基于GTM的AC-16型沥青混合料级配优化研究

□文/滕川 李源渊

基于GTM的AC-16型沥青混合料级配优化研究

□文/滕川 李源渊

为探究基于GTM设计方法下的最优级配设计，以便更好地指导控制沥青混合的综合性能，保障沥青路面的质量和使用功能，根据4.75 mm筛孔通过率的不同（分别为50%、45%、40%、35%、30%）设计7种AC-16型沥青混合料级配并系统研究不同级配下沥青混合料的体积参数及路用性能。研究结果表明，最佳沥青用量、体积参数、GTM旋转密度下的混合料路用性能与级配有很大关系，基于上述关键因素协调性较好原则，提出了AC-16型沥青混合料优化级配范围。

道路；GTM；级配设计；AC-16型；沥青混合料；路用性能；优化

沥青混合料类型选择和配合比设计是保证沥青路面质量和使用功能的关键[1]。级配优化设计作为配合比设计的重要组成部分，决定着沥青混合料综合性能的优劣，然而基于不同沥青混合料设计方法下的级配不能择一通用。因此，本文基于GTM的设计方法选择4.75 mm筛孔通过率不同的7种级配对AC-16型沥青混合料系统进行了级配优化对比研究，最终依据所研究级配在最佳沥青用量、GTM旋转密度下的混合料路用性能协调性较好原则，提出了AC-16型沥青混合料优化级配范围，指导实际应用。

1　原材料分析

迁安产石灰岩粗、细集料及矿粉；沥青为唐山交达产70号A级道路石油沥青。原材料符合规范要求技术标准[2～3]，具体指标见表1-表4。

表1　SBS改性沥青检测结果

表2　粗集料技术性质

表3　细集料技术性质

表4　矿粉技术性质

混合料由各级集料逐级筛分后回配而得，集料有效相对密度见表5。

表5　集料有效相对密度

2　级配设计

级配曲线的完整信息可以由各筛孔通过率来描述。进行级配研究时如能够将各筛孔通过率作为研究对象考虑并最终建立在特定条件下（考虑沥青性质、集料表面性质），各级集料含量与混合料体积参数、路用性能等的联系，当然是最理想的结果。但由于沥青混合料路用性能影响因素多，以此方式进行研究，工作量过大。因此研究中需抓住级配曲线的主要特征，用较少的参数控制级配曲线的走向，抓住主要矛盾，才能够达到用较少的试验工作获得接近于最优结果的级配优化结果。

级配设计时固定0.075 mm通过率5%，设定AC-16型沥青混合料粗细集料分界点为4.75 mm，因此根据4.75mm通过率的不同（分别为50%、45%、40%、35%、30%），将研究所用级配曲线设计为连接0.075 mm通过率、4.75mm通过率及最大粒径通过率的折线。如此，5种级配（级配1、2、3、4、5）实际上其级配特征参数均由4.75 mm通过率来控制。贝雷法中CA比定义为粗集料中的细集料与粗集料中粗集料的比值，对本研究所用的5种级配，CA比均相等。而细集料组成参数Fac、Faf比值实际上也由4.75mm通过率控制。

为研究粗集料组成对沥青混合料路用性能影响，设计的级配3-1、3-2是在细集料组成与级配3相同的条件下调整粗集料级配，分别得到CA比较大和较小的级配。供研究的7种级配见表6。

表6　AC-16级配

3　最佳油石比确定

采用GTM方法进行试验，垂直压力0.7MPa；试件成型到极限平衡状态；成型温度140～145℃。

选择3.9%、4.2%、4.5%、4.8%、5.1%等5组油石比分别进行拌和，在上述条件下成型GTM试件。沥青混合料密度为表干法测定的试件毛体积相对密度。考虑到矿料对沥青胶结料的吸收特点，沥青混合料最大理论密度根据集料有效密度计算并据此计算空隙率、间隙率、饱和度等体积参数。

由图1和图2可以看出，级配1～5及级配3-1、3-2最大油石比分别确定为4.5%、4.5%、4.6%、4.7%、4.8%、4.8%、4.5%。

图1　GSI随油石比变化

图2　GSF随油石比变化

4　不同级配混合料体积参数比较分析

4.1GTM旋转试件密度

不同级配、不同油石比下GTM旋转试件密度见图3。

图3　GTM旋转试件毛体积密度

由图3可以看出，7种级配相同油石比下混合料试件密度由大到小分别为级配3-1、4、3、2、5、1、3-2。试验范围内，随着细集料的增加，混合料密度没有峰值出现。与4.75mm通过率对混合料密度影响相比，粗集料组成对混合料密度影响更大，表现为CA比越大，混合料密度越小。这主要是由于CA比大，4.75～9.5 mm含量多，对粒径更大的粗集料形成强烈的撑持作用，使得混合料空隙增加，因此混合料密度较小。而CA比小时，混合料级配几乎为断级配，细集料能够充分填充粗集料形成的空隙，因此密度较大。

4.2GTM旋转试件体积参数

不同级配、不同油石比下GTM旋转试件VMA见图4和表7。

图4　AC-16不同级配GTM旋转试件VMA

表7　AC-16不同级配GTM旋转试件VMA%

由图4可知，对于粗细集料自身组成相差不大的级配1～5，在试验范围内，相同油石比下，随着细集料含量的减少，VMA增加。但对VMA变化趋势进一步分析则可发现，不同油石比下4.75 mm通过率为35%的点均为VMA的突变点。当4.75mm通过率＞35%时，随着细集料含量的减少，其VMA增加并不明显，但当4.75 mm通过率＜35%后，随着细集料含量的减少，VMA急剧增加。此规律表明，对于所研究的对象，当粗集料含量较少（＜75%）时，集料间隙率由细集料组成控制，此范围内，粗细集料比例变化对集料间隙率影响不大，可认为这种结构为悬浮结构，当粗集料含量达到一定值时（75%），细集料恰好填充粗集料空隙，而粗集料也恰好达到嵌挤结构，此时如粗集料含量继续增加，VMA将急剧增大，表明细集料含量太少，其体积已不足以填充粗集料骨架间隙，因此粗集料含量对VMA影响很大，这时混合料结构为骨架空隙结构。而4.75mm通过率为35%的级配应定义为骨架密实结构。但骨架密实结构的判据应该是路用性能，因此此理论还有待于路用性能进行验证。

由表7可知，级配3-1在4.2%、4.5%油石比下VMA最大，而级配3-2的VMA最小，说明增加粗集料中的细集料含量，可使沥青混合料VMA增加。如减小粗集料中的细集料含量（即CA比减小），可使混合料中的VMA减小。

4.3逐级填充试验

由粒子干涉理论，在两级集料粒径倍数≤2的条件下，较小粒径的集料以一定比例掺入较大粒径的集料后，必将对较大粒径的集料同时产生撑持及填充，撑持体现在混合料中上一档集料的间隙率增加，而填充则体现在混合料总的空隙率减小。为探究各级集料的撑持与填充状况，对级配3进行了逐级填充试验。试验方法如下：

1）取16～19mm的集料分别进行松装、插捣、振动及预估沥青含量下的GTM旋转试验，计算各种不同成型方式下集料间隙率VV16；

2）取13.2～16mm的集料按比例掺入16～19mm的集料中并分别进行松装、插捣、振动及预估沥青含量下的GTM旋转试验，计算各成型方式下混合料的集料空隙率VV13.2；

3）取9.5～13.2mm的集料按照步骤2进行试验，计算各成型方式下的集料空隙率VV9.5；

4）依次进行填充试验，直至填充至矿粉并计算空隙率VV0。

试验结果见表8。

表8　不同作用方式下集料分级填充试验结果

无论何种作用方式，对于最大粒径为16～19 mm的集料，当掺入13.2～16 mm及9.5～13.2 mm的集料后混合料VV变化不大。表明13.2mm及9.5mm的集料对上一档集料主要起撑持作用，而填充作用较弱。当填入4.75 mm及以下集料时，填充作用明显增强，表现在从VV9.5开始，不同粒径的集料填入后，VV持续减小，直至VV0。表明无论何种成型方式，填充与撑持作用有相同的规律，即1/2D的集料对上一档集料有明显的填充作用。

未加沥青时，混合集料的松装、插捣及GTM旋转的VV有基本相同的变化趋势。表明对于未加沥青的混合料，不同成型方式下混合料VV有系统差。但加入沥青后，在GTM旋转压实作用下，随着各档集料的加入，VV下降速率明显大于未加入沥青的混和集料在各种成型方式下的VV且随着粒径较小的集料的逐级加入，VV差值也越大。

对于沥青混合料这种散粒体材料，在胶结料性质相同的条件下，集料的空间排列状态无疑成为影响其力学性质的决定性因素。而VV的大小及其变化规律则可以间接反映集料空间排列状态（至少可以直观反映集料排列紧密程度）。由VV变化规律可知，加入沥青后混合料的集料空间结构与未加沥青的混和集料的空间结构有很大差异。因此如用未加沥青的混和集料的某种体积参数或力学指标（如CBR等）为判据优化沥青混合料级配，那么根据以上试验结果，加入沥青后，混合料中的集料空间结构与优化的混和集料的空间结构是不同的，而此时混合料的空间结构是否最优确实应继续探讨。

5　不同级配沥青混合料路用性能

5.1高温抗车辙能力

最佳油石比、GTM密度下60℃车辙试验结果见表9。

表9　不同级配车辙试验结果

1）粗集料含量的影响。细集料含量与沥青混合料高温抗车辙能力呈二次曲线相关且车辙深度与动稳定度也有较好的相关性，即车辙深度越小的级配动稳定度越高。因此对于沥青混合料，存在一个适度的粗集料用量。粗集料含量过多，混合料中的细集料难以紧密填充粗集料骨架空隙从而导致混合料空隙率过大，结构强度小；粗集料含量过少，混合料难以形成嵌挤结构，结构强度也会变小。对于本次研究对象，当4.75 mm通过率为40%，即粗集料含量为60%时，混合料抗车辙能力最强。因此只有粗细集料比例合理，形成骨架密实结构，才能获得较高的动稳定度。

2）粗集料级配的影响。粗集料含量及细集料级配一定，粗集料级配对沥青混合料高温抗车辙能力有显著影响，表现为粗集料中的细集料含量过多或过少均对抗车辙能力产生不利影响。

5.2水稳定性

通过冻融劈裂试验评价沥青混合料水稳定性。试验结果见表10。

表10　不同级配冻融劈裂试验结果

对于本次研究对象，劈裂强度、冻融劈裂残留强度比与细集料含量及空隙率大小存在良好的相关性，细集料含量增大，空隙率降低，劈裂强度及冻融劈裂残留强度比增加。这是因为冻融劈裂试验实际上是反映试件的抗冻能力。只要试件的空隙率小且不连通，水难以进入试件内部通过冻融循环对强度造成破坏，混合料的冻融残留强度比就大。而细集料含量的大小对冻融劈裂残留强度比的影响同样是通过空隙率反映出来的，而空隙率却是密度的导出值，因此在配合比设计合理的前提下，提高或保证路面的压实度是提高路面耐久性的有效途径，那种认为沥青混合料应该具有一定空隙率（比如4%）的观点显然缺乏理论依据和科学试验的验证。

5.3抗滑能力

表面层直接接受交通荷载作用，由于车速高，因此表面层在综合考虑高温抗车辙及抗水破坏能力的前提下应考虑抗滑性能。

不同级配车辙试件的构造深度及摆值，见表11。

表11　不同级配抗滑能力

试验结果表明，细集料含量与抗滑能力有显著相关关系，表现为细集料含量越多，构造深度与摆值越小，沥青混合料抗滑能力越小。

6　AC-16型沥青混合料优化级配范围

根据所研究级配在最佳沥青用量、GTM旋转密度下的混合料路用检测结果：级配3具有较好的高温抗车辙能力、较好的抗水破坏能力及抗滑性能，据此提出各种路用性能协调性较好的AC-16型沥青混合料优化级配范围见表12。

表12　AC-16型沥青混合料的优化级配范围mm

7　结论

1）与4.75mm通过率对混合料密度影响相比，粗集料组成对混合料密度影响更大，表现为CA比越大，混合料密度越小。

2）增加粗集料中的细集料含量，可使沥青混合料VMA增加。如减小粗集料中的细集料含量（即CA比减小），可使混合料中的VMA减小。

3）逐级填充试验表明：无论何种成型方式，填充与撑持作用有相同的规律，即1/2D的集料对上一档集料有明显的填充作用；未加沥青时，混合集料的松装、插捣及GTM旋转的VV有基本相同的变化趋势，三条曲线基本平行，表明对于未加沥青的混合料，不同成型方式下混合料VMA有系统差。但加入沥青后，在GTM旋转压实作用下，随着各档集料的加入，VV下降速率明显大于未加入沥青的混和集料在各种成型方式下的VV且随着粒径较小的集料的逐级加入，VV差值也越大。

4）对于本次研究对象，当4.75 mm通过率为40%，即粗集料含量为60%时，混合料抗车辙能力最强，粗集料中的细集料含量过多或过少均对抗车辙能力产生不利影响；劈裂强度、冻融劈裂残留强度比与细集料含量及空隙率大小存在良好的相关性，细集料含量增大，空隙率降低，劈裂强度及冻融劈裂残留强度比增加；细集料含量与抗滑能力有显著相关关系，表现为细集料含量越多，构造深度与摆值越小，沥青混合料抗滑能力越小。

[1]周卫峰.基于GTM的沥青混合料配合比设计方法研究[D].西安：长安大学，2006.

[2]JTGF 40—2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[3]JTGE 20—2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

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

□李源渊/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，高级工程师，天津市市政工程研究院，从事工程技术管理工作。