基于最大密實度曲線理論的微表處集料級配范圍設計方法研究

陳國強??

【摘要】為了解決用現有型號微表處修復較深車轍會重復出現車轍的問題，闡述了開發新型號微表處的必要性;通過最大密實度曲線理論適應性分析、集料顆粒排列規律的推導及其試驗，結合經驗提出了適合微表處的最大密實度曲線;針對微表處施工工藝的特點，研究了集料內摩阻力的規律和稀漿混合料的和易性，提出了最佳和易性曲線;在最大密實度曲線和最佳和易性曲線的基礎上，給出了確定微表處集料級配范圍的方法。

【關鍵詞】最大密實度曲線理論;瀝青路面;車轍;微表處;集料級配范圍

Research on micro-surfacing aggregate gradation range of design method based on theoretical maximum density of the curve

Chen Guo-qiang

（Pingdingshan City Highway AdministrationPingdingshanHenan467000）

【Abstract】In order to solve the existing model with micro-surfacing repair deep rut rutting problem will be repeated， explains the necessity to develop new models of micro-surfacing; adaptation analysis by the maximum density of the curve theory， the law of aggregate particles arranged derivation and its test， combined with the experience proposed maximum density of the curve for micro-surfacing; the characteristics of the construction process for micro-surfacing， studied law in the aggregate slurry frictional resistance and workability of the mix， made the best and easy curve; based on the maximum density of the curve and the curve of the best workability， given to determine the micro-surfacing aggregate gradation range of methods.

【Key words】The maximum density of the curve theory;Asphalt pavement; rut;Aggregate gradation range;Micro-surfacing

1. 前言

（1）修復瀝青路面車轍是微表處的主要用途之一，用微表處修復瀝青路面車轍是直接填補的唯一方法，同時也是經濟高效的方法，目前均用MS-3型微表處填補車轍，其集料最大粒徑為10mm。在我國，當修復瀝青路面車轍時其深度普遍在20mm以上（稱為“較深車轍”），如果用現有型號微表處材料直接填補，稀漿混合料攤鋪厚度很大，而對于這種成型厚度超過集料最大粒徑較多的微表處的抗車轍性能很差，其自身很快就會產生車轍。因此，絕大多數研究把重點放在致力于提高現有型號微表處的抗車轍性能上。

（2）典型的瀝青路面結構分為三種：懸浮密實結構、骨架空隙結構和骨架密實結構，其中懸浮密實結構抗車轍性能最差，骨架密實結構抗車轍性能最強。微表處混合料與懸浮密實型混合料相比，級配細得多，細料含量多得多，油石比大得多，因此，成型厚度超過集料最大粒徑較多的微表處的抗車轍性能比三種典型的瀝青路面結構都要差得多。

（3）實踐發現，抗車轍性能最強的骨架密實型瀝青路面時常會產生車轍，這說明通過提高現有型號微表處的抗車轍性能，達到用之填補較深車轍的微表處自身不再產生車轍的目的是行不通的。然而，如果微表處的成型厚度與集料最大粒徑一致，并且集料最大粒徑又與車轍深度相當，那么用這種微表處填補較深車轍時，其自身將不會產生車轍。故利用最大密實度曲線理論，研究微表處集料級配范圍設計的方法，開發新型號的微表處，以滿足不同深度車轍填補的需要是十分必要的。

2. 最大密實度曲線理論適應性分析

（1）最大密實度曲線理論是通過大量試驗提出的一種理想曲線。固體顆粒按粒度大小有規則地組合排列，粗細搭配，可以得到密實度最大、空隙最小的路面結構。福勒認為：集料級配曲線越接近拋物線，則其密實度越大。其表達式為：

p=100（d/D）0.5????????? ??????????????????????????????????????????（1）

式中：p——在最大粒徑為D的集料中某篩孔d的通過率，%。

（2）泰波進一步研究認為，式（1）中的指數應為變數n，當n=0.45時，密實度最大;通常使用的集料級配范圍n冪應在0.3～0.7之間。因此，在實際應用中，集料級配曲線應允許在一定范圍內波動，則式（1）變為：

pi=100（di/D）n???????????????????????? ???????????????????????????????（2）

式中：di——要計算的分級集料粒徑，mm;

D——集料的最大粒徑，mm;

pi——要計算的等級集料的通過率，%;

n——實驗指數，取0.3～0.7。

（3）不同國家或組織（包括中國、日本、德國、法國、西班牙等以及ISSA）頒布的稀漿混合料級配范圍（包括MS-2型和MS-3型）并不完全相同，并且它們都比按最大密實度級配曲線理論計算的稀漿混合料的級配偏細，兩者并不一致。另外，室內試驗和工程實踐發現用最大密實度級配曲線理論設計的稀漿混合料的和易性有時滿足不了施工的需要，甚至直接導致施工失敗。因此，不能直接用最大密實度級配曲線理論來設計稀漿混合料的集料級配范圍。

3. 集料顆粒排列規律及其試驗

3.1路面結構中相同粒徑的顆粒因排列方式不同，骨架間隙的體積也不同，間隙體積的大小主要取決于同徑顆粒的排列情況。為了方便，用球體代替碎石，對不同排列方式和層數時的間隙率進行計算，如圖1所示。

（1）排列方案一：如圖1（a）所示，其中第一層球和第三層球完全一樣并且平面位置相對應，圖中未畫第三層。通過計算其間隙率為27.4%。

（2）排列方案二：與圖1（a）排列方式一樣，但只有二層。通過計算其間隙率為30.9%。

（3）排列方案三：與圖1（a）排列方式一樣，但只有一層，如圖1（b）。通過計算其間隙率為39.5%。

（4）排列方案四：如圖1（c）排列方式，只有一層。通過計算其間隙率為48%。

3.2計算結果表明：最大粒徑碎石的排列方式決定路面結構的性能和品質，最大粒徑碎石因排列層數和方式不同，骨料所占的空間（包括骨料自身的體積和骨料之間的空隙）和間隙體積也不相同;骨料所占的空間和間隙體積的大小主要取決于最大粒徑碎石的排列層數和方式，而與其粒徑大小無關;骨料所占的空間和間隙體積隨最大粒徑碎石在路面結構中的層數（厚度）的減少而增大，而且其增量是遞增的;最大粒徑碎石單層排列時相鄰三球相互接觸即球心的連線呈等邊三角形時其間隙體積最小。這就是集料顆粒排列規律。

3.4由表1可以看出，通過理論計算得出的集料顆粒排列規律與實踐是相符的。集料顆粒排列規律表明，用相同的混合料攤鋪不同厚度的路面，隨著攤鋪厚度（H）的減小，最大粒徑（D）碎石之間的空隙將增大，為了保證路面的密實度，就需要加大細料的用量，也就是說，隨著H/D的減小，細料用量要增加。

3.5最大密實度曲線理論是熱拌熱鋪瀝青路面的設計依據，在這種路面結構中，H/D=2～3，此時路面結構能夠達到密實，而在微表處結構中H/D=1，相比骨料之間的空隙增大，因此需要用更多的細料來填充。這就是現有稀漿混合料級配范圍都比按最大密實度級配曲線理論計算的稀漿混合料的級配范圍偏細的原因，同時它也是設計新型號稀漿混合料集料級配范圍的準則。

4. 集料內摩阻力

4.1集料內摩阻力的大小對稀漿混合料的可拌和性和和易性影響很大。內摩阻力小則稀漿混合料容易拌和，其和易性好;內摩阻力大則稀漿混合料不易拌和，其和易性不好。

4.2集料是無粘聚力的材料，其內摩阻力的大小取決于內摩擦角的大小。內摩擦角大則內摩阻力大;內摩擦角小則內摩阻力小。

內摩擦角可用直剪儀（如圖2）測定。

tgφ-內摩擦系數;

φ-內摩擦角。

則此直線就是集料的抗剪強度關系線，φ就是集料的內摩擦角。

4.4同一型號稀漿混合料集料級配的粗細不同，其內摩擦角也不同。表2是MS-5型微表處（最大粒徑20mm）粗細不同級配集料內摩擦角測量記錄計算表。

4.5由表2可以看出，同一型號稀漿混合料集料級配的粗細不同則內摩擦角也不同，內摩擦角隨著集料級配變粗而增加，n從0.3變為0.6，內摩擦角增加7.87°。這是在工程實踐中采用的稀漿混合料級配范圍要比按最大密實度級配曲線理論計算的稀漿混合料的級配范圍偏細的又一原因。

5. 最佳和易性曲線

5.1最大密實度理論是對熱拌熱鋪類瀝青混合料進行研究總結出來的，它研究的首要問題是“最大密實度”。而對于微表處工藝來講，不但要求微表處結構有最大的密實度，而且要求稀漿混合料具有良好的和易性。因為稀漿混合料的拌和和攤鋪能力都比較低，導致“和易性”是微表處工藝首先要解決的問題，它關系到微表處施工的成敗，和易性不好的稀漿混合料做出的微表處是不合格的，甚至直接導致施工中斷。

5.2最佳和易性是指稀漿混合料的稠度值最佳即在2～3cm之間，并且流動性、可塑性、穩定性、均勻性和密實性均好的狀態。影響稀漿混合料和易性的因素很多，其中集料級配是重中之重。實踐表明，在pi=100（di/D）n中存在一個n值的范圍，它能夠使稀漿混合料的和易性達到最佳，當然對于不同型號的稀漿混合料，n值的范圍會不一樣。例如：MS-5型稀漿混合料最佳和易性相對應的n值范圍是0.3～0.6。因此，pi=100（di/D）n（其中n=0.3～0.6）就是MS-5型稀漿混合料最佳和易性曲線的解析式，其試驗如表3所示。

表3和易性試驗記錄匯總表

備注???????? 室內試驗溫度15～26℃、濕度<50%、油石比均為7.5% ，

此表為大量試驗和實踐數據的匯總并非單次試驗的結果。

對于同一型號的稀漿混合料，級配偏細者和易性更能保證。

6. 稀漿混合料集料級配范圍確定方法

6.1微表處集料級配范圍不但要求能使路面結構密實度達到最大，而且要求稀漿混合料和易性達到最佳。

6.2通過最大密實度曲線理論適應性分析、集料顆粒排列規律及其試驗，結合經驗，認為微表處最大密實度曲線為pi=100（di/D）n，其中n=0.25～0.55，把此級配范圍記為集合A;通過集料內摩阻力以及最佳和易性曲線的研究表明，微表處集料級配宜細不宜粗，所要設計的稀漿混合料最佳和易性曲線為pi=100（di/D）n，其中n根據微表處型號確定，把此級配范圍記為集合B。那么，集合A和集合B的交集（A∩B）不但能使微表處的密實度達到最大，而且能使其稀漿混合料的和易性達到最佳。

7. 結束語

（1）最大密實度曲線理論是熱拌熱鋪瀝青混合料集料級配范圍的設計依據，不能直接用之設計稀漿混合料集料級配范圍。

（2）稀漿混合料集料級配范圍的確定以及施工時級配的設計，都應堅持宜細不宜粗的原則。

（3）修復車轍時，微表處的型號要與車轍深度匹配。如果微表處的成型厚度與集料最大粒徑一致，并且集料最大粒徑又與車轍深度相當，那么用這種微表處填補較深的車轍，其自身將不會產生車轍;如果微表處成型厚度超過集料最大粒徑較多（5mm以上），則會重復出現車轍。

（4）我國規范已給出的能用于修復車轍的微表處只有MS-3型，它適合用于填補10mm左右深的車轍;對于15mm～30mm深的車轍，可根據情況設計開發新型號的微表處來填補，包括MS-4型（最大粒徑16mm）、MS-5型（最大粒徑20mm）、MS-6型（最大粒徑26.5mm）、MS-7型（最大粒徑31.5mm）;比MS-7型再粗的微表處很難做，不建議用之填補車轍。因此，深度大于30mm的車轍不宜用微表處修復。

參考文獻

[1]徐劍、黃頌昌、秦永春、李峰.基于抗車轍性能的微表處混合料設計方法探討[J].石油瀝青，2010（4）：25～29.

[2]彭波、李文瑛、危擁軍、等. 瀝青混合料材料組成與特性[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3]黃曉明，等.瀝青路面設計[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4]交通部公路科學研究院.微表處和稀漿封層技術指南[S].北京：人民交通出版社，2006.

[5]JTG? E42-2005，公路工程集料試驗規程.

[6]ISSA Technical Bulletin No.100～147.

[7]ISSA Design Technical Bulletins A105，A143.

[8]CJJ? 66-95，路面稀漿封層施工規程.

[9]鄧學鈞、黃曉明.路面設計原理與方法[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

[10]JTG? F40-2004，公路瀝青路面施工技術規范.

[文章編號]1619-2737（2014）09-26-794

[作者簡介] 陳國強（1965-），男，籍貫：河南舞鋼市人，學歷：本科，職稱：高級工程師，長期從事公路工程技術與管理工作。

表3和易性試驗記錄匯總表

備注???????? 室內試驗溫度15～26℃、濕度<50%、油石比均為7.5% ，

此表為大量試驗和實踐數據的匯總并非單次試驗的結果。

對于同一型號的稀漿混合料，級配偏細者和易性更能保證。

6. 稀漿混合料集料級配范圍確定方法

6.1微表處集料級配范圍不但要求能使路面結構密實度達到最大，而且要求稀漿混合料和易性達到最佳。

6.2通過最大密實度曲線理論適應性分析、集料顆粒排列規律及其試驗，結合經驗，認為微表處最大密實度曲線為pi=100（di/D）n，其中n=0.25～0.55，把此級配范圍記為集合A;通過集料內摩阻力以及最佳和易性曲線的研究表明，微表處集料級配宜細不宜粗，所要設計的稀漿混合料最佳和易性曲線為pi=100（di/D）n，其中n根據微表處型號確定，把此級配范圍記為集合B。那么，集合A和集合B的交集（A∩B）不但能使微表處的密實度達到最大，而且能使其稀漿混合料的和易性達到最佳。

7. 結束語

（1）最大密實度曲線理論是熱拌熱鋪瀝青混合料集料級配范圍的設計依據，不能直接用之設計稀漿混合料集料級配范圍。

（2）稀漿混合料集料級配范圍的確定以及施工時級配的設計，都應堅持宜細不宜粗的原則。

（3）修復車轍時，微表處的型號要與車轍深度匹配。如果微表處的成型厚度與集料最大粒徑一致，并且集料最大粒徑又與車轍深度相當，那么用這種微表處填補較深的車轍，其自身將不會產生車轍;如果微表處成型厚度超過集料最大粒徑較多（5mm以上），則會重復出現車轍。

（4）我國規范已給出的能用于修復車轍的微表處只有MS-3型，它適合用于填補10mm左右深的車轍;對于15mm～30mm深的車轍，可根據情況設計開發新型號的微表處來填補，包括MS-4型（最大粒徑16mm）、MS-5型（最大粒徑20mm）、MS-6型（最大粒徑26.5mm）、MS-7型（最大粒徑31.5mm）;比MS-7型再粗的微表處很難做，不建議用之填補車轍。因此，深度大于30mm的車轍不宜用微表處修復。

參考文獻

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[9]鄧學鈞、黃曉明.路面設計原理與方法[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

[10]JTG? F40-2004，公路瀝青路面施工技術規范.

[文章編號]1619-2737（2014）09-26-794

[作者簡介] 陳國強（1965-），男，籍貫：河南舞鋼市人，學歷：本科，職稱：高級工程師，長期從事公路工程技術與管理工作。

表3和易性試驗記錄匯總表

備注???????? 室內試驗溫度15～26℃、濕度<50%、油石比均為7.5% ，

此表為大量試驗和實踐數據的匯總并非單次試驗的結果。

對于同一型號的稀漿混合料，級配偏細者和易性更能保證。

6. 稀漿混合料集料級配范圍確定方法

6.1微表處集料級配范圍不但要求能使路面結構密實度達到最大，而且要求稀漿混合料和易性達到最佳。

6.2通過最大密實度曲線理論適應性分析、集料顆粒排列規律及其試驗，結合經驗，認為微表處最大密實度曲線為pi=100（di/D）n，其中n=0.25～0.55，把此級配范圍記為集合A;通過集料內摩阻力以及最佳和易性曲線的研究表明，微表處集料級配宜細不宜粗，所要設計的稀漿混合料最佳和易性曲線為pi=100（di/D）n，其中n根據微表處型號確定，把此級配范圍記為集合B。那么，集合A和集合B的交集（A∩B）不但能使微表處的密實度達到最大，而且能使其稀漿混合料的和易性達到最佳。

7. 結束語

（1）最大密實度曲線理論是熱拌熱鋪瀝青混合料集料級配范圍的設計依據，不能直接用之設計稀漿混合料集料級配范圍。

（2）稀漿混合料集料級配范圍的確定以及施工時級配的設計，都應堅持宜細不宜粗的原則。

（3）修復車轍時，微表處的型號要與車轍深度匹配。如果微表處的成型厚度與集料最大粒徑一致，并且集料最大粒徑又與車轍深度相當，那么用這種微表處填補較深的車轍，其自身將不會產生車轍;如果微表處成型厚度超過集料最大粒徑較多（5mm以上），則會重復出現車轍。

（4）我國規范已給出的能用于修復車轍的微表處只有MS-3型，它適合用于填補10mm左右深的車轍;對于15mm～30mm深的車轍，可根據情況設計開發新型號的微表處來填補，包括MS-4型（最大粒徑16mm）、MS-5型（最大粒徑20mm）、MS-6型（最大粒徑26.5mm）、MS-7型（最大粒徑31.5mm）;比MS-7型再粗的微表處很難做，不建議用之填補車轍。因此，深度大于30mm的車轍不宜用微表處修復。

參考文獻

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[6]ISSA Technical Bulletin No.100～147.

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[8]CJJ? 66-95，路面稀漿封層施工規程.

[9]鄧學鈞、黃曉明.路面設計原理與方法[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

[10]JTG? F40-2004，公路瀝青路面施工技術規范.

[文章編號]1619-2737（2014）09-26-794

[作者簡介] 陳國強（1965-），男，籍貫：河南舞鋼市人，學歷：本科，職稱：高級工程師，長期從事公路工程技術與管理工作。