S型級配曲線特征及對AC型瀝青混凝土配合比設(shè)計的優(yōu)化

黃吉國 黃蛟

摘要：為尋求AC型瀝青混凝土路面高溫抗車轍能力不足問題的解決辦法，文章通過分析S型級配曲線特征，提出用S型級配曲線改造AC型結(jié)構(gòu)方法，并依托具體工程實踐開展了優(yōu)化設(shè)計研究。通過實驗分析與示范工程實踐，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的瀝青混凝土路面具有強(qiáng)度高、抗車轍能力強(qiáng)、施工方便和性價比高等特點，為重載交通路面設(shè)計提供了一種新的思路與方法。

關(guān)鍵詞：S型級配曲線;特征;AC型瀝青混凝土;配合比優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：U412 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.017

文章編號：1673-4874（2019）09-0057-04

0引言

瀝青混凝土路面早期病害主要有車轍變形、松散脫落、開裂脆斷和面層推移等形式，內(nèi)因主要是與材料的選用和配比有關(guān)。目前國內(nèi)瀝青混凝土設(shè)計主要有Marshall法、Superpave法、GTM法和貝雷法等，但集料級配均采用最大密實度法或Superpave設(shè)計方法。最大密實度法設(shè)計的級配曲線以接近最大密實度線（直線）或規(guī)范中值為最優(yōu)，Su-perpave設(shè)計方法由于有“控制點”和“禁區(qū)”規(guī)定，因此形成的級配曲線呈“S”形。

王清洲等通過對4種不同典型級配曲線進(jìn)行實驗分析，得出重交通路面級配宜從禁區(qū)下方通過的結(jié)論.韓旭鵬通過對“S”型級配、中值級配、關(guān)鍵篩孔偏粗級配、關(guān)鍵篩孔偏細(xì)級配等6種不同級配進(jìn)行空隙率、穩(wěn)定度、車轍關(guān)鍵性指標(biāo)試驗，得出“S”型級配曲線綜合指標(biāo)優(yōu)于其它級配曲線的結(jié)論。石豐功等分別對兩種瀝青混合料進(jìn)行了3種級配曲線性能試驗，得出級配曲線通過“禁區(qū)”下方時具有瀝青用量少和高溫抗車轍變形能力強(qiáng)等特點的結(jié)論。官本輝等通過研究，發(fā)現(xiàn)“S”型級配混合料能夠獲得足夠密實度和較好的施工和易性。何艷等研究也指出，當(dāng)級配曲線從禁區(qū)下方通過時，混合料具有較好的高溫性能、抗疲勞性能及抗滑性能。由此可見，“S”型級配優(yōu)于其它型級配是行業(yè)的普遍共識和一致觀點，但Superpave設(shè)計法由于實驗設(shè)備昂貴、實驗過程復(fù)雜、技術(shù)要求高，很難在一般實驗室開展，特別在工地實驗室?guī)缀鯚o條件進(jìn)行。因此，本文基于具體工程需要，提出了用Superpave礦料級配理論對AC型瀝青混合料進(jìn)行優(yōu)化的思路，成功設(shè)計了抗車轍性能較強(qiáng)的“S”型混合料。

文章基于國內(nèi)外“S”型級配曲線大量研究與工程實踐，全面分析了“S”型級配曲線特征、性質(zhì)和實現(xiàn)方法，并用“S”型級配理論對AC型瀝青混凝土進(jìn)行了優(yōu)化。通過對優(yōu)化后的Sup-13路用性能進(jìn)行檢驗和具體工程實踐應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其在高溫抗車轍變形能力和抗壓強(qiáng)度得到很大提高的同時，水穩(wěn)定性等方面也能滿足規(guī)范要求，同時具有不增加工程成本、施工無特殊要求等特點，因而非常適合在重載交通路面工程中推廣使用。

1S型級配曲線特征

1.1 基于Superpave設(shè)計法的S型級配曲線

Superpave級配設(shè)計主要根據(jù)泰波（Tabol）理論，把0.45次方作為級配組成的最大密實度線，同時對礦料級配提出“控制點”（見表1）和“禁區(qū)”（見表2）規(guī)定。設(shè)計級配曲線要求避開禁止區(qū)域，只能從“禁區(qū)”下方或上方通過，而且還必須通過關(guān)鍵粒徑“控制點”，級配范圍限制性增強(qiáng)。設(shè)置“禁區(qū)”的目的是為了控制0.3-2.36mm（公稱粒徑在25mm以上時增加到4.75mm）細(xì)砂（集料）含量，防止級配曲線在0.6mm處產(chǎn)生駝峰，同時還避免級配曲線在此區(qū)域靠近最大密實度線引起的間隙率（VMA）不足問題，從而確保設(shè)計出的AC能夠被壓實和有足夠的高溫穩(wěn)定性。“控制點”則是保證0.075mm、2.36mm、最大公稱粒徑和最大粒徑等關(guān)鍵篩孔集料通過率，目的是保證其顆粒能夠形成嵌鎖密實型結(jié)構(gòu).

通過分析表1和表2，發(fā)現(xiàn)集料同時滿足“控制區(qū)”和“禁區(qū)”要求的級配曲線呈“S”形狀。級配曲線從禁區(qū)上方通過時，形成“反S曲線”，這時的細(xì)集料含量更高，瀝青混合料更密實，類似于按馬歇爾（Mar-shall）法設(shè)計的懸浮密實型結(jié)構(gòu)，其抗水損害、疲勞特性與耐久性均較強(qiáng)，但高溫抗車轍性能較差，一般只適應(yīng)于中低荷載或者中等交通量道路。級配曲線從禁區(qū)下方通過時，形成“正S曲線”（簡稱S曲線，如圖1所示），這時細(xì)集料含量減少，級配顆粒偏粗，形成嵌鎖密實型結(jié)構(gòu)，具有很好的高溫抗車轍能力，能夠承受重載和大交通，因此成為很多學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)推薦的級配曲線。

1.2 S型級配與其它型級配的主要區(qū)別

通過對S型級配分析，發(fā)現(xiàn)S型級配曲線在兩端（對應(yīng)粗細(xì)集料含量）遠(yuǎn)離最大密實度線，這樣的級配組成導(dǎo)致集料中偏粗粒料用量較多，偏細(xì)粒料用量較少。其它型級配一般根據(jù)規(guī)范給出的級配范圍通過試算確定粗細(xì)集料比例，級配曲線以接近最大密實度線或規(guī)范中值為最優(yōu)，這是兩者最大和最本質(zhì)的區(qū)別。當(dāng)然，按不同級配曲線設(shè)計的瀝青混凝土各種物理力學(xué)性能自然也不相同，其表現(xiàn)出來的路用性能差別還很大。

1.3S型級配曲線特征

通過對S型級配曲線進(jìn)行分析和大量應(yīng)用實踐研究，發(fā)現(xiàn)其有以下顯著特征：

（1）按S型級配曲線設(shè)計的瀝青混凝土屬于嵌鎖密實型結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度除來源于瀝青膠結(jié)料與礦料間粘聚力外，還來源于粗集料間的嵌鎖摩阻力，因此比懸浮密實型瀝青混凝土具有更高的強(qiáng)度和抗變形能力。

（2）S型級配粗集料含量較多，細(xì)集料含量較少，但仍然屬于連續(xù)級配范疇。通過調(diào)整AC型瀝青混合料粗細(xì)集料比例，也能在規(guī)范允許的范圍內(nèi)實現(xiàn)S型級配目標(biāo)。

（3）按S型級配曲線設(shè)計的礦質(zhì)混合料由于減少了細(xì)集料的使用，因此對油石比并不敏感，但在4%目標(biāo)空隙率控制下的油石比較懸浮密實型結(jié)構(gòu)的更低。

（4）S型級配嵌鎖型結(jié)構(gòu)由于使用了較多粗集料，因此對溫度表現(xiàn)不敏感，其高溫穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高，抗車轍性能優(yōu)良。但由于同時減少了細(xì)集料使用量，其密實程度會受影響，因此耐久性和抗水損害能力不及其他型級配，不過仍能滿足規(guī)范要求。

綜上所述，按S型級配曲線設(shè)計的瀝青混合料具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能，特別是在防治重載交通路面車轍等早期破壞方面有著非常出色的表現(xiàn)。

2AC型瀝青混凝土按S型級配的優(yōu)化設(shè)計

文章以貴州$207線道真大阡至石人公路改擴(kuò)建工程瀝青路面優(yōu)化設(shè)計為例，研究了AC型瀝青混凝土按S型級配曲線設(shè)計的方法與路用性能檢驗。

該項目為二級公路改造工程，路線全長28.58km，路基寬8.5m，設(shè)計荷載為公路-I級，路面結(jié)構(gòu)為15cm級配碎石底基層+33cm水泥穩(wěn)定碎石基層+5cmAC-16中粒式瀝青混凝土下面層+4cmAC-13細(xì)粒式瀝青混凝土上面層。實施過程中，考慮該段公路為重要出省通道，長大縱坡、高溫潮濕和重載交通特征明顯，遂將AC-13上面層按S型級配曲線優(yōu)化為Sup-13。

2.1集料優(yōu)化

施工單位原準(zhǔn)備的AC-13上面層0-8mm和8-16mm兩檔集料因不滿足施工技術(shù)規(guī)范要求，業(yè)主決定將料場搖擺篩篩網(wǎng)調(diào)整為7×7mm、13×13mm和16×16mm，鐵拓1000型拌合樓篩網(wǎng)尺寸調(diào)整為4×4mm、6×6mm、11×11mm和9×19mm。這樣集料經(jīng)拌合樓篩分后形成了0-3mm、3-5mm、5-10mm和10-15mm四檔熱料倉集料，如此便能得到2.36mm這一關(guān)鍵篩孔，從而有利于混合料的級配控制.填料采用普通硅酸鹽水泥代替。

2.2 混合料配合比優(yōu)化設(shè)計

2.2.1原材料實驗

料場及拌合樓篩網(wǎng)重新調(diào)整后，對各檔熱料及瀝青進(jìn)行了實驗，結(jié)果如表3-4所示。

2.2.2 原材料篩分結(jié)果（見表5）

AC-13按Superpave進(jìn)行優(yōu)化后的Sup-13瀝青混合料級配控制點和禁區(qū)可參照表1-2最接近的最大公稱尺寸12.5mm篩孔規(guī)定執(zhí)行，也可以采用內(nèi)插方式確定13.2mm最大公稱尺寸控制點和禁區(qū)范圍。

2.2.3 AC型瀝青混合料配合比設(shè)計優(yōu)化

AC型瀝青混合料按S型級配優(yōu)化時，一般在控制點范圍內(nèi)調(diào)試選出粗、中、細(xì)三個級配，然后根據(jù)集料的性質(zhì)（密度和吸水率）計算出三個級配的初始瀝青用量，并用初始瀝青用量成型試件進(jìn)行馬歇爾試驗，根據(jù)實驗結(jié)果計算出三個級配瀝青混合料的空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、瀝青飽和度（VFA）等體積性質(zhì)，最后依據(jù)技術(shù)要求選定最優(yōu)配合比。

按以上方法，本示范路Sup-13最終生產(chǎn)配合比設(shè)計結(jié)果為：4#：3#：2#：1#：礦粉=30：29：10：30：1。礦料合成級配篩分結(jié)果見表6，S型級配曲線見圖1。

2.3最佳油石比確定

根據(jù)規(guī)范和類似工程經(jīng)驗，選擇4.7%、5.0%和5.3%三個油石比進(jìn)行實驗，最后確定Sup-13最佳油石比為5.0%（見下頁表7）。按照Sup-13設(shè)計的合成級配與最佳油石比制作試件進(jìn)行馬歇爾實驗，結(jié)果見下頁表8。

3Sup-13路用性能檢驗與工程實踐結(jié)果

基于S型級配優(yōu)化的Sup-13粗集料偏多，細(xì)集料偏少，較AC型瀝青混凝土屬于偏粗型結(jié)構(gòu)，因此示范工程對其抗水損害能力與高溫穩(wěn)定性進(jìn)行了檢驗，如表9-11所示。從實驗結(jié)果來看，優(yōu)化后的瀝青混凝土Sup-13均滿足技術(shù)規(guī)范要求。示范路建成后，通過兩年多的跟蹤觀察，目前路面平整密實，無任何病害，說明優(yōu)化結(jié)果是可行和成功的.

4 結(jié)語

通過對S型級配曲線的分析和在具體工程中的應(yīng)用研究，可以得出以下基本結(jié)論：

（1）按S型級配曲線設(shè)計的瀝青混凝土較按最大密實度理論設(shè)計的結(jié)果更具優(yōu)良表現(xiàn)，其高溫抗車轍變形能力強(qiáng)，彈性模量高，非常適合山區(qū)重載大交通路面使用。

（2）S型級配曲線可按Superpave設(shè)計方法獲得，也可通過優(yōu)化調(diào)整AC粗細(xì)集料比例，在技術(shù)規(guī)范確定的級配范圍內(nèi)實現(xiàn)。

（3）S型級配屬于偏粗嵌鎖密實型結(jié)構(gòu)，由于減少了礦質(zhì)細(xì)集料與瀝青膠結(jié)料的使用，在路面全壽命周期內(nèi)都能確保具有最低4%的空隙率，因此其在抗滑、排水、減少行車水霧和吸音降噪等路面使用品質(zhì)方面表現(xiàn)更加突出。

（4）用S型級配曲線對傳統(tǒng)AC型瀝青混凝土配合比設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化是可行的，形成的結(jié)構(gòu)具有良好的路用性能，且建設(shè)成本和施工方法幾乎沒有變化，因此性價比高，是值得大力推廣和廣泛運(yùn)用的一種新型實用技術(shù)。