瀝青混合料級(jí)配分析方法綜述

張九香

（福建工程學(xué)院土木學(xué)院，福建 福州 380102）

瀝青混合料級(jí)配分析方法綜述

張九香

（福建工程學(xué)院土木學(xué)院，福建 福州 380102）

本文通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)外常見瀝青混凝土礦料級(jí)配設(shè)計(jì)方法對(duì)比分析，得出了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)和工程應(yīng)用適宜條件，對(duì)各類瀝青混合料路面級(jí)配設(shè)計(jì)提供參考。

瀝青混合料 級(jí)配設(shè)計(jì) 工程應(yīng)用

1. 級(jí)配分析的研究意義

瀝青混合料是由瀝青、集料和礦粉混合而成，在瀝青混合料中礦料一般占90%左右，因此礦料級(jí)配對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、壓實(shí)特性、壓實(shí)空隙率、抗滑性能、施工和易性等特性有著重要的影響。對(duì)瀝青混合料的級(jí)配進(jìn)行分析研究，盡可能為不同特性混合料提供較優(yōu)的方法就非常重要。

2 級(jí)配分析的研究進(jìn)展

2.1 國(guó)外研究進(jìn)展[1]

20世紀(jì)初，美國(guó)學(xué)者Fuller根據(jù)最大密度理論提出了傳統(tǒng)的連續(xù)級(jí)配計(jì)算公式。SHRP于1993年春又提出了7個(gè)控制點(diǎn)和一個(gè)禁區(qū)的礦料級(jí)配設(shè)計(jì)方法，并提出了n=0.45的最大密度曲線。20世紀(jì)90年代初美國(guó)得克薩斯州交通局根據(jù)混合料中碎石與碎石最佳接觸的理論，提出了新粗骨料高結(jié)合料含量混合料的設(shè)計(jì)方法。2002年，美國(guó)發(fā)表了熱拌混合料級(jí)配的貝雷設(shè)計(jì)方法（Bailey Method）。

在歐洲，德國(guó)提出了SMA設(shè)計(jì)方法，法國(guó)提出了薄層瀝青混凝土（BBM）的設(shè)計(jì)方法，前蘇聯(lián)學(xué)者伊萬諾夫等人提出了K法。

2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

我國(guó)對(duì)瀝青合料級(jí)配的研究相對(duì)較晚，近幾年取得了一定的研究成果.同濟(jì)大學(xué)早期由林繡賢提出了以通過百分率為遞減系數(shù)的I法，哈爾濱建筑大學(xué)張肖寧教授提出了主骨架空隙填充法，即CAVF法（Coarse Aggregate Voids-Filling Method），交通部科學(xué)研究院的沙慶林院士提出了多碎石瀝青混凝土SAC的設(shè)計(jì)方法。

3 級(jí)配分析方法介紹

3.1 連續(xù)級(jí)配設(shè)計(jì)方法

3.1 .1 n法

n法是A.N泰波根據(jù)工程實(shí)踐由理想的最大密度曲線修正而來的，即：

根據(jù)Superpave的研究成果n=0.45級(jí)配曲線為最大密度曲線。在工程實(shí)踐中n一般在0.3～0.7之間取值，如圖1。當(dāng)n=0.45～0.5時(shí)密實(shí)度最大，當(dāng)n=0.35～0.45時(shí)集料的工作性能較好。

圖1 級(jí)配指數(shù)與級(jí)配曲線的關(guān)系圖

在工程實(shí)踐中，對(duì)于不同的集料，集料的最大密度曲線所對(duì)應(yīng)的 n值也不盡相同，因此n法應(yīng)用的關(guān)鍵在于確定n值，但工程中確定n值步驟比較麻煩，所以工程師根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)不同的最大公稱粒徑提出了各種建議級(jí)配，在這些級(jí)配中，各檔篩的通過百分率只規(guī)定上限和下限，應(yīng)用的時(shí)候可根據(jù)實(shí)際情況決定是靠近上限、中限還是下限，一般情況靠近中限取值，尤其要控制好 0.075mm、2.36mm、4.75mm等關(guān)鍵篩孔的通過率。

3.1 .2 K法

K法是由前蘇聯(lián)伊萬諾夫、奧浩欽等提出用顆粒分級(jí)質(zhì)量遞減系數(shù)K為參數(shù)的礦料級(jí)配曲線。奧氏發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)V質(zhì)混合料中集料粒徑按照1/16遞減，次一級(jí)粒徑質(zhì)量為上一級(jí)的 43%時(shí)，可使混合料獲得最高的密實(shí)度。當(dāng)顆粒質(zhì)量遞減系數(shù)變動(dòng)于 25%～50%時(shí)，混合料仍可保持較高的密實(shí)度。但由于相鄰粗細(xì)粒徑相差過于懸殊，在混合料拌合、攤鋪時(shí)很容易產(chǎn)生離析現(xiàn)象而很難達(dá)到預(yù)期最佳密實(shí)度的目的。為改善級(jí)配，奧氏認(rèn)為將粒徑按照1/2遞減，顆粒質(zhì)量遞減系數(shù)按相同次數(shù)開方變化時(shí)，混合料的密實(shí)程度仍可保持不變。當(dāng)?shù)V料粒徑按照1/2遞減時(shí)，則有：

由公式可以看出K法可以控制最小粒徑的大小，這樣可以保證計(jì)算出的級(jí)配在較小粒徑時(shí)的通過率在可接受的范圍內(nèi)。K值通常取值在 0.65～0.80之間，當(dāng)K〉0.80時(shí)，路面容易發(fā)生車轍，而K〈0.65時(shí)，混合料容易離析。K法要求級(jí)的通過率為0，所以最小粒徑的確定顯得尤為重要，但實(shí)際上這是很難做到，應(yīng)用的時(shí)候常常對(duì)它進(jìn)行一些改變。可以用下面的法（以后簡(jiǎn)稱變K法）來進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)：

3.1 .3 n法與變K法的比較

現(xiàn)取最大粒徑D=19.0，則n=0.3，0.45，0.7時(shí)的級(jí)配如表1所示。

表1 n法設(shè)計(jì)的級(jí)配

今仍通過控制0.075mm篩的通過率用變K法來設(shè)計(jì)級(jí)配，取0.075mm篩的通過率分別為19%，8.3%和2.1%，通過試算得出表2所示的級(jí)配。

表2 變K法設(shè)計(jì)的級(jí)配

從表1，2可以看出，當(dāng)最大粒徑為19mm時(shí)，如果0.075mm篩的通過質(zhì)量百分率相同，則通過n=0.30，0.45，0.70所設(shè)計(jì)的級(jí)配分別和K=0.80，0.73，0.62所設(shè)計(jì)的級(jí)配大致相同，即采用n法設(shè)計(jì)時(shí)n=0.30，0.45，0.70分別對(duì)應(yīng)采用變K法設(shè)計(jì)時(shí)的K=0.80，0.73，0.62，它們的級(jí)配曲線近乎重合。級(jí)配曲線見圖2所示。

圖2 不同n值和K值的級(jí)配曲線

3.1 .4 n法與變K法的優(yōu)缺點(diǎn)評(píng)價(jià)

n法和 K法都屬于理論計(jì)算方法，通過公式推導(dǎo)得到瀝青混合料級(jí)配曲線，并通過調(diào)整公式的參數(shù)得到級(jí)配范圍。它們計(jì)算簡(jiǎn)便，但計(jì)算法未考慮原材料特性、道路等級(jí)、交通條件、氣候條件等對(duì)混合料性能的影響，即對(duì)于特定工程，計(jì)算法確定的公稱最大粒徑相同的混合料其級(jí)配也是相同的，這會(huì)導(dǎo)致特定工程的級(jí)配并非最佳。因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況在規(guī)范級(jí)配范圍內(nèi)做適當(dāng)調(diào)整，才能獲得路用性能較好的級(jí)配。另外，變K法可以控制某一級(jí)或某幾級(jí)篩的通過百分率，因而它比n法要優(yōu)越一些。

n法和K法都只適合用來設(shè)計(jì)連續(xù)級(jí)配，它們?cè)O(shè)計(jì)出來的混合料水穩(wěn)定性、耐久性和抗疲勞特性比較好，但高溫穩(wěn)定性較差，這在瀝青路面發(fā)展的早期是很有用的。

3.2 間斷級(jí)配設(shè)計(jì)方法

3.2 .1 Superpave法

Superpave法是SHRP于1993年提出的一種新的礦料級(jí)配設(shè)計(jì)方法，其級(jí)配曲線不再是控制每一級(jí)篩孔的通過率，而是一些關(guān)鍵篩孔。級(jí)配設(shè)計(jì)是根據(jù)不同公稱最大粒徑、控制點(diǎn)和禁區(qū)的要求初選3個(gè)不同級(jí)配進(jìn)行瀝青混合料旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，選擇全部符合Superpave體積指標(biāo)的級(jí)配作為優(yōu)選級(jí)配進(jìn)行設(shè)計(jì)。初選級(jí)配曲線一般成“S”形，并不能多次穿越最大密度線。

Superpave法提出的最大密度曲線、控制點(diǎn)和體積設(shè)計(jì)法至今已被多數(shù)人接受，特別是體積設(shè)計(jì)法是級(jí)配設(shè)計(jì)的一大突破。但是Superpave也存在控制點(diǎn)的范圍太大、依賴工程經(jīng)驗(yàn)性、設(shè)計(jì)過程繁瑣、無法判斷最優(yōu)設(shè)計(jì)等缺點(diǎn)。

Superpave法最受爭(zhēng)議的就是禁區(qū)，Superpave認(rèn)為級(jí)配曲線通過禁區(qū)對(duì)混合料的性能不利，并建議級(jí)配曲線從禁區(qū)的下方通過，這樣對(duì)混合料的高溫穩(wěn)定性有利。有研究指出Superpave提出的禁區(qū)確實(shí)存在應(yīng)該避免[2]，但美國(guó)的西部環(huán)道試驗(yàn)卻得出通過禁區(qū)下方的粗級(jí)配，比通過禁區(qū)和禁區(qū)上方的級(jí)配更容易出現(xiàn)車轍，疲勞損壞也更嚴(yán)重[3]。

3.2 .2 CAVF法

CAVF法是由國(guó)內(nèi)張肖寧教授提出來的以粗集料為主骨料，以細(xì)集料、礦粉和瀝青來填充粗集料緊密堆積的空隙，并要求細(xì)集料、礦粉和瀝青體積百分率與設(shè)計(jì)空隙率之和應(yīng)不超過 VCAD RC 的級(jí)配設(shè)計(jì)方法，稱主骨料空隙填充法[4]。其中：

CAVF法作了兩個(gè)基本的假定：（1）細(xì)集料的顆粒不對(duì)粗集料形成的嵌擠結(jié)構(gòu)形成干涉；（2）細(xì)集料、礦粉和瀝青組成的膠漿也不對(duì)粗集料形成的嵌擠結(jié)構(gòu)形成干涉（粒子干涉理論的應(yīng)用）。

CAVF是一種體積設(shè)計(jì)法，它通過粗集料形成骨架，然后以密實(shí)的膠漿填充其空隙，所設(shè)計(jì)出來的混合料屬于骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)。因而其設(shè)計(jì)的級(jí)配路用性能比較好，而且設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)便，適合工廠的配合比設(shè)計(jì)。

CAVF存在一些缺點(diǎn)：（1）計(jì)算粗集料間隙率時(shí)采用的緊裝密度方法沒有明確指出。（2）沙慶林指出CAVF法用表觀密度不合適，應(yīng)該用毛體積密度[5]。（3）粗集料和細(xì)集料的級(jí)配是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取得，沒考慮礦料要吸收部分瀝青體積。（4）沒有對(duì)粗集料進(jìn)行骨架檢驗(yàn)，不能保證設(shè)計(jì)出來的混合料屬于骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。（5）該法控制VCA但不控制VMA。

3.2 .3 貝雷法（Bailey Method）

1、方法介紹

貝雷法主體思想是以集料骨架作為混合料的承重主體，使設(shè)計(jì)的混合料能提供較高的抗車轍性能，同時(shí)通過調(diào)整粗細(xì)集料的比例，獲得合適的VMA以保證混合料具有耐久性。貝雷法不以4.75mm劃分粗集料和細(xì)集料，二者分界尺寸是集料最大公稱粒徑的函數(shù)，即：

2、優(yōu)缺點(diǎn)評(píng)價(jià)

貝雷法提出粗細(xì)集料應(yīng)該根據(jù)集料的最大公稱粒徑來劃分，這是級(jí)配設(shè)計(jì)的一大進(jìn)步。以粗集料骨架為承重主體，提高了混合料的抗車轍性能；貝雷法可以調(diào)整粗細(xì)集料的比例，獲得合適的VMA以保證混合料的耐久性。貝雷法存在的缺陷：（1）設(shè)計(jì)過程繁瑣；（2）實(shí)際集料顆粒并不是球形，且同一檔顆粒的粒徑并不都相同，這與貝雷法的平面圓模型假設(shè)不符；（3）未考慮瀝青的加入對(duì)細(xì)集料體積參數(shù)的影響。（4）未考慮成型方式對(duì)級(jí)配的影響。

4 結(jié)論

通過以上對(duì)分析評(píng)述，得出了如下結(jié)論。

1.n法和K法相對(duì)簡(jiǎn)單，可以控制某幾級(jí)篩孔的通過百分率，與工程的相關(guān)性差，廣泛用于傳統(tǒng)的連續(xù)密級(jí)配的設(shè)計(jì)，也可用來設(shè)計(jì)間斷密級(jí)配的細(xì)集料級(jí)配；

2.CAVF法引入了體積設(shè)計(jì)法，具有經(jīng)驗(yàn)性，無法判定是否形成骨架，未考慮集料會(huì)吸收瀝青，不能控制VMA，在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用于骨架密實(shí)型混合料的設(shè)計(jì)；

3.貝雷法可以控制 VMA，但設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，所要求篩孔尺寸與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)篩不同，用于多級(jí)嵌擠密級(jí)配的設(shè)計(jì)，在國(guó)外應(yīng)用廣泛；

4.Superpave法引入了體積設(shè)計(jì)的概念，經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，設(shè)計(jì)過程繁瑣，用于間斷密級(jí)配的設(shè)計(jì)，也可用于對(duì)傳統(tǒng)密級(jí)配的改良，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用都很廣泛。

[1] 邱穎鋒．骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)及路用性能研究．同濟(jì)大學(xué)博士論文，2007年．

[2] 林繡賢．論Superpave組成配合比特色．華東公路．2002年第1期．

[3] 郝培文．Superpave級(jí)配禁區(qū)對(duì)瀝青混合料性能的影響．中外公路．2005年8月第4期．

[4] 張肖寧．瀝青混合料組成設(shè)計(jì)的CAVF法．公路 ．2001年第12期．

[5] 沙慶林．SAC和其他粗集料斷級(jí)配的礦料級(jí)配設(shè)計(jì)方法．公路．2005年1月 第1期．

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1007–6344（2015）01–0197–02