基于综合性能的AC-16沥青混合料级配设计

基于综合性能的AC-16沥青混合料级配设计

摘要：以密实度最大为原则，采用逐级填充方法，研究了粗集料级配和细集料级配；采用理论计算法确定了粗细集料比例和最佳油石比。在此基础上，综合考虑高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，提出了用于中面层的基于综合性能的AC-16沥青混合料。路用性能分析表明：基于综合性能的AC-16沥青混合料的高温稳定性、低温稳定性、水稳定性和抗滑性能均优于规范级配沥青混合料，表明其具有优秀的路用性能。

关键词：道路工程；AC-16沥青混合料；级配设计；综合性能；路用性能

Abstract: the principle of maximizing the compactness, the filling step-down method, coarse aggregate gradation and fine aggregate gradation; The theoretical calculation method is used to determine the degree of aggregate ratio and the optimum proportion. On this basis, the comprehensive consideration of the high temperature stability, the low temperature crack resistance and water stability, and put forward the used in the general properties of the surface based on AC-16 asphalt mixture. Way-use performance analysis shows that the comprehensive performance based on the AC-16 asphalt mixture of the high temperature stability, the low temperature stability, the water stability against sliding and superior standard gradation asphalt mixture, that it is the way of the good with performance.

Keywords: road engineering; AC-16 asphalt mixture; The gradation design; Comprehensive performance; Way-use performance

0引言

改革开放使我国经济的迅猛发展，这段时间是公路建设特别是高速公路建设在历史上发展速度最快、最具活力的时期。在高速公路建设中，沥青路面具有良好的行车舒适性和优异的使用性能，并建设速度快、维修方便等优点。但是在公路建设取得了很大成绩的同时，随着国民经济的发展、人民生活水平的提高，交通量迅速增大，车辆大型化、严重超载，车辆渠道化等问题接踵而来，使沥青路面容易出现车辙、裂缝、松散、剥落等破坏，严重影响了沥青路面的使用性能。这使得沥青混合料路面经受着严峻的考验，并出现了各种各样的破坏形态[1~2]。目前，我国高等级公路沥青面层基本上是按全功能要求设计的，结果必然顾此失彼，很难与各沥青层力学和功能要求相适应，从而造成沥青路面早期损坏。为了

最大程度的缓解路面多功能要求所引起的矛盾，且充分发挥材料潜力，降低成本，有必要针对路面各结构层的层位功能的要求对沥青面层材料组成设计进行研究。

沥青路面上面层直接承受车轮荷载，对各项路用性能指标具有不同程度的要求，故沥青路面上面层应通过评价材料综合性能予以设计。基于此，本文首先采用逐级填充的方法，以密实度最大为原则研究了粗集料级配和细集料级配，其次采用理论计算法确定了粗细集料比例和最佳油石比，最后综合考虑高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和抗滑性能，提出了用于上面层的基于综合性能的AC-16沥青混合料级配。

1原材料

沥青：新加坡90号SBS改性沥青，密度为0.973 g/cm3，经检验其它各项指标均符合规范要求；

碎石：石灰岩，平均视密度为2.688 g/cm3，压碎值为11.9；

矿粉：为石灰石研磨而成，塑性指数为2.1，经检验其它各项均符合规范要求。

2级配拟定与优化

2.1粗集料级配的确定

（1）I级填充试验

取20kgD0（16~19mm集料），令D1（13.2~16mm集料）与D0按不同比例混合进行I级捣实试验，试验结果见表1。

表1I级填充试验结果

由图1可知，当D0:D1=7:3时，混合粗集料的捣实密度最大。

（2）II级填充试验

在I级填充试验结果的基础上，取14kgD0和6kg D1，令D2（9.5~13.2mm集料）与（D0+D1）按不同比例混合进行II级捣实试验，试验结果见表2。

表2II级填充试验结果

由表2可知，当(D0+D1):D2=3:7时，混合粗集料的捣实密度最大。

（3）III级填充试验

在I、II级填充试验结果的基础上，取4.2kgD0、1.8kgD1和14kgD2，令D3（4.75~9.5mm集料）与（D0+D1 +D2）按不同比例混合进行III级捣实试验，试验结果见表3。

表3III级填充试验结果

由表3可知，当(D0+D1+D2):D3=4:6时，混合粗集料的捣实密度最大。

综上，以混合粗集料捣实密度最大为原则，确定粗集料的级配比例确定为21:9: 70:150。

2.2细集料级配的确定

细集料级配采用N法确定。本文参照国外规定与国内经验，选用N=0.4~0.6时对应的细集料级配，按上述粗集料级配组成混合料进行试验，并以捣实密度最大为原则获取最佳N值，试验结果见图1。

图1细集料填充试验结果

Fig.1Result of Fine Aggregate Filling Experiment

由图1可看出，当N=0.5时，混合料捣实密度最大。故本文以N=0.5确定细集料级配，如表4所示。

表4细集料级配

2.3粗细集料比例与油石比的确定

理论计算法是根据粗集料骨架空隙率以及沥青混合料设计空隙率，确定粗细集料比例和沥青用量，使细集料体积、沥青胶浆体积和沥青混合料设计空隙率的总和等于主骨架空隙的体积，如式（1）、式（2）和式（3）所示。计算结果见表5。

式中：VD为粗集料的间隙率(%)：Mc、Mf、Mp、Ma分别为粗集料、细集料、矿粉质量百分数及油石比(%)；ρlf、ρlp为细集料、矿粉的表观密度(g/cm3)；ρlc为粗集料的松装密度(g/cm3)；ρca为粗集料的合成毛体积密度(g/cm3)；ρa为沥青的密度(g/cm3)；VVS为沥青混合料设计空隙率(%)。

表5计算结果

2.4基于高温性能的沥青混合料级配优化

相关研究表明[3~4]，4.75mm集料含量直接影响沥青混合料的高温稳定性，因此，上下5%的变换4.75mm的通过量确定四组AC-16级配，如表6所示。

表6合成级配

3路用性能

（1）高温车辙试验

不同类型沥青混合料车辙试验结果见表7。

表7车辙试验结果

由表7可知，级配1、2、3、4的高温稳定性明显高于规范级配。这是由于高温稳定性与粗集料骨架结构的强弱具有直接联系，而级配1、2、3、4粗集料充足，从而形成强大的骨架嵌挤结构，故具备较好的高温稳定性。其中又以级配2最优。

（2）水稳定性试验

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来检验沥青混合料的水稳定性，试验结果见表8。

表8浸水残留稳定度

由表8可知，级配1、2、3、4的残留稳定度和劈裂强度比均高于规范鸡胚，说明其具有很好的水稳定性。这是由于级配2的细集料能够充分填充且不干涉粗集料形成的骨架空隙，从而使材料具有更好的抗水损坏能力。其中，又以级配2最优。

（3）低温抗裂试验

通过-10℃条件下的沥青混合料低温弯曲试验评价不同类型沥青混合料的低温特性，试验结果见表9。

表9低温弯曲试验结果

由表9可知，级配1、3、4的低温抗裂性能明显高于规范级配，而级配2与规范级配相差不大，但依然满足冬寒区对沥青混合料低温性能的要求。

（4）抗滑试验

采用表面构造深度和摩擦系数两个指标对抗滑性能进行评价，试验结果见表10。

表10抗滑性能试验结果

由表10可知，级配1、2、3、4的构造深度和摩擦系数高于规范级配。其中，级配1、2、3、4的摩擦系数相差不大，但从构造深度来看，又以级配2最优。

综上，综合考虑高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和抗滑性能，提出的基于综合性能的AC-16沥青混合料级配，见表11。路用性能分析表明：其高稳定性、水稳定性、低温抗裂和抗滑性能明显优于规范级配沥青混合料，表明其具有优秀的路用性能。

表11基于综合性能的AC-16沥青混合料级配

4结论

（1）以密实度最大为原则，采用逐级填充法确定了沥青混合料的粗集料级配和细集料级配；采用理论计算法确定了粗细集料比例和最佳油石比；综合考虑高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，最终提出了用于上面层的基于综合性能的AC-16沥青混合料。

（2）路用性能分析表明，本文提出的基于综合性能的AC-16沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性和抗滑性能明显优于规范级配沥青混合料，表明其具有优秀的路用性能。

参考文献:

[1] 邓学钧. 路基路面工程[M]. 第二版. 北京:人民交通出版社, 2005.

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注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。