瀝青混合料級配分析方法綜述

張九香

（福建工程學院土木學院，福建 福州 380102）

瀝青混合料級配分析方法綜述

張九香

（福建工程學院土木學院，福建 福州 380102）

本文通過對目前國內外常見瀝青混凝土礦料級配設計方法對比分析，得出了各方法的優缺點和工程應用適宜條件，對各類瀝青混合料路面級配設計提供參考。

瀝青混合料 級配設計 工程應用

1. 級配分析的研究意義

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，因此礦料級配對瀝青混合料的高溫穩定性、壓實特性、壓實空隙率、抗滑性能、施工和易性等特性有著重要的影響。對瀝青混合料的級配進行分析研究，盡可能為不同特性混合料提供較優的方法就非常重要。

2 級配分析的研究進展

2.1 國外研究進展[1]

20世紀初，美國學者Fuller根據最大密度理論提出了傳統的連續級配計算公式。SHRP于1993年春又提出了7個控制點和一個禁區的礦料級配設計方法，并提出了n=0.45的最大密度曲線。20世紀90年代初美國得克薩斯州交通局根據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合料含量混合料的設計方法。2002年，美國發表了熱拌混合料級配的貝雷設計方法（Bailey Method）。

在歐洲，德國提出了SMA設計方法，法國提出了薄層瀝青混凝土（BBM）的設計方法，前蘇聯學者伊萬諾夫等人提出了K法。

2.2 國內研究進展

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

3 級配分析方法介紹

3.1 連續級配設計方法

3.1 .1 n法

n法是A.N泰波根據工程實踐由理想的最大密度曲線修正而來的，即：

根據Superpave的研究成果n=0.45級配曲線為最大密度曲線。在工程實踐中n一般在0.3～0.7之間取值，如圖1。當n=0.45～0.5時密實度最大，當n=0.35～0.45時集料的工作性能較好。

圖1 級配指數與級配曲線的關系圖

在工程實踐中，對于不同的集料，集料的最大密度曲線所對應的 n值也不盡相同，因此n法應用的關鍵在于確定n值，但工程中確定n值步驟比較麻煩，所以工程師根據實踐經驗對不同的最大公稱粒徑提出了各種建議級配，在這些級配中，各檔篩的通過百分率只規定上限和下限，應用的時候可根據實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等關鍵篩孔的通過率。

3.1 .2 K法

K法是由前蘇聯伊萬諾夫、奧浩欽等提出用顆粒分級質量遞減系數K為參數的礦料級配曲線。奧氏發現當礦質混合料中集料粒徑按照1/16遞減，次一級粒徑質量為上一級的 43%時，可使混合料獲得最高的密實度。當顆粒質量遞減系數變動于 25%～50%時，混合料仍可保持較高的密實度。但由于相鄰粗細粒徑相差過于懸殊，在混合料拌合、攤鋪時很容易產生離析現象而很難達到預期最佳密實度的目的。為改善級配，奧氏認為將粒徑按照1/2遞減，顆粒質量遞減系數按相同次數開方變化時，混合料的密實程度仍可保持不變。當礦料粒徑按照1/2遞減時，則有：

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

3.1 .3 n法與變K法的比較

現取最大粒徑D=19.0，則n=0.3，0.45，0.7時的級配如表1所示。

表1 n法設計的級配

今仍通過控制0.075mm篩的通過率用變K法來設計級配，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所示的級配。

表2 變K法設計的級配

從表1，2可以看出，當最大粒徑為19mm時，如果0.075mm篩的通過質量百分率相同，則通過n=0.30，0.45，0.70所設計的級配分別和K=0.80，0.73，0.62所設計的級配大致相同，即采用n法設計時n=0.30，0.45，0.70分別對應采用變K法設計時的K=0.80，0.73，0.62，它們的級配曲線近乎重合。級配曲線見圖2所示。

圖2 不同n值和K值的級配曲線

3.1 .4 n法與變K法的優缺點評價

n法和 K法都屬于理論計算方法，通過公式推導得到瀝青混合料級配曲線，并通過調整公式的參數得到級配范圍。它們計算簡便，但計算法未考慮原材料特性、道路等級、交通條件、氣候條件等對混合料性能的影響，即對于特定工程，計算法確定的公稱最大粒徑相同的混合料其級配也是相同的，這會導致特定工程的級配并非最佳。因此應根據實際情況在規范級配范圍內做適當調整，才能獲得路用性能較好的級配。另外，變K法可以控制某一級或某幾級篩的通過百分率，因而它比n法要優越一些。

n法和K法都只適合用來設計連續級配，它們設計出來的混合料水穩定性、耐久性和抗疲勞特性比較好，但高溫穩定性較差，這在瀝青路面發展的早期是很有用的。

3.2 間斷級配設計方法

3.2 .1 Superpave法

Superpave法是SHRP于1993年提出的一種新的礦料級配設計方法，其級配曲線不再是控制每一級篩孔的通過率，而是一些關鍵篩孔。級配設計是根據不同公稱最大粒徑、控制點和禁區的要求初選3個不同級配進行瀝青混合料旋轉試驗，選擇全部符合Superpave體積指標的級配作為優選級配進行設計。初選級配曲線一般成“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、控制點和體積設計法至今已被多數人接受，特別是體積設計法是級配設計的一大突破。但是Superpave也存在控制點的范圍太大、依賴工程經驗性、設計過程繁瑣、無法判斷最優設計等缺點。

Superpave法最受爭議的就是禁區，Superpave認為級配曲線通過禁區對混合料的性能不利，并建議級配曲線從禁區的下方通過，這樣對混合料的高溫穩定性有利。有研究指出Superpave提出的禁區確實存在應該避免[2]，但美國的西部環道試驗卻得出通過禁區下方的粗級配，比通過禁區和禁區上方的級配更容易出現車轍，疲勞損壞也更嚴重[3]。

3.2 .2 CAVF法

CAVF法是由國內張肖寧教授提出來的以粗集料為主骨料，以細集料、礦粉和瀝青來填充粗集料緊密堆積的空隙，并要求細集料、礦粉和瀝青體積百分率與設計空隙率之和應不超過 VCAD RC 的級配設計方法，稱主骨料空隙填充法[4]。其中：

CAVF法作了兩個基本的假定：（1）細集料的顆粒不對粗集料形成的嵌擠結構形成干涉；（2）細集料、礦粉和瀝青組成的膠漿也不對粗集料形成的嵌擠結構形成干涉（粒子干涉理論的應用）。

CAVF是一種體積設計法，它通過粗集料形成骨架，然后以密實的膠漿填充其空隙，所設計出來的混合料屬于骨架密實型結構。因而其設計的級配路用性能比較好，而且設計過程簡便，適合工廠的配合比設計。

CAVF存在一些缺點：（1）計算粗集料間隙率時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，應該用毛體積密度[5]。（3）粗集料和細集料的級配是根據經驗取得，沒考慮礦料要吸收部分瀝青體積。（4）沒有對粗集料進行骨架檢驗，不能保證設計出來的混合料屬于骨架密實結構。（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，使設計的混合料能提供較高的抗車轍性能，同時通過調整粗細集料的比例，獲得合適的VMA以保證混合料具有耐久性。貝雷法不以4.75mm劃分粗集料和細集料，二者分界尺寸是集料最大公稱粒徑的函數，即：

2、優缺點評價

貝雷法提出粗細集料應該根據集料的最大公稱粒徑來劃分，這是級配設計的一大進步。以粗集料骨架為承重主體，提高了混合料的抗車轍性能；貝雷法可以調整粗細集料的比例，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）設計過程繁瑣；（2）實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不符；（3）未考慮瀝青的加入對細集料體積參數的影響。（4）未考慮成型方式對級配的影響。

4 結論

通過以上對分析評述，得出了如下結論。

1.n法和K法相對簡單，可以控制某幾級篩孔的通過百分率，與工程的相關性差，廣泛用于傳統的連續密級配的設計，也可用來設計間斷密級配的細集料級配；

2.CAVF法引入了體積設計法，具有經驗性，無法判定是否形成骨架，未考慮集料會吸收瀝青，不能控制VMA，在國內廣泛應用于骨架密實型混合料的設計；

3.貝雷法可以控制 VMA，但設計過程復雜，所要求篩孔尺寸與我國標準篩不同，用于多級嵌擠密級配的設計，在國外應用廣泛；

4.Superpave法引入了體積設計的概念，經驗性強，設計過程繁瑣，用于間斷密級配的設計，也可用于對傳統密級配的改良，在國內外應用都很廣泛。

[1] 邱穎鋒．骨架密實結構瀝青混合料級配設計及路用性能研究．同濟大學博士論文，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級配禁區對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．瀝青混合料組成設計的CAVF法．公路 ．2001年第12期．

[5] 沙慶林．SAC和其他粗集料斷級配的礦料級配設計方法．公路．2005年1月 第1期．

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1007–6344（2015）01–0197–02