骨架嵌挤密实型沥青混合料集料配合比设计

康 伟

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

引言

美国SHRP研究计划表明，集料在沥青混合料高温抗车辙方面发挥的作用较大，在沥青混合料低温抗裂性能方面的作用较小[1]，说明在表征混合料高温性能时，集料起着主要作用。多级骨架嵌挤密实级配（Multilevel Dense Built-in Gradation）有着与SAC、SMA骨架密实级配类似的优点，即路面防滑、抗磨耗性能好、高温稳定性好、低温抗裂性好、耐疲劳破坏等优点[2]，尤其适用于西部地区的道路建设，以改善“大温差”环境下的路用性能。

常规的沥青混凝土集料配合比，是通过调整级配使其符合规范级配建议的范围。考虑到集料原材料的产地、加工破碎方式的差异，同一类粒径的集料也会有不同特性，所以需要因地制宜进行级配设计。依据逐级填充理论，对骨架嵌挤密实型级配设计方法进行研究，针对集料的特性设计相应的级配，并分析所得级配的组成特点，将该级配特点与常用的集料级配进行对比，找到一种考虑集料特性、因地制宜的骨架嵌挤密实型沥青混合料集料配合比设计方法。

1 配合比设计

依据逐级填充理论作为骨架嵌挤密实型级配设计依据，采用单因素捣实实验确定粗集料、细集料骨架，最终用Superpave的体积设计法算出混合料的合成配比[3]。类似于土工试验的最大压实度试验，对不同配比的粗、细集料进行捣实试验，继而根据形成的骨架结构来确定集料级配。

1.1 粗集料级配设计

确定粗集料骨架级配需要两个阶段。首先将13.2～9.5 mm的集料按比例填充到16～13.2 mm的粗集料中，再次将9.5～4.75 mm的集料按比例填充到16～13.2 mm的粗集料中，对不同粒径的集料配合比进行调整，采用逐级填充方式，由较大粒径向次级粒径两两组合，以集料骨架间隙率为VCADRC控制指标，寻找该指标最小时的集料级配，这个级配就是集料形成骨架填充状态的最优配比。

将粒径为13.2～9.5 mm的集料按0%～100%的比例填充到16～13.2 mm的集料，两档集料混合料的骨架间隙率的变化情况见图1。13.2～9.5 mm的填充率从10%增大到100%时，混合料的骨架间隙率呈现明显的先减小后增大，在70%填充率时达到最小值。

图1 第Ⅰ级粗集料填充曲线

第Ⅰ级粗集料填充结果表明，16～13.2 mm、13.2～9.5 mm两档料的最佳组合比例为3∶7，填充率超过70%以后，13.2～9.5 mm粒径对骨架结构的干涉作用愈发明显。

根据粗集料的单因素捣实试验结果，粗集料中的三档料16～13.2 mm、13.2～9.5 mm、9.5～4.75 mm，其最佳质量比例为0.12∶0.28∶0.6，此时粗集料的捣实相对密度为1.52。粗集料在此比例下，集料混合料可以达到最为密实的嵌挤状态。

1.2 细集料级配设计

细集料级配的确定与粗集料一样，按照粒径4.75～2.36 mm、2.36～1.18 mm、1.18～0.6 mm、0.6～0.3 mm、0.3～0.15 mm、0.15～0.075 mm进行逐级填充，将最大粒径和次大粒径以不同填充比例进行混合，以最小为目标条件进行下一级集料填充，直至得到每一档料的最优组成比例。

根据细集料的单因素捣实试验结果，细集料中的六档料4.75～2.36 mm、2.36～1.18 mm、1.18～0.6 mm、0.6～0.3 mm、0.3～0.15 mm、0.15～0.075 mm，其最佳质量比例为0.188∶0.126∶0.134∶0.192∶0.16∶0.2，此时细集料的捣实相对密度为1.84。细集料在此比例下，集料混合料可以达到最为密实的嵌挤状态。

1.3 矿质混合料合成配比

混合料中粗集料质量：

式中：ρ1—粗集料捣实密度，kg/m3。

混合料中细集料质量：

式中：ρ2—细集料捣实密度，kg/m3。

混合料中矿粉质量：

式中：ρ3—细集料捣实密度，kg/m3；VCADRC2—细集料矿料间隙率，%。

细集料、矿粉合成捣实密度：

细集料、矿粉合成表观密度：

式中：—细集料和矿粉表观密度，kg/m3。

细集料、矿粉混合料间隙率：

细集料、矿粉质量比：

填充粗集料骨架间隙的细集料与矿粉质量总和：

粗集料、细集料、矿粉合成质量比：

计算混合料中各档集料质量比例见表1。

表1 试验用集料级配

沥青密度：

集料有效密度：

假定沥青用量Pb=4.5%，则集料用量Ps=100%-4.5%=95.5%。

沥青混合料理论最大密度：

为了确保沥青混合料的路用性能以及耐久性，参考Superpave设计法的设计标准，选择压实沥青混合料的空隙率V=4%。

沥青混合料毛体积密度：

单位体积沥青混合料中集料质量：

沥青混合料中全部集料的毛体积密度：

单位体积沥青混合料吸入集料的沥青体积：

单位体积沥青混合料有效沥青体积：

式中：D—集料最大公称尺寸，mm。

表2 MDBG-13级配

初始估算沥青用量：

再次假定沥青用量Pb=4.6%，则集料用量Ps=95.4%，沥青混合料理论最大密度Gmm=2.455 g/cm3，沥青混合料毛体积密度Gmb=2.357 g/cm3，单位体积沥青混合料中集料质量Gmw=2.248 g，单位体积沥青混合料吸入集料的沥青体积Vba=0.01 cm3，单位体积沥青混合料有效沥青体积Vbe=0.1 cm3，经计算，初始估算沥青用量Pbi=4.6%，与假定的沥青用量相同。

2 级配组成分析

Superpave混合料设计要求包括三个方面，即设计旋转压实次数、体积性质要求以及粉胶比要求。虽然该设计法采用旋转压实仪成型试件，但其粉胶比的要求、试验级配初始沥青用量的计算方法可以作为WMA设计时的参考。将MDBG-13级配与Superpave粗细级配划分标准对比，该类型级配属于粗级配范畴。Superpave对于粉胶比的要求，粗、细级配混合料的粉胶比范围各不相同，其范围分别为0.8～1.6和0.6～1.2。通过计算，此次采用的MDBG-13级配的粉胶比为1.27，符合0.8～1.6的要求范围。

将AC-13、SMA-13以及MDBG-13型级配曲线绘制于双对数坐标轴中，见图2、图3。

图2 MDBG-13、AC-13级配曲线

图3 MDBG-13、SMA-13级配曲线

可以看出，AC-13型级配的上下限属于典型的连续密级配类型，无论是AC-13型级配的上限或者下限，在双对数坐标中其级配曲线近似为一条斜直线。从分形级配理论的角度说，AC型级配可以用一个分形维数表示[4]。MDBG-13型级配在4.75 mm筛孔的通过率是一个转折点，将级配曲线分为不同斜率的两段直线。恰好4.75 mm筛孔是公称最大粒径13.2 mm混合料的粗细集料分界点。虽然MDBG-13型级配处于规范的AC型级配范围内，但它不属于连续级配范畴，而具有间断级配的特点。按照沥青混合料强度形成的机理，混合料的结构类型可以分为两大类，即集料骨架之间形成的嵌挤结构和最大密实状态的结构[5]，MDBG-13型级配同时具有密级配和间断级配的特点，可以称为骨架密实型级配。又因为MDBG-13型级配形成了主、次骨架的嵌挤结构，因此可以称为多级嵌挤密实型级配。

经过试算，试验级配系用沥青用量4.6%，基于得出的集料级配和沥青用量，制作马歇尔标准试件，检验该种级配是否符合与预定的空隙率及规范要求的技术标准。从试验数据可以看出，试件空隙率vv=3.7%，试算的试件空隙率vv=4.0%，两者基本吻合。依据粗集料骨架间隙率是否满足大于混合料矿料间隙率的条件，判断MDBG-13是否形成骨架。

捣实状态下粗集料骨架间隙率：

沥青混合料试件的粗集料间隙率：

由计算结果可知VCADRC＞VCAmix，有关研究表明，对于连续型密级配沥青混合料，混合料的骨架嵌挤密实状态可定义为：松散状态下矿料间隙率大于压实后的混合料矿料间隙率。计算结果说明设计的混合料粗集料骨架没有被沥青玛蹄脂撑开，设计级配满足集料骨架嵌挤原则。

试件的稳定度符合并且高于规范的要求，但试件的流值偏大，稍高于AC规范4 mm的要求，说明试验用沥青混合料MDGB-13，其中沥青胶结料偏多造成混合料高温稳定性的下降，混合料偏“软”。但试件流值符合SMA规范的5～6 mm的范围要求，说明MDBG-13具有SMA的某些特点，即沥青胶结料较多、混合料处于一种骨架密实状态。通过对MDBG-13混合料的车辙试验，该种沥青混合料的动稳定度为1 824 次/mm，超过常规热拌沥青混合料动稳定度的要求，说明该种沥青混合料的高温抗车辙能力可以满足要求。

3 结语

由于集料级配对沥青混合料的路用性能影响较大，即便是相同级配、相同沥青掺量下，来自不同料场的集料制拌出的沥青混合料体积及路用性能也有显著的差异。（1）参考Superpave沥青用量计算方法试算沥青用量，依据具体的集料性质以及混合料体积参数计算沥青用量。虽然Superpave是在GTM成型方法下给出的沥青用量计算方法，但经过验证也可将其应用于马歇尔成型的沥青混合料设计。（2）逐级填充理论作为骨架嵌挤密实型级配设计依据，采用单因素捣实试验确定粗集料、细集料骨架，最终用Superpave的体积设计法算出混合料的合成配比。这种配合比设计方法下的骨架嵌挤密实沥青混合料，具有抗滑耐磨、空隙率小、抗疲劳、高温抗车辙的优点。经过试验验证，骨架嵌挤密实型级配的沥青混合料表现出较好的路用性能。因此，采用骨架嵌挤密实级配设计方法，针对不同集料的特性设计相应级配，这种因地制宜的级配设计方法更具合理性。