基于级配优化的AC-16沥青混合料设计及性能验证

李 洪 陈 竹

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

矿料的级配组成结构对沥青混合料的性能起着决定性的作用[1-2]，沥青混合料高温抗车辙能力有60%依赖于矿料级配的嵌挤作用，而沥青结合料的黏结力仅有40%的贡献[3]。具有较高的密实度且颗粒之间嵌挤良好的沥青混合料具有良好的高温稳定性、水稳定性和耐久性，因此，在沥青混合料级配设计中，提高矿料级配的抗剪切性能和密实度很有必要[4]。

本文分别采用振动密实级配设计方法[5]和多级嵌挤抗剪级配设计方法[6-7]来设计AC-16沥青混合料矿料级配，并对采用2种级配的AC-16沥青混合料的路用性能进行对比分析，分析矿料级配对沥青混合料路用性能的影响。

1 不同级配AC-16沥青混合料配合比设计

1.1 原材料

沥青采用壳牌SBSI-C型改性沥青，主要技术指标见表1，粗集料主要技术指标见表2。

表1 SBS改性沥青技术指标

表2 粗集料技术指标

细集料由石灰岩碎石加工而成，其中表观相对密度为2.731，毛体积相对密度为2.614，采用水洗法测得的<0.075 mm颗粒含量为11.4%，指标均符合规范要求；矿粉由5～10 mm石灰岩碎石加工而成，含水率为0.2%，密度为2.683 g/cm3，指标均符合规范要求。

1.2 振动密实级配设计

先将粗集料分别筛为单粒径，即：2.36，4.75，9.5，13.2，16 mm 5档颗粒。

1) 13.2 mm填充16 mm。各填充比例下振实密度变化情况见图1。

图1 13.2 mm填充16 mm混合料关系图

由图1可见，随着填充比例的增加，振实密度整体呈增加趋势变化，根据粒子干涉理论可知，13.2 mm大于16 mm档颗粒的空隙，形成粒子干涉，13.2 mm颗粒会将16 mm颗粒形成的骨架挤开，填充比越大越不利，所以振实密度随13.2 mm的填充比增大而增大，因此两者没有最佳填充比值。在级配设计中，为了防止混合料离析，一般公称最大粒径档颗粒的通过率不小于95%。根据规范中值取m(13.2 mm)∶m(16 mm)=5∶11=2.2∶1。

2) 9.5 mm填充m(13.2 mm)∶m(16 mm)=2.2∶1的混合料。各填充比例下振实密度变化情况见图2。

图2 9.5 mm填充13.2 mm+16 mm混合料关系图

由图2可见，9.5 mm与13.2 mm+16 mm颗粒的振实密度随集料填充质量比的增大而增大，同时，变化曲线存在3个明显的波峰。当填充比逐渐增大到20%时，振实密度为3.163 g/cm3，出现第一次波峰；集料填充比为90%时，振实密度为3.321 g/cm3，出现第二次波峰；集料填充比为160%时，振实密度为3.283 g/cm3，出现第三次波峰，因此，此时振实密度达到最大状态，填充比例为90%，所以9.5 mm档料的最佳填充质量比为90%，即m(9.5 mm)∶m(13.2 mm+16 mm)=0.9∶1。

3) 4.75 mm填充m(9.5 mm)∶m(13.2 mm+16 mm)=0.9∶1的混合料。各填充比例下振实密度变化情况见图3。

图3 4.75 mm填充9.5 mm+13.2 mm+16 mm的混合料关系图

由图3可见，振实密度随填充比例的增加整体呈先增加后减小的趋势变化。当填充比逐渐增大到70%时出现第一个波峰，此时振实密度为3.363 g/cm3；当填充比为160%时出现第二个波峰，此时振实密度为3.342 g/cm3，所以4.75 mm的最佳填充质量比例为70%，即m(4.75 mm)：m(9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=0.7∶1。

4) 2.36 mm填充m(4.75 mm)∶m(9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=0.7∶1的混合料。各填充比例下振实密度变化情况见图4。

图4 2.36 mm填充4.75 mm+9.5 mm+13.2 mm+16 mm的混合料关系图

由图4可见，振实密度随填充比例的增加整体呈先增加后减小的趋势变化。当填充比逐渐增大到40%时出现第一个波峰，此时振实密度为3.412 g/cm3；当填充比为100%时出现第二个波峰，此时振实密度为3.388 g/cm3，此后随填充比增大，混合料振实密度趋于稳定，所以2.36 mm的最佳填充质量比例为40%，即m(2.36 mm)∶m(4.75 mm+9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=0.4∶1。

综上可知：m(2.36 mm)∶m(4.75 mm)∶m(9.5 mm)∶m(13.2 mm)∶m(16 mm)=18∶22∶14∶11∶5，各级筛孔通过质量分数比例应为16 mm∶13.2 mm∶9.5 mm∶4.75 mm∶2.36 mm=100∶95∶84∶70∶48∶32，通过微调得到AC-16沥青混合料合成级配见表3。

表3 AC-16沥青混合料振动密实级配

1.3 多级嵌锁抗剪级配设计

同样先将粗集料分别筛为5档单粒径颗粒。

1) 13.2 mm集料填充16 mm。在级配设计中，为防止混合料离析，一般公称最大粒径档颗粒的通过率不小于95%。根据规范中值取m(13.2 mm)∶m(16 mm)=5∶9。

2) 9.5 mm集料填充m(13.2 mm)∶m(16 mm)=5∶9组成的混合料。不同掺配比例下混合料抗剪模量系数见图5。

图5 9.5 mm填充13.2 mm+16 mm时抗剪模量系数图

由图5可见，混合料抗剪模量系数随掺配比例的增加呈先增加后减小的趋势变化，取m(9.5 mm)∶m(13.2 mm+16 mm)=4∶6。

3) 4.75 mm集料填充m(9.5 mm)∶m(13.2 mm+16 mm)=4∶6的混合料。不同掺配比例下混合料抗剪模量系数见图6。

图6 4.75 mm填充9.5 mm+13.2 mm+16 mm时抗剪模量系数图

由图6可见，取m(4.75 mm)∶m(9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=5∶5。

4) 2.36 mm集料填充m(2.36 mm)∶m(9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=5∶5的混合料。不同掺配比例下混合料抗剪模量系数见图7。

图7 2.36 mm填充4.75 mm+9.5 mm+13.2 mm+16 mm时抗剪模量系数图

由图7可知，取m(2.36 mm)∶m(4.75 mm+9.5 mm+13.2 mm+16 mm)=2∶8。

综上可知，各档集料的质量比例为：2.36 mm∶4.75 mm∶9.5 mm∶13.2 mm∶16 mm=15∶28∶14∶7∶4，由体积法得出细集料各档比例，通过微调得到多级嵌挤AC-16沥青混合料合成级配见表4。

表4 AC-16沥青混合料多级嵌锁抗剪级配

对比2个级配可知，振动密实级配与多级嵌锁抗剪级配的主要差别在于前者2.36～4.75 mm档料质量比例明显大于后者，而大量研究成果表明，由于2.36～4.75 mm档料易将混合料骨架结构撑开，因此该档料是造成矿料不能形成骨架嵌挤结构的关键。

1.4 最佳沥青用量的确定

依据工程经验，初步确定5个油石比分别为：3.8%，4.3%，4.8%，5.3%，5.8%，对采用2种级配的AC-16沥青混合料进行马歇尔试验，测定各项指标。设计空隙率为4.0%，空隙率范围为4%～5%。最终确定采用振动密实级配的AC-16沥青混合料的最佳沥青用量为4.8%，采用多级嵌锁抗剪级配的AC-16沥青混合料的最佳沥青用量为4.7%。

2 路用性能验证

2.1 高温稳定性

采用车辙试验和直接剪切试验评价AC-16沥青混合料的高温稳定性，车辙试验采用JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定的标准试验方法；直接剪切试验在60 ℃条件下进行，加载速率取为50 mm/min，试验结果见表5。

表5 AC-16沥青混合料车辙试验和直接剪切试验结果

由表5可见，采用多级嵌锁抗剪级配的AC-16沥青混合料的动稳定度和抗剪强度分别为6 344次/mm和1.173 MPa，较采用振动密实级配的AC-16沥青混合料的5 236次/mm和1.017 MPa分别增加了21%和15%，说明采用多级嵌挤抗剪级配的AC-16沥青混合料具有更好的高温稳定性，究其原因在于多级嵌锁抗剪级配可以使得矿料之间形成更好的嵌挤作用，而振动密实级配则更强调沥青混合料的密实性。

2.2 低温抗裂性

低温抗裂性采用低温弯曲试验来评价，实验按照JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 规定的标准试验方法。由试验结果可知，采用振动密实级配AC-16沥青混合料的破坏应变为3 761 ×10-6，较采用多级嵌锁抗剪级配AC-16沥青混合料的3 218×10-6增加了17%，说明采用振动密实级配的AC-16沥青混合料具有更好的低温抗裂性，这与采用振动密实级配的AC-16沥青混合料拥有更好的密实度和更大的沥青用量有关。

2.3 水稳定性

采用浸水马歇尔试验来评价AC-16沥青混合料的水稳定性，同样按照JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 规定的标准试验方法进行试验，结果表明，采用振动密实级配AC-16沥青混合料的残留稳定度为91.7%，较采用多级嵌锁抗剪级配AC-16沥青混合料的88.6%增加了3个百分点，这同样与采用振动密实级配AC-16沥青混合料具有更大的沥青用量有关。

3 结语

本文分别采用振动密实级配设计法和多级嵌挤抗剪级配设计法进行了AC-16沥青混合料矿料级配设计，并对采用2种级配的AC-16沥青混合料的路用性能进行测试，结果表明，采用多级嵌挤抗剪级配的AC-16沥青混合料具有更好的高温稳定性，这与其矿料之间更好的嵌挤作用有关，而采用振动密实级配的AC-16沥青混合料则拥有更好的低温抗裂性和水稳定性，这与拥有更好的密实度和更大的沥青用量有关。

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