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1、沥青混合料的级配设计原则与方法王 林 宋树喜山东省交通科学研究所 山东省烟台市交通局质检站1 引言 近年来，随着对高等级沥青路面技术的进一步研究，对于路面沥青混合料的认识提高逐渐提高。特别是近年来国际上一些先进的设计方法和设计理念的引进，为我们在沥青混合料的设计方面注入了新的活力。以往许多认识的误区正进一步得到澄清，对路面沥青混合料的研究与认识己经进入了一个崭新的阶段。以往对沥青混合料的级配选择问题的认识就是许多误区中的一个，我们逐渐认识到，对于沥青混合料的级配选择不再是千篇一律地选择级配范围的中值，而是根据路面的运输和气候条件和集料的自身特性进行优化选择。正在修订的公路沥青路面施工技术规范和
2、公路沥青路面设计规范也将级配的选择作为重要的修订内容。在这种前提条件下对进行沥青混合料设计的工程技术人员提出了更高要求，需要对沥青混合料的级配性质充分认识，做到有的放矢。本文将笔者近年来对沥青混合料级配的学习和研究的认识加以阐述，以抛砖引玉。 沥青路面的使用性能很大程度上取决于沥青混合料的体积特性和压实特性。一般认为，如果路面沥青混合料的压实稳定性差，使用过程中空隙率过小容易出现车辙和泛油现象，而路面空隙率过大也容易出现水损、老化和失稳现象。沥青混合料在一定压实条件下的体积特性由矿料的体积特性和沥青胶结料的含量和性质确定。矿料的体积特性直观地反映在一定压实条件下的矿料间隙率VMA的变化。影响矿
3、料体积特性的主要因素有：矿料的级配、矿料材质的硬度、表面纹理、颗粒的形状、压实条件。 级配是指沥青混合料中矿料不同粒径的分布，一般采用各个筛孔的通过率表示。它是沥青混合料中矿料的最重要特性，几乎影响到沥青混合料的几乎所有重要特性，包括劲度、稳定性、耐久性、渗水性、施工和易性、抗疲劳能力、抗滑能力甚至抗开裂能力。根据美国沥青路面协会NAPA的资料指出，对于高压力作用下的沥青混合料，如果是一个稳定的混合料，高温车辙的抗力80是由集料骨架结构提供的，其余的20是由沥青胶结料提供。虽然这个比例笔者认为有些片面夸大矿料结构的作用，但也足以说明矿料结构在沥青混合料中的重要性。2 对矿料级配的主要相关研究
4、在对级配研究过程中我们发现，早期的级配研究主要是采用最大密实度理论，研究如何得到矿料的最大密实度。考虑的沥青混合料的特殊性，当时认为良好的沥青混合料级配组成应该是在热稳定性允许的条件下混合料的空隙率最小，以及保证一定的矿料比表面积使沥青可以裹覆，并使矿料之间处于最密实状态。最大密实理论主要有以下几种代表性理论。 早在1900年 Weymouth提出级配的干涉理论，在研究小球分布规律时，他指出，小于某一筛孔的部分与以上部分最密实时，在对数坐标图上是一条斜率等于0.5 的直线。之后许多人采用小球对级配进行了进一步的研究，WBFULLER提出的FULLER曲线、A.N.TABOL提出TABOL曲线（
5、即N法），Bolomey，他提出的最大理论密度公式。1930年 Nijboer采用实际的集料代替不同粒径的小球研究其最大密实性。他也是采用对数坐标进行研究，他发现，和小球不同的是最大密实线的斜率不是0.5而是0.45。其研究结果适合于破碎集料和非破碎集料。 最大密实理论的研究为连续级配沥青混合料的级配选择提供了理论基础，具有最大密度的沥青混合料通过增大内部颗粒的接触与减少集料孔隙可以提供更大的密实度。热拌沥青混合料具有最大密度在级配理论上似乎是合理的，但是由于最大密实理论计算出的矿料级配组成过于密实，通常含有过量的填充料，致使沥青胶结料没有足够的体积变化空间，以适应沥青胶结料高温膨胀的要求，另
6、外，在最大密实状态的矿质混合料，较粗的集料通常悬浮在较细的集料中，并不能保证矿质混合料具有较大的内摩阻力。经过实践证明通常这些级配曲线并不能过直接地应用到工程实践中去，因为混合料必须留有一定的孔隙以保证其耐久性，避免泛油现象和车辙的发生。通常最大理论密度线只能作为级配曲线的参考线，以偏离最大理论密度线的多少来估计混合料的矿质混合料参与空隙的多少。除了密实以外，级配则需要充分考虑高温稳定性、抗离析能力、施工特性（压实特性等）各方面的因素。而这些性能因素与沥青混合料的体积性质以及粗集料的比例组成有着更直接的关系。与矿质混合料级配性质最密切的体积指标就是矿料间隙率VMA。 为了将沥青混合料的级配与使
7、用性能建立起关系，许多业内人士针对沥青混合料的实用级配进行了大量的研究，这方面主要成果主要有： 1950年Mcleod进行了以推荐最小矿料间隙率为基础的实用性能研究，经过研究认为如果沥青混合料中矿料过于密实，将产生软弱的沥青混合料。另外，提出了不同最大公称尺寸的矿质混合料其最小间隙率VMA的要求。为了增加矿料孔隙率，级配曲线需要离开最大理论密度线。该技术指标的提出，为设计出高温稳定性较好的沥青混合料打下了基础。 1962年Goode和 Lufsey发表了他们的研究成果，他们进一步发展了Nijboer的研究成果，使之应用于道路建设中。他们发明了一种特殊的级配曲线图，纵向采用通过率，横向采用粒径尺
8、寸的045次方，形成了早期使用的0.45次方级配曲线图。他们通过对24个级配的研究，得出天然砂的含量和沥青混合料稳定性的影响关系。他们指出在0.6mm对应的最大理论密度线附近存在着一个不稳定区。天然砂含量过高，级配曲线通过不稳定区将产生不稳定的驼峰级配（“hump”）沥青混合料。研究给出了几种典型的软弱混合料的级配特点。 1965年 Hudson和 Davis进一步研究Nijboer的研究成果，研究出根据级配组成预估沥青混合料矿料间隙率的方法。根据他们的研究，筛孔尺寸以两倍关系递增的条件下，相邻不同粒径的通过率的比例关系与矿料间隙率的变化呈一定的系数关系。根据这种系数关系，在知道初始填充料的孔
9、隙率以后就可以计算预估出整个混合料的矿料间隙率。 前苏联伊万诺夫提出用颗粒分级重量递减系数k为参数的连续级配密实理论（简称K法）。 我国同济大学参照n法和k法提出直接采用通过率递减系数i为参数的级配组成计算方法，（简称i法）。按照国外规定和我国的经验，i=0.650.75。 SUPERPAVE的级配理论直接出自于“SHRP”计划 的SHRPA408的报告。1994年 Cominsky.R，R.B.Leahy等提交了SHRPA408的报告，LEVEL ONE MIX DESIGN：Materials Selection Compaction，and Conditioning。该报告采用了一种叫做
10、“改良特尔菲”的集思方法，对专家组成员进行调查和咨询，该调查进行了五轮，SHRP研究者确定出范围和规范、级配控制点、0.45次方级配曲线图等。限制区起初定义为：“在最大理论密度线上从0.32.36mm附近级“贝雷法”设计配曲线不适宜通过的部分”。这就是目前Superpave级配要求的由来。为了进一步研究限制区和级配等问题，美国联合攻关项目 NCHRP 9-l4“Superpave集料规范中限制区的研究”继续开展对级配相关性能的研究。3 级配的表征与确定方法 如何来表征级配曲线，我国以前没有统一的要求，常用的级配曲线图有的采用等分线坐标，有的采用半对数线坐标，有的采用平衡面积法绘制沥青混合料的级
11、配曲线。欧洲许多国家也多采用半对数坐标作为级配曲线的绘制图。1962年JOSEPHFGOODE和LAWRENCE ALUFSEY在AAPT发表了论文详细论述了0.45 次方级配曲线图以及在该图上对沥青混合料级配性质的分析。但是直到SuperpaveTM沥青混合料设计体系才将该图作为标准的级配曲线图。由于采用0.45次方级配曲线图可以比较清晰地分析对比沥青混合料的体积性质和施工性质的某些特性，最近我国即将推出的新的沥青路面设计与施工技术规范也将0.45次方级配曲线图作为标准的级配曲线图。 美国 SuperpaveTM沥青混合料设计体系采用该图来表征沥青混合料矿料的级配。SHRP研究者确定出范围和
12、规范、级配控制点、0.45次方级配曲线图等。限制区起初定义为：“在最大理论密度线上从0.32.36mm附近级配曲线不适宜通过的部分”。不同最大工称尺寸的混合料级配其限制区域控制点的范围可以参见SuperpaveTM的相关文献。沥青混合料级配各筛孔的设置仍沿用ASTMD3515系列的的设置方法，即：75、150、300、600（m）、l.18、2.36、4.75、9.5、12.5、19、25、37.5、50、63（mm）。见图3l。图3-1 0.45次方级配曲线图4 级配对沥青混合料性能的影响 早在1940年Hveem对级配和性能的影响关系作了定性的研究分析，给出了可能发生问题的区域提示。这几个
13、区域主要分成四部分，如果在0.45次方级配曲线图上标示，各区域见图4-1。图4-1 Hveem研究沥青混合料级配对性能的影响 （1）0.0750.6mm，如果这一部分含量过高，属于驼峰级配，沥青含量稍多就会造成混合料的不稳定； （2）0.152.36mm，如果这一部分含量过低，混合料孔隙过大，缺乏抗拉强度； （3）最粗的集料部分含量过多，级配曲线最大筛孔附近过于陡直，则混合料容易离析： （4）级配曲线最大筛孔附近过于平缓，粗集料相对较细，表面均匀易于修整。 1997年美国国家沥青技术中心的Mallick，R.B，M.S.Buchanan，E.R.Brown，采用全破碎集料和含有20天然砂的集料
14、，级配曲线分别通过限制区上中下测试其相关Superpave体积和压实性能。根据其研究，得出了一下有关级配性质的主要结论： （1）对于给定的集料级配，级配曲线在限制区以上和以下都可以得到比通过限制区要大的矿料间隙率； （2）全部采用破碎集料的混合料比含有天然砂的混合料具有更高的矿料间隙率； （3）混合料级配曲线位于限制区以下时，初始压实次数下具有较高的孔隙率； （4）对于破碎集料，最大压实次数在限制区以上级配的孔隙率最大，限制区以下的孔隙率最小； （5）含有天然砂的混合料级配，都不能满足Superpave体积指标要求，采用全破碎级料的混合料，其级配通过限制区和限制区以下的混合料都能满足Super
15、pave体积指标要求； （6）级配通过限制区设计出的混合料具有最小的沥青含量和最小的矿料间隙率： （7）通过限制区的破碎混合料的体积性质好于含有 20天然砂而位于限制区以下的混合料。 目前已经结束NCHRP-149 “Superpave集料规范中限制区的研究”，并得出了一些关于限制区等方面的研究成果。印第安纳交通部和普渡大学采用三轴试验和路面加速测试系统（APT）进行了相关的研究，也得出了相似的结论。NCHRP9-14主要内容和结果包括： （1）研究的第一、二部分采用最大公称尺寸为9.5的混合料，分别在设计压实次数为75、100和 125次的压实条件下，代表沥青混合料适应于0.33、330、大于30个ESALs的交通量的条件下。试验结果显示，没有避开限制区的混合料相似或好于避开限制区的混合料。 （2）研究的第三部分采用最大公称尺寸为19mm的混合料，分别在设计压实次数为75、100次的压实条件下，代表沥青混合料适应于0.33、330个ESALs的交通量的条件下。试验结果显示，没有避开限制区的混合料相似或好于避开限制区的混合料。 （3）许多的研究表明，最大公称尺寸为9.537.5mm的混合料，设计压实次数从75、152次的压实条件下，得出的结果与该研究结果相似。因此可以得出这样的建议：a如果混合料可以满足Superpave的体积要
