S型級配曲線特征及對AC型瀝青混凝土配合比設計的優化

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型結構方法，并依托具體工程實踐開展了優化設計研究。通過實驗分析與示范工程實踐，發現優化后的瀝青混凝土路面具有強度高、抗車轍能力強、施工方便和性價比高等特點，為重載交通路面設計提供了一種新的思路與方法。

關鍵詞：S型級配曲線;特征;AC型瀝青混凝土;配合比優化設計

中圖分類號：U412 文獻標識碼：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，內因主要是與材料的選用和配比有關。目前國內瀝青混凝土設計主要有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設計方法。最大密實度法設計的級配曲線以接近最大密實度線（直線）或規范中值為最優，Su-perpave設計方法由于有“控制點”和“禁區”規定，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行實驗分析，得出重交通路面級配宜從禁區下方通過的結論.韓旭鵬通過對“S”型級配、中值級配、關鍵篩孔偏粗級配、關鍵篩孔偏細級配等6種不同級配進行空隙率、穩定度、車轍關鍵性指標試驗，得出“S”型級配曲線綜合指標優于其它級配曲線的結論。石豐功等分別對兩種瀝青混合料進行了3種級配曲線性能試驗，得出級配曲線通過“禁區”下方時具有瀝青用量少和高溫抗車轍變形能力強等特點的結論。官本輝等通過研究，發現“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，當級配曲線從禁區下方通過時，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”型級配優于其它型級配是行業的普遍共識和一致觀點，但Superpave設計法由于實驗設備昂貴、實驗過程復雜、技術要求高，很難在一般實驗室開展，特別在工地實驗室幾乎無條件進行。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型瀝青混合料進行優化的思路，成功設計了抗車轍性能較強的“S”型混合料。

文章基于國內外“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、性質和實現方法，并用“S”型級配理論對AC型瀝青混凝土進行了優化。通過對優化后的Sup-13路用性能進行檢驗和具體工程實踐應用，發現其在高溫抗車轍變形能力和抗壓強度得到很大提高的同時，水穩定性等方面也能滿足規范要求，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設計法的S型級配曲線

Superpave級配設計主要根據泰波（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”（見表2）規定。設計級配曲線要求避開禁止區域，只能從“禁區”下方或上方通過，而且還必須通過關鍵粒徑“控制點”，級配范圍限制性增強。設置“禁區”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）細砂（集料）含量，防止級配曲線在0.6mm處產生駝峰，同時還避免級配曲線在此區域靠近最大密實度線引起的間隙率（VMA）不足問題，從而確保設計出的AC能夠被壓實和有足夠的高溫穩定性?！翱刂泣c”則是保證0.075mm、2.36mm、最大公稱粒徑和最大粒徑等關鍵篩孔集料通過率，目的是保證其顆粒能夠形成嵌鎖密實型結構.

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

1.2 S型級配與其它型級配的主要區別

通過對S型級配分析，發現S型級配曲線在兩端（對應粗細集料含量）遠離最大密實度線，這樣的級配組成導致集料中偏粗粒料用量較多，偏細粒料用量較少。其它型級配一般根據規范給出的級配范圍通過試算確定粗細集料比例，級配曲線以接近最大密實度線或規范中值為最優，這是兩者最大和最本質的區別。當然，按不同級配曲線設計的瀝青混凝土各種物理力學性能自然也不相同，其表現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型級配曲線進行分析和大量應用實踐研究，發現其有以下顯著特征：

（1）按S型級配曲線設計的瀝青混凝土屬于嵌鎖密實型結構，強度除來源于瀝青膠結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度和抗變形能力。

（2）S型級配粗集料含量較多，細集料含量較少，但仍然屬于連續級配范疇。通過調整AC型瀝青混合料粗細集料比例，也能在規范允許的范圍內實現S型級配目標。

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

（4）S型級配嵌鎖型結構由于使用了較多粗集料，因此對溫度表現不敏感，其高溫穩定性好，強度高，抗車轍性能優良。但由于同時減少了細集料使用量，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，不過仍能滿足規范要求。

綜上所述，按S型級配曲線設計的瀝青混合料具有優良的物理力學性能，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。

2AC型瀝青混凝土按S型級配的優化設計

文章以貴州$207線道真大阡至石人公路改擴建工程瀝青路面優化設計為例，研究了AC型瀝青混凝土按S型級配曲線設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，設計荷載為公路-I級，路面結構為15cm級配碎石底基層+33cm水泥穩定碎石基層+5cmAC-16中粒式瀝青混凝土下面層+4cmAC-13細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型級配曲線優化為Sup-13。

2.1集料優化

施工單位原準備的AC-13上面層0-8mm和8-16mm兩檔集料因不滿足施工技術規范要求，業主決定將料場搖擺篩篩網調整為7×7mm、13×13mm和16×16mm，鐵拓1000型拌合樓篩網尺寸調整為4×4mm、6×6mm、11×11mm和9×19mm。這樣集料經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 混合料配合比優化設計

2.2.1原材料實驗

料場及拌合樓篩網重新調整后，對各檔熱料及瀝青進行了實驗，結果如表3-4所示。

2.2.2 原材料篩分結果（見表5）

AC-13按Superpave進行優化后的Sup-13瀝青混合料級配控制點和禁區可參照表1-2最接近的最大公稱尺寸12.5mm篩孔規定執行，也可以采用內插方式確定13.2mm最大公稱尺寸控制點和禁區范圍。

2.2.3 AC型瀝青混合料配合比設計優化

AC型瀝青混合料按S型級配優化時，一般在控制點范圍內調試選出粗、中、細三個級配，然后根據集料的性質（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行馬歇爾試驗，根據實驗結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，最后依據技術要求選定最優配合比。

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

2.3最佳油石比確定

根據規范和類似工程經驗，選擇4.7%、5.0%和5.3%三個油石比進行實驗，最后確定Sup-13最佳油石比為5.0%（見下頁表7）。按照Sup-13設計的合成級配與最佳油石比制作試件進行馬歇爾實驗，結果見下頁表8。

3Sup-13路用性能檢驗與工程實踐結果

基于S型級配優化的Sup-13粗集料偏多，細集料偏少，較AC型瀝青混凝土屬于偏粗型結構，因此示范工程對其抗水損害能力與高溫穩定性進行了檢驗，如表9-11所示。從實驗結果來看，優化后的瀝青混凝土Sup-13均滿足技術規范要求。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，說明優化結果是可行和成功的.

4 結語

通過對S型級配曲線的分析和在具體工程中的應用研究，可以得出以下基本結論：

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

（2）S型級配曲線可按Superpave設計方法獲得，也可通過優化調整AC粗細集料比例，在技術規范確定的級配范圍內實現。

（3）S型級配屬于偏粗嵌鎖密實型結構，由于減少了礦質細集料與瀝青膠結料的使用，在路面全壽命周期內都能確保具有最低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方面表現更加突出。

（4）用S型級配曲線對傳統AC型瀝青混凝土配合比設計進行優化是可行的，形成的結構具有良好的路用性能，且建設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用的一種新型實用技術。