瀝青混合料骨架密實級配設計研究

苗 超 蔣洪濤

(山東大學土建與水利學院,山東 濟南 250061)

瀝青混合料骨架密實級配設計研究

苗 超 蔣洪濤

(山東大學土建與水利學院,山東 濟南 250061)

簡述了級配理論以及級配設計方法的發展現狀，對國內外骨架密實設計以及骨架評價進行了分析，從理論方法、設計原則、可視化設計三方面，總結了其在未來的研究方向，有利于提高瀝青混合料骨架密實級配設計的水平。

骨架密實，瀝青混合料，級配設計，可視化技術

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展，高速公路的建設在我國也初具規模。但是，隨之而來的就是交通量的逐漸增大和頻繁的超載，進而導致了路面初期損壞乃至早期損壞[1]。傳統瀝青路面的設計壽命為15年，但是路面在早期就會產生嚴重的損壞，這說明傳統路面設計技術不再適用于高等級道路路面的設計。

瀝青混合料是一種多元復合的混合物，包括礦料、瀝青以及填料，礦料中的較粗集料提供骨架，較細部分以及瀝青膠漿起到填充作用。從體積角度來講，混合料中礦料的體積占據了80%以上，并且礦料本身的性能相對比較穩定，因此，礦料的級配組成對瀝青混合料性能的影響是至關重要的[2]。此外，瀝青的用量決定了瀝青混合料的成本，而良好的級配在達到很好性能的同時可以有效地減少瀝青的用量，降低成本，所以說級配設計是瀝青混合料設計的關鍵。

瀝青混合料按照結構可分為骨架空隙型、骨架密實型以及懸浮密實型，骨架密實型瀝青混合料可兼具另外兩種類型的優點，既具有較高的粘聚力，又具有較強的摩阻力，所以說是一種理想的級配類型，因此成為研究的一個重點方向。

1 級配理論研究進展

顆粒的堆積起源于我國的垛積理論[3]，礦料級配設計離不開堆積的研究，國內外專家對此提出了很多理論模型。其中比較有代表性的就是最大密度曲線法理論、粒子干涉理論和分形理論。

W. B. Fuller提出了最大密實曲線理論[4]，該理論以礦料形成最大密度為最終目標，并認為礦料的顆粒級配曲線愈接近拋物線其密度愈大，從而確定級配中各種粒徑的分布。該理論得到的各粒徑的分布比較均勻，且粗集料含量相對較少，不足以形成骨架結構，因此設計的混合料高溫性能較差。魏矛斯提出了粒子干涉理論[5,6]，認為：前一級顆粒之間的空隙應由次一級顆粒所填充，其余的空隙由再次一級的顆粒所填充，以此類推。該理論要求次級顆粒的填充不會對前一級顆粒的堆積產生干涉，然而，對于連續級配干涉作用是不可避免的，所以就限制了其應用范圍。

隨著材料科學的發展，分形理論[7]逐漸應用到級配設計當中。對于任何一種瀝青混合料級配都可以用其各個篩孔的通過率得到集料粒徑分布的分形維數；反之，若知道分形維數，也可以計算得到各個篩孔的通過率。研究表明，細集料粒徑分布分維數范圍為2.77～2.85之間，粗集料粒徑分布維數范圍為1.55～2.15之間的級配有很好的性能[8]。該研究對分形理論的應用進行了很好的嘗試，為級配設計提供了一個嶄新的思路，但是分形理論并沒有對骨架的概念進行定義，僅僅通過分形維數這一指標并不能反映宏觀的骨架概念。

2 骨架密實級配設計方法研究

美國C-SHRP計劃最重要的成果就是SUPERPAVE設計方法[9]。該方法以控制點和限制區的形式來控制骨架密實級配。粗集料主要通過控制點來進行限制，使其不離析、不推擠，禁區是限制細集料的含量以防止出現“駝峰級配”。SUPERPAVE建議級配在禁區下方通過，得到較粗的級配，從而得到較強的骨架結構。但是國內外對于禁區的研究有相當大的爭議，Anderson[10]通過對位于禁區上側、通過禁區、位于禁區下側以及從禁區下側通過且形成駝峰曲線四種混合料級配研究，發現這四類混合料性能都能滿足SUPERPAVE設計參數標準。郝培文[11]通過研究證明當級配通過禁區或從禁區上方通過時，瀝青混合料的抗永久變形能力、抗疲勞開裂特性以及強度力學特性都要優于從禁區下方通過的級配。貝雷法[12]是由羅伯特·貝雷先生提出的瀝青混合料設計和檢驗方法，該方法依據設計密度來進行設計，并采用CA，FAC，FAF等指標來判定是否為骨架密實。

沙慶林院士[13]提出SAC礦料級配設計方法，設計原理就是粗集料形成骨架，細集料和瀝青填充骨架中的孔隙，已達到骨架密實的效果。張肖寧教授[14,15]提出了CAVF(粗集料孔隙填充法)，該方法通過試驗確定粗集料的孔隙，該孔隙除去設計空隙率即為細集料、填料和瀝青的體積。按此方法設計的瀝青混合料，既保證了骨料的充分嵌擠，又使瀝青膠漿充分填充了主骨架間隙，從而全面提高瀝青混合料的性能。但是，CAVF法只能確定粗集料、細集料和填料這些原材料的質量百分比，但是并沒有確定粗集料和細集料的具體級配組成方法，也沒有考慮瀝青混合料實際拌合過程中集料要吸收部分瀝青這一影響因素。此外，劉樹堂教授[16]提出一種骨架密實級配設計方法，該方法對骨架密實的概念進行了擴展，以2.36 mm作為粗細分界，采用粗細集料分段設計，利用原材料的參數，通過模型公式就可以計算出粗、細集料的配比，進而得到整個級配。

3 骨架的評價

骨架是一個模糊的概念，國內外學者并沒有給骨架做明確的定義。在SMA設計[17]中對于骨架的判定就是滿足VCAmix(混合料中粗集料間隙率)小于VCADRC(粗集料搗實間隙率)，是對骨架的一個限制，但這僅僅適用于SMA的級配設計，在連續級配中適用性不強。在貝雷法設計中，CA在一定程度上能反映骨架的嵌擠程度，但是僅僅通過一個指標并不能綜合評價骨架的狀態。在SAC設計法中，提出VCADRF[18]和VCAAC[19]兩種檢驗方法，其中VCADRF方法是對礦料級配進行骨架密實結構初步檢驗，而VCAAC檢驗方法用于瀝青混凝土試件最終檢驗。兩種檢驗方法目標思想一致，都是追求最密實，但是對骨架的強度沒有要求。此外，長安大學的倪敏[20]將瀝青混合料試件的VCAmix與搗實狀態下粗集料骨架間隙率的VCADRC比值定義為骨架密實度，以此來評價混合料骨架的嵌擠程度。研究表明骨架密實度在1.06～1.10能表現出很好的性能，并指出粗集料含量在65%以上能形成很好的骨架。

總之，對于骨架的評價，僅停留在是否密實的層面上，而骨架作為瀝青混合料中主要的受力結構不僅僅是追求密實或者空隙率最小，而是應該處在良好的受力狀態。對于骨架力學性能的研究，國內外還沒有深入的研究，這也將是未來的一個研究重點。

4 可視化技術的應用

常規的級配設計方法還是通過宏觀的性能參數來判別級配的好壞，雖然在一定程度上能反映混合料的級配情況，但是對于粗集料的嵌擠以及受力狀態完全不了解，等同于“暗箱操作”式的設計。另外，混合料設計過程中試驗量大，需控制的因素較多，參數測量過程中不可避免地人為誤差較大，試驗的重復性和再現性較差。

隨著離散元分析軟件的逐漸推廣，在瀝青混合料級配設計中也進行了有效的嘗試。石立萬等[21]利用離散元分析軟件PFC2D進行級配設計，粒徑大于2.36 mm理想球形粗集料構成的主骨架結構，平均配位數一般在3.3～3.5之間。石立萬等[22]認為瀝青混合料骨架的質量評價在于骨架傳遞應力的大小和抵抗外部荷載的能力，主骨架基本由相互接觸的2.36 mm以上粗集料所構成，而主骨架對骨架應力傳遞的貢獻率達70%以上，從而作為判定是否形成骨架的標準。但是，在研究中并沒有考慮瀝青對顆粒堆積的影響，也沒有考慮礦料的形狀因素。

5 研究方向

1)理論方法的研究。許多學者對理論進行了很多的研究，但是在進行瀝青混合料的級配設計中可應用性不是很強，追其原因是：a.理論僅僅研究了骨料部分，并未考慮瀝青，因此加入瀝青后其結果就未必適用；b.許多方法有過多的假設條件，適用性不強；c.礦料在施工中會有破碎，設計中均沒有考慮。這些問題也是未來在理論方法上值得研究的幾個方向。

2)設計原則方法的研究。當今級配設計還是以最密實為最終目標，最密實不一定對應最好的性能，而我們追求的應當是具有更好的力學性能的級配，以力學指標作為設計目標是一個研究方向。

3)可視化設計研究。PFC作為一種顆粒流的離散元分析軟件被應用到瀝青混合料的設計有了很多研究。但是設計中沒有加入瀝青以及擊實過程，完全模擬級配設計的過程也是研究的重點。

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Study on gradation design of skeleton denseness asphalt mixture

Miao Chao Jiang Hongtao

(SchoolofCivilEngineeringofShandongUniversity,Jinan250061,China)

From the theoretic methods, design principle, and visual design, the paper indicates the gradation theory and the development for the gradation design method, analyzes the skeleton denseness design and skeleton evaluation at home and abroad, and sums up the future research orientation, so it can improve the skeleton denseness gradation design of the asphalt mixture.

skeleton denseness, asphalt mixture, gradation design, visual technique

1009-6825(2017)03-0113-02

2016-11-06

苗 超(1990- )，男，在讀碩士； 蔣洪濤(1992- )，男，在讀碩士

TU535

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