AC-13沥青混合料骨架密实结构级配设计及优化方法

罗安邦

(岳阳市公路桥梁基建总公司，湖南 岳阳　414000)



AC-13沥青混合料骨架密实结构级配设计及优化方法

罗安邦

(岳阳市公路桥梁基建总公司，湖南 岳阳414000)

针对我国对AC-13骨架密实型沥青混合料的研究现状及不足，对比分析了规范级配设计范围和方法与骨架密实结构级配设计方法的优缺点。研究了用VCADRF方法检验矿料级配是否属于紧密骨架密实结构的原理和方法，并针对高速公路沥青路面上面层AC-13的特点，建议AC-13沥青混合料为骨架密实结构，级配特征曲线为“S”形，关键筛孔4.75 mm通过率为35%，碎石加工振动筛应按以下4档料进行加工，研究成果可为AC-13沥青混合料骨架密实结构的设计提供参考。

；道路工程；沥青混合料；骨架密实；级配设计；VCADRF法

0　前言

我国沥青路面上面层一般采用AC-13细粒式改性沥青砼，AC-13沥青混合料的性能和质量直接影响沥青路面的耐久性和使用性能，而AC-13沥青混合料的路用性能则主要取决于级配设计及材料性能。进行沥青混合料的级配设计时，需综合考虑当地气候条件、原材料性能、交通等级、施工技术等情况，从而确定出沥青、填料和粗细集料在沥青混合料中的最佳掺配比例。合理的级配设计应在保证优良的路面性能的同时，尽可能地降低实体工程的施工难度及工程造价。

优化级配设计是改善配合比设计的关键所在，项目建设过程中，试验人员在级配设计中往往只求满足相关设计与施工规范中规定的技术标准，这样得到的矿料级配有很大的局限性，并不一定是最合适的，因现行规范中的配合比设计方法不能依据岩石不同性质进行设计、检验和调整，以满足不同结构的要求[1-3]，也不能具体计算矿料级配中每一筛孔的通过率[4-6]，所以在进行配合比设计时，应根据当地的原材料性能研究矿料级配设计方法和检验方法，对AC-13沥青混合料的级配进行优化。

1　级配设计理论与级配范围

1.1级配设计理论

国内外学者和工作者对沥青混合料的级配组成做了大量的研究工作，常用的级配理论有粒子干涉理论(the theory of interference)、最大密度曲线理论(the theory of maximum density curve)和分形理论(fractal theory)[4，5]。

最大密度级配曲线理论由Fuller通过试验提出的一种理想曲线，该理论认为“矿料的颗粒级配曲线愈接近抛物线其密度愈大”，主要用于计算连续级配和描述其粒径分布。因为各级数量比较接近，此法多属于传统密级配设计，粗集料含量少，同级颗粒间不能相互接触，不易形成骨架结构，所以高温稳定性较差，易产生车辙，且传统密级配细集料用量多，表面构造深度小，抗滑性能差[4，5，7]。

魏矛斯(Weymouth)提出的粒子干涉理论是以填充理论为基础，逐级进行填充，在填充颗粒粒径小于前一级颗粒间隙的前提下，达到最大密实度，粒子干涉理论可用于计算折断级配、连续级配和间断级配[5]。

近年来随着材料学的发展出现了分形理论，主要是将分形几何理论应用于研究沥青路面材料级配而出现的一种新方法，目前的研究和应用还较少[5]。

1.2现行规范的级配设计方法

国外骨架密实型级配设计一般采用粒子干涉理论、SUPERPAVE法以及贝雷法，国内有CAVF法等。在粗集料断级配沥青混凝土级配设计上，国内外文献上都没有具体的方法，都凭自已的经验确定一个较宽范围或一条级配曲线(仅法国)，让使用者按照中值和矿料组成，自己选择一条级配曲线[4]。如我国的《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)和《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)分别提出过2个级配设计范围，如表1所示。

表1 AC-13级配范围与中值级配类型规范通过以下筛孔(mm)百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC-13C中值JTGF40-200410090～10068～8538～6824～5015～3810～287～205～154～81009576.5543726.51913.5106AC-13C中值JTGD50-200610090～10060～8030～5320～4015～3010～237～185～124～8100957041.53022.516.512.58.56

根据现行规范设计施工图设计中AC-13的级配中值设计，如图1所示。

图1　施工图设计中AC-13的级配中值设计

在做配合比设计时，道路工作者按照规程的操作方法[3]，一般先做级配曲线试验，再通过配合比试验选定一条合适的级配曲线，然后通过沥青混凝土的性能试验确定级配设计是否符合要求。如不符合要求，则重新调整级配，再进行沥青混凝土性能试验，直到满足规范要求。存在的问题是2个规范提出的级配范围略有不同，且范围相对较大，道路工作者只能凭自已的经验在较大的级配范围内进行调整，或按照规定范围的级配中值来配料，配出来的料只能等待性能试验做完后，才能确定矿料级配是否合适，这种方法费时、费力，也造成了经济上的浪费。

2　骨架密实结构级配设计与检验

针对现行规范级配设计中存在的问题，沙庆林院士提出了骨架密实结构级配设计方法和VCADRF级配检验方法[7-9]，其设计原则是用粗集料形成骨架，用沥青和细集料填充骨架中的孔隙，属于间断级配范畴。

2.1骨架密实结构级配设计方法

粗集料断级配的是指矿料中以粗集料为主[4]，通常占60%以上，同时又是断级配，粗集料各个筛孔通过量的设计曲线为一条幂函数较大的曲线，使粗集料形成孔隙率较大的骨架结构，细集料筛孔通过量为一条幂函数较小的曲线，以便用沥青和细集料填充骨架中的孔隙，形成骨架密实结构。一般来说，P4.75=30%为紧密骨架密实结构，P4.75=35%为骨架密实结构，P4.75=40%为疏松骨架密实结构，P4.75>40%为悬浮式密实结构。

粗集料筛孔通过量的曲线方程为[7]：

(1)

式中：di为某筛孔尺寸，mm；Dmax为集料的公称最大粒径，mm，如AC-13C的公称最大粒径Dmax=13.2 mm；Pdi为某筛孔di的通过量；A、B为两个系数。

目前《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中规定，公称最大粒径通过率为90%～100%，考虑到保留公称最大粒径以上部分会影响室内平行试验的均匀性，也对施工现场的均匀性有不利影响。所以AC-13最大公称粒径筛孔通过率取高限100%。

式(1)中两个未知数A、B，由两个已知控制点建立方程，一个是最大公称粒径的通过量100%，另一个是4.75 mm筛孔的通过量，在30%～40%之间。

细集料各个筛孔通过量方程为[7]：

(2)

式(2)中两个未知数A、B，由两个已知控制点建立方程，一个是di=4.75 mm的通过量，与粗集料设计时的P4.75相同，另一个是di=0.075 mm筛孔的通过量，在3%～10%之间。

2.2骨架密实结构级配检验方法

可采用捣实密度VCADRF检验建议级配曲线是否适应某种岩石破碎的粗集料，检验前先进行粗、细集料的吸水率和密度试验。沥青混合料的矿料由粗集料、细集料、填料组成，VCADRF级配检验方法的基本原理是粗集料骨架间的空隙能够恰好被沥青、细集料和填料填满，同时保留部分孔隙率，此方法主要是建立和分析粗集料的孔隙率与细集料、填料、沥青的体积关系，一般适用于骨架密实型沥青混合料，可以利用VCADRF级配检验方法对上述级配设计方法得到的优化后的级配进行检验。

3　级配优化方案

3.1原目标配合比存在的问题

南方某高速公路沥青路面建设中，目标配合比中，矿料组成如表2所示。

表2 目标配合比中矿料组成材料规格/mm矿料组成/%9.5～16.0304.75～9.5362.36～4.7500.075～2.3633矿粉1

存在的主要问题是，目标配合比中矿料组成没有把3#料(即2.36～4.75 mm)投放到合成级配里，4.75 mm这一点超出级配线，不符合要求，形成了断档级配，这一级材料不投放，影响沥青混凝土的和易性，也就是沥青混合料的流动度；矿粉的投入只有1%，没有投放水泥，不合理。此外，目标配合比应该采用符合规范要求的原材料进行配置，不符合规范要求的原材料要进行筛分，直到符合要求才能进行试验。如目标配合比直接采用不符合要求原材料进行配置，可能会导致材料的投放比例不合理，尤其是矿粉的投入，可能会把原材料的粉料也计算在内，没有考虑拌合机械的吸尘已经把原材料中的粉尘吸走。

3.2级配优化方案

根据目标配合比级配设计中存在的问题，建议调整级配，采用骨架密实级配。根据骨架密实级配的设计与检验方法，研究提出了沥青面层各结构层的级配曲线，见表2和图1。其4.75 mm筛孔的通过率为35%左右，为一般骨架密实结构，并提出了级配范围。上面层AC-13C沥青混合料级配范围与级配中值见表3。

表3 AC-13C沥青混合料级配组成曲线(方孔筛)AC-13C级配方孔筛(mm)的通过率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075上限1001007740322521161310下限1009565302217131086级配中值10010071.33527.321.316.813.110.28规范级配100957041.53022.516.512.58.56

级配中值及与设计中值的比较如图2所示。

表3和图2中的优化级配表明：

1) 建议级配为结构骨架密实型，其特点为“S”形曲线，即在4.75 mm以上筛孔通过率大于规范参考级配中值，4.75 mm以下筛孔通过率小于规范参考的级配中值。

2) 关键筛孔4.75 mm的通过率为35%，与一

图2　AC-13级配中值及与设计中值的比较

般骨架密实结构相比稍粗一些，这样既可以形成骨架密实结构又方便施工过程中的碾压。

按照料仓进料相对均衡原则，将碎石加工设备的振动筛划分4～5档，根据建议级配曲线确定各筛孔的含量为：0～2.36 mm筛孔含量为27.3%(包括矿粉)、2.36～4.75mm筛孔为7.7%、4.75～9.5 mm筛孔含量36.3%、9.5～16 mm筛孔含量28.7%。因此，碎石加工振动筛应按以下4档料进行加工：即16～9.5 mm、9.5～4.75 mm、4.75～2.36 mm、2.36～0 mm。

4　结论

1) 建议AC-13沥青混合料为骨架密实结构，级配特征曲线为“S”形，即在4.75 mm以上筛孔通过率大于规范参考级配中值，4.75 mm以下筛孔通过率小于规范参考的级配中值。

2) 关键筛孔4.75 mm通过率为35%，与一般骨架密实结构相比稍粗一些，这样既可以形成骨架密实结构又方便施工过程中的碾压。

3) 按照料仓进料相对均衡原则，碎石加工振动筛应按以下4档料进行加工：即16～9.5 mm、9.5～4.75 mm、4.75～2.36 mm、2.36～0 mm。

[1]JTG D50-2006，公路沥青路面设计规范[S].

[2]JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[3]JTG E20-2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[4]沙庆林.矿料级配检验方法之一VCADRF方法[J].公路，2005(2)：89-99.

[5]王立久，刘慧.矿料级配设计理论的研究现状与发展趋势[J].公路，2008(1)：170-174.

[6]王富玉，沙庆林，张勇.VCADRF和VCAAC检验方法在SAC13级配设计中的应用[J].吉林大学学报(工学版)，2007，37(3)：538-543.

[7]沙庆林.SAC和其他粗集料断级配的矿料级配设计方法[J].公路，2005(1)：143-150.

[8]沙庆林.矿料级配检验方法之二VCAAC方法.公路，2005(4)：122-132.

[9]沙庆林.矿料级配检验方法之二VCAAC方法(续).公路，2005(5)：107-116.

2016-05-20

罗安邦(1983-)，男，工程师，主要从事公路桥梁建设管理工作。

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