沥青混合料骨架密实级配设计研究

苗 超 蒋洪涛

(山东大学土建与水利学院,山东 济南 250061)

沥青混合料骨架密实级配设计研究

苗 超 蒋洪涛

(山东大学土建与水利学院,山东 济南 250061)

简述了级配理论以及级配设计方法的发展现状，对国内外骨架密实设计以及骨架评价进行了分析，从理论方法、设计原则、可视化设计三方面，总结了其在未来的研究方向，有利于提高沥青混合料骨架密实级配设计的水平。

骨架密实，沥青混合料，级配设计，可视化技术

0 引言

随着我国经济的飞速发展，高速公路的建设在我国也初具规模。但是，随之而来的就是交通量的逐渐增大和频繁的超载，进而导致了路面初期损坏乃至早期损坏[1]。传统沥青路面的设计寿命为15年，但是路面在早期就会产生严重的损坏，这说明传统路面设计技术不再适用于高等级道路路面的设计。

沥青混合料是一种多元复合的混合物，包括矿料、沥青以及填料，矿料中的较粗集料提供骨架，较细部分以及沥青胶浆起到填充作用。从体积角度来讲，混合料中矿料的体积占据了80%以上，并且矿料本身的性能相对比较稳定，因此，矿料的级配组成对沥青混合料性能的影响是至关重要的[2]。此外，沥青的用量决定了沥青混合料的成本，而良好的级配在达到很好性能的同时可以有效地减少沥青的用量，降低成本，所以说级配设计是沥青混合料设计的关键。

沥青混合料按照结构可分为骨架空隙型、骨架密实型以及悬浮密实型，骨架密实型沥青混合料可兼具另外两种类型的优点，既具有较高的粘聚力，又具有较强的摩阻力，所以说是一种理想的级配类型，因此成为研究的一个重点方向。

1 级配理论研究进展

颗粒的堆积起源于我国的垛积理论[3]，矿料级配设计离不开堆积的研究，国内外专家对此提出了很多理论模型。其中比较有代表性的就是最大密度曲线法理论、粒子干涉理论和分形理论。

W. B. Fuller提出了最大密实曲线理论[4]，该理论以矿料形成最大密度为最终目标，并认为矿料的颗粒级配曲线愈接近抛物线其密度愈大，从而确定级配中各种粒径的分布。该理论得到的各粒径的分布比较均匀，且粗集料含量相对较少，不足以形成骨架结构，因此设计的混合料高温性能较差。魏矛斯提出了粒子干涉理论[5,6]，认为：前一级颗粒之间的空隙应由次一级颗粒所填充，其余的空隙由再次一级的颗粒所填充，以此类推。该理论要求次级颗粒的填充不会对前一级颗粒的堆积产生干涉，然而，对于连续级配干涉作用是不可避免的，所以就限制了其应用范围。

随着材料科学的发展，分形理论[7]逐渐应用到级配设计当中。对于任何一种沥青混合料级配都可以用其各个筛孔的通过率得到集料粒径分布的分形维数；反之，若知道分形维数，也可以计算得到各个筛孔的通过率。研究表明，细集料粒径分布分维数范围为2.77～2.85之间，粗集料粒径分布维数范围为1.55～2.15之间的级配有很好的性能[8]。该研究对分形理论的应用进行了很好的尝试，为级配设计提供了一个崭新的思路，但是分形理论并没有对骨架的概念进行定义，仅仅通过分形维数这一指标并不能反映宏观的骨架概念。

2 骨架密实级配设计方法研究

美国C-SHRP计划最重要的成果就是SUPERPAVE设计方法[9]。该方法以控制点和限制区的形式来控制骨架密实级配。粗集料主要通过控制点来进行限制，使其不离析、不推挤，禁区是限制细集料的含量以防止出现“驼峰级配”。SUPERPAVE建议级配在禁区下方通过，得到较粗的级配，从而得到较强的骨架结构。但是国内外对于禁区的研究有相当大的争议，Anderson[10]通过对位于禁区上侧、通过禁区、位于禁区下侧以及从禁区下侧通过且形成驼峰曲线四种混合料级配研究，发现这四类混合料性能都能满足SUPERPAVE设计参数标准。郝培文[11]通过研究证明当级配通过禁区或从禁区上方通过时，沥青混合料的抗永久变形能力、抗疲劳开裂特性以及强度力学特性都要优于从禁区下方通过的级配。贝雷法[12]是由罗伯特·贝雷先生提出的沥青混合料设计和检验方法，该方法依据设计密度来进行设计，并采用CA，FAC，FAF等指标来判定是否为骨架密实。

沙庆林院士[13]提出SAC矿料级配设计方法，设计原理就是粗集料形成骨架，细集料和沥青填充骨架中的孔隙，已达到骨架密实的效果。张肖宁教授[14,15]提出了CAVF(粗集料孔隙填充法)，该方法通过试验确定粗集料的孔隙，该孔隙除去设计空隙率即为细集料、填料和沥青的体积。按此方法设计的沥青混合料，既保证了骨料的充分嵌挤，又使沥青胶浆充分填充了主骨架间隙，从而全面提高沥青混合料的性能。但是，CAVF法只能确定粗集料、细集料和填料这些原材料的质量百分比，但是并没有确定粗集料和细集料的具体级配组成方法，也没有考虑沥青混合料实际拌合过程中集料要吸收部分沥青这一影响因素。此外，刘树堂教授[16]提出一种骨架密实级配设计方法，该方法对骨架密实的概念进行了扩展，以2.36 mm作为粗细分界，采用粗细集料分段设计，利用原材料的参数，通过模型公式就可以计算出粗、细集料的配比，进而得到整个级配。

3 骨架的评价

骨架是一个模糊的概念，国内外学者并没有给骨架做明确的定义。在SMA设计[17]中对于骨架的判定就是满足VCAmix(混合料中粗集料间隙率)小于VCADRC(粗集料捣实间隙率)，是对骨架的一个限制，但这仅仅适用于SMA的级配设计，在连续级配中适用性不强。在贝雷法设计中，CA在一定程度上能反映骨架的嵌挤程度，但是仅仅通过一个指标并不能综合评价骨架的状态。在SAC设计法中，提出VCADRF[18]和VCAAC[19]两种检验方法，其中VCADRF方法是对矿料级配进行骨架密实结构初步检验，而VCAAC检验方法用于沥青混凝土试件最终检验。两种检验方法目标思想一致，都是追求最密实，但是对骨架的强度没有要求。此外，长安大学的倪敏[20]将沥青混合料试件的VCAmix与捣实状态下粗集料骨架间隙率的VCADRC比值定义为骨架密实度，以此来评价混合料骨架的嵌挤程度。研究表明骨架密实度在1.06～1.10能表现出很好的性能，并指出粗集料含量在65%以上能形成很好的骨架。

总之，对于骨架的评价，仅停留在是否密实的层面上，而骨架作为沥青混合料中主要的受力结构不仅仅是追求密实或者空隙率最小，而是应该处在良好的受力状态。对于骨架力学性能的研究，国内外还没有深入的研究，这也将是未来的一个研究重点。

4 可视化技术的应用

常规的级配设计方法还是通过宏观的性能参数来判别级配的好坏，虽然在一定程度上能反映混合料的级配情况，但是对于粗集料的嵌挤以及受力状态完全不了解，等同于“暗箱操作”式的设计。另外，混合料设计过程中试验量大，需控制的因素较多，参数测量过程中不可避免地人为误差较大，试验的重复性和再现性较差。

随着离散元分析软件的逐渐推广，在沥青混合料级配设计中也进行了有效的尝试。石立万等[21]利用离散元分析软件PFC2D进行级配设计，粒径大于2.36 mm理想球形粗集料构成的主骨架结构，平均配位数一般在3.3～3.5之间。石立万等[22]认为沥青混合料骨架的质量评价在于骨架传递应力的大小和抵抗外部荷载的能力，主骨架基本由相互接触的2.36 mm以上粗集料所构成，而主骨架对骨架应力传递的贡献率达70%以上，从而作为判定是否形成骨架的标准。但是，在研究中并没有考虑沥青对颗粒堆积的影响，也没有考虑矿料的形状因素。

5 研究方向

1)理论方法的研究。许多学者对理论进行了很多的研究，但是在进行沥青混合料的级配设计中可应用性不是很强，追其原因是：a.理论仅仅研究了骨料部分，并未考虑沥青，因此加入沥青后其结果就未必适用；b.许多方法有过多的假设条件，适用性不强；c.矿料在施工中会有破碎，设计中均没有考虑。这些问题也是未来在理论方法上值得研究的几个方向。

2)设计原则方法的研究。当今级配设计还是以最密实为最终目标，最密实不一定对应最好的性能，而我们追求的应当是具有更好的力学性能的级配，以力学指标作为设计目标是一个研究方向。

3)可视化设计研究。PFC作为一种颗粒流的离散元分析软件被应用到沥青混合料的设计有了很多研究。但是设计中没有加入沥青以及击实过程，完全模拟级配设计的过程也是研究的重点。

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[22] 石立万，王端宜，徐 驰，等.基于离散元法的沥青混合料骨架细观性能研究[J].华南理工大学学报，2015，43(10):50-56.

Study on gradation design of skeleton denseness asphalt mixture

Miao Chao Jiang Hongtao

(SchoolofCivilEngineeringofShandongUniversity,Jinan250061,China)

From the theoretic methods, design principle, and visual design, the paper indicates the gradation theory and the development for the gradation design method, analyzes the skeleton denseness design and skeleton evaluation at home and abroad, and sums up the future research orientation, so it can improve the skeleton denseness gradation design of the asphalt mixture.

skeleton denseness, asphalt mixture, gradation design, visual technique

1009-6825(2017)03-0113-02

2016-11-06

苗 超(1990- )，男，在读硕士； 蒋洪涛(1992- )，男，在读硕士

TU535

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