（道路与铁道工程专业论文）大粒径沥青混合料的级配优化.pdf

摘要 作者姓名：林晓 论文题目：大粒径沥青混合料的级配优化 作者简介：林晓，男，1 9 8 0 年1 2 月出生，2 0 0 3 年9 月师从于重 庆交通学院凌天清教授。 摘要 近年来，随着公路交通量的迅猛增长及大型货车此类重型车辆不断增加，使 公路路面的车辙问题日益凸显。我国公路界的工程师们提出了全厚式沥青混合料 的路面结构以弥补传统的半刚性基层路面结构的不足。即沥青混合料的路面结构 其基层也采用沥青混合料，此种基层亦可称为柔性基层。全厚式沥青混合料的路 面结构由于面层与基层采用同种材料，其整体性要优于半刚性基层路面结构。因 而对柔性基层的深入研究是更有助于有效的处理好当前公路所亟待解决的问题。 本论文的研究依托于沪宁高速公路扩建工程路面结构分析课题而展丌的。沪 宁高速公路扩建工程路面方案研究有三种不同路面结构，本论文取a 方案的基层 ( 为柔性基层) 结构进行深入试验研究，主要研究内容包括：1 以新版公路沥 青路面施工技术规范中大粒径沥青碎石混合料( a t b 一2 5 ) 的级配为研究对象， 通过正交试验法来研究这种级配在规定范围内的波动对沥青混合料路用性能的影 响，通过室内实验来比较不同级配的高温稳定性、水稳定性，并结合对不同级配 的组成结构分析比较来优化出最佳的级配方案，以供设计、施工时参考。2 以重 庆室内大型环道试验结果为依据，应用寿命周期费用分析法对三种路面结构进行 分析、比较，得出可供选择的结构方案。 关键词：大粒径沥青混合料正交试验法寿命周期 a b s t r a c t l a r g es t o n ea s p h a l tm i x t u r eg r a d a t i o no p t i m i z e l i l l x i a o a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h et r a f f i cv o l u m ed e v e l o p e dr a p i d l ya n ds u c ha sl a r g e s i z e l o r r yh a si n c r e a s e d ，t h er u t t i n gp r o b l e mi sg e t t i n gw o r s e o u re n g i n e e r sh a v eb r o u g h t f o r w a r df u l ld e p t hp a v e m e n ts t r u c t u r et om a k eu pf o rt h ev a c a n c yo ft r a d i t i o ns i m i r i g i d b a s e m e n ts t r u c t u r e t h a ti st os a y , t h es u b g r a d eo fa s p h a l tm i x t u r ep a v e m e n ts t r u c t t w e a l s ou s ea s p h a l tm i x t u r e ，t h i st y p es u b g r a d ei sa s p h a l tb a s e m e n t t h ei n t e g r a t i o n c a p a b i l i t yo ft h i st y p es t r u c t u r es u r p a s st h es t r u c t u r eo fs i m i r i g i db a s e m e n t ，b e c a u s ef o r t h es u r - f a c ea n ds u b g r a d eo ft h ef u l ld e p t hp a v e m e n ts t r u c t u r eu s et h es a m em a t e r i a l s o s t u d y i n gd e e p l yi n t ot h ea s p h a l tb a s e m e n tc a nc o n t r i b u t et od e a lw i t ht h ec u r r e n t i m p e r a t i v e l yp r o b l e m o fr o a ds u r f a c e t h ea r t i c l e sr e s e a r c hi sc a r r i e do u tr e l y i n go n h u r t i n g h i g h w a y b r o a d e n e d e n g i n e e r i n g h u n i n g h i g h w a yb r o a d e n e de n g i n e e r i n gs t u d y i n gi n c l u d e st h r e ed i f f e r e n t r o a ds u r f a c es t r u c t u r e s t h ea r t i c l es e l e c tt h es t r u c t u r eo f a p r o j e c ts u b g r a d et og od e e p i n t oe x p e r i m e n t a t i o nr e s e a r c h ，t h eb r i e fr e s e a r c hc o n t e n ti sa sf o l l o w s ： 1 t a k i n gt h en e wp r i n t r o a da s p h a l tp a v e m e n t c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y s p e c i f i c a t i o n s a t b 一2 5g r a d a t i o na ss t u d yo b j e c t ，u s i n go r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o d t os t u d yw i t h i nt h eg r a d a t i o nc o n f m e df l u c t u m i o nh a v ew h a te f f e c to nt h ea s p h a l t m i x t u r ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e a n dt h r o u g hi n d o o r - t e s tc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c e g r a d a t i o n sh i g h t e m p e r a t u r es t a b i l i t ya n dw a t e rs t a b i l i t y , e v e nm o r ea n a l y z i n gt h e d i f f e r e n tg r a d a t i o n si n t e r i o rs t l m c t u r et oo p t i m a l i z et h eb e s tg r a d a t i o nf o rd e s i g no r c o n s t r u c t i o n 2 b a s i n go nt h ed a t ao fc h o n g q i n gi n t e r i o rr i n gr o a de x p e r i m e n t ，u s i n gl i f ec y c l e c o s ta n a l y z i n gm e t h o dt oc o m p a r et h r e ed i f f e r e n tr o a ds u r f a c es t r u c t u r e s ，a n d c o n c l u d i n gab e s ts e l e c t i o n k e yw o r d ：l a r g es t o n e ；a s p h a l tm i x t u r e ；o r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o d ；l i f ec y c l e 重庆交通学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。刘本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：林也 日期：抄一年3 月p 日 重庆交通学院学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完伞了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复e 件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团。 ( 请在以。j ：方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 木晓 指制雠：好占压 日期：u - 6 年3 月加日日期：洲年多 月口日 第一章概述 第一章概述 1 1 大粒径沥青混凝土l s a m 的研究背景及其意义 近几十年来，随着交通量的迅猛增长与大型货车的不断增加，作为承载车辆 行驶的路面结构出现了各种破坏：车辙、开裂、坑槽等等病害。对于沥青路面而 言，其抗车辙能力的提高是延长路面使用寿命的关键，如何处理好这个问题已成 为国内外道路工程技术人员重要的科研课题。 我国的高速公路建设从上世纪八十年代后期丌始至2 0 0 4 年年底为止，已通车 高速公路的罩程已达3 4 万公里，仅次美国，居世界第。：位。高速公路路面中四 分之三以上为沥青路面。常用的混合料类型，以矿料粒径大小来分，可分为：细 粒式、中粒式、粗粒式i 种，分别作为路面的上、中、卜面层。对_ 丁二基层，应用 最广的是半刚性基层，通过多年的建设和使用，半刚性基层沥青路面出现了许多 严重的病害，不能满足道路使用要求。欧美等国家大量研究表明大粒径沥青混合 料能起到抵抗车辙、承受重载交通的作用。b r o w n 、m c r a e 和c r a w l e y 试验表明： 最大粒径显著影响混合料性能。粒径越大，稳定性越好；沥青含量低，抗滑能力 更好。最大粒径降低，v m a 增加，稳定度和拉伸强度降低。对于沥青路面，若基层 也采用沥青混合料结构就形成了全厚式沥青路面结构。此种结构由于基层与面层 为同一种材料，其表现出来的整体性能要好于半刚性基层。 大粒径沥青混合料l s a m ( l a r g e s t o n ea s p h a ltm ix e s ) 是指混合料的最大粒径 为2 5 、6 3 m m ( 1 英寸2 5 英寸) 的热拌热铺沥青混合料。在已有的研究成果中初步证 实这种沥青混合料具有如下优点：( 1 ) 级配良好的l s a m 可以抵抗较大的塑性和剪 切变形，在重载交通的作用下，具有较好的抗车辙能力，提高了沥青路面的高温 稳定性；特别对于低速、重车路段，需要的受荷时间较长时，设计良好的l s a m 与 传统沥青混凝士相比，显示出十分明显的抗永久变形能力。( 2 ) 大粒径集料的增多 和石粉用量的减少，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。( 3 ) 可一次性摊铺较大的厚度，缩短工期。( 4 ) 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。 因而使用这种大粒径的沥青混合料作为基层代替半刚性基层，来提高面层与 基层的整体性，改善路面结构的抗车辙能力，提高路面的使用寿命，降低工程造 价，具有重要的现实和经济意义。为此有必要深入系统的研究这种大粒径沥青混 合料的强度机理、级配组成、体积特性，特别要着重研究级配的变化所形成不同 骨架结构对路用性能的影响。 第一章概述 1 2 国内外研究现状 l s a m 最早是在 9 0 3 年，美国的w a r r e n 兄弟公司提出的矿料最大粒径为3 英 寸的配合比，由于他们对此项技术申请了专利，其他公司就避而不用，改用小粒 径的配合比。后由美国工程师马歇尔发明了马歇尔混合料设计方法，此方法的简 便实用使工程界大多采用此技术应用于工程实际中，沿用至今。 上世纪八十年代美国的肯塔基州鉴于车辙问题的日益严重，开始组织科研机构 着手研究大粒径沥青混合料的设计。与此同时，美国的宾州也在关注这个问题。 他们对大粒径沥青混合料的级配及相应的路面性能进行了一系列的研究，并在一 些重交通量路1 j i i 进行应用。在级配设计方面，肯塔基州提出了一种级配设计( 英文 名为k - b a s e ) ，要求矿料在2 英寸筛子上的通过率为1 0 0 ，并且1 英寸的筛余量 至少大于1 0 。这种级配应用在一些重交通量的路面，证实了与传统的级配相比具 有更强的抗车辙能力。 一：二， ” ， ， 7 ，7 ， 一一c l a s s ， c l a s sk 二 2 0 0 3 0 1 6 8 4 3 肘1 2 3 4 r 1 r 2 s s i z e s l a r g es t a n eb 口s e ( k ) a n ds t a n d ar db a s e ( i ) g r a d a t i o nb a n d s 图11 美国肯塔基州所提出的k 级配图 他们认为要使k b a s e 级配在熏交通巾显示其良好的抗车辙能力，还需要对填 充于粗集料中的细集料及沥青提出要求。他们在室内实验中，对传统的马歇尔方 法作了一些改变。采用大型马歇尔击实仪成型试件，将直径4 英寸，高2 5 英寸 的模具增大至6 x 3 7 5 英寸的模具，击实次也由7 5 次增加到11 2 次，高度不变。 对稳定度与流值的要求分别为4 0 0 0 磅与2 4 。他们的大量对比实验表明，此种改变 是合理的。与此同时他们也发现：机械设备的损耗、混合料拌和时问的控制、离 佃钟即加仲 碧h“【南u 第一章概述 析问题、碾压上的困难、集料破碎等这些问题还需要进一步研究与解决。 近年来随着s h r p 技术的推广，此技术愈来愈为道路研究工作者所重视。在2 0 0 0 年的a a p t 中就有o g l s a m 与s u p l s a m 的对比试验，如下表1 1 及图1 2 ： 表110 g - l s a m 与s u p l s a m 的对比级配表 图1 一o g l s a m 与s u p _ l s a m 成型后的试件剖面图( 左图为3 7 5 ms u p e r p a v e ) 对这四种级配分别进行了单轴蠕变、疲劳、a p a 车辙、恒高度频率扫描 ( f r e q u e n c ys w e e pa tc o n s t a n th e i g h tt e s t ) 、渗透等试验来比较各自的优劣。 在美国s h r p i ：i 划完成后，为i 。s a m 级配设计提供了新的思路。德克萨斯州运输 学会“l s a m 课题组”借鉴s h r p 中s u p e r p a v e 沥青混合料试验和设计两方面的成果： 旋转成型试件、体积特性设计，全面研究了州公路局应用l s a m 的实际情况，最后 得到研究报告为 n a t i o n a c o o p e r a t i v eh i g h w a y r e s e a r c h p r o g r a m ( n c h r p ) r e p o r t3 8 6 ：d e s i g na n de v a l u a t i o n o fl a r g e s t o n ea s p h a l t m i x e s 。该成果主要内容有：按照美国各州公路和运输工作者协会标准设计方法 ( a a s h t o ) 的要求，设计和分析l s a m ，提供了低渗透标准的l s a m 和高渗透性的丌 第一章概述 4 级配两人类混合料设计方法：标准设计方法也提供了l s a m z 类分析法，即方法a ( $ u p e r p a v e 性能试验) 、方法b ( 用于评估车辙的反复抗剪试验) 和方法c ( 单轴 试验) 。 不仅美国，其他许多国家也都在关注由于交通量的增大而导致传统级配的沥 青混合料在抗车辙能力上的不足这个问题。国外专家致认| 司调整级配的组成( 尺 寸、形状、结构和级配) 是解决这个问题的有效而实用的途径。英国、加拿大、澳 大利来、日本相继对大粒径沥青混合料进行了深入的研究，并铺筑了实验路，取 得许多成果。 我围许多高等级公路主要采用半刚性基层，经过多年的建设与使用，已渐不 能满足日益增长的交通量的要求。最近几年来，国内也开始关注大粒径沥青混合 料在抗车辙方面的优越性。 河北省公路局与长安火学合作研究了大粒径沥青混合料的运用情况并铺筑了 实验路，他们根据l s a m 中粗集料之间的接触程度和稳定程度，将密实型l a s m 划 分为紧排骨架一密实型、松排骨架一密实型和悬浮一密实型三种组成结构。认为 松排骨架一密实型l s a m 的综合路用性能最佳，具有最广的应用范围。对如何界定 l s a m 是紧排骨架一密实型、松排骨架一密实型和悬浮一密实型进行了深入研究。 选用九种级配及传统的一种密级配a c 一1 6 作为研究对象，其级配中值如下表1 2 ： 表1 2 十种级配表 密 级 配 l s a g 1 0 09 56 04 53 06 m g ， 10 0 9 5 5 03 7 5 2 5 5 h! q q! ! ! 婴i !塑! ! ! q： a c 一1 6 i1 0 09 7 58 2 5 6 85 254 12 9 52 21 61 16 对这十种级配进行组成结构分析，引进骨架接触度s s c ( s m n e o n s t o n ec o n t a c t ) 这个概念。通过理论分析、室内路用性能试验及试验路车辙实测结果，以s s c 来 定量划分三种结构：紧排、松排骨架密实结构及悬浮密实结构。s s c 9 0 ，为紧 排骨架密实结构；8 5 s s c 9 0 ，为松排骨架密实结构：s s c 1 5 0 1 5 0 1 5 0 延度c m 1 0 1 0 0 ( 5 c m m i n ) 5 软化点( 环球法) 4 4 5 44 74 7 6 0 动力粘度p a s 8 0 02 8 62 8 4 质嚣损失o 8 00 2 针入度比 5 57 0 4 0 软化点 5 05 355 35 薄膜加热试验( 1 6 3 5 h ) 2 5 延度 1 5 实测记录 2 92 053 2 5 ( e r a ) 1 0 5 集料 粗集料与细集料均采用石灰岩，小于0 0 7 5 的使用矿粉，所测各项指标如下 表2 - 2 粗集料性能指标 l试验项目粒径( m m )指标 试验结果 l石料压碎值( ) 4 7 5 3 l ，5 2 42 1 5 l洛杉机磨耗值损失 4 7 5 - 3 l5 3 02 0 笙三里翌型堕些! ! 墨堕鉴立鲨 坚同性( ) 4 7 5 3 1 5 1 214 3 1 5 一1 6 8 7 细长扁平默粒含革( ) 2 6 5 1 6 l o 9 2 1 6 - 4 7 5 1 1 2 试验项目 粒径( m m ) 指标试验结果 3 1 5 - 1 603 5 2 6 5 一1 60 5 8 1 1 6 4 7 50 4 5 水洗法 0 0 7 5m i l l 颗粒含量 4 7 5 - - 2 3 6o 2 8 ( ) 23 6 0 4 54 9 8 对矿粉进行了有关性能试验，试验结果如下表 表2 - 5 矿粉试验结果 筛孔l r l l n 通过率 密度g c m 3 亲水系数 0 6 1 0 0 0 39 9 3 2 7 2 2 0 6 2 0 1 59 9 1 0 0 7 58 7 7 从以上试验数据可以看出本次研究所用石料均能符合指标要求。 第二章材料的性能及试验方法 2 2 级配理论及试验方法 2 2 1 级配理论 凡级配的研究确定不外乎从试验理论研究与实际工程经验两方面入手。级配的研 究理论已有半个多世纪的历史，最早的两种经典级配理论是最大密度曲线理论和粒 子干涉理论，这两种理论缺少实践经验的纳入，未与混合料的路用性能紧密联系， 在实际运用中有许多不尽人意之处。到了上世纪九十年代初期，美国完成了公路战 略研究计划，提出了举世关注的s u p e r p a v e 级配设计方法。这种方法是存大型环道 试验的基础上，同沥青路用性能紧密联系起来，提出的经验式的级配设计理论。但 由于此方法对级配范围设有明确的限定，在允许的限定内可较大的变化，这就增加 了在确定级配过程中的盲目性与工作量。此外，近代还发展了一些检验已成级配下 其沥青混合料路用性能合理性的方法。国外有美国的贝雷法，国内有张肖宁教授提 出的粗集料孔隙填充法。贝雷法可能更适合于s u p e r p a v e 级配合理性的检验，且在 实际运用中也发现经此方法检验合格的沥青混合料也有不好于不符合此检验标准下 沥青混合料的路用性能。而后者只能用来检验原材料矿料级配是否符合骨架密实结 构和据此确定粗集料、细集料和填料各自占的质量百分比，没有提供粗集料和细集 料各自应有的矿料级配组成，也没有考虑实际沥青混凝土中，集料要吸收部分沥青。 在我国自主开发的s a c 级配中在级配设计思想方面有大胆的突破，级配曲线不再 拘泥于一个连续函数，取最大公称粒径筛孔、4 7 5 m m 筛孔、0 0 7 5 筛孔为控制筛孔， 其中4 7 5 m m 为粗、细集料分界。4 7 5 m m 之上的粗集料级配曲线幂函数的幂数取大 些，使粗集料形成骨架。4 7 5 m m 之下的细集料级配曲线幂函数的幂数取小些，以填 充粗集料形成的骨架，最终形成骨架一密实型结构。 最大密度曲线理论 最大密度曲线理论是通过试验提出一种理想曲线。w b 富勒( f u l l e r ) 等学者 认为固体颗粒按粒度大小，有规则地组合排列，粗细搭配可以得到密度最大卒隙率 最小的混合料。大量的试验研究表明矿料的颗粒级配曲线越接近抛物线则密度越大。 这种级配曲线的表达有二种形式： 1 ) 最大密度曲线公式 根据上述理论，当矿质混合料的级配曲线为抛物线时，最大密度的理想曲线可 用颗粒粒径( d ) 与通过量( p ) 表示： 川。谢5 式巾：d 矿质混合料各级颗粒最大粒径( m i l l ) ； p 各级颗粒粒径集料的通过量( ) 。 这种曲线在常见的半对数坐标上表现为一种深凹的曲线。 第二章材料的性能及试验方法 2 ) 最大密度曲线1 3 次幂公式( 泰波a n t a l b o l 公式) 最大密度曲线是一种理论的级配曲线。a n r a b o l 通过试验研究修订了富勒法， 他认为：j 二述公式的指数不应固定为0 5 ：有的研究认为在沥青混合料中，当n = 0 4 5 时，密度最火。通常使用的矿质混合料的级配范围( 包括密级配和开级配) ；n = 0 3 0 6 之间，日本取n 一0 3 j o 4 5 ；美国取n = o 4 5 作为制定标准级配的依据。由此 决定的级配作为中值，然后按一定数值变化得出工程使用的级配范围，因此在实际 应用时，矿质混合料的级配曲线应该允许在一定范围内波动。所以目前多采用f 式： l o 吖纠 l d ( 2 2 ) 式中：p ，d ，d 意义同前 n 实验指数 但是实践表明：按泰波公式设计的混合料存在下列问题： a 细集料含最偏大，沥青用：晕= 较高，高温稳定性不好，易产生车辙变形；低温收缩 较大，易产生低温收缩裂缝； b 设计出的丌级配混合料孔隙大，作为表层时，易透水，易老化，松散，产生坑槽。 粒子干涉理论 这一理论认为达到最大密度，前一级颞粒之间的空隙应由次一级的颗粒所填充， 其空隙又由再次级颗粒所填充，但填隙的颗粒粒径不得大于其间隙的距离，否则大 小颗粒之间将发生干涉现象。为了避免干涉，大小集料颗粒之间应按一定的数量分 配，并从临界干涉情况下导出前一级颗粒间距应为： r = l ( 一l 。 ， 当处于临界干涉状态时t = d ，则上式可写成如下形式： 纩研g o ( 2 4 ) l d 式中： t 前粒级的间隙距离； 仍次粒级的粒径； 妒o 前粒级的粒径； d 次粒级的理论实积率： d 次粒级的实用实积率 贝雷法 贝雷法确定粗集料和细集料中关键筛孔通过率的比例主要根据以下要求控制： 第二章材料的性能及试验方法 1 ) 粗集料中不同粒径通过率之间的比例 采用下列指标来控制粗集料的级配，以使混合料获得良好的骨架结构并且施 时不会产生离析，而易于压实。 pp c a 比= 挈坚旦竽 ( 25 ) p口 1f 1 0 0 ) 1 ( n m p sr 2 ) 式中：pc m 。，最大公称尺寸的1 2 所对应筛孔的通过率； p 。粗细集料分界点的第一个控制筛孔( p c s ) 的通过率； p c s = o 2 2 最大公称尺寸( n m p s ) p 。一最大筛孔的通过率。 c a 比= o 4 - 0 8 。根据美国的经验c a 比大于1 时混合料形不成良好的骨架结构； 如果c a 比小于0 4 ，则混合料容易产生离析且难以压实。 2 ) 细集料中较粗部分与较细部分通过率之间的比例 f a 比= 监( 2 6 ) 。f k s f a 。比：煦 p f a c 式中：f a c 细集料中粗粒的比例( c o a r s er a t 0 ) ： p ，c _ 一细集料中粗细分界点筛孔的通过率；f a c f a c = o 2 5 一o 5 0 。 p c s x0 2 2 ，一般要求 f a f 细集料中细料的比例( f i t i er a t i 0 ) p f , 、f f a f 点的通过率，f a f 点= f a c x 0 2 2 ，一般要求f a f = 0 2 50 5 。 s u p e r p a v e r 在室内的级配研究方法 美国宾州的i l m a a n d r e s o n 教授和他的研究组利用s u p e r p a v e 旋转压实仪和蓟切 测试仪对沥青混合料不同级配和沥青含量下的体积特性和力学性质进行研究。试验 的具体变化参数为： 1 ) 沥青含量 2 ) 粗骨料含量( 大于2 3 6 r a m 粒径的骨料) 3 ) 中等骨料含量( 2 3 6 至0 6 之间粒径的骨料) 4 ) 细骨料含量( 小于0 6 m m 粒径的骨料) 5 ) 天然砂与矿粉之比 表2 6 试验级配组成数据表 试验级配组成数据表 i 参数 12345 沥青含量粗骨料( )中等骨料( )细骨料( ) 天然砂朋。粉 第二章材料的性能及试验方法 1 9 m m 一9 8 基准级 1 25 m m 一8 6 2 3 6 m m 一2 50 3 m m 。8 配中档 4 7 0 1 1 8 m m 。1 8 0 1 5 r a m 一51 0 ，2 2 9 5 r a m - - 7 l 0 6 m m 1 30 0 7 5 1 m 46 4 7 5 m m 3 9 1 9 m m 一9 2 1 2 5 m m 一8 0 2 3 6 m m 1 90 3 m r n 5 低档 4 2 0 9 61 1 8 m m 1 40 1 5 m m 一30 ，3 2 9 5 m m 一_ 6 5 0 6 r a m 一9 0 0 7 5 m m 26 4 7 5 m m 3 3 1 9 m m 1 0 0 23 6 m m 一3 l0 3 m m 1 1 1 2 5 m m 一9 2 高档5 2 0 11 8 m m 一- 2 20 1 5 m m - 72 0 1 2 9 5 m m 一- 7 7 06 m m 1 700 7 5 m m 一_ 6 6 4 7 5 m m - 4 5 误差 士05 3 6 4 1 0 基准级配采用一种肯塔基州旌工用的混合料级配，以此作为级配中值来控制混合 料测试结果。两种o 0 7 5 m m 以下的矿料是天然砂和压制的矿粉。这种设计方法是将 各区段集料分开研究，在变换不同集料含量的基础上进行室内测试，以便发现集料 级配中对沥青混合料性质影响最为显著的区段。应用这一试验设计思路将集料的各 档筛余进行测试可以得到沥青混合料的影响图谱，从而进一步细化对沥青混合料性 的研究。 s a c 的级配设计思想 s a c 矿料级配分三部分：一部分是粗集料；第二部分是细集料；第三部分是填 料。粗细集料的分界线统一定为4 7 5m n l 。也就是最大粒径dm a x 4 7 5m m 为粗集 料，4 7 5m m 0 0 7 5n l l n 为细集料，小于0 0 7 5m l l 为填料。所以，其矿料级配计算 也分别按粗集料和细集料( 事先确定填料含量) 两部分进行。s a c 是以粗集料为主的 断级配。s a c 发展的初期，粗集料含量6 0 ，中期粗集料的含量6 0 7 0 ，近 几年来，主要为6 5 7 5 。s a c 实际上包括悬浮式密实结构和骨架密实结构两种。 因此，描述粗集料级配曲线的幂函数应该具有较大的幂值，使粗集料具有4 0 左右 的孔隙率。细集料是填充在粗集料孔隙中的，要求它比较密实，所以描述细集料矿料 级配的幂函数应有较小的幂值。根据最新的研究，随岩石品种而异，骨架密实结构与 悬浮式密实结构的分界线为粗集料含量6 7 左右。含量在此分界线以上的常是骨架 密实结构，在分界线以下的常是悬浮式密实结构。在进行s a c 的矿料级配设计时， 要首先确定分界粒径以上的粗集料含量为6 5 或7 0 ，即4 7 5n l l i l 筛孔的通过量 为3 5 或3 0 ，同时确定标( 或公) 称最大粒径d i n a x n 的通过量为9 5 1 0 0 。然 后再5 3 - 另3 j 计算粗集料的级配和细集料的级配。s a c 研究成功后的1 6 年来，使用的粗 粒式、中粒式和细粒式s a c 都有6 个控制点，即：标称最大粒径处两个点，通常为 第二章材料的性能及试验方法 1 4 通过量9 5 和1 0 0 ，也可以是9 0 1 0 0 之间的某两个值；筛孔尺寸4 7 5m i l l 处两个点，通过量原来为3 0 和4 0 ，近几年来改为2 5 和3 5 ：筛孔尺寸0 0 7 5 m m 处两个点，通过量为6 芹f f l o 。这6 个控制点实际上就形成了一个较宽的级配 范围。 2 2 ，2l s a m 试验方法 优化l s a m 级配的思路 我们将主要采用这种级配设计思想，使l s a m 形成骨架一密实型结构为将a t b 优 化后的理想结构。在压实状态下沥青混合料中粗集料的骨架间隙率v c a m i x 必须小于 或等于没有其他集料、结合料存在时的粗集料集合体在捣实状态下的问隙率v c a 如果达不到这一点，粗集料的嵌挤作用就不能形成，因此这是判断集料是否形成骨 架结构的基本条件。即形成骨架结构的前提条件是v c a 。一 因子 旃 第一档( a )第二档( b )第三档( c ) 第四档( d ) 试验号 12 48 l 低 低低低 2 低 低低局 3低低局 低 4低低局 局 5低高 低低 6低高低 高 7低局向 低 8低高 高高 9向 低低低 1 0 尚 低低高 1 1商低 局低 1 2 高 低局局 1 3 尚 高低低 1 4 尚向 低 高 1 5局局高 低 1 6 高 局局 局 第三章级配对l s i 压实性能及高温稳定性的影响 3 3 试验实施及结果分析 使用a p a 进行试验，温度控制在6 0 0 c ，橡胶管压力为1 0 0 p s i ( o 7 m p a ) ，8 0 0 0 次循环，试件保温6 2 4 小时，轮载取4 4 5 k n ，试件的设计空隙率为5 ，尺寸为 0 1 5 x 7 5 c m ，用旋转压实仪成型，以高度模式控制，拌和温度为1 6 0 0 c ，成型温度为 1 4 5 0 c 。在进行正式试验之前，应先确定用油量的取值。 3 3 1 级配中值确定最佳用油量 为了研究级配对沥青混合料路用性能的影响，沥青用量应取一定值。以级配中 值的最佳用油量为定值，可以减小因级配上下浮动过大导致产生用油过量或不足而 出现的问题。试验按公路沥青路面施工技术规范的规定进行。级配中值级配如 下表3 5 ： 表35a t b - - 2 5 级配中值表 筛孔尺寸 1 0 09 0 1 0 06 0 8 04 8 6 84 2 6 2 3 2 5 22 0 一- 01 5 - 3 21 0 - 2 58 - 1 8 5 1 43 1 02 - 6 值 借用s u p e r p a v e 沥青用量预估方法预估级配中值的最佳用油量，其具体计算方 法如下： 1 ) 空隙率v a ( ) y 。划一等蚶o o g m b 沥青混合料试件的实测毛体积密度， g m m _ 一沥青混合料的最大理论密度： 由水中重法或表干法测得 g 。= 再1 0 0 ( 3 2 ) g ；。g 6 式中：p s _ 一沥青混合料中集料质量百分比，以计，例如集料质量为9 5 7 时 以9 5 7 代入； p b _ 一沥青混合料中沥青质量百分比，以计，例如沥青质量为4 3 n , t 以4 3 代入： g b 沥青密度； g 。全部集料的有效密度，用下式计算： g 。= g 。b + o 8 ( g 。一g s b ) g s b 全部集料的毛体积密度 第三章级配对l s a m 压安肚能及高温稳定性的影响 g 船工趸1 _ 0 0i 浯。， g 1 6g 2 bg 。6 式中：p l ，p 2 ，p n 各档集料占总集料的重量百分比 g 1 b ，g 2 b ，g n b 各档集料的毛体积密度 g s a = 全部集料的视密度 1 0 0 旦+ 旦+ 旦 g l 。g 2 。g 。 式中：g g 2 。，g 。各档集料的视密度 2 ) 饪实试件的矿料间隙率v m a ( ) 愀：1 0 0 一盟 吒 式中：字母含义同上 3 ) 压实试件的沥青填隙率v f a ( ) v f a ：v m a - v a 1 0 0 愀 4 ) 压实试件的有效沥青含量p b 。： 气= g 一( 只g ) 瓦g , , 石- g s b 式中：p b i 估算的初始沥青含量 p一 堡! ! 兰壁! 丝! 一( 皖( + ) ) + g b 沥青密度 v b c 有效沥青体积，c i i l3 ， k = 0 1 7 6 一o 0 6 7 5 1 0 9 ( s 。) s 。= 沥青混合料中集料最大公称尺寸；m m v b a 被集料吸收进去的沥青体积： 2 眠瓦1 一去) w s 1c m3 混合料中，集料的质量( g ) ； ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 1 0 ) 第三章级配对l s a m 压实性能及高温稳定性的影响 华半 仔 g 6g ，。 式中：p b ，p 。，g b ，v 。符号的意义同前。 将上面计算过程，制定成一电子表格计算，如下表3 5 所示。得一沥青用量预估 值2 9 ，再取2 4 ，3 4 ，共三组，每组用马氏击实仪成型四个试件。试验数掘 见表3 - 6 ，并在此基础i 确定最佳用油量，其确定过程亦用电子表格实现见表3 7 。 由于密度及稳定度曲线未出现峰值，故直接取目标空隙牢( 5 ) 对应的沥青用量2 7 为o a c l 值，而o a c 。i 。，o a c 。a x 分别为2 4 与3 2 8 ，故o a c 2 一( o a c 。+ o a c 。) 2 = 2 8 4 ，可得o a c 一( o a c l 十o a c 2 ，) 2 = 2 7 7 ，最后即取最佳用油量为2 8 。 孽羹萋 o 十1 十寸 一 r j 嚣量 n 藿喜 一 盏 受 莹 _ 苹彗 料 逝 燃 引 1 基l | h _ 悄 露创 荨 寸 睁舶一 n 熏鬻 心 i n 一 荨荨 荨 “一 “ _ k 皋毯 嘣雕悄 莩篓曼 褂，、 葛 苗袋 “c - i 斟 恻一 蛊 o “ 一 0 佃1 l ，、 景荨掣 裹2 6矗幽 昌 譬驾 h h h 2 氧掣 荨 = 蕹摧委 篓型童 址巾 她 呻寸 餐螺 mn 唰攥旺埘略删最粤岳腽盛靶鞯k琳 曙赫忙伥蜂鞲融捌替蟮柑寸n蜮七 粒匿 蟮 襄量 彳 蓉娶 窭晕 琳啦 羹萋疸 薹藿羹 制誉* 羹霎羹3 囊蓬鼙g 措囊艇 中垂鲻 霎薷誊吾 蛛婪罂 如韶 赠罢世 密露湘 j l = | 亲 牡 基删 彀旺 犀 赵 枢 口 寒 嚣蚓 b 如 划 帮 杂 舶 嬖蜊 岬 蜊 髓 露 悄 靼惫蚓 妇忙钿 蒌j n t 卜 寸 一 r , l 卿匠怛曛妲鹾 懈 罾缺譬翅般嚣蹲恒嗡疆赳泳出董rl捉醒蒜错躲 第三章级配对l s & - i 乐实性能及高温稳定性的影响 表3 8 大粒径沥青混合料( l m s 一2 5 ) 最佳用油量的确定重交沥青7 0 # j j 油量( ) 3 42 g 2 4 技术标准 毛体积密度( g c m 3 ) 2 4 6 2 4 42 4 2 稳定度( k n ) 1 4 31 5 31 6 7 7 5 k n 空隙率( ) 3 74 85 2 3 6 ( ) 流值( o 1 m m ) 3 2 g3 733 0 8 1 5 _ 4 0 ( 0 1 m m ) 、，m a1 0 7 51 1 7 l1 2 1 4 l l v f a ( ) 6 5 1 65 9 1 85 6 7 9 5 5 7 0 ( ) 彷2 4 7 g2 4 6 、乡2 4 5 攘。2 。4 4 。 煎2 4 2 惮2 4 l 5 5 5 面45 毯4 刊3 5 3 一 一 ， p ，一 夕 ， 2 42 93 43 9 用油量( ) 图31 混合料毛体积与用油量的关系图 弋 、 、 2 42 93 43 9 用油量( ) 图32 稳定度与用油量的关系图 l 、k 、 、 、 24293 43 9 用油量( )+ 5 空隙对应的用油量2 7 图33 空隙率与用油量的关系图 埔铋玷m 一蚕一型侧嚣 笙三主堡竖翌坚型堡壅丛生墨壹塑塑塞丝塑星塑 2 7 4 0 童3 5 3 0 爰2 5 2 0 1 6 1 5 1 4 圣1 3 1 2 l l 1 0 刊当个划二u 2 42 9343 9 用油量( ) 图34 流值与用油量的关系图 一1 _ 一 习弋 2 4 8 0 7 0 芝6 0 兽 5 0 4 0 2 93 43 9 + o a c m a x 为32 8 用油最( ) 图35 v m a 与用油量的关系图 ，一 2 42 93 4 用油量( ) 图36 v f k 与用油量的关系图 3 3 2 级配对l s a m 压实性能的影响 每组级配用旋转压实仪成型两试件数据取平均值，成型时以高度( 7 5 c m ) 控制 压强耿o 6 m p a ，试件总质量设计为3 千克，所得数据归总列表3 9 如下： 第三章级配对l s a m 压实性能及高温稳定性的影响 1 分组编号i 1 i23456789l o1 11 21 31 41 5 1 6 l 压实次数l1 9 8j4 0j7 7 3 8i1 1 33 68 83 31 8 95 9 1 4 64 92 2 33 29 54 3 空隙率 4 3 l5 6 l6 3 l6 5 i6 57 2 l7 7 6 36 5 5 6 6 5 6 78 7 8 49 16 8 使用正交表可对数据进行直观分析与方差分析，直观分析可确定各因素对试验 指标影响的主次，而方差分析能判断因素的“显著性”，即能分析出可靠性程度。 此项性能采用直观分析，如下表3 1 0 所示： 表3 1 0 正交表 因子ba * bc * ac * bc * b * a d d * a d * bd * a * bd * cd * c * ad * c * b d * c * b * a 压实次数 列号 1 2 3 4567891 0l l1 21 31 41 5 ( n ) 试验号 l11ll11ll1l1l11l1 9 8 21ll1l11222222224 0 311l2222l1l 1 2 222 7 7 411l2222 2 2 22ll1l 3 8 5122l122 ll221l221 1 3 6l22l122 221】221