骨架密实型沥青混合料级配优化设计及性能分析

徐龙，毕玉峰，于大海

（1.山东建筑大学 交通工程学院，山东济南250101；2.山东省交通规划设计院，山东 济南250031）

骨架密实型沥青混合料级配优化设计及性能分析

徐龙1，毕玉峰2，*，于大海1

（1.山东建筑大学 交通工程学院，山东济南250101；2.山东省交通规划设计院，山东 济南250031）

研究法国GB5新型沥青混合料及其设计方法在我国的适用性，对于明确GB5沥青混合料性能特点具有一定参考价值，对实际工程应用也有一定借鉴意义。文章基于法国GB5骨架密实型沥青混合料及其设计方法，分析了GB5型沥青混合料的特点，依照其设计原理设计混合料级配并进行了系列室内试验，对用GB5矿料级配设计方法获得的高性能沥青混合料GB5-13与应用传统马歇尔沥青混合料设计法设计的SMA-13两种沥青混合料进行对比分析。结果表明:GB5-13沥青混合料密实度大且沥青用量低，比SMA-13沥青用量低10%；新型沥青混合料因初始空隙率水平低且矿料级配内摩阻力高而具有较好的水稳定性，GB5-13劲度模量大，控制应变模式下的GB5-13疲劳性能逊于SMA-13；优化矿料级配后的沥青混合料高温稳定性有所提高，而低温性能未得到改善。

沥青混合料；骨架密实；级配设计；GB5-13

0 引言

自沥青混合料诞生以来，因其优异的性能表现而成为全世界高等级路面材料之一，随着新交通环境的不断变化，对沥青混合料性能的要求也在不断提高。骨架密实型沥青混合料以高内摩阻力的矿料结构和适当的细料胶浆水平而具有出色的路用性能表现［1-3］。较好内摩阻力需要集料间的嵌挤作用产生，矿料嵌挤特性的优良直接关系着高性能沥青混合料的形成与否。

国内主流矿料级配设计方法包括主骨料空隙填充法CAVF（Course Aggregate Void Fillingmethod）［4］和 多 碎 石 沥青混凝土SAC（Stone Asphalt Concrete）［5-6］矿料级配设计法以及多级嵌挤密实级配MDBG（Multilevel Dense Built-in Gradation）设计方法［7］，国外的贝雷法［8］、Superpave法［9］等也不同程度地得到应用。在此基础上，级配设计方法的研究大致可分为3类:基于某种特定沥青混合料类型的级配优化［10-11］、基于不同混合料设计方法的级配优化［12］和基于沥青混合料综合路用性能、设计指标或评价指标（高温性能、体积参数等）的级配优化［13-14］。各种设计方法特点突出又目标一致，通过以上列举的各方法均能获得具有较好嵌挤特性的骨架型沥青混合料。Superpave法提出的级配控制点和禁区的概念有助于设计者一定程度上控制级配的粗细状态，但级配设计过程仍含有较大的经验性。贝雷法是唯一粗细集料划分界限随公称最大粒径变化的级配设计方法，同时提出粗集料比（CA）、细集料中粗集料比例 （FAC）和细集料中细集料比例（FAF）等3个级配检验指标，其体系的完整性较之其他设计方法更强。CAVF法的设计标准是细集料颗粒和沥青胶浆均不对粗集料的嵌挤结构造成干涉，其粗细级配确定方法和合成级配验证均需进一步完善。SAC法明确了CAVF法中未确定的级配验证方法，提出VCAAC和VCADRF两种级配检验方法。多级嵌挤密实型级配MDBG设计方法是通过室内捣实试验和体积分析获得合成级配配比，并借助贝雷法进行级配验证，体系完善。

文章主要介绍了一种新型间断级配矿料设计方法，并用其设计骨架密级配混合料GB5-13（Grave Bitume 5-13），消除集料颗粒间的干涉作用和边界作用，使其集料嵌挤达到最优化，空隙率水平最优化，以此提高矿料级配的骨架嵌挤能力并提高其密实度，可以降低用来填充集料颗粒间空隙的沥青用量。选用SMA-13（Stone Mastic Asphalt-13）作为对照，借助室内试验评价GB5-13沥青混合料的路用性能和力学性能。

1 法国GB5沥青混合料简述

法国GB5新型沥青混合料以消除干涉作用对矿料空隙率的影响为前提，基于集料嵌挤理论来确定不同粒径集料用量，形成单间断或双间断级配的密实骨架嵌挤结构，继而与聚合物改性沥青拌合而形成高性能沥青混合料（HPAs）。其具有密实度大、劲度模量高和抗疲劳性能好的特点，有助于降低沥青路面厚度和提高路面寿命。

1.1 理论基础

François介绍了Caquot提出的GB5型沥青混合料集料嵌挤的理论方法［15］，并得到20世纪70年代后的研究者不断丰富发展，得出与之相对应的许多嵌挤模型和精确算法。该嵌挤理论由Perraton［16］转化应用到沥青混合料领域，之后Olard等［17］不断完善，形成GB5沥青混合料设计体系。

不同粒径的两种颗粒间存在两类相互作用影响集料空隙比的大小，即边界作用和干涉作用，后者又称之离散作用。当在空间无限大的细集料中加入少量粗集料，细集料的排列被干扰，即边界作用产生。此时，边界处的空隙增大但粗集料占据细集料的空间更大，矿料的空隙比（空隙与矿质实体的体积之比）减小，并且边界作用与颗粒间的空隙以及颗粒和颗粒团接触产生的任何形式（管状和板状等）的边界有关。交界面处空隙的增加与加入粗集料的表面积成比例关系［15］。干涉作用是指在无限大体积的粗集料中加入些许细集料，随着细集料数量的增加，部分粗集料被迫分离，使其空间结构发生改变。部分被迫分离的粗集料间空隙增大，矿料空隙比相应增加。边界作用和干涉作用图解如图1、2和3［15］所示，图3中F为细集料空隙比；C为粗集料空隙比；D为边界作用系数。

图1 边界作用图

图2 干涉作用图

图3 边界作用和干涉作用图解图

相邻两档集料的平均粒径比越大，边界作用和干涉作用对矿料空隙比的影响越明显。当一种集料粒径相对 于另一种 非常小 （d细集料／d粗集料≤0.008）时，在二元混合料中，通过三条直线来描述混合料空隙比的变化规律，定义临界值Px和Pt来消除边界作用和干涉作用对空隙比的影响［15］。点Pt处的粗集料比例使得相邻两档集料间无干涉作用产生且混合料空隙比最小，即密实度达到最大值。对应细集料含量由高到低的3条直线关系如图4所示，其中E为常 数 ［15］。

图4 不同含量细集料的矿料空隙比变化图

1.2 集料嵌挤优化方法

由1.1所述可知，矿料骨架结构的形成需消除干涉作用的影响。根据Furnas的研究成果，将矿料按粒料粒径相对大小分为细集料、中集料和粗集料。其中，中集料与粗集料的粒径比应小于0.2（d中≤0.2d粗），细集料与中集料的粒径比也应小于0.2 （d细≤0.2d中），即相邻两档集料的平均粒径比不大于0.2。

根据所设计矿料最大公称粒径及其所含粒料种类（n），分n-1步对其进行迭代优化，每一步迭代优化需6次旋转压实来确定最优配比，每次压实要用法式旋转压实仪分别对不加沥青的粒料压实20转，确定其各自的空隙比。其中每一步都要对相应集料组成的矿料做3次旋转压实试验来确定如图4所示的3条直线方程，3次压实所取粗集料比例分别为0%、40%和100%。临界值Pt处进行1次旋转压实，Pt±3%处进行2次旋转压实来对临界值Pt进行敏感性分析。假设存在3类集料，分别为粗集料、中集料和细集料，则概括集料嵌挤优化的具体步骤如下:

（1）把中集料看作细集料，经6次旋转压实确定临界值Pt1，即中集料用量为1-Pt1，粗集料用量Pt1。

（2）把上一步确定的最佳用量比的中、粗集料看作粗集料，再经6次旋转压实确定临界值Pt2，最终确定细集料、中集料和粗集料的最佳配比。

2 骨架密实型沥青混合料GB5-13级配优化设计

2.1 集料筛分

试验集料选用济南黄河三桥施工现场玄武岩，各档集料筛分结果见表1。

2.2 级配优化过程

文章所述GB5-13沥青混合料包含矿粉、0-1.18、0-5和10-15等4档集料，由1.2所述矿料级配优化方法可知，共需进行3步级配优化，每步优化粗细集料的体积之和为单位1，采用美式旋转压实仪，垂直压力600 kPa，有效内旋转角1.16°，旋转速率30 r／min，压实次数5 r／次。优化过程如下:

第一步优化中，10-15集料为粗集料，0-5集料为细集料，且d细集料／d粗集料＝0.1846＜0.2。按照文章1.2所述流程进行旋转压实，矿料空隙比分别由式（1）～（3）表示为

表1 各档集料筛分结果

式中:ei为矿料空隙比，i＝1，2，3；p为粗集料比例。

由式（2）和（3），求得优化后的Pt值为79%，优化过程如图5所示。

图5 0-5和10-15两档集料优化过程图

在第一步优化的基础上，粗集料由79%的10 -15集料和21%的0-5集料组成，细集料为0-1.18，d细集料／d粗集料＝0.2394＞0.2，此时粗细集料间会产生一定程度的干涉作用，需对计算出的Pt值进行优化，验证其敏感性。经旋转压实矿料空隙比分别由式（4）～（6）表示为

由式（5）和（6）得到Pt为87.9%，在该值附近取不同p值进行试验，求取使得矿料空隙比达到最优的点，最终取Pt＝83%，优化过程如图6所示。

经过两次优化后，将65.6%的10-15集料和17.4%的0-5集料以及17%的0-1.18集料组成粗集 料，矿 粉为 细 集料，d细集料／d粗集料＝0.1572＜0.2，满足要求。进行旋转压实试验得到矿料空隙比由式（7）～（9）表示为

由式（8）和（9）得到Pt为90%，优化过程如图7所示。

图6 0-1.18、0-5和10-15三档集料优化过程图

图7 矿粉、0-1.18、0-5和10-15四档集料优化过程图

经三步优化后，确定GB5-13各档料体积配比如下:

（1）10-15:79%×83%×90%＝59%

（2）0-5:21%×83%×90%＝15.7%

（3）0-1.18:17%×90%＝15.3%

（4）矿粉:1-90%＝10%

为避免填料过多引起沥青混合料高温稳定性不足，保证混合料一定空隙率水平（不同于水泥混凝土），并结合拌合厂的实践情况，将填料体积配比确定为5%［17］。各 档集 料 体积 比 转 化为 质 量比 为10-15:0-5:0-1.18:矿粉 ＝62%:17%:16%: 5%。另外，按照马歇尔级配中值逼近法确定SMA-13级配组成。木质纤维用量均为0.3%。两种矿料级配各档集料通过百分率、物理指标分别见表2、3，合成级配曲线如图8所示。

表2 两种沥青混合料级配组成

表3 两种沥青混合料矿料物理指标

图8 两种沥青混合料的合成级配曲线图

从表2、3和图8可以看出，SMA-13以3-5为间断档，骨架结构的形成依靠5-10和10-15两档集料，则5-10势必会对10-15的组成结构造成干涉。级配理论依据不同，GB5-13的间断档为5-10，骨架结构的形成单靠10-15一档料，其级配曲线上半部分稍低于规范下限，下半部分高于规范上限，粗中显粗，细中偏细，成“S”型。

3 2种沥青混合料性能对比分析

3.1 马歇尔指标分析

沥青选用成品SBS改性沥青，其技术参数见表4。按照JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》［18］，用马歇尔击实仪双面击实50次成型试件。两种沥青混合料切面如图9所示，测定其体积指标见表5。

表4 沥青技术参数

图9 SMA-13（左）和GB5-13（右）切面图

表5 两种沥青混合料的体积指标

从表5可以看出，GB5-13沥青用量比SMA-13减少10%，VMA水平低于SMA-13，沥青饱和度略高。总体而言，GB5-13相对于SMA-13具有更高的密实度。

3.2 路用性能验证

通过60℃车辙试验、单轴贯入试验、小梁弯曲试验、浸水试验和冻融劈裂试验分别对沥青混合料的高温稳定性、低温性能和抗水损害性能进行验证［18-19］。试验结果见表6。

由表6可知，基于新型骨架嵌挤原理的GB5-13沥青混合料高温稳定性和抗水损害性能均要优于SMA-13，原因在于GB5-13要比SMA-13更加密实，前者矿料颗粒以10-15为主要骨架集料，摩阻力高。另外，前者其沥青用量低。车辙试验环境下，5-10料档较10-15偏细，从车辙试验和单轴贯入试验结果来看，SMA-13动稳定度对GB5-13的占比为79.5%，抗剪强度占比为79.6%，说明其高温性能稳定。另外，骨架密级配混合料GB5-13低温抗裂性能稍逊于SMA-13，但远大于规范要求值。

表6 两种沥青混合料路用性能指标

3.3 动态模量分析

通过单轴动态模量试验分别测定5、20、35和50℃等4个温度点下0.5、1、5、10及20 Hz等5个频率的两种沥青混合料动态模量。利用时温等效原理，以20℃为基准温度绘制2种沥青混合料的动态模量主曲线，如图10所示。

图10 两种沥青混合料动态模量主曲线图

从图10中可以看出，GB5-13高频区动态模量高于SMA-13，低频动态模量区两者几乎无差别。结合抗剪强度数据可知，高抗剪强度的GB5-13沥青混合料具有良好的高温稳定性，SMA-13低温性能优良。另外，GB5-132的20℃、10 Hz动态模量为7518 MPa，较相同条件下SMA-13的动态模量5724 MPa高31%，说明在接近沥青路面实际受力状态的情况下，GB5-13更优越一些。

3.4 疲劳性能验证

采用控制应变形式的四点弯曲疲劳试验，试验结果见表7。

表7 两种沥青混合料疲劳试验结果

由表7可知，GB5-13初始劲度模量均高于SMA-13，应变控制模式下，GB5-13要达到固定应变水平，每次重复荷载作用于试件的所需应力值就会增大，GB5-13就容易达到疲劳寿命值。另外，GB5-13沥青用量水平较SMA-13低，也是导致其疲劳性能差的一个因素。

4 结论

通过上述研究表明:

（1）GB5矿料级配设计方法依靠单档集料形成骨架嵌挤结构，优化后的矿料级配与SBS改性沥青拌合而成的混合料GB5-13较SMA-13更加密实，沥青用量降低10%。

（2）GB5-13和SMA-13两种沥青混合料均具有较好的水稳定性，但GB5-13要比SMA-13好一些，主要由于前者的骨架嵌挤结构更稳定，具有较好的内摩阻力，且前者的初始空隙率比后者要小，沥青混合料更加密实，沥青胶浆填充效果好。级配优化后的GB5-13沥青混合料疲劳性能未得到提高。

（3）GB5-13和SMA-13高频（低温）动态模量有差别，GB5-13低温破坏应变水平和抗弯拉强度低于SMA-13，说明GB5-13低温性能逊于SMA -13；低频动态模量几近相同，同时GB5-13抗剪强度和动稳定度均高于SMA-13，说明GB5-13高温稳定性较好。

［1］ 倪敏.沥青混合料骨架密实结构评价指标及性能研究［M］.西安:长安大学，2015.

［2］ 李林萍，张金辉，胡邦燕.骨架密实型沥青混合料级配优化设计［J］.公路工程，2015，40（5）:7-10，13.

［3］ 刘红瑛，陈爱文.沥青混合料集料骨架问题研究［J］.公路，2013，58（11）:180-183.

［4］ 张肖宁，王绍怀，吴旷怀，等.沥青混合料组成设计的CAVF法［J］.公路，2001（12）:17-21.

［5］ 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.

［6］ 沙庆林.沥青混凝土矿料级配的发展方向［J］.铁道建筑技术，2007（4）:1-8.

［7］ 陈忠达，袁万杰，高春海.多级嵌挤密实级配设计方法研究［J］.中国公路学报，2006，19（1）:32-37.

［8］ 陈爱文，郝培文.应用贝雷法设计和检验级配［J］.中外公路，2004，24（5）:101-103.

［9］ 彭波，田见效，陈忠达.Superpave沥青混合料路用性能［J］.长安大学学报（自然科学版），2003，23（5）:21-23，93.

［10］李红梅，刘文方.AC-16沥青混凝土上面层工程级配优化研究［J］.交通标准化，2014，42（14）:93-95.

［11］李宏亮，杨三强，刘书君，等.ATB25沥青碎石混合料级配设计与优化试验［J］.北华大学学报（自然科学版），2014，15（1）: 126-130.

［12］郭寅川，申爱琴，李志远，等.基于贝雷法的SMA-13双指标控制配合比优化设计［J］.公路，2014（1）:187-191.

［13］刘树堂，曹卫东，任晓刚，等.Superpave体系级配设计关键技术分析与VMA曲线预测［J］.中国公路学报，2015，28（2）:8-13，25.

［14］杨春景，刘冉冉.粗细集料比对排水性沥青混合料性能的影响［J］.公路工程，2015，40（2）:287-291，334.

［15］François O..GB5mix design:High-Performance and Cost-Effective asphalt concretes by use of Gap-Graded curves and SBSmodified bitumen［J］.Road Materials and Pavement Design，2012，1（13）: 234-259.

［16］Olard F.，卜胤，汪海年.基于矿料嵌挤结构的间断型GB5沥青混合料设计［J］.中外公路，2014，34（1）:263-266.

［17］Olard F.，Perraton D..On the optimization of the aggregate packing characteristics for the design of high-performance asphalt concretes ［J］.Road Materials and Pavement Design，2010，11（1）:145-169.

［18］JTG F 40—2004，公路沥青路面施工技术规范［S］.北京:中国标准出版社，2004.

［19］毕玉峰，孙立军.沥青混合料抗剪试验方法研究［J］.同济大学学报（自然科学版），2005，33（8）:1036-1040.

（学科责编：赵成龙）

Gradation optim ized design and performance analysis of skeleton dense asphaltm ixture

Xu Long1，Bi Yufeng2，*，Yu Dahai1
（1.Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute，Jinan 250031，China；2.School of Transportation Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

It has certain reference value for the performance characteristics of GB5 asphaltmixture to research the applicability of France GB5 dense skeleton structure new asphaltmixture to China，which has some reference significance for the practical engineering application.This paper，based on France GB5 dense skeleton structure asphaltmixture and its design method，analyzed the characteristic of GB5 asphaltmixture，took a series of laboratory tests and designing gradation based on the theory of that，and made a comparative analysis of the pavement performance of GB5-13 which in terms of GB5 mineral aggregate gradation designmethod and SMA-13 that based on Marshall designmethod.Testing results show GB5 asphaltmixture has great compactnesswith 10%lower asphalt content than SMA-13.The new type of asphaltmixture has high moisture resistance due to lower initial porosity and higher inner friction，and with great stiffnessmodulus，the fatigue resistance of GB5-13 isworse than SMA-13's by controlling strain mode.The asphaltmixture with optimized gradation has great high temperature stability，but the low-temperature crack resistance of that is not improved.

asphaltmixture；dense skeleton；gradation design；GB5-13

U411

A

1673-7644（2017）03-0263-06

2017-05-17

徐龙（1990-），男，在读硕士，主要从事沥青与沥青混合料等方面的研究.E-mail:sdxl005＠163.com

*：毕玉峰（1971-），男，研究员，博士，主要从事道路结构及材料等方面的研究.E-mail:biyf＠163.com