大粒径骨架密实型沥青稳定碎石ATSM-40级配设计

李遂生，索智，刘文娟，张瑞，张乾，罗亮，闫强, 谭祎天

（1.郑州市公路管理局，河南 郑州，450052；2.北京建筑大学，北京，100044；3.河南乾坤路桥工程有限公司，河南 新乡，453300）

一、研究背景

自20世纪60年代至今，我国道路基层多选用半刚性道路结构，由于这种结构具有整体强度高、施工质量好控制等优点，得到了广泛的应用。但随着近年来经济的发展，车辆荷载和胎压也在逐渐地增加，路面结构在使用期间要承受车轮荷载的反复作用，这种情况下，刚性基层材料极易产生微裂纹，当荷载重复作用一定次数以后，所产生的应力就会超过路面结构抗力，从而出现疲劳断裂破坏，导致道路病害。

现有研究成果表明：随着粒径的增大，大粒径骨架密实型沥青混合料可以通过主骨架的充分嵌挤形成骨架结构并提供良好的内摩阻力，矿粉与沥青形成的胶浆提供黏聚力，具有很好的路用性能和疲劳性能。因此，本文就大粒径骨架密实型沥青稳定碎石基层材料(ATSM-40)的级配设计方法进行了详细叙述。

二、级配设计原理

由沥青混合料网络结构中嵌挤成分以及密实成分所占的比例不同，可将沥青混合料分为密实悬浮型、骨架空隙型、骨架密实型三种典型结构。其中，密实悬浮结构和骨架空隙结构的沥青混合料都存在缺陷，但骨架密实结构的沥青混合料，其级配综合了其他两种类型的组合结构，较好地避免了结构上的不足。本文提出了ATSM-40沥青混合料级配设计方法，基于平面三圆理论，通过分析对比AC系列与SMA系列得到关键筛孔的变化规律，从而得到ATSM-40级配。

（一）贝雷法的基本原理

贝雷法不再使用传统级配设计方法所定义的粗细集料，而是通过嵌挤和填充这两个新的理念对集料进行粗细划分。贝雷法中粗集料被定义为在单位体积中可以产生空隙的大颗粒集料，细集料被定义为可以填充粗集料所产生空隙的集料。因此，粗细集料的划分是根据沥青混合料最大公称粒径的不同而有所变化的。贝雷法将集料分成三部分：粗集料、细集料中的粗集料、细集料中的细集料，由此提出三个关键筛孔PCS、SCS、TCS，通过控制三个关键筛孔通过率的比值来确定集料间是否形成嵌挤结构。

贝雷法首先将集料简化为两种平面模型圆形和片状，并利用数学方法推导出三圆模型、两圆一片状模型、一圆两片状模型和三片状模型集料所嵌挤形成的空隙大小与最大公称粒径的关系，取四种情况的平均值得到关键筛孔是最大公称粒径的0.22倍。

贝雷法将细集料部分看作新的混合料，将其重新分为粗、细两类，第二关键筛孔SCS作为其分界点，SCS为PCS的0.22倍。将其中的细集料再进行细化，用第三关键筛孔TCS进行控制，TCS为SCS的0.22倍。

（二）关键参数定义

贝雷法引入三个参数CA比、FAC比、FAf比。其中，CA比用来评价沥青混合料的空隙率以及粗集料含量。CA比反映了沥青混合料中的大粒径集料与D/2第一关键筛孔集料的关系，因此CA比的大小对混合料的路用性能以及压实效果有着很大的影响。其计算公式如下：

控制CA比小于1。若CA比大于1，则粗集料无法形成嵌挤结构，若CA比太小，则会使沥青混合料发生离析。一般将CA比控制在0.4～0.8之间，可以保证沥青混合料是骨架密实结构。

FAC比是反应细集料中粗料部分的嵌挤情况和细料部分的填充情况的参数。一般将FAC比控制在0.35～0.5之间。FAC比的计算公式如下：

FAf比是反应细集料中细料的嵌挤情况的参数。FAf比和FAC比都是控制沥青混合料体积特性的参数，对于密级配的沥青混合料来说，一般应控制FAf比小于0.5，FAf比的计算公式如下：

三、配合比设计

（一）原材料性能

1、沥青结合料

本次研究中，选用了70号基质沥青作为沥青混合料的胶结材料，并采用相关实验来测定70号基质沥青的针入度、延度、软化点以及质量变化，其相关指标如表1所示。各项指标均符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)要求。

表1.SK70#基质沥青性能指标

2、集料

本次实验采用的集料为河南省信阳出产的石灰岩，各项指标均符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)要求。

（二）ATSM-40配合比设计

本文通过对比密级配骨架悬浮型的沥青混合料AC以及密级配骨架密实型的沥青混合料SMA的各档集料的级配中值，分析沥青混合料从骨架悬浮型结构转变到骨架密实型结构过程中，其中值的上升或下降的百分比，初步得出密级配骨架密实型沥青稳定碎石ATSM的设计级配，再利用贝雷法的计算公式来验证ATSM的级配，并且对关键筛孔的比例进行修改，使其满足贝雷法的要求。

1、关键筛孔分析及规律变化探究

首先分析密级配沥青混合料AC以及沥青玛蹄脂SMA的级配中值，AC-13和SMA-13关键筛孔分别为2.36mm、0.6mm和0.15mm。计算其级配中值的变化规律，结果如表2所示。

表2.AC-13与SMA-13级配中值变化

AC-13由密实悬浮型结构转变到骨架密实型结构时，PCS下降47%，SCS下降15%，TCS上升15%。

再次对比密级配沥青混合料AC以及沥青玛蹄脂SMA系列的级配中值，其中AC-16和SMA-16关键筛孔为4.75mm、0.6mm和0.15mm。计算其级配中值的变化规律，结果如表3所示。

表3.AC-16与SMA-16级配中值变化

沥青混合料由密实悬浮型结构转变到骨架密实型结构时，PCS下降41%，SCS下降18%，TCS上升11%。

2、ATSM-40级配曲线设计

根据公式（1）（2）（3），可计算出ATSM-40的三个关键筛孔为9.5mm、2.36mm和0.3mm，取上表关键筛孔变化的平均值作为依据来调整现有ATB-40的级配中值。9.5mm筛孔通过率下降15.3%，2.36mm筛孔通过率下降42.3%，0.3mm筛孔通过率变化值过小，因此该筛孔通过率无变化，其余筛孔变化取平均值，进行相应的调整，从而得到ATSM-40的初步级配中值。

表4.ATB-40与ATSM-40级配中值

通过公式（4）（5）（6）计算贝雷法的三个参数，得到0.4＜CA=0.6＜0.8、0.35＜FAC=0.39＜0.5、FAf=0.88＞0.5，说明粗集料已形成嵌挤结构，但是FAf比值过大导致最细一档集料未形成嵌挤结构。对上表的ATSM-40级配进行调整，并且加入各档合成集料的筛分数据，得到表5的有关数据。

表5.ATSM-40级配设计表

通过计算得到0.4＜C A=0.4 6＜0.8、0.35＜FAC=0.47＜0.5、FAf=0.43＜0.5，三个关键参数均合格，说明ATSM-40的级配中粗集料嵌挤，细集料填充空隙，因此级配设计合格，满足贝雷法的要求。

（三）确定最佳沥青用量

本文根据试验规范要求，对沥青混合料进行配合比设计，因ATB-40的经验油石比为3%左右，故以2%、2.5%、3%、3.5%和4%五种油石比分别与上述配合比例的合成集料形成ATSM-40大马歇尔试件。然后，测得大马歇尔体积参数、稳定度和流值，再通过《公路沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）中相关方法最终确定的最佳油石比为3.2%。