基于GTM的AC-16型瀝青混合料級配優化研究

□文/滕川 李源淵

基于GTM的AC-16型瀝青混合料級配優化研究

□文/滕川 李源淵

為探究基于GTM設計方法下的最優級配設計，以便更好地指導控制瀝青混合的綜合性能，保障瀝青路面的質量和使用功能，根據4.75 mm篩孔通過率的不同（分別為50%、45%、40%、35%、30%）設計7種AC-16型瀝青混合料級配并系統研究不同級配下瀝青混合料的體積參數及路用性能。研究結果表明，最佳瀝青用量、體積參數、GTM旋轉密度下的混合料路用性能與級配有很大關系，基于上述關鍵因素協調性較好原則，提出了AC-16型瀝青混合料優化級配范圍。

道路；GTM；級配設計；AC-16型；瀝青混合料；路用性能；優化

瀝青混合料類型選擇和配合比設計是保證瀝青路面質量和使用功能的關鍵[1]。級配優化設計作為配合比設計的重要組成部分，決定著瀝青混合料綜合性能的優劣，然而基于不同瀝青混合料設計方法下的級配不能擇一通用。因此，本文基于GTM的設計方法選擇4.75 mm篩孔通過率不同的7種級配對AC-16型瀝青混合料系統進行了級配優化對比研究，最終依據所研究級配在最佳瀝青用量、GTM旋轉密度下的混合料路用性能協調性較好原則，提出了AC-16型瀝青混合料優化級配范圍，指導實際應用。

1　原材料分析

遷安產石灰巖粗、細集料及礦粉；瀝青為唐山交達產70號A級道路石油瀝青。原材料符合規范要求技術標準[2～3]，具體指標見表1-表4。

表1　SBS改性瀝青檢測結果

表2　粗集料技術性質

表3　細集料技術性質

表4　礦粉技術性質

混合料由各級集料逐級篩分后回配而得，集料有效相對密度見表5。

表5　集料有效相對密度

2　級配設計

級配曲線的完整信息可以由各篩孔通過率來描述。進行級配研究時如能夠將各篩孔通過率作為研究對象考慮并最終建立在特定條件下（考慮瀝青性質、集料表面性質），各級集料含量與混合料體積參數、路用性能等的聯系，當然是最理想的結果。但由于瀝青混合料路用性能影響因素多，以此方式進行研究，工作量過大。因此研究中需抓住級配曲線的主要特征，用較少的參數控制級配曲線的走向，抓住主要矛盾，才能夠達到用較少的試驗工作獲得接近于最優結果的級配優化結果。

級配設計時固定0.075 mm通過率5%，設定AC-16型瀝青混合料粗細集料分界點為4.75 mm，因此根據4.75mm通過率的不同（分別為50%、45%、40%、35%、30%），將研究所用級配曲線設計為連接0.075 mm通過率、4.75mm通過率及最大粒徑通過率的折線。如此，5種級配（級配1、2、3、4、5）實際上其級配特征參數均由4.75 mm通過率來控制。貝雷法中CA比定義為粗集料中的細集料與粗集料中粗集料的比值，對本研究所用的5種級配，CA比均相等。而細集料組成參數Fac、Faf比值實際上也由4.75mm通過率控制。

為研究粗集料組成對瀝青混合料路用性能影響，設計的級配3-1、3-2是在細集料組成與級配3相同的條件下調整粗集料級配，分別得到CA比較大和較小的級配。供研究的7種級配見表6。

表6　AC-16級配

3　最佳油石比確定

采用GTM方法進行試驗，垂直壓力0.7MPa；試件成型到極限平衡狀態；成型溫度140～145℃。

選擇3.9%、4.2%、4.5%、4.8%、5.1%等5組油石比分別進行拌和，在上述條件下成型GTM試件。瀝青混合料密度為表干法測定的試件毛體積相對密度?？紤]到礦料對瀝青膠結料的吸收特點，瀝青混合料最大理論密度根據集料有效密度計算并據此計算空隙率、間隙率、飽和度等體積參數。

由圖1和圖2可以看出，級配1～5及級配3-1、3-2最大油石比分別確定為4.5%、4.5%、4.6%、4.7%、4.8%、4.8%、4.5%。

圖1　GSI隨油石比變化

圖2　GSF隨油石比變化

4　不同級配混合料體積參數比較分析

4.1GTM旋轉試件密度

不同級配、不同油石比下GTM旋轉試件密度見圖3。

圖3　GTM旋轉試件毛體積密度

由圖3可以看出，7種級配相同油石比下混合料試件密度由大到小分別為級配3-1、4、3、2、5、1、3-2。試驗范圍內，隨著細集料的增加，混合料密度沒有峰值出現。與4.75mm通過率對混合料密度影響相比，粗集料組成對混合料密度影響更大，表現為CA比越大，混合料密度越小。這主要是由于CA比大，4.75～9.5 mm含量多，對粒徑更大的粗集料形成強烈的撐持作用，使得混合料空隙增加，因此混合料密度較小。而CA比小時，混合料級配幾乎為斷級配，細集料能夠充分填充粗集料形成的空隙，因此密度較大。

4.2GTM旋轉試件體積參數

不同級配、不同油石比下GTM旋轉試件VMA見圖4和表7。

圖4　AC-16不同級配GTM旋轉試件VMA

表7　AC-16不同級配GTM旋轉試件VMA%

由圖4可知，對于粗細集料自身組成相差不大的級配1～5，在試驗范圍內，相同油石比下，隨著細集料含量的減少，VMA增加。但對VMA變化趨勢進一步分析則可發現，不同油石比下4.75 mm通過率為35%的點均為VMA的突變點。當4.75mm通過率＞35%時，隨著細集料含量的減少，其VMA增加并不明顯，但當4.75 mm通過率＜35%后，隨著細集料含量的減少，VMA急劇增加。此規律表明，對于所研究的對象，當粗集料含量較少（＜75%）時，集料間隙率由細集料組成控制，此范圍內，粗細集料比例變化對集料間隙率影響不大，可認為這種結構為懸浮結構，當粗集料含量達到一定值時（75%），細集料恰好填充粗集料空隙，而粗集料也恰好達到嵌擠結構，此時如粗集料含量繼續增加，VMA將急劇增大，表明細集料含量太少，其體積已不足以填充粗集料骨架間隙，因此粗集料含量對VMA影響很大，這時混合料結構為骨架空隙結構。而4.75mm通過率為35%的級配應定義為骨架密實結構。但骨架密實結構的判據應該是路用性能，因此此理論還有待于路用性能進行驗證。

由表7可知，級配3-1在4.2%、4.5%油石比下VMA最大，而級配3-2的VMA最小，說明增加粗集料中的細集料含量，可使瀝青混合料VMA增加。如減小粗集料中的細集料含量（即CA比減?。?，可使混合料中的VMA減小。

4.3逐級填充試驗

由粒子干涉理論，在兩級集料粒徑倍數≤2的條件下，較小粒徑的集料以一定比例摻入較大粒徑的集料后，必將對較大粒徑的集料同時產生撐持及填充，撐持體現在混合料中上一檔集料的間隙率增加，而填充則體現在混合料總的空隙率減小。為探究各級集料的撐持與填充狀況，對級配3進行了逐級填充試驗。試驗方法如下：

1）取16～19mm的集料分別進行松裝、插搗、振動及預估瀝青含量下的GTM旋轉試驗，計算各種不同成型方式下集料間隙率VV16；

2）取13.2～16mm的集料按比例摻入16～19mm的集料中并分別進行松裝、插搗、振動及預估瀝青含量下的GTM旋轉試驗，計算各成型方式下混合料的集料空隙率VV13.2；

3）取9.5～13.2mm的集料按照步驟2進行試驗，計算各成型方式下的集料空隙率VV9.5；

4）依次進行填充試驗，直至填充至礦粉并計算空隙率VV0。

試驗結果見表8。

表8　不同作用方式下集料分級填充試驗結果

無論何種作用方式，對于最大粒徑為16～19 mm的集料，當摻入13.2～16 mm及9.5～13.2 mm的集料后混合料VV變化不大。表明13.2mm及9.5mm的集料對上一檔集料主要起撐持作用，而填充作用較弱。當填入4.75 mm及以下集料時，填充作用明顯增強，表現在從VV9.5開始，不同粒徑的集料填入后，VV持續減小，直至VV0。表明無論何種成型方式，填充與撐持作用有相同的規律，即1/2D的集料對上一檔集料有明顯的填充作用。

未加瀝青時，混合集料的松裝、插搗及GTM旋轉的VV有基本相同的變化趨勢。表明對于未加瀝青的混合料，不同成型方式下混合料VV有系統差。但加入瀝青后，在GTM旋轉壓實作用下，隨著各檔集料的加入，VV下降速率明顯大于未加入瀝青的混和集料在各種成型方式下的VV且隨著粒徑較小的集料的逐級加入，VV差值也越大。

對于瀝青混合料這種散粒體材料，在膠結料性質相同的條件下，集料的空間排列狀態無疑成為影響其力學性質的決定性因素。而VV的大小及其變化規律則可以間接反映集料空間排列狀態（至少可以直觀反映集料排列緊密程度）。由VV變化規律可知，加入瀝青后混合料的集料空間結構與未加瀝青的混和集料的空間結構有很大差異。因此如用未加瀝青的混和集料的某種體積參數或力學指標（如CBR等）為判據優化瀝青混合料級配，那么根據以上試驗結果，加入瀝青后，混合料中的集料空間結構與優化的混和集料的空間結構是不同的，而此時混合料的空間結構是否最優確實應繼續探討。

5　不同級配瀝青混合料路用性能

5.1高溫抗車轍能力

最佳油石比、GTM密度下60℃車轍試驗結果見表9。

表9　不同級配車轍試驗結果

1）粗集料含量的影響。細集料含量與瀝青混合料高溫抗車轍能力呈二次曲線相關且車轍深度與動穩定度也有較好的相關性，即車轍深度越小的級配動穩定度越高。因此對于瀝青混合料，存在一個適度的粗集料用量。粗集料含量過多，混合料中的細集料難以緊密填充粗集料骨架空隙從而導致混合料空隙率過大，結構強度小；粗集料含量過少，混合料難以形成嵌擠結構，結構強度也會變小。對于本次研究對象，當4.75 mm通過率為40%，即粗集料含量為60%時，混合料抗車轍能力最強。因此只有粗細集料比例合理，形成骨架密實結構，才能獲得較高的動穩定度。

2）粗集料級配的影響。粗集料含量及細集料級配一定，粗集料級配對瀝青混合料高溫抗車轍能力有顯著影響，表現為粗集料中的細集料含量過多或過少均對抗車轍能力產生不利影響。

5.2水穩定性

通過凍融劈裂試驗評價瀝青混合料水穩定性。試驗結果見表10。

表10　不同級配凍融劈裂試驗結果

對于本次研究對象，劈裂強度、凍融劈裂殘留強度比與細集料含量及空隙率大小存在良好的相關性，細集料含量增大，空隙率降低，劈裂強度及凍融劈裂殘留強度比增加。這是因為凍融劈裂試驗實際上是反映試件的抗凍能力。只要試件的空隙率小且不連通，水難以進入試件內部通過凍融循環對強度造成破壞，混合料的凍融殘留強度比就大。而細集料含量的大小對凍融劈裂殘留強度比的影響同樣是通過空隙率反映出來的，而空隙率卻是密度的導出值，因此在配合比設計合理的前提下，提高或保證路面的壓實度是提高路面耐久性的有效途徑，那種認為瀝青混合料應該具有一定空隙率（比如4%）的觀點顯然缺乏理論依據和科學試驗的驗證。

5.3抗滑能力

表面層直接接受交通荷載作用，由于車速高，因此表面層在綜合考慮高溫抗車轍及抗水破壞能力的前提下應考慮抗滑性能。

不同級配車轍試件的構造深度及擺值，見表11。

表11　不同級配抗滑能力

試驗結果表明，細集料含量與抗滑能力有顯著相關關系，表現為細集料含量越多，構造深度與擺值越小，瀝青混合料抗滑能力越小。

6　AC-16型瀝青混合料優化級配范圍

根據所研究級配在最佳瀝青用量、GTM旋轉密度下的混合料路用檢測結果：級配3具有較好的高溫抗車轍能力、較好的抗水破壞能力及抗滑性能，據此提出各種路用性能協調性較好的AC-16型瀝青混合料優化級配范圍見表12。

表12　AC-16型瀝青混合料的優化級配范圍mm

7　結論

1）與4.75mm通過率對混合料密度影響相比，粗集料組成對混合料密度影響更大，表現為CA比越大，混合料密度越小。

2）增加粗集料中的細集料含量，可使瀝青混合料VMA增加。如減小粗集料中的細集料含量（即CA比減小），可使混合料中的VMA減小。

3）逐級填充試驗表明：無論何種成型方式，填充與撐持作用有相同的規律，即1/2D的集料對上一檔集料有明顯的填充作用；未加瀝青時，混合集料的松裝、插搗及GTM旋轉的VV有基本相同的變化趨勢，三條曲線基本平行，表明對于未加瀝青的混合料，不同成型方式下混合料VMA有系統差。但加入瀝青后，在GTM旋轉壓實作用下，隨著各檔集料的加入，VV下降速率明顯大于未加入瀝青的混和集料在各種成型方式下的VV且隨著粒徑較小的集料的逐級加入，VV差值也越大。

4）對于本次研究對象，當4.75 mm通過率為40%，即粗集料含量為60%時，混合料抗車轍能力最強，粗集料中的細集料含量過多或過少均對抗車轍能力產生不利影響；劈裂強度、凍融劈裂殘留強度比與細集料含量及空隙率大小存在良好的相關性，細集料含量增大，空隙率降低，劈裂強度及凍融劈裂殘留強度比增加；細集料含量與抗滑能力有顯著相關關系，表現為細集料含量越多，構造深度與擺值越小，瀝青混合料抗滑能力越小。

[1]周衛峰.基于GTM的瀝青混合料配合比設計方法研究[D].西安：長安大學，2006.

[2]JTGF 40—2004，公路瀝青路面施工技術規范[S].

[3]JTGE 20—2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.02.019

□李源淵/天津市市政工程研究院。

□U414

□C

□1008-3197（2015）02-49-05

□2015-01-15

□滕川/女，1962年出生，高級工程師，天津市市政工程研究院，從事工程技術管理工作。