级配参数对沥青稳定碎石基层性能的影响研究*

张秋菊 刘礼辉 钟昆志 孙玉蛟 黄晓明,4

(1.东南大学交通学院 南京 211189； 2.云南宾鹤高速公路投资开发有限公司 大理 671500；3.中建科技集团有限公司四川分公司 成都 610000；4.道路交通工程国家级实验教学示范中心(东南大学) 南京 211189)

半刚性基层沥青路面是我国高速采用最多的路面结构形式，具有强度高、整体性好，以及造价相对较低等优点[1]。然而，半刚性基层沥青路面结构在使用过程中易出现反射裂缝、唧泥等病害[2]。为了弥补半刚性基层的不足，以沥青稳定碎石基层为代表的柔性基层应运而生[3]。

沥青稳定碎石基层由粗集料构建骨架结构，通过粗集料之间的嵌挤保证结构的稳定性，由细集料、填料和沥青填充骨架之间的空隙，满足其抗冲刷和抗疲劳性能要求[4]。级配的选取对沥青稳定碎石基层性能势必产生重要影响，因此，有必要对级配对沥青稳定碎石性能的影响进行深入研究，以保证沥青稳定碎石基层在推广应用过程中的质量和稳定性。

目前常用的级配设计评价方法有规范法(马歇尔法)、Superpave法、主骨架空隙体积填充法(CAVF法)和贝雷法4种。其中贝雷法是美国伊利诺伊州交通部Robert D.Baily发明的一套确定沥青混合料级配设计的方法，贝雷法提出了3个重要指标CA比、FAc和FAf[5]。采用CA比指标对粗集料级配进行约束，主要是从集料的离析的压实方面进行考虑。贝雷法要求CA比为0.4～0.8。根据美国的研究经验可知，当CA比大于1时，混合料不能形成良好的骨架结构，当CA比小于0.4时，混合料容易产生离析并难以压实。FAc主要作为细集料中的粗细分界点，用于确定细集料中较粗的部分与较细的部分之间的比例关系。FAc和FAf取值应小于0.5，以满足良好的密实性和施工和易性[6]。

本文采用马歇尔配合比设计方法设计不同级配的沥青稳定碎石基层混合料，然后采用贝雷法的3个重要指标CA比、FAc和FAf分别对沥青稳定碎石基层混合料的级配进行评价，获得对应级配参数。然后采用车辙试验、浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验分别测得沥青稳定碎石基层的动稳定度、残留稳定度和冻融劈裂强度比，最后采用回归分析构建贝雷法3个指标与沥青稳定碎石高温稳定性和水稳定性之间的关系，以便为沥青稳定碎石基层的推广应用提供参考依据。

1 材料与试验方法

1.1 试验原材料

1.1.1沥青

试验所用沥青为70号基质沥青，按照规范[7]，对沥青的性能指标进行测试，相关指标见表1。

表1 沥青基本指标

1.1.2集料和填料

试验所用集料为石灰岩，按照规范[8]方法对集料和填料的性能进行测试，相关指标见表2和表3。

表3 矿粉基本指标

1.2 配合比设计

以ATB-25级配为基础对沥青稳定碎石基层级配进行设计。以使混合料骨架密实为原则按一定比例对各档集料进行掺配，采用计算法在统一的油膜厚度下计算相应级配沥青稳定碎石的油石比。一共选取5种不同级配的ATB-25沥青稳定碎石进行配合比设计，5种级配见图1，各自对应的配合比相关体积指标及规范标准[9]见表4。

图1 沥青稳定碎石级配曲线

表4 配合比体积指标

1.3 贝雷法级配评价

按照贝雷法的相关要求，可以分别按照式(1)～(3)计算级配的CA比、FAc和FAf。

(1)

(2)

(3)

式中:PNMPS/2为最大公称尺寸的1/2所对应的筛孔的通过率，%；PPCS为关键筛孔(与最大公称尺寸22%相近尺寸筛孔)通过率，%；PFAC为PCS筛孔22%相近尺寸筛孔通过率，%；PFAF为FAC筛孔22%相近尺寸筛孔通过率，%。

1.4 路用性能试验

成型车辙板试件和大型马歇尔试件，测试沥青稳定碎石混合料的高温抗车辙性能和水稳定性能，分别以动稳定度、浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比为评价指标评价其高温抗变形能力和抗水损坏能力。

2 试验结果与讨论

2.1 级配参数的计算

表5 贝雷法3项指标计算结果

2.2 路用性能试验结果

采用车辙试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对沥青稳定碎石基层混合料的动稳定度、浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度进行测试。试验结果见表6。

表6 路用性能指标试验结果

成型车辙板试件时，将沥青稳定碎石基层混合料拌和后采用30 cm×30 cm×5 cm的车辙板模具通过轮碾法成型车辙板试件。成型大型马歇尔试件时，将沥青稳定碎石基层混合料拌和后采用内径(152.4±0.2) mm的试模双面击实112次得到高(95.3±2.5) mm的大型马歇尔试件。

2.3 级配参数和路用性能的关系

将各种级配沥青稳定碎石的CA比、FAc、FAf和动稳定度、残留稳定度、冻融劈裂强度比采用回归分析进行拟合，拟合结果见图2、图3和图4。

图2 CA比与路用性能的关系

图3 FAc与路用性能的关系

图4 FAf与路用性能的关系

由图2可知，CA比与残留稳定度的相关性强，而与动稳定度和冻融劈裂强度比的相关性较差；由图3可知，FAc与动稳定度和残留稳定度的相关性强，与冻融劈裂强度比的相关性较差；由图4可知，FAf与残留稳定度的相关性强，而与动稳定度和冻融劈裂强度比的相关性较好。这说明在一定程度上，可以根据上述拟合过程中得到的拟合公式，通过级配设计阶段得到的FAc和FAf预估沥青稳定碎石混合料的动稳定度，通过CA比、FAc和FAf预估沥青稳定碎石混合料的残留稳定度，通过FAf预估沥青稳定碎石混合料的冻融劈裂强度比。

3 结语

通过制备不同级配的沥青稳定碎石基层混合料，研究了贝雷法的3个级配评价指标CA比、FAc、FAf与沥青稳定碎石基层混合料的动稳定度、残留稳定度和冻融劈裂强度比的相关性，得到的主要结论如下。

1) 沥青稳定碎石基层混合料级配的变化将对其动稳定度、残留稳定度和冻融劈裂强度产生明显影响，在级配设计阶段，需要选取合理的级配，以保证最终获得的沥青稳定碎石基层混合料的路用性能。

2)CA比与残留稳定度的相关性强，而与动稳定度和冻融劈裂强度的相关性较差；FAc与动稳定度、残留稳定度的相关性强，与冻融劈裂强度比的相关性较差；FAf与残留稳定度的相关性强，而与冻融劈裂强度比和动稳定度的相关性较好。

3) 在级配设计阶段，可以通过贝雷法采用CA比、FAc和FAf对沥青稳定碎石基层混合料的动稳定度、残留稳定度和冻融劈裂强度比进行预估，对级配进行优选，选择CA比和FAf较大、FAc较小的级配，从而保证沥青稳定碎石基层混合料的路用性能。