S型级配曲线特征及对AC型沥青混凝土配合比设计的优化

黄吉国 黄蛟

摘要：为寻求AC型沥青混凝土路面高温抗车辙能力不足问题的解决办法，文章通过分析S型级配曲线特征，提出用S型级配曲线改造AC型结构方法，并依托具体工程实践开展了优化设计研究。通过实验分析与示范工程实践，发现优化后的沥青混凝土路面具有强度高、抗车辙能力强、施工方便和性价比高等特点，为重载交通路面设计提供了一种新的思路与方法。

关键词：S型级配曲线;特征;AC型沥青混凝土;配合比优化设计

中图分类号：U412 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.017

文章编号：1673-4874（2019）09-0057-04

0引言

沥青混凝土路面早期病害主要有车辙变形、松散脱落、开裂脆断和面层推移等形式，内因主要是与材料的选用和配比有关。目前国内沥青混凝土设计主要有Marshall法、Superpave法、GTM法和贝雷法等，但集料级配均采用最大密实度法或Superpave设计方法。最大密实度法设计的级配曲线以接近最大密实度线（直线）或规范中值为最优，Su-perpave设计方法由于有“控制点”和“禁区”规定，因此形成的级配曲线呈“S”形。

王清洲等通过对4种不同典型级配曲线进行实验分析，得出重交通路面级配宜从禁区下方通过的结论.韩旭鹏通过对“S”型级配、中值级配、关键筛孔偏粗级配、关键筛孔偏细级配等6种不同级配进行空隙率、稳定度、车辙关键性指标试验，得出“S”型级配曲线综合指标优于其它级配曲线的结论。石丰功等分别对两种沥青混合料进行了3种级配曲线性能试验，得出级配曲线通过“禁区”下方时具有沥青用量少和高温抗车辙变形能力强等特点的结论。官本辉等通过研究，发现“S”型级配混合料能够获得足够密实度和较好的施工和易性。何艳等研究也指出，当级配曲线从禁区下方通过时，混合料具有较好的高温性能、抗疲劳性能及抗滑性能。由此可见，“S”型级配优于其它型级配是行业的普遍共识和一致观点，但Superpave设计法由于实验设备昂贵、实验过程复杂、技术要求高，很难在一般实验室开展，特别在工地实验室几乎无条件进行。因此，本文基于具体工程需要，提出了用Superpave矿料级配理论对AC型沥青混合料进行优化的思路，成功设计了抗车辙性能较强的“S”型混合料。

文章基于国内外“S”型级配曲线大量研究与工程实践，全面分析了“S”型级配曲线特征、性质和实现方法，并用“S”型级配理论对AC型沥青混凝土进行了优化。通过对优化后的Sup-13路用性能进行检验和具体工程實践应用，发现其在高温抗车辙变形能力和抗压强度得到很大提高的同时，水稳定性等方面也能满足规范要求，同时具有不增加工程成本、施工无特殊要求等特点，因而非常适合在重载交通路面工程中推广使用。

1S型级配曲线特征

1.1 基于Superpave设计法的S型级配曲线

Superpave级配设计主要根据泰波（Tabol）理论，把0.45次方作为级配组成的最大密实度线，同时对矿料级配提出“控制点”（见表1）和“禁区”（见表2）规定。设计级配曲线要求避开禁止区域，只能从“禁区”下方或上方通过，而且还必须通过关键粒径“控制点”，级配范围限制性增强。设置“禁区”的目的是为了控制0.3-2.36mm（公称粒径在25mm以上时增加到4.75mm）细砂（集料）含量，防止级配曲线在0.6mm处产生驼峰，同时还避免级配曲线在此区域靠近最大密实度线引起的间隙率（VMA）不足问题，从而确保设计出的AC能够被压实和有足够的高温稳定性。“控制点”则是保证0.075mm、2.36mm、最大公称粒径和最大粒径等关键筛孔集料通过率，目的是保证其颗粒能够形成嵌锁密实型结构.

通过分析表1和表2，发现集料同时满足“控制区”和“禁区”要求的级配曲线呈“S”形状。级配曲线从禁区上方通过时，形成“反S曲线”，这时的细集料含量更高，沥青混合料更密实，类似于按马歇尔（Mar-shall）法设计的悬浮密实型结构，其抗水损害、疲劳特性与耐久性均较强，但高温抗车辙性能较差，一般只适应于中低荷载或者中等交通量道路。级配曲线从禁区下方通过时，形成“正S曲线”（简称S曲线，如图1所示），这时细集料含量减少，级配颗粒偏粗，形成嵌锁密实型结构，具有很好的高温抗车辙能力，能够承受重载和大交通，因此成为很多学者和科研机构推荐的级配曲线。

1.2 S型级配与其它型级配的主要区别

通过对S型级配分析，发现S型级配曲线在两端（对应粗细集料含量）远离最大密实度线，这样的级配组成导致集料中偏粗粒料用量较多，偏细粒料用量较少。其它型级配一般根据规范给出的级配范围通过试算确定粗细集料比例，级配曲线以接近最大密实度线或规范中值为最优，这是两者最大和最本质的区别。当然，按不同级配曲线设计的沥青混凝土各种物理力学性能自然也不相同，其表现出来的路用性能差别还很大。

1.3S型级配曲线特征

通过对S型级配曲线进行分析和大量应用实践研究，发现其有以下显著特征：

（1）按S型级配曲线设计的沥青混凝土属于嵌锁密实型结构，强度除来源于沥青胶结料与矿料间粘聚力外，还来源于粗集料间的嵌锁摩阻力，因此比悬浮密实型沥青混凝土具有更高的强度和抗变形能力。

（2）S型级配粗集料含量较多，细集料含量较少，但仍然属于连续级配范畴。通过调整AC型沥青混合料粗细集料比例，也能在规范允许的范围内实现S型级配目标。

（3）按S型级配曲线设计的矿质混合料由于减少了细集料的使用，因此对油石比并不敏感，但在4%目标空隙率控制下的油石比较悬浮密实型结构的更低。

（4）S型级配嵌锁型结构由于使用了较多粗集料，因此对温度表现不敏感，其高温稳定性好，强度高，抗车辙性能优良。但由于同时减少了细集料使用量，其密实程度会受影响，因此耐久性和抗水损害能力不及其他型级配，不过仍能满足规范要求。

综上所述，按S型级配曲线设计的沥青混合料具有优良的物理力学性能，特别是在防治重载交通路面车辙等早期破坏方面有着非常出色的表现。

2AC型沥青混凝土按S型级配的优化设计

文章以贵州$207线道真大阡至石人公路改扩建工程沥青路面优化设计为例，研究了AC型沥青混凝土按S型级配曲线设计的方法与路用性能检验。

该项目为二级公路改造工程，路线全长28.58km，路基宽8.5m，设计荷载为公路-I级，路面结构为15cm级配碎石底基层+33cm水泥稳定碎石基层+5cmAC-16中粒式沥青混凝土下面层+4cmAC-13细粒式沥青混凝土上面层。实施过程中，考虑该段公路为重要出省通道，长大纵坡、高温潮湿和重载交通特征明显，遂将AC-13上面层按S型级配曲线优化为Sup-13。

2.1集料优化

施工单位原准备的AC-13上面层0-8mm和8-16mm两档集料因不满足施工技术规范要求，业主决定将料场摇摆筛筛网调整为7×7mm、13×13mm和16×16mm，铁拓1000型拌合楼筛网尺寸调整为4×4mm、6×6mm、11×11mm和9×19mm。这样集料经拌合楼筛分后形成了0-3mm、3-5mm、5-10mm和10-15mm四档热料仓集料，如此便能得到2.36mm这一关键筛孔，从而有利于混合料的级配控制.填料采用普通硅酸盐水泥代替。

2.2 混合料配合比优化设计

2.2.1原材料实验

料场及拌合楼筛网重新调整后，对各档热料及沥青进行了实验，结果如表3-4所示。

2.2.2 原材料筛分结果（见表5）

AC-13按Superpave进行优化后的Sup-13沥青混合料级配控制点和禁区可参照表1-2最接近的最大公称尺寸12.5mm筛孔规定执行，也可以采用内插方式确定13.2mm最大公称尺寸控制点和禁区范围。

2.2.3 AC型沥青混合料配合比设计优化

AC型沥青混合料按S型级配优化时，一般在控制点范围内调试选出粗、中、细三个级配，然后根据集料的性质（密度和吸水率）计算出三个级配的初始沥青用量，并用初始沥青用量成型试件进行马歇尔试验，根据实验结果计算出三个级配沥青混合料的空隙率（VV）、矿料间隙率（VMA）、沥青饱和度（VFA）等体积性质，最后依据技术要求选定最优配合比。

按以上方法，本示范路Sup-13最终生产配合比设计结果为：4#：3#：2#：1#：矿粉=30：29：10：30：1。矿料合成级配筛分结果见表6，S型级配曲线见图1。

2.3最佳油石比確定

根据规范和类似工程经验，选择4.7%、5.0%和5.3%三个油石比进行实验，最后确定Sup-13最佳油石比为5.0%（见下页表7）。按照Sup-13设计的合成级配与最佳油石比制作试件进行马歇尔实验，结果见下页表8。

3Sup-13路用性能检验与工程实践结果

基于S型级配优化的Sup-13粗集料偏多，细集料偏少，较AC型沥青混凝土属于偏粗型结构，因此示范工程对其抗水损害能力与高温稳定性进行了检验，如表9-11所示。从实验结果来看，优化后的沥青混凝土Sup-13均满足技术规范要求。示范路建成后，通过两年多的跟踪观察，目前路面平整密实，无任何病害，说明优化结果是可行和成功的.

4 结语

通过对S型级配曲线的分析和在具体工程中的应用研究，可以得出以下基本结论：

（1）按S型级配曲线设计的沥青混凝土较按最大密实度理论设计的结果更具优良表现，其高温抗车辙变形能力强，弹性模量高，非常适合山区重载大交通路面使用。

（2）S型级配曲线可按Superpave设计方法获得，也可通过优化调整AC粗细集料比例，在技术规范确定的级配范围内实现。

（3）S型级配属于偏粗嵌锁密实型结构，由于减少了矿质细集料与沥青胶结料的使用，在路面全寿命周期内都能确保具有最低4%的空隙率，因此其在抗滑、排水、减少行车水雾和吸音降噪等路面使用品质方面表现更加突出。

（4）用S型级配曲线对传统AC型沥青混凝土配合比设计进行优化是可行的，形成的结构具有良好的路用性能，且建设成本和施工方法几乎没有变化，因此性价比高，是值得大力推广和广泛运用的一种新型实用技术。