逐级嵌挤型沥青混合料设计及性能验证

朱慧芳 周旋烨 张素敏

摘要 文章以集料承载比为评价指标，提出基于多级嵌挤理论和强度最优原则的沥青混合料级配优化设计方法，对逐级嵌挤型沥青混合料中的集料级配进行逐级填充试验，确定不同粒径集料的最优掺配比例，并依据现有方法确定目标级配下最佳沥青用量。结合黄衢南高速公路路面养护工程的应用实例，并对高温稳定、疲劳抗裂、抗滑等路用性能进行验证和对比分析。

关键词 逐级嵌挤；级配设计；集料承载比；性能验证

中图分类号 U414文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）10-0044-03

0 引言

黄（黄山）衢（衢州）南（南平）高速公路即京台（G3）高速公路浙江段，是浙江、安徽和福建三省的省际重要通道。由于通车年限较久，路面功能性指标存在较为明显的衰减，亟须实施针对性的薄层加铺，维持路况水平和延长路面使用寿命。

研究表明，嵌挤密实型级配结构相对稳定，各项性能较为均衡，能够显著增强路面的耐久性和路表功能[1]。因此，该研究项目在开展逐级嵌挤型沥青混合料配合比设计和研究的基础上，将该混合料应用于黄衢南高速公路的路面预防性养护中，并对实施后路用性能进行跟踪评价和对比分析。

1 基于强度最优原则的级配设计

1.1 粗集料级配设计

在沥青混合料组成中，作为骨架的粗集料能否形成较为稳定的嵌挤结构，对整体性能的优劣有着至关重要的影响[2]。根据不同粒径粗集料的逐级填充试验结果，得出不同填充比例下的承载比值曲线变化规律，进行粗集料级配设计。

1.1.1 粗集料一级填充

将7.2～9.5 mm和4.75～7.2 mm两档粗集料按九种不同掺配比例，分别取料，拌和均匀，捣实后进行承载比试验。不同掺配比例下试验结果见图1。

随着7.2～9.5 mm掺配比例的变化，承载比CBR出现较大的波动，表明级配组成对矿料整体强度影响较大。

承载比CBR变化曲线出现两处峰值，第一处峰值在7.2～9.5 mm比例为70%，承载力主要由含量较多的7.2～

9.5 mm集料提供，4.75～7.2 mm集料主要起填充效果。随着7.2～9.5 mm比例的下降，两档粗集料发生干涉现象，导致承载比下降，集料间干涉强度达到最大值出现在7.2～9.5 mm比例为50%时。当7.2～9.5 mm比例进一步下降，干涉现象消失，承载比在7.2～9.5 mm比例为70%时出现第二处峰值，此时4.75～7.2 mm集料代替7.2～9.5 mm

集料，成为承载力主体。

根据粗集料一级填充曲线变化规律，7.2～9.5 mm集料比例为30%和70%为最优掺配比例。

1.1.2 粗集料二级填充

根据粗集料一级填充试验结果，将7.2～9.5 mm和4.75～7.2 mm两档集料分别按6∶4和3∶7的比例，配制出两种4.75～9.5 mm集料与2.36～4.75 mm集料再進行填充试验，作为粗集料的二级填充试验，试验结果见图2。

随着4.75～9.5 mm掺配比例的变化，与一级填充下变化曲线相似，当掺配比例为80%时，承载比出现峰值，表明此时粗集料的骨架结构最为稳定。

进一步对比两种4.75～9.5 mm集料的承载比的峰值大小，7.2～9.5 mm∶4.75～7.2 mm为6∶4的承载比峰值达到了28，远高于7∶3时的峰值，表明按6∶4掺配出的4.75～9.5 mm集料更优。

综上所述，以集料承载比为评价指标，根据不同粒径粗集料逐级填充试验结果，各档粗集料最优掺配比例为7.2～9.5 mm∶4.75～7.2 mm∶2.36～4.75 mm=48∶32∶20。

1.2 细集料及填料配比设计

在沥青混合料矿料级配中，细集料主要用于填充至粗集料骨架中，提高混合料的密实程度，从而增强整体稳定性[3]。

细集料采用体积法进行填充设计，按公式（1）和（2）计算细集料的填充体积及质量：

按公式（3）计算细集料的间隙率VXA2：

在确定细集料参数的基础上，按公式（4）和（5）计算填料的体积及质量：

2 最佳油石比的确定

以承载比试验结果得出粗、细集料和填料的掺配比例为基础，综合考虑实际集料加工工艺和组成特点，得出的级配范围见表1。

在目标级配下，对油石比为4.5%、5%、5.5%、6%和6.5%的混合料进行马歇尔试验，试验结果见图3。

根据马歇尔试验结果，在目标级配下，逐级嵌挤型沥青混合料最佳油石比为5.7%，最大理论相对密度为2.487，毛体积相对密度为2.39，空隙率为3.9%。

3 路用性能验证及对比分析

对逐级嵌挤型沥青混合料路用性能进行性能验证及对比分析，包括高温稳定性能、疲劳抗裂性能、降噪性能以及抗滑性能。

3.1 高温稳定性能验证及对比分析

在车辆荷载的反复作用下沥青路面会产生永久变形，尤其是在混合料高温稳定性不足时尤为明显。各级配类型沥青混合料高温稳定性（动稳定度）试验结果见图4。

在试验温度为60 ℃时，逐级嵌挤型沥青混合料动稳定度超过10 000次/mm，试验温度70 ℃也能达到8 000次/mm，优良高温稳定性突出，在70 ℃条件下的动稳定度与60 ℃条件下的SMA型相当。

3.2 疲劳抗裂性能验证及对比分析

横、纵疲劳裂缝类病害是沥青路面最主要的损坏类型，因为疲劳抗裂性能是衡量沥青路面耐久性能的重要指标之一。各级配类型沥青混合料疲劳抗裂性能（弯曲疲劳次数）试验结果见图5。

在一般应变水平下，逐级嵌挤型沥青混合料疲劳次数达到了26万次，在较高应变水平疲劳次数也能达到了5万次以上。逐级嵌挤型沥青混合料疲劳次数在各应变水平下均高于其他级配类型沥青混合料，尤其是在高应变水平下。

3.3 降噪性能验证及对比分析

车内噪声按声源主要有车辆动力系统或车辆自身振动产生的噪声和轮胎－路面噪声两种[4]。各级配类型沥青混合料车内噪声测试结果见图6。

在100～120 km/h的行驶速度下，逐级嵌挤型沥青混合料车内噪声65～70 dB，车内噪声虽高于具有吸声效果的升级配OGFC型沥青混合料，但在行驶过程中车辆自身振动较小，车内噪声较SMA型和AC型降低了5～7 dB。

3.4 抗滑性能验证及对比分析

采用灌砂法测定构造深度，用以评价抗滑性能[5]。各级配类型沥青混合料构造深度检测结果见图7。

逐级嵌挤型沥青混合料施工完成时，测定构造深度值为0.83 mm，与SMA型构造深度相当，优于AC型构造深度。从通车运营3个月后的构造深度检测结果来看，逐级嵌挤型沥青混合料相较其他类型级配混合料，整体结构被压密和磨耗得更严重。

4 结论

该文基于集料嵌挤理论，以承载比为评价指标，进行级配优化设计，得出一种耐久型逐级嵌挤型沥青混合料，相比于其他级配类型，具有更优耐久性能和路表功能，社会和经济效益突出。

（1）三档粗集料2.36～4.75 mm、4.75～7.2 mm和7.2～9.5 mm最優掺配比例为20∶32∶48。在此基础上进行细集料及填料配比设计，得出逐级嵌挤型沥青混合料目标级配。

（2）在目标级配下，根据马歇尔试验结果，确定了逐级嵌挤型沥青混合料的最佳油石比为5.7%。

（3）对路用性能进行性能验证及对比分析，逐级嵌挤型沥青混合料的高温稳定和疲劳抗裂性能优于其他级配类型沥青混合料，同时降噪和抗滑性能也较好。

参考文献

[1]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（1）： 32-37.

[2]彭以舟， 张义和. 多级嵌挤理论子沥青碎石路面的应用[J]. 公路， 2007（9）： 182-184.

[3]黎凯. 逐级嵌挤级配曲线分析及其路用性能研究[D]. 长沙：长沙理工大学， 2018.

[4]高越山. 沥青路面表面特性对降噪的影响研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2015.

[5]梁昱维， 赵志强. 高速公路Novachip超薄磨耗层抗滑性能评价[J]. 现代交通技术， 2016（2）： 7-8+45.