大粒径沥青混合料.doc

- 1 - 大粒径沥青混合料大粒径沥青混合料 LSAMLSAM 组成结构与强度机组成结构与强度机理 冷明泽冷明泽 刘宝忠刘宝忠 （中国交通建设集团公路一局）（中国交通建设集团公路一局） 作者简介作者简介：冷明泽，男，大学本科，工程师；刘宝忠，男，大学本科，高级工程师 摘摘 要：要： 本文介绍了大粒径沥青混合料LSAM 结构组成和强度形成机理，提出了适合我国国情 的大粒径沥青混合料骨架密实型综合设计法，可供类似的工程参考。 关键词：关键词： LSAM 组成结构 强度机理 配合比 一、大粒径沥青混合料一、大粒径沥青混合料 LSAMLSAM 应用的意义应用的意义 沥青路面在大交通量、重轴载车辆的作用下，混合料的抗剪强度较低，容易产生车辙等病害， 影响了路面的使用性能，降低了路面的使用寿命，增加了路面的养护费用。 大粒径沥青混合料（简称 LSAM） ，是指含有矿料的最大粒径在 25mm 至 53mm 之间的热拌热铺 沥青混合料。具有以下优点：具有抵抗较大的塑性、剪切变形和较好的抗车辙能力，能够承受 重载交通的作用,提高了沥青路面的高温稳定性。 大粒径集料的增多和矿粉用量的减少，使得 在不减少沥青膜厚度的前提下，减少了沥青总用量，从而降低工程造价。可一次性摊铺较大的 厚度，缩短工期。沥青层内部储温能力高，热量不易散失，利于寒冷季节施工，延长施工期。 二、二、LSAMLSAM 的特点的特点 表 1 LSAM 和粗粒式 AC30 沥青混合料比较表 指 标规范中 AC-30I、AC-30IILSAM 粒径尺寸 一级最大粒径 37.5mm、二级最大粒 径 25mm 一级最大粒径 53mm、二级最大粒径 37.5mm 粗集料数量 AC-30I 均值为 58%，AC-30II 均值 为 72% 通常为 72%左右 空隙率 AC-30I 为 3%6%，AC-30II 为 4%10% 密级配为 5%以下，开级配为 15%以上 沥青用量较大较小 实验方法马歇尔试验 大马歇尔试验、旋转压实试验、马歇尔试 验 设计方法马歇尔稳定度试验设计法本文推荐间断密实级配综合设计法 强度理论胶浆理论、表面理论表面理论 抗车辙性能较差很好 抗水害性AC-30II 较差较好 抗疲劳性能一般设计良好的 LSAM,具有较好的抗疲劳性能 抗裂性一般较好 平整度与厚 度 平整度较好，一次性铺筑厚度为 7cm 左右 平整度稍差，一次性铺筑厚度为 1113cm 工程费用较高较低 LSAM 特点概括为具有如下：颗粒尺寸“大” ，沥青膜“厚” ，路面寿命“长” ；沥青含量低、 VMA 低和造价低（三低） ；粗集料含量高、粗集料接触程度高和主骨架稳定性高（三高） 。 - 2 - 三、三、LSAMLSAM 的组成结构和强度原理的组成结构和强度原理 （一）LSAM 的组成结构 1.两个重要概念 （1）骨架稳定度是指压实成型的沥青混合料粗集料的体积密度 cm 与松堆密度 na 之比， 即骨架稳定度 S=cm/na。S 越大说明骨架的稳定性越好；比值越小，骨架稳定性就越小。 （2）骨架接触度是指形成 LSAM 混合料中粗集料之间相互接触的密实程度，是压实成型的混 合料中粗集料体积密度与干捣纯粗集料骨架的体积密度之比。它代表着形成主骨架的密实性，接 触度越大说明骨架的密实性越好。骨架接触度不仅是反映沥青混合料粗集料的骨架性和接触密实 性的综合指标，此外，它还表征了粗集料的压实效率。 2.骨架结构的判断标准 1) VCADRC 和 VCAmix 计算方法 (1)测定粗集料的毛体积相对密度（ca） (2)测定在捣实状态下粗集料骨架间隙率 VCADRC 测定粗集料的干捣密度 ，按下式计算捣实状态下粗集料骨架间隙率 VCADRC。 VCADRC=(1- /ca)100 式中：ca粗集料的合成毛体积相对密度，g/cm3。 (3) 测定在松装状态下粗集料骨架间隙率 VCADBC 测定粗集料的干捣密度 na，按下式计算捣实状态下粗集料骨架间隙率 VCADBC。 VCADBC=(1- na/ca)100 (4）测定压实状态下沥青混合料中粗集料骨架间隙率 VCAmix 测定沥青混合料毛体积相对密度 mb，按下式计算 VCAmix。 VCAmix= (1- mb/ca(1-AC)PCA)100 式中：PCA粗集料（4.75mm 以上）占矿料的百分数，%。 AC沥青用量； 2) 骨架接触度的计算方法 由骨架接触度的定义可知，骨架接触度的计算公式为： SSC=100cm/ 式中：SSCLSAM 的骨架接触程度百分数； cmLSAM 中粗集料密度； cm=（mbw）（1AC）PCA mbLSAM 的毛体积相对密度； w水的相对密度； 3) 骨架稳定度的计算方法 由骨架稳定度的定义可知，骨架稳定度的计算公式为： S=100cm/na。 式中： SLSAM 的骨架稳定程度百分数； - 3 - na粗集料松堆密度； 其余意义同前。 4) 判断标准 （1） 骨架接触度 90 紧排骨架密实结构 85骨架接触度 90 松排骨架密实结构 骨架接触度 85 悬浮密实结构 （2） 骨架稳定度 95 紧排骨架密实结构 90骨架稳定度 95 松排骨架密实结构 骨架稳定度 90 悬浮密实结构 实际应用中，悬浮密实结构不得采用。 如果将上述标准转换成体积特性来判断，根据数理统计结果(粗集料以 4.75mm 为界),转换成 体积后判别标准可为： （VCAmix+VV）/VCADBC1.08 紧排骨架密实结构 1.08（VCAmix+VV）/VCADBC1.15 松排骨架密实结构 1.15（VCAmix+VV）/VCADBC 悬浮密实结构 从接触度、稳定度与体积特性关联上可以得出，骨架接触度判别方法既可以判别 LSAM 的结构 特性，也可以判别其他类型骨架密实型沥青混合料的结构特性，但骨架接触度的概念更简单明了， 其使用的是同一物质在不同状态下的特性，稳定性比体积特性高，再加上与骨架稳定度一同使用， 其可靠度更高，因而判别的结果更接近混合料实际状况。 （二）LSAM 强度机理 1、LSAM 的强度理论和主要影响因素 LSAM 的强度理论的基础和依据是表面理论，强调粗集料的骨架作用，沥青用量和矿粉用量较 少。LSAM 强度形成主要取决于集料颗粒间接触表面的内摩擦力和嵌挤力，沥青胶浆形成的粘聚力 在高温抗剪方面作用较小，在抵抗弯拉应力方面有一定的作用。 影响 LSAM 抗剪强度的主要因素内因有:LSAM 的骨架结构接触度和骨架的稳定度、级配类型、 材料的物理力学特性、沥青的用量和粘度；外因有:压实度、交通荷载和气候条件。 2、LSAM 的三轴试验 1）LSAM 三轴试验 为使 LSAM 的级配所作的三轴试验具有代表性,选取两个设计良好的级配A（接触度SSC=85.2%） 和G（接触度SSC=98.4%）, 级配A 试件为13 个, 级配G试件为12 个,标准试件尺寸为 dh=150mm150mm，试验结果见 一览表2 和汇总表3。 表 2 级配 A、G试验结果一览表 破坏荷载 P（KN）1（KPa）c（KPa）（度） NO 级配 A级配 G 3 (KPa)级配 A级 G级配 A级配 G级 A级配 G 123.00017.048501347101015110552.554.9 - 4 - 221.21818.8755012471117 321.87219.8335012821167 427.64629.15510016501746 533.05032.38410019621920 629.90625.32610017921531 737.96032.17015022851954 832.67037.39515019872256 939.7731502380 1040.5871502335 1142.8942.00720026212562 1241.4143.42020025372646 1343.4062002647 14200 注: 1最大主应力，3最小主应力， C粘结力, 内摩擦角 取围压3=50Kpa、100 Kpa、 150 Kpa 、200 Kpa 时，计算1最大主应力。 表 3 级配 A 、G试验结果均值汇总表 1（KPa）平均值c（KPa）（。）3（KPa ）级配 A级配 G级配 A级配 G级配 A级配 G 5012921098 1001801173320026022604 15110552.554.9 LSAM 的 A 和 G级配与其对比混合料的强度参数见表 4。 表 4 LSAM 的 A 和 G级配与对比混合料的强度参数比较表 C 值 Mpa 值 度 tgtg C 贡献率 (%) tg 贡献率 细粒式 AC-I 型0.13542.70.9230.3280.30330.769.3 中粒式 AC-I 型0.13343.10.9360.3170.29730.969.1 细粒式 AC-II 型0.09644.80.9930.2320.2329.470.6 中粒式 AC-II 型0.10844.70.9890.2610.25829.570.5 细粒式 AM0.09942.90.9290.2390.22230.869.2 中粒式沥青碎石 AM 0.07643.980.9650.1840.17829.970.1 LSAM 的 A 级配0.15152.51.3030.3670.47824.76.0 LSAM 的 G级配0.10554.91.4230.2540.36122.577.5 注: 取围压 3=C（因路面结构材料自身产生的最大约束力是粘聚力） ， - 5 - 1=3tg2（45+/2）+2 C tg（45+/2） ，计算破坏面上的正应力=（1+3）/2 +（13）cos2/2=（1+3）/2（13）sin/2，从而求得 tg 及其贡献率。 不同混合料类型 tg 贡献率见图 1 64 68 72 76 80 细粒式AC- 中粒式AC-细粒式AC-中粒式AC-细粒式AM中粒式AMLSAM的A级配LSAM的G级配 混合料级配类型 内摩擦角贡献率 图 1 不同混合料类型 tg 贡献率 2）三轴试验的结果分析 （1） 值随细、中粗粒式沥青混合料粗集料的增加而增大, 但是增大的幅值较小;一旦粗 集料形成骨架， 值增大的幅值便很大； C 值似有减小趋势但不明显。 （2）在传统沥青混合料的抗剪强度影响因素中, 粘聚力 C 的贡献率为 30%左右, tg 的 贡献率为 70%左右；而设计良好 LSAM 粘聚力 C 的贡献率大约为 20%25%， tg 的贡献率大 约为 75%80%，骨架稳定度越大 ，C 的相对贡献率越小，tg 的相对贡献率越大。 （3）1和 3有着良好的相关性，3越大，1也越大。反之则相反。 3） LSAM 强度机理分析 （1） LSAM 的摩擦力和嵌挤力大 由表 2 可以看出，不同类型的沥青混合料，其三轴试验的 C、 值有所不同。规范中规定 的细粒式、中粒式沥青混凝土的 值大致在 4045 度变化，C 值在 0.050.12Mpa 变化，而 本研究中提供的 A、 G级配的 值在 54 度左右变化，C 值在 0.110.15Mpa 变化，这足以说 明 LSAM 混合料具有良好的抗剪切能力，即摩阻力和嵌挤力大。 （2）骨架稳定性高（或承载能力高） LSAM 的骨架稳定性是其高温稳定性的关键。LSAM 的骨架作用使得集料承受荷载后具有较小 的变形和较高的承载能力。LSAM 的 G级配不仅动稳定度最大，而且密度也最大。对一种确定 的沥青混合料而言，密度越大颗粒间接触点越多。理论和实践表明， LSAM 粗集料发挥骨架作 - 6 - 用后，在车轮荷载不断碾压或冲击下，不会产生突然的大变形，集料间产生相对移动的可能性 较小或产生的过程较慢，因此高温累计积变形（车辙）较小。 LSAM 承载能力高的另一个重要原因是：在同等的路面厚度或轮载作用范围内，由于 LSAM 比普通 AC 粗集料粒径大，一方面，容易产生错动、滑动的小集料接触面数量减少，另一方面， 更重要的是粗集料比细小集料的承载能力大，这不仅增大了整体骨架的承载力，而且粗集料传 力方向明确和容易传力至基层，根据竖向力的平衡方程，相当于减少了路面受力区域内的垂直 方向的压力，从而减少了斜截面上的剪切应力，提高了抗剪强度。这也是 LSAM 与 AC 承载机理 的主要区别之一。 （3）强度衰减慢 骨架密实型 LSAM 的强度主要是由内摩擦力和粘聚力形成，内摩擦力的大小取决于摩阻角 的大小，由于 的温度敏感性较小，因而内摩擦力的变化也很小；粘聚力取决于沥青的数 量、胶浆的数量和质量,并随时间的延长而衰减。LSAM 总的沥青用量较少，粘聚力强度的衰减 则不明显。 四、骨架密实型四、骨架密实型 LSAMLSAM 配合比综合设计方法配合比综合设计方法 根据 LSAM 的组成结构特性和强度机理，本文介绍 LSAM 基于参考级配的综合设计法。 1、初选级配。根据设计的目的，确定所设计的骨架密实型混合料的类型。通常情况下， 紧排骨架密实结构其级配的 4.75mm 以上粗集料含量为 70 %75%左右，松排骨架密实结构其级 配的 4.75mm 以上粗集