使用性能。我国在进行沥青混合料马歇尔设计时没有一个级配选择的概念，一旦混合料类型确定，在进行配合比设计时，千方百计地将级配进行调整，使合成级配尽可能符合规范规定的中值。这种方法的优点是简单易行，但缺乏灵活性，特别是集料的特性发生变化时，无法进行有效的调整。现有的情况表明用级配中值设计的混合料不一定是最佳的沥青混合料。这就需要对现有的级配选择方法进行改进。在现今美国实行的Superpave设计体系中，其精华之一就是集料组成。它不仅引进了限制区和控制点的概念，更重要的是打破了中值级配的传统思想，提出了设计中级配选择的方法。Superpave体系要求级配首先要满足Superpave集料级配范围标准，然后初选三种级配结构，进行压实特性和体积特性的评价，最后确定设计级配。本次研究的目的是通过对传统马歇尔设计体系和Superpave设计体系在级配确定过程的研究，借鉴Superpave混合料设计体系的精华，对我国现行的级配进行调整，找到更适用于我国的沥青混合料级配。⒉研究方法&&&&基于对现行的马歇尔设计体系中级配选择方法进行改进的想法，我们在比较马歇尔设计体系和美国Superpave设计体系确定级配时，采用在符合现有规范的级配范围内选择符合美国Superpave设计体系要求的粗，中，细三种级配，结合我国实行的以级配中值为所选定的设计级配的方法，分析这些级配在美国Superpave设计体系和在传统的马歇尔设计体系中表现出的优劣性，并结合它们的路用性能选取最强的级配作为我们改进后的马歇尔设计级配。本文是以AC-20I级配类型为研究级配，进行一系列的试验。其级配组成见表1，其中级配1是现行AC-20I的中值级配；级配2是在AC-20I范围内符合Superpave-19要求的Superpave-19中级配；级配3是在AC-20I范围内符合Superpave-19要求的Superpave-19细级配，同时也是避开禁区的AC-20I的中值级配变形形式；级配4是在AC-20I范围内符合Superpave-19要求的Superpave-19粗级配。表1&&&&&&&&AC-20I范围内4种级配组成通过下列筛孔尺寸（mm）的矿料重量百分率（%）0.075 0.15 0.3 0.6 1.18 2.36 4.75 9.5 13.2 16 19 26.51 6 10 15 21 27 37 48 62 71 82.5 97.5 1002 5 9 13 16.5 22 33 45 56 67 80 96 1003 6 11 15.5 22 29 37 48 62 71 82.5 97.5 1004 4 6 10 15 20 29 42.5 52 62 75 95 100⒊AC-20I级配类型的Superpave设计和马歇尔设计比较3.1 试验级配的沥青混合料Superpave设计根据集料的性质（密度）来计算出初选的四个级配的初始用油量，然后用初始用油量成型试件，根据试验结果，计算出这四个级配的沥青混合料在空隙率为4%时所需的沥青用量及相应的沥青混合料其它性质。将所得的沥青混合料的压实特性和体积特性的评价与Superpave规范要求进行比较，最后确定设计集料级配。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&3.1.1&&&&按照Superpave经验公式估算沥青用量，其结果见表2。表2& 估计试验沥青胶结料用量结果汇总表级配 Pb Gb&&&&&&&&&&(g/cm3) Ps Va Vba Vbe Ws(g) Pbi(%)1 0.045 1.035 0.955 0.04 0.009 0.095 2.283 4.4962 0.045 1.035 0.955 0.04 0.010 0.095 2.286 4.5123 0.045 1.035 0.955 0.04 0.009 0.095 2.282 4.4984 0.045 1.035 0.955 0.04 0.010 0.095 2.286 4.535&&&&&&&&&&&&&&注：Pb、Gb、Ps、Vba、Vbe、Ws、Pbi分别代表沥青胶结料质量百分率、沥青胶结料比重、集料质量百分率、被吸收的沥青胶结料体积百分率、有效沥青胶结料的体积百分率、集料质量和初始试验沥青含量。3.1.2&&&&用求出的各级配的估算沥青用量成型试件，沥青混合料的拌和温度和压实温度依据沥青试验中的粘温曲线，采用旋转压实仪成型试件，设定旋转压实仪的单位压力为600Kpa，根据一般高速公路工程的要求，选择压实次数Ndes＝109次、Nini＝8次、Nmax＝174次。估算出的沥青用量各级配旋转压实试验结果见表3。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&表3&&&&&&&&试验级配沥青混合料压实特性汇总表级配 &&&&&&Gmm &&%Gmm@Ndes %Gmm@Nini %Gmm@Nmax1 2.489 96.4 88.6 97.72 2.493 95.8 86.7 96.73 2.490 96.0 87.9 97.54 2.493 94.1 85.9 94.2注：Gmm表示最大理论相对密度；Ndes、Nini、Nmax分别表示设计旋转压实次数、初始压实次数和最大压实次数。3.1.3&&&&根据配旋转压实试验结果，运用公式计算出这四个级配的沥青混合料在空隙率为4%时所需的沥青用量及相应的沥青混合料其他性质，具体见表4。表4&&&&试验级配沥青混合料体积特性汇总表&&&&级配 &&&&VMA &&Pb估算 VMA估算 VFA估算 &&&&&&Ps &&&&Pbe&& &&粉胶比&&&&&&1 &&&&13.1 &&&&&&4.4&&&&&&&&&& &&&&13.0&& &&&&69.2 &&&&&&95.6 &&&&4.01 &&&&1.50&&&&&&2 &&&&13.6 &&&&&&4.6 &&&&13.5 &&&&70.4 &&&&&&95.4 &&&&4.18 &&&&1.20&&&&&&3 &&&&13.5 &&&&&&4.5 &&&&13.4 &&&&70.1 &&&&&&95.5 &&&&4.01 &&&&1.46&&&&&&4 &&&&15.1 &&&&&&5.3 &&&&14.8 &&&&73.0 &&&&&&94.7 &&&&4.86 &&&&0.82Superpave规范要求 &&&& 13.0 &&65~75 &&0.8~1.6&&&&&&&&&&&&注：VMA表示集料空隙率；VFA估算表示沥青填隙率；Ps& 表示集料含量；Pbe表示有效沥青胶结料的质量百分比。3.1.4&&&&试验分析⑴级配3比级配1更适合Superpave规范要求，说明避开禁区后的级配性能更好；⑵级配4的粉胶比是0.82和Superpave规范要求0.8~1.6的下限0.8很接近，不利于实际工地上的利用；&& ⑶级配1的VMA估算值是13.0，不合Superpave规范要求；⑷级配2和级配3均符合Superpave规范要求，相比之下级配2与级配3对Superpave规范要求的符合性比级配3更好。⒊.2试验级配沥青混合料的马歇尔设计对于初选的四个级配，统一采用油石比为4.5%进行物理和力学指标的测定。根据测定结果，将所得的沥青混合料的物理和力学指标与马歇尔标准进行比较，确定四个级配的优劣。3.2.1测定马歇尔试验物理-力学指标，其结果见表5。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&表5&&&&&&&&马歇尔试验物理-力学指标汇总表级& 配 油石比(%) 视& 密& 度ρs(g/cm) 空& 隙& 率VV(%) 矿料间隙率&&&&VMA& （%） 沥青饱和度VFA(%) 稳& 定& 度MS(KN) 流& 值FL& (0.1mm)1 4.5 2.386 4.186 14.27 70.27 14.4 35.22 4.5 2.394 3.970 14.92 78.45 15.4 34.93 4.5 2.391 3.945 14.88 75.47 14.8 36.54 4.5 2.389 4.179 15.42 74.89 13.5 35.4马& 歇& 尔& 标& 准 3~6 &14 70~85 &7.5 20~403.2.2试验分析&&&&&&&&&&&&⑴各级配均能满足马歇尔标准；&&&&&&&&&&&&⑵级配1的沥青饱和度非常接近马歇尔规范要求的下限70，不利于实际工地上的利用；⑶级配3与级配1相比，对马歇尔规范要求的符合性更好，说明避开禁区后的级配性能更好；⑷级配2与其它级配相比在对马歇尔规范要求的符合性上更好。3.3 总结通过进行试验级配的Superpave设计和马歇尔设计，在两种设计中对于这四个级配进行了比较。可以看出在级配2在Superpave设计过程中，对规范要求的适应性强于其它3种级配。在传统的马歇尔设计中，级配2的沥青混合料物理和力学指标对于马歇尔标准的符合性也强于其它三种级配。同时，证明了级配避开禁区后其性能更好。⒋.AC-20I级配类型路用性能的比较通常所说的沥青混合料的路用性能主要是指：⑴高温稳定性⑵低温抗裂性能⑶水稳定性能⑷抗疲劳性能⑸抗老化性能限于论文篇幅和研究时间，笔者不可能对五种沥青混合料的所有性能做一个全面的比较。只能针对目前沥青路面发生早期破坏的主要原因：水稳定性差和高温稳定性不足，对这两个关键性的指标作一个细致的比较。4.1试验级配的沥青混合料水稳定性能比较沥青混合料的水稳定性能作为沥青混合料最重要的路用性能之一，长期以来各国形成了各种不同的评价方法。本研究参照我国传统的浸水马歇尔试验和美国AASHTO283方法来评价沥青混合料的水稳定性。4.1.1沥青混合料浸水马歇尔试验⒈试验过程&&&&各个级配均采用油石比为4.5& %制备试件，由马歇尔击实仪成型试件。将试件分两组，其中一组采用非条件试验，另一组采用条件试验。非条件试验是将试件放入60℃水浴中保持30min后进行试验。条件试验是先将试件在60℃水浴中保持48h后进行试验。试验结果见表6。& 表6&&&&&&浸水马歇尔试验结果汇总表级& 配 1 2 3 4 马歇尔标准浸水残留稳定度（%） 85 96 93 88 &75⒉试验分析⑴级配3& 与级配1相比，浸水残留稳定度有明显的提高，说明避开禁区后的级配水稳定性更好；⑵级配2& 与其它级配相比浸水残留稳定度最大，其水稳定性最好。4.1.2沥青混合料的AASHTO283试验⒈试验过程&&&&各个级配均采用油石比为4.5& %，由旋转压实仪成型试件，试件的空隙率控制在7+1%以内。将试件分两组，其中一组采用非条件试验，另一组采用条件试验。非条件试验是将试件放在塑料袋里封好，放入25℃水浴中至少两小时后进行试验。条件试验是先将试件在真空饱水15min，在-18℃下冷冻16h，再在60℃下保持24h，最后在25℃水浴中保持2h后进行试验。试验结果见表7。& 表7&&&&&&&&AASHTO283试验结果汇总表级& 配 1 2 3 4 标& 准辟裂强度比& TSR(%) 83.2 92.4 85 73.9 &70⒉试验分析⑴级配3& 与级配1相比，沥青混合料冻融辟裂强度比有明显的提高，说明避开禁区后的级配水稳定性更好；⑵级配2& 与其它级配相比冻融辟裂强度比有明显的提高，其水稳定性最好。4.1.3总结通过浸水马歇尔试验和AASHTO283试验可知在水稳定性上，级配2优于其它级配。同时，在避开禁区后级配的水稳定性得到了提高，说明避开禁区对于改善混合料的水稳定性是有成效的。4.2试验级配的沥青混合料高温稳定性能比较⒈试验过程&&&&各个级配均采用油石比为4.5& %制备试件,& 在试验温度T为60℃，试验轮压0.7& Mpa，不浸水的试验条件下进行车辙试验。试验结果见表8。表8&&&&车辙试验结果汇总表级& 配 1 2 3 4 马歇尔标准动稳定度DS& (次/mm) 947 54 &800⒉试验分析⑴级配3& 与级配1相比，动稳定度有明显的提高，说明避开禁区后的级配高温稳定性更好；⑵级配2& 与其它级配相比动稳定度最大，其高温稳定性最好。⒊总结通过车辙试验可知在高温稳定性上，级配2优于其它级配。同时，在避开禁区后级配的高温稳定性得到了提高，表明避开禁区对于改善混合料的高温稳定性是有成效的。⒌结论⑴通过对Superpave设计和马歇尔设计两种设计方法的试验比较，以及水稳定性和高温稳定性两个关键路用性能指标的比较，发现AC-20I中四个试验级配中最好的是级配2。⑵考虑到级配2在各方面性能强于现行的AC-20I的中值级配，可以在以后的级配设计中，以级配2替代现行的AC-20I的中值级配。⑶级配在避开禁区后其各项性能得到了提高，表明避开禁区对于改善混合料的性能是有效的。
（东南大学交通学院，&&&&南京210096）
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联系***：9 E-mail:Superpave级配范围--《交通运输工程学报》2003年03期
Superpave级配范围
【摘要】：根据最大密度曲线理论,采用轧制碎石料对n为0.35、0.40、0.45、0.50、0.55时的不同级配进行了马氏试验,确定了沥青混合料最大密度时的n值,考虑了Superpave关于禁区和控制点的建议,以及生产实践中允许出现的各档集料用量的变动幅度,确定了沥青上、中、下面层混合料的级配范围。利用贝雷法的验算和工程实践的检验证明采用所提出的级配范围拌制的沥青混合料基本上达到嵌挤-密实的状态,既可大大减少渗水,又具有较高的抗车辙能力。
【作者单位】：
【基金】：
【分类号】：U414【正文快照】：
　　关于级配理论,目前常用的是最大密度曲线理论和粒子干涉理论,这是按照不同的粒径相互嵌挤的原则或干涉原则,按一定公式计算的。例如n法,泰波(TalbolAN)法(修订富勒法)是根据最大密实度原则提出的Px=100(d/D)nn=0.5时,即为富勒(Fuller)曲线,通常n=0.3～0.7,日本为n=0.35～0
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400-819-9993基于高温性能的高模量沥青混合料设计研究
基于高温性能的高模量沥青混合料设计研究
在中国，重载车辆和超载车辆在交通量中所占的比例越来越大，在温度和荷载耦合作用下，中国公路特别在长大纵坡路段，沥青路面车辙病害越来越严 重。因此，提高沥青混合料的高温性能尤为重要。为了提高沥青混合料的高温性能通常从两方面进行改善，一方面通过设计骨架型级配，增强集料间的嵌挤摩擦力；另一方面采用制备高模量沥青，提高沥青与集料的粘附性。该文从高模量沥青、级配结构设计和性能验证几方面着手研究抗高温性能的沥青混合料设计方法。
采用青川岩沥青与SBS改性沥青复配制成高模量沥青。集料级配采用贝雷法划分粗细集料标准，参考填充理论，对粗集料进行逐级填充，同时进行干捣实密度试验，按照粗集料最紧密堆积原则，确定了粗集料的组合比例。由于细集料的粒径较细，尝试采用捣实密度试验时，粗细集料拌和的均匀性很难控制，误差较大，所以不再采用捣实密度试验，而是根据林绣贤建议的Superpave-20级配范围，提出3条比选级配。最后采用贝雷参数，对比选级配进行修正，确定最佳级配，并且通过对沥青混合料的路用性能进行验证。
1原材料性能
1.1SBS改性沥青性能
试验用沥青为韩国产SBS改性沥青，主要技术指标标见表1。
表1 改性沥青的主要技术指标
1.2 天然沥青性能
针对天然沥青在中国的使用情况，选取青川岩沥青进行复合改性沥青研究。其技术指标见表2。
表2 天然沥青质量要求及试验结果
1.3集料性能
粗、细集料采用石灰岩，矿粉为磨细的石灰石。经检测，各项技术指标均符合规范要求，试验结果如表3、4所示。
表3 粗集料质量要求及试验结果
表4 细集料质量要求及试验结果
2 高模量沥青性能
2.1高模量沥青常规试验分析
试验用高模量沥青是由岩沥青按3%、5%和7%共3个比例与SBS改性沥青采用外掺法复配制成，不同比例的复合改性沥青常规性能如表5。
表5 复合改性沥青质量要求及试验结果
由表5可以看出：随着岩沥青掺量的增加，复合改性沥青针入度、延度逐渐减小，软化点逐渐增大。
2.2 Brookfield旋转粘度试验分析
沥青粘度高低体现了其粘聚力的大小，粘聚力与沥青的抗剪切变形能力相关联。并且，沥青混合料的高温抗剪性能、抗车辙性能以及水稳定性都与沥青的粘聚力有一定关系。沥青的粘度升高，混合料的高温性能、水稳定性会增强。但是，沥青的粘度太高施工难度会增加，因此沥青的粘度不能太高。美国SHRP规范要求，135℃Brookfield粘度不可大于3Pa?s。不同岩沥青掺量的粘度如图1所示。
图1 粘度与岩沥青掺量关系图
由图1可以看出：同一温度下，随着天然沥青的掺入，复合改性青Brookfield粘度值有所升高。当岩沥青掺量为5%时，135℃Brookfield粘度为2.732Pa?s，当岩沥青掺量为7%时，其粘度达到了3Pa?s以上。
2.3 DSR试验分析
动态剪切流变仪（DSR）能够通过测定沥青胶结料的粘弹性特征，对沥青胶结料的高温抗车辙性能进行评价。 利用确定的参数 G＊ 和δ，得到抗车辙因子（G＊／sinδ）,可以评价沥青的高温性能。在一定的温度下，G＊／sinδ越大，沥青高温性能越好。高模量沥青试验结果如图2所示。
图2 G＊／sinδ与温度关系图
由图2可以看出：随着岩沥青掺量的增加，G＊／sinδ都会呈现增大的趋势，表明岩沥青能使SBS改性沥青的高温性能提高。根据以上研究成果和相关文献最终确定岩沥青最佳参量为5%（外掺）比较合适。
3 集料级配结构设计
由于级配结构的确定方法目前国内外都是半经验式的，不能完全定量确定。贝雷法和 Superpave设计方法在解决高温性能方面都有所考虑，但两种方法各有一定的片面性，因此，该文在借鉴填充理论和林绣贤建议的Superpave级配范围的基础上，利用贝雷法并且结合混合料性能进行检验，最后确定出一条比较合理的兼顾高温性能的级配结构。
3.1 粗集料捣实密度试验及组成设计
3.1.1 捣实试验组合
根据相关资料，确定Superpave-20沥青混合料粗细集料的分界筛孔（PCS）为4.75mm，试验中粗集料采用逐级填充法确定各档组成。粗集料总共分为4级进行捣实密度试验，通过捣实过程中矿料间隙率的变化规律，确定各档集料的比例，各级捣实组合比例见表6。
表６粗集料各级捣实试验组合
3.1.2捣实试验
由于篇幅所限，文中仅示出第1级捣实密度试验结果。26.5～19mm与19～１16mm两档集料采用10种组合比例进行捣实试验，试验结果如图3。由图3可以看出：矿料间隙率随着粗细集料比例的变化，呈先减小再增大的趋势，在5:5左右时，细一级颗粒已经对粗颗粒空隙进行了最好的填充。因此,选择5:5作为26.5～19mm与19～１16mm两档集料的最合理组合，并在此组合的基础上进行第2级捣实。最后通过每级捣实密度试验得到各档粗集料最优比例为：（26.5～19mm）：（19～16mm）∶（16～13.2mm）∶（13.2～9.5mm）∶（9.5～4.75mm）=12.4∶12.4∶19.84∶17.86∶37.5。
图3 第１级捣实曲线图
3.2　细集料组成设计
由于细集料的粒径较细，尝试采用捣实密度试验时，粗细集料拌和的均匀性很难控制，误差较大，所以不再采用捣实密度试验，而是依据林绣贤建议的 Superpave混合料级配范围，对Super-20级配 4.75mm以下筛孔的通过率进行平均分配，分别设计了上中、中、下中3组级配 曲 线，然 后利用贝雷参数比、比对细集料级配进行检验，并对拟定级配进行微调，参数
计算公式为：
式中：分别为4.75、1.18、0.3ｍｍ 筛孔的矿料通过率（%）。
根据以上参数计算的结果和级配范围对确定的细集料级配结构进行微调，最后确定的合成级配如图4所示。
图4 Superpave-20级配曲线
由图4可以看出：3组级配均满足 Superpave-20级配范围的要求，并在林氏建议的级配范围之内。利用贝雷参数CA对3条级配中粗集料的含量和空隙特征进行检验，公式为：
式中：为9.5mm 筛孔的矿料通过率。
CA参数计算结果及建议范围如表7所示。根据建议的CA范围，确定级配2为现场采用最佳级配。
表7 贝雷参数CA 计算结果
4 高模量沥青混合料路用性能研究
4.1常规试验研究
根据试验确定的沥青混合料最佳油石比为4.48，对确定的级配采用旋转压实成型 SGC试件，进行沥青混合料性能研究，其常规路用性能如表8所示。
表8 沥青混合料技术性能
由表8可以看出：在5%岩沥青掺量下，沥青混合料的残留稳定度（）、冻融劈裂强度比（TSR）和动稳定度（DS）明显提高，而且动稳定度达到了8007次／mm，远远大于规范要求的2400次／mm。因此，加入岩沥青可以明显提高沥青混合料的水稳定性和高温性能。
4.2　高温抗剪试验
高温抗剪试验采用单轴贯入试验方法，试件采用旋转压实成型，尺寸为：100mm×100mm；压头直径R＝28.5mm；加载速率1mm／min；试验温度采用路面最不利温度60 ℃，试验结果如表9所示。
表9 单轴贯入试验
由表9可以看出：外掺5%的岩沥青贯入强度、抗剪应力、第一和第三主应力都显著增大，因此，岩沥青的加入对沥青混合料的抗剪强度有利。
4.3 沥青混合料低温性能试验
沥青混合料在温度下降过程中由于存在温度梯度，从而产生不均匀受力，当局部收缩应力超过沥青混合料的抗拉强度时，沥青路面就会开裂。沥青混合料低温抗裂性能通常采用-10 ℃条件下的小梁弯曲试验进行评价。试验以破坏瞬间的抗弯拉强度、梁底最大弯拉应变以及弯曲劲度模量作为评价指标，试件尺寸为：250mm×30mm×35mm，试验结果如表10所示。由表10可以看出：掺入岩沥青后，沥青混合料的抗弯拉强度和弯曲劲度模量均有所升高，而破坏时的最大弯拉应变有所降低。试验结果表明：随着天然沥青的加入，虽然能够提升混合料低温抗拉应力，但是变形能力会降低，混合料的低温抗裂性能会降低，但仍然远大于规范不小于2500με的要求，说明在外掺5%岩沥青的情况下其复合改性沥青混合料的低温性能也比较好。
表10 沥青混合料低温性能试验结果
（１）采用不同岩沥青掺量与SBS改性沥青进行复合改性制备高模量沥青，提高沥青混合料的抗变形能力，并通过性能评价确定了岩沥青的最佳掺量。
（２）以粒子干涉理论为基础，采用逐级填充法和干捣实密度试验，结合贝雷法和 Superpave级配范围对级配进行优化设计，确定出一条具有良好骨架嵌挤力的级配结构。
（３）通过试验发现随着岩沥青的掺入，沥青混合料的劈裂强度比、残留稳定度、动稳定度及抗剪应力大幅度提升；随着岩沥青的掺入，沥青混合料的抗弯拉强度和弯曲劲度模量均有所升高，而破坏时的最大弯拉应变有所降低，但仍能够满足技术性能要求。
（４）通过对沥青混合料路用性能分析不难看出，通过采用高模量沥青和设计具有较好嵌挤力的级配结构，对解决沥青混合料的高温性能是行之有效的。（本文来自沥青路面施工）
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