（道路与铁道工程专业论文）表面层沥青混合料级配优选研究.pdf

摘要 我国的高速公路建设经历了2 0 年的快速发展，走过了发达国家通常要几十年才能 够走过的历程，取得了辉煌的成就。长久以来，表面层沥青混合料的级配类型和公称最 大粒径的选择都是按照经验，表面层级配包括a c 型、a k 型、s a c 型等，如何按照具 体实际选择级配，是工程界普遍关心的问题。分形理论在路面级配设计中的应用是近年 来兴起的新方向，究竟分形理论中分维数d 与沥青混合料路用性能指标的关系如何，这 是值得研究的问题。 为了解决上述问题，可分为以下两部分：第一，不同级配类型的表面层沥青混合料 路用性能的比较研究，分析路用性能之间的差异，通过灰色关联理论优选级配。第二， 通过分析不同级配类型的级配参数与路用性能指标之间的关系，得出分维数d l = 2 3 0 ， c a - - 0 4 0 附近时单层车辙动稳定度较高，分维数d 1 _ 2 2 0 ，c a = 0 4 0 附近时复合式车辙 动稳定度较高，动稳定度下降比较小；分维数d l 2 4 0 ，c a 0 5 2 时极限弯拉应变较大： 冻融劈裂试验强度比( t s r ) 与级配参数之间没有很好的相关性。 本文以路用性能为评价指标，对表面层沥青混合料进行了系统比较研究，是对级配 类型选择的一种深入；初步分析了路用性能与级配参数之间的关系，对分形级配理论的 应用做出了有益的尝试。 关键词：表面层沥青混合料，路用性能，分维数，贝雷法，级配优选 a b s t r a c t c h i n a sh i g h w a yc o n s t r u c t i o nh a se x p e r i e n c e d2 0y e a r so fr a p i dd e v e l o p m e n t ，w h i c hi s t h es a m ea st h ed e v e l o p m e n to ft h ed e v e l o p e dc o u n t r i e si nt h ep a s td e c a d e s ，a n da c h i e v e da b r i l l i a n ts u c c e s s f o ral o n gt i m e ，t h eg r a d a t i o na n dn o m i n a lm a x i m u ma g g r e g a t es i z eo f u p p e r - l a y e ra s p h a l tm i x t u r ea r ec h o s e nb ye x p e r i e n c e s t h eg r a d a t i o n i sc o m p o s e do f a c ，a k ， s a c ，e t c ，a n dh o wt oc h o s eg r a d a t i o na c c o r d i n gt op r a c t i c ei st h ea i mo ft h ee n g i n e e r s f r a c t a lt h e o r yh a sb e e nu s e di ng r a d a t i o nd e s i g ni nr e c e n ty e a r s ，a n dt h e r e sap r o b l e m d e s e r v i n gr e s e a r c h ：t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r a c t a ld i m e n s i o na n dp a v e m e n tp e r f o r m a n c e i n d e xo fa s p h a l tm i x t u r e c o n s e q u e n t l y , t h e r e st w op a r t si nt h i sp a p e r ：f i r s t ，c o m p a r a t i v er e s e a r c ho np a v e m e n t p e r f o r m a n c e so fd i f f e r e n tg r a d a t i o n , w h i c hi s u s e dt oa n a l y z et h ed i f f e r e n c e sb e t w e e n p a v e m e n tp e r f o r m a n c e sa n dm a k eg r a d a t i o no p t i m i z a t i o no nt h eb a s i so fg r e yr e l a t i o nt h e o r y s e c o n d ，b ym e a n so fa n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r a d a t i o np a r a m e t e ra n dp a v e m e n t p e r f o r m a n c ei n d e x ，t h e r e sc o n c l u s i o nt h a tw h e nd - - 2 3 0 ，d y n a m i cs t a b i l i t yo fs i n g l e - l a y e r lu r i n gi sr e l a t i v e l yh i g ha sc ai sa b o u t0 4 0 ；w h e nd = 2 2 0 ，d y n a m i cs t a b i l i t yo fc o m p o s i t e r u t t i n gi sr e l a t i v e l yh i g ha sc a i sa b o u t0 4 0a n dt h ed e c l i n eo fd y n a m i cs t a b i l i t yi sr e l a t i v e l y s m a l l ；w h e nd l 2 4 0 ，u l t i m a t eb e n d i n ge x t e n s i b i l i t yi sg o o da sc 枷5 2 i na d d i t i o n , t h e r e s n oo b v i o u sr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt s ra n dg r a d a t i o ni n d e x i nt h i sp a p e r , p a v e m e n tp e r f o r m a n c ei su s e da se v a l u a t i o ni n d e x ，a n ds y s t e m a t i cr e s e a r c h o nu p p e r - l a y e ra s p h a l tm i x t u r ei sd o n e ，w h i c hi su s e f u lf o rc h o s eo ng r a d a t i o n f u r t h e rm o r e ， t h e r e sa n a l y z eo nr e l a t i o n s h i pb e t w e e np a v e m e n tp e r f o r m a n c ea n dg r a d a t i o ni n d e x ，w h i c hi s v e r yu s e f u lf o rt h ea p p l i c a t i o no ff f a c t a lt h e o r yi ng r a d a t i o n k e yw o r d s ：u p p e r - l a y e ra s p h a l tm i x t m e ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，f f a c t a ld i m e n s i o n , b a i l e ym e t h o d ，g r a d a t i o no p t i m i z a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：a 伪 垆多月上日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 1 似力 导师签名： 汐矽9 年舌月1 - 日 砷年g 月| 日 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国的高速公路建设起步较晚，1 9 8 8 年1 0 月底上海至嘉定高速公路的建成通车， 实现了我国大陆高速公路零的突破。从1 9 9 5 年开始我国掀起了大规模的高速公路修建 高潮，短短的十几年时间，走过了发达国家通常要几十年才能够走过的历程。特别是“十 五期间共建成高速公路2 4 7 万公里，是“八五 和“九五建成高速公路总和的1 5 倍，高速公路总里程达到4 1 万公里，规模继续稳居世界第二。2 0 0 5 年1 月，国务院正 式通过国家高速公路网规划，表示用3 0 年时间建成总规模约为8 5 万公里的“7 9 1 8 高速网络。由此可见，我国的公路建设正处于历史的非常时期。 高速公路不仅是各地一道亮丽的风景线，同时也成为经济发展的标志，促进了社会 进步和现代文明，更主要的是其效益远远超出了交通运输行业本身。高速公路的建设带 动了一批相关行业的发展，对人民的生产生活产生重要影响，成为我国拉动内需，保持 经济健康、可持续发展的重要手段。 沥青路面不仅具有连续、舒适等行车特点，而且后期维护较为方便，我国已建成通 车的高速公路约近9 0 采用了沥青路面形式。可以预计，新建高速公路大部分也将采用 沥青路面。 然而，由于近年来交通量和车辆荷载的激增以及平均车速的提高，虽然高速公路里 程与日俱增，但随之而来的沥青路面破坏也日益严重。特别是从2 0 0 2 年下半年开始， 我国高速公路的交通状况发生了显著变化。重载货车，尤其是大幅度超载货车数量大量 增加，主干线高速公路上三轴车、四轴车、五轴车大量出现。调查显示轴载1 4 0 斟1 5 0 l 忒 的货车占大多数，轴载达2 0 0 k n 的货车并不鲜见，最大轴载可达2 6 0 k n 。轮胎充气压力 多数为0 8 m p a - - 0 9 m p a ，最高达1 1 m p a t 。这些超重载货车给沥青路面带来了沉重负 担和严重考验，许多高速公路在通车1 - - 2 年甚至更短的时间内就发生了大面积的破损， 造成了巨大的经济损失。 道路的损坏引起了我国道路部门的重视，多次组织研究人员对路面的损坏状况进行 调查，调查表明，通车仅2 - - - 3 年的高速公路沥青路面都已经大面积破坏【2 9 】。例如，2 0 0 2 年底通车的某段国道主干线高速公路，长约1 8 0 k m ，2 0 0 3 年夏季过后，铣刨重铺段约超 过1 0 0 k m ；又如2 0 0 2 年1 2 月底开放交通的面层采用重交沥青某高速公路，到2 0 0 3 年9 第一章绪论 月，其中某段7 0k m 不但行车道而且超车道上都产生了严重车辙，车辙深度最大达8 c m ， 在铣刨后重铺面层时，后面已经重新铺过的面层又开始产生明显车辙【3 ，4 】。 近二三十年来，一些发达国家道路上的交通状况也发生了显著变化，其路面实践中 同样也存在着严重的初期损坏，只是由于气候条件和交通条件的差异，破坏的数量和严 重程度有所不同。如美国的v i r g i n i a t 9 1 和t e x a s 1 0 i 的多条高速公路刚建成不久就出现了 大面积的损坏，其他州发生的初期损坏更是不胜枚举。美国在2 0 世纪8 0 年代对国内沥 青路面进行了一次广泛调查。在发表的总结报告中说，按从s h t o 的路面设计方法， 沥青路面的使用年限是2 0 年，但实际使用年限只有8 - 1 2 年。8 0 年代，日本的高速公路 沥青路面每过6 年左右就要加铺或铣刨后重铺一次。路面维修养护的最主要原因是车辙， 大约占到8 0 以上。因此限制、延迟这些损坏的发生和发展，如何提高沥青路面的路用 性能已经成为广大道路技术人员面临的重要研究课题。 对于一个完整的路面设计应该是路面结构设计与材料设计的统一体。材料设计的结 果应能体现结构组合所能达到的性能水平，而结构设计也应能考虑到材料组成的基本要 求。二者结合从而充分体现对使用性能的要求，结构设计主要反映结构性能( 结构损坏 和结构承载力) ，而材料设计则主要体现功能性能( 耐久、平衡、抗滑、美观等) ；结构 设计是材料设计的基础和前提，而材料设计是结构设计的保障和体现。结构设计与材料 设计的和谐统一，就能达到使用性能的最佳效果。 因此材料设计是实现结构性能的保障和基石，在充分考虑各结构层功能要求下的材 料设计是整个路面设计的核心内容。而针对沥青路面而言，在原材料( 沥青、石料) 基 本合格的前提下，材料设计最终又归结到沥青混合料设计。我国沥青路面常见损坏都与 沥青混合料设计合理与否有着重要联系。 沥青混合料的配合比设计主要包括两个部分，一部分为集料级配组成设计，一部分 为沥青用量设计。沥青混合料通常有以下三种结构：悬浮一密实结构、骨架一空隙结构、 骨架一密实结构。骨架密实型沥青混合料由于不仅具有较高的粘聚力，而且有较高的摩 阻角，所以从理论上认为该种结构类型的沥青混合料具有最优的力学性能。一般认为该 类型混合料为间断级配，s m a 混合料便是典型的骨架密实结构。但是由于s m a 高昂的 成本，对施工工艺要求也高，所以从国情出发，s m a 还没有大面积推广。于是如何对 现有类型的沥青混合料设计，特别是集料组成设计进行必要的改进，从而使连续级配 a c 类混合料也具备较强的骨架密实特性，使沥青混合料的抗车辙、抗滑、抗渗等性能 得到兼顾，避免早期损坏的发生已变得尤为迫切。要达到这个目的，必须深入研究集料 2 长安大学硕士学位论文 骨架的形成规律，以及骨架形成条件下细料和沥青的填充特性，最终设计出一个施工可 行、成本可控、基于功能要求的骨架密实混合料，满足人们对高速公路的功能和性能的 双重要求。 目前在混合料应用中主要存在以下问题：( 1 ) 对于表面层沥青混合料级配类型的选 择存在疑惑。a c 型存在高温性能不足，s a c 同样出现路用性能不足等问题，虽然a k 型存在渗水的问题，但国内同样有成功应用的例子。( 2 ) 现在工程界普遍认为公称最大 粒径为1 3 2 m m 和1 6 m m 的沥青混合料适宜铺筑路面表面层，但是当表面层沥青混凝土 均满足施工最小厚度要求时，如何选择级配没有明确规定，这就为级配的选择造成困难。 针对以上问题，有必要进行基于路用性能的a c 型、a k 型、s a c 型等表面层沥青混合 料选择研究。 1 2 国内外研究概况 关于级配理论的研究，实质上发源于我国的垛积理论。但是这一理论在级配应用上 却没有得到的发展。主要是理论模型与实际情况存在较大的差异。纵观矿料级配理论的 发展，主要有最大密实曲线理论和粒子干涉理论两种。最大密实曲线是通过试验提出的 一种理想曲线，认为矿料按照最大密实度曲线组成时，密度最大；粒子干涉理论认为， 为达到最大密度，前一级颗粒之间的空隙，应由下一级颗粒所填充，其余空隙又由次小 颗粒所填充：但填隙的颗粒粒径不得大于其间隙之间的距离，否则大小颗粒之间势必发 生干涉现象。虽然f u l l e r 公式是基于理论上的、能够准确计算每个筛孔通过量的级配设 计方法，但其幂值o 4 5 使得设计的矿料级配较细，不足以承担日益增长的交通量、轴载 的要求。 根据上面两种理论，产生了以下几种矿料级配类型：传统连续式密级配、间断级配、 折断级配及多级嵌挤密级配。这些级配各有自己的优缺点，代表了沥青混合料级配的发 展历程。对于这些级配类型，产生了相应的级配计算方法，如n 、k 、i 法，但它们都是 理论的级配计算方法，并未与实际工程中使用的材料特性联系在一起，给人们在实际级 配设计进行指导，一般不直接用于沥青混合料级配设计。 1 9 9 3 年春，s u p 矿料级配组成方法的发表【1 5 2 0 1 ，实际上等于在美国己放弃了使用 了近百年的传统连续级配，也开始使用粗集料断级配，这比西欧晚了1 0 年，比我国晚 了5 年。 美国s u p e r p a v e 初步提出了级配优化设计的思想，要求先做3 条级配曲线试验，通 1 第一章绪论 过沥青混合料配合比试验选定一条级配曲线。然后通过试验选定级配的沥青混合料的性 能试验来最终确定级配。这种方法的缺点在于不能事先判断级配效果，也没有给出级配 调整方法和建议等等。 国内外都有学者在研究如何为沥青混合料级配提供一个合适的级配设计，评价及调 整方法。如美国的贝雷法和国内张肖宁教授提出的c a v f 法【2 卜2 2 1 。贝雷法是由美国伊 利诺州交通部的罗伯特贝雷( r o b e r tb a i l e y ) 发明的，是一种系统的级配组成方法。按照 惯例将沥青混合料中矿料进行了粗细划分，提出了粗细集料的分界筛孔尺寸随公称最大 粒径而变的思想，并采用三个参数c a 、f a 尹、f a c 值对矿料级配进行评价，贝雷法的 精髓在于它粗集料选择密度的概念，粗集料选取密度决定了级配的粗细。其次是国内张 肖宁教授提出的c a v f ( 沥青混合料组成设计主骨料填充法) 。c a v f 方法的基本思想是： 实测粗集料的紧装密度和表观密度后计算得到拟作为骨架的粗集料孔隙体积，减去压实 成型后沥青混凝土中所要求的设计孔隙体积后，剩余的孔隙体积刚好被细集料、填料和 沥青的体积填充。 国内比较系统的提出一套骨架密实设计方法的是沙庆林院士，他提出了s a c 矿料 级配设计方法，其设计原则是用粗集料形成骨架，用细集料和沥青填充骨架中的孔隙， 使设计的沥青混凝土既密实、空隙率小，水不容易透入，又具有较高的高温抗永久形变 能力。用作表面层时，还具有良好的抗滑性能。根据沿线气温和交通量及车辆组成的需 要，既可设计成骨架密实结构，又可设计成密实但骨架稍有撑开的结构，甚至设计成悬 浮式密实结构2 】 1 3 】。 其实这种设计思想和s m a 是一样的，并且都属于断级配范畴，区别在于可以不用 改性沥青与纤维，但是这种设计原则是值得广泛借鉴的。 另外东南大学交通学院的赵永利和黄晓明老师深入研究集料混合后的骨架作用和 填充作用后，提出基于多点支撑骨架状态的沥青混合料体积设计模型，并建立起来以沥 青混合料体积参数为核心设计参数的混合料设计方法。该设计方法认为其首次将级配设 计与混合料设计完整的联系在一起，使矿料级配随沥青混合料的配合比设计目标的不同 而不同，并把v m a ，v v 等直接引入设计。 1 3 主要研究内容和技术路线 本论文以级配设计理论为指导。对我国表面层沥青混合料a c 1 3 、a k - 1 3 、a c 1 6 、 4 长安大学硕士学位论文 s a c 级配、多级嵌挤密实级配和s j 3 级配进行室内路用性能比较，并分析分形理论参 数分维数d 和贝雷参数c a 与路用性能指标之间的关系，最终应用灰色关联理论进行级 配优选。 1 3 1 主要研究内容 1 不同类型表面层沥青混合料级配确定 首先对a c 1 3 、a k - 1 3 、a c 1 6 进行级配确定，其次采用s a c 设计方法确定一种 s a c 级配，再次通过粗集料分级组合捣实密度试验和c b r 试验确定一种多级嵌挤密实 级配，最后选用工程实际中路用性能较好的s j 3 级配。 2 不同类型表面层沥青混合料路用性能研究 首先通过常规车辙试验和复合式车辙试验进行沥青混合料高温稳定性分析，其次应 用低温弯曲试验进行沥青混合料低温抗裂性能分析，通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试 验进行沥青混合料水稳定性分析，最后通过剪切试验进行沥青混合料抗剪性能分析。 3 表面层沥青混合料路用性能与级配参数的关系研究 首先应用分形级配理论计算出不同表面层沥青混合料级配的分维数d ，然后分析其 与路用性能之间的关系。其次分析贝雷参数c a 与沥青混合料路用性能之间的关系。j 4 表面层沥青混合料级配优选 在对表面层不同类型沥青混合料路用性能研究的基础上，应用灰色关联理论进行表 面层沥青混合料级配优选。 1 3 2 技术路线 综上所述，本文的技术路线如下图所示。 第一章绪论 图i i 技术路线图 6 长安大学硕士学位论文 2 1 基质沥青试验 第二章原材料技术性能 本文采用中海9 0 号a 级沥青，按照公路工程沥青及沥青混合料规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 相关试验的要求进行，试验结果见表2 1 。 表2 1 中海9 0 ”沥青主要技术性质 项目原沥青标准试验标准 3 01 4 7 7 针入度 ( o 1 m m ) 2 58 7 38 0 1 0 0t 0 6 0 4 2 0 0 0 1 53 2 5 延度( 5 c m m i n ，10 3 2 ，c m ) 1 0 0 术2 0t 0 6 0 5 1 9 9 3 延度( 5 c m m i n ，153 2 ，c m ) 1 5 0女1 0 0 软化点( ) 5 0 3七4 5t 0 6 0 6 - 2 0 0 0 针入度指数p i旬5 8 11 5 + i ot 0 6 0 4 2 0 0 0 密度( 1 5 ) 1 0 0 4 测量 t 0 6 0 3 1 9 9 3 旋转薄膜加热试验 质量损失( )旬3 7士o 8 针入度比( ) 7 5 9术5 7t 0 6 1 0 1 9 9 3 ( 1 6 3 3 2 ，8 5 m i n ) 延度( 1 0 3 2 ) ，c m1 5 7术8 由表2 1 的试验结果可以表明，该沥青满足规范中关于9 0 号a 级沥青的技术要求。 2 2 集料试验 本文采用的集料均来自四川正源镇辉长岩，经筛分后逐级回配。矿粉为石灰岩磨制 而成。按照规范公路工程集料试验规程( j t ge 4 2 2 0 0 5 ) 的要求对集料进行性能检 验，材料品质符合要求。具体指标如下： ( 1 ) 粗集料试验 粗集料的密度采用规范公路工程集料试验规程( j t ge 4 2 2 0 0 5 ) ( 以下简称j t g e 4 2 2 0 0 5 ) 中的网篮法测定，具体试验结果见表2 2 。粗集料的压碎值和磨耗值均采用 规范( j t ge 4 2 2 0 0 5 ) 中相关试验方法测定，具体试验结果见表2 3 。 7 第二章原材料技术性能与试验方法 表2 2 粗集料密度试验结果 粒径( 衄) 1 弘1 6l 的1 3 2 1 3 2 一母59 5 4 7 5 毛体积相对密度 2 8 7 22 8 2 52 8 6 62 8 5 8 表观相对密度 2 9 0 32 8 7 3 2 9 1 02 9 0 3 表干相对密度 2 8 8 32 8 4 22 8 8 12 8 7 4 吸水率( ) 0 3 7 30 5 8 8 0 5 2 20 5 4 2 试验方法 t 0 3 0 4 - - 2 0 0 5t 0 3 0 4 - - 2 0 0 5t 0 3 0 4 - - 2 0 0 5t 0 3 0 4 - - 2 0 0 5 表2 3 粗集料压碎值和磨耗值试验结果 集料压碎值 集料磨耗值 正源镇辉长岩 1 4 1 1 6 2 4 试验方法 t 0 31 6 2 0 0 5 t 0 31 7 2 0 0 5 试验结果分析： 根据表2 2 和表2 3 所得结果，满足规范公路沥青路面施工技术规范( j t g f 4 0 2 0 0 4 ) 对粗集料质量的要求。 对于本文所用辉长岩送往陕西地质调查院进行了岩性分析，分析结果见表2 4 。 表2 4 辉长岩岩性分析结果 矿物名称蒙脱石云母黑云母角闪石 绿泥石石英 含量( ) 3|64 矿物名称正长石斜长石磁铁矿赤铁矿未检出 s i 0 2 含量 含量( ) |5 72 13 34 9 3 7 试验结果分析： 根据岩石中s i 0 2 的含量不同，将岩石划分为了碱性岩石、中性岩石和酸性岩石。 按克罗斯的分类法岩石化学组成中s i 0 2 的含量大于6 5 的石料成为酸性石料：含s i 0 2 为5 2 6 5 的石料成为中性石料，s i 0 2 含量小于5 2 的石料成为碱性石料。由表2 4 可以得出正源镇辉长岩属于中性偏碱性岩石 ( 2 ) 细集料和矿粉试验 细集料的密度采用规范公路工程集料试验规程( j t ge 4 2 2 0 0 5 ) 中的容量瓶法 测定、矿粉密度采用中李氏比重瓶法测定。具体试验结果见表2 5 。 8 长安大学硕士学位论文 表2 5 细集料密度试验结果 筛孔尺寸 2 3 61 1 8o 6o 30 1 5 0 0 7 5矿粉 ( m m ) 表观相对 2 8 6 82 8 5 22 。8 5 l2 8 4 92 8 2 62 8 1 22 7 0 4 密度 t 0 3 2 8 2 0t 0 3 2 8 2 0t 0 3 2 8 2 0t 0 3 2 8 2 0t 0 3 2 8 - 2 0t 0 3 2 8 2 0t 0 3 5 2 2 0 试验方法 0 50 50 50 50 50 50 0 9 第三章沥青混合料集料级配理论 3 1 级配理论 第三章沥青混合料集料级配理论 目前常用的级配理论，主要有最大密度曲线理论，粒子干涉理论以及近年来兴起的 分形理论。有关前两种理论介绍很多，对于分形理论应用于材料学的研究还处于发展阶 段，仍需完善，但从另一个角度揭示了级配理论，可以说是有其独特的地方。 ( 1 ) 最大密度曲线理论 w b 富勒( f u l l e r ) 和他的同事初期研究的理想曲线是：细集料以下的颗粒级配为 椭圆形曲线，粗集料为与椭圆曲线相切的直线，有这两部分组成的级配曲线，可以达到 最大的密度。这种曲线计算比较繁杂，后来经过许多研究改进，提出简化的“抛物线最 大密度理想曲线【1 1 】 。表达式为： 只= 1 0 0 4 d d( 3 1 ) 式中：一某粒径d 集料的通过百分率，； d 一集料的最大粒径，1 t l n 。 a n 泰波( t a l b o t ) 把富勒公式改变为如下通式： n 只2 1 0 0 0 d ) 此式当n = 0 5 时即富勒曲线。根据泰波的理论分析和试验认为n = 0 3 - - 0 5 时， 有较好的密实度，此法也称为n 法。 ( 2 ) 粒子干涉理论 ( 3 2 ) 都具 粒子干涉理论根据c a g 魏矛斯( w e y m o u t h ) 研究认为【1 1 】：为达到最大密度，前 一级颗粒之间的空隙，应由次一级颗粒所填充；其所余空隙又由再次小颗粒所填充，但 填隙的颗粒粒径不得大于其间隙之距离，否则大小颗粒粒子之间势必发生干涉现象，为 避免干涉起见，大小粒子之间应按一定数量分配，并从临界干涉的情况下可导出前一级 颗粒间的距离应为： f = 阿一1 d ( 3 3 ) 当处于临界干涉状态时t - - d ，则上式可以写成下式： 1 0 长安大学硕士学位论文 甲t = 两力j 0 + 1 1 1 1 il芦iiiiii ( 3 4 ) 式中：t 一前粒级的间隙距离( 即等于次粒级的粒径d ) ； d 一前粒的粒径； 、圪一次粒级的理论实积率( 实积率即堆积密度与表观密度之比) ； l 一次粒级的实用实积率。 上式即为粒子干涉理论公式。在应用时，如已知集料的堆积密度和表观密度，即可 求得集料理论实积率。连续级配时d d = l 2 ，则可按上式求得实用实积率。由实用实积 率可计算出各级集料的配量( 即各级分计筛余) 。 ( 3 ) 分形级配理论 法国数学家m a n d e l b r o t 通过对许多形状复杂的不规则物体进行仔细观察和综合分 析后提出了分形的概念，并首创了分形理论。他的两个基本特性是自相似性和分形维数。 自相似性是局部和整体具有相似的性质，体现了分形具有跨越不同尺度的对称性。分形 维数简称为分维，其变化是连续的，它定量描述了分形结构自相似程度、不规则程度或 破碎程度【2 3 】。 矿料级配一般用不同筛孔通过率表示，并假设各级筛孔上的集料颗粒是大小相等， 形状相同的球体，做这样的假设实际上是为了理论推导的需要；事实上集料的大小分布 并不像假设的那样规则，即便是同一筛孔上的集料其尺寸分布也不完全一样，而是呈现 出一定的分形分布。 由于我国的级配范围一般都以质量百分率的形式给出，下面利用分形理论的基本原 理来推导集料质量分布函数的分形表达式。 首先，可定义集料质量分布函数： 只：盟 ( 3 5 )只= ( 3 5 ) m o 式中：m ( x ) - - - - 不大于尺寸x 的集料总质量： m o _ 系统的集料总质量； p ( x ) - - - 就是x 档集料的通过百分率。 由质量和体积的关系有： 第三章沥青混合科集料级配理论 d m ( x ) = p 拳d r ( x ) 式中：p 为集料密度； v ( x ) 分别为位于区间( x ，x + d ) 【) 的集料的体积。 由于集料是体，所以可知y ( 功：矿。( 生) ( 3 6 ) 删圳3 - d ) ( 与如x ： ( 3 7 ) x 懈 联立( 3 5 ) ( 3 7 ) 并积分得： p ( x 卜詈”纠皇c 南卅 1 3 3 一d 式中：、m 。物理常数； p 集料密度； 卜分维数； 卜积分常数。 按通过率的含义，有 j2 1 ! 三! 【p ( x 临) = 0 式中：x 一，x l i 血一集料最大、最小粒径； 从而解得 c ：鱼 坠旦： 苎也 将上述参数代入( 3 7 ) 得 p ( x ) = 生3 - d 二鳖3 - d 3 - d 3 - d 1 2 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 长安大学硕士学位论文 式( 3 9 ) 就是沥青混合料级配中集料质量通过率得分形表达式。给出不同的d 值， 即可得到不同的级配曲线。由于d 值的变化，导致了级配类型的变化 长安大学袁迎捷博士研究认为n 法、k 法和i 法本质上是分形理论的不同表达方式， 本质上是可以统一的，通过研究得出各种计算方法参数的等价关系【4 1 1 。 表3 1 各种计算方法参数等价关系 级配计算方法inkd 一 公式换算 州步 n 1 0 3 - 3 2 3 一n 3 2 级配类型 沥青混合料的集料是由粒径大小不等但按照一定比例组合而成的，这种组成称为级 配。沥青混合料由于级配不同，可形成各种类型和不同物理性质与力学性质的混合料， 这些混合料因而也就可以有不同的用途。集料级配基本上分为连续级配和间断级配两大 类。集料级配不同，使混合料的形成不同的结构，如悬浮密实结构、骨架密实结构及骨 架空隙结构。 ( 1 ) 连续级配沥青混合料 所谓连续级配，就是矿料中各级粒径的粒料，由大到小逐级按一定的质量比例组成。 传统连续式密级配的理论和计算方法是在2 0 世纪初，由美国学者f u l l e r 根据最大密度 理论提出的。最大密实曲线理论是从集料以何种比例组合能达到最大密实度的角度出发 来确定级配中各种粒径的分布。从混合料的密实度出发，早期采用的矿料级配形式多为 连续级配【2 4 】。 一般来说，连续级配的沥青混合料是密实型混合料，空隙率在5 - 6 以下，由于 这种级配中粗集料相对较少，粗集料悬浮在细集料之中，因此这种连续级配的混合料在 组成上属于悬浮密实结构。连续级配混合料的级配曲线平顺光滑，具有连续不间断的性 质，它虽然可以获得最佳的密实度和较大的粘结力，但不能构成最大的内摩阻力。其强 度主要受粘结力所影响，在现代重型汽车交通荷载作用下，这种类型的沥青路面可能因 热稳定性不足而产生车辙、波浪、推移等变形，从而影响其正常使用【2 5 】。 我国公路沥青路面施工技术规范( j t j 0 3 2 9 4 ) 中的a c - x x t 就属于这种传统连续 式密级配沥青混凝土。其空隙率被定为3 - 6 ，现在看来，v 。达6 显然偏大【1 2 】。 ( 2 ) 间断级配沥青混合料 第三章沥青混合料集料级配理论 为解决传统连续密级配存在的问题，使沥青混合料既能满足热稳定性的要求，同时 又具有良好的耐久性，近年来又发展了一种新的矿料级配类型一间断级配。所谓间断级 配就是指在矿料组成中，大小各级粒径的矿料颗粒不是连续存在的，而是在连续级配中 剔除了其中一个粒级或几个粒级形成的一种不连续级配。这种混合料不仅有足够数量的 粗骨料可以形成空间骨架，而且又有必要数量的细料填充于骨架间的空隙，使混合料有 较高的密实度而形成为一种骨架密实结构，其内摩阻力和粘结力均较高。法国1 9 8 2 年 研究的b b m ( 薄沥青混凝土) 、德国1 9 8 4 年制定规范的s m a ，我国沙庆林院士于1 9 8 8 年提出的s a c 都属于此种级配类型。现已有许多国家采用这种级配形式，具有广阔的 发展前景。但这种级配类型对材料、设计和施工技术水平较高，如果处理不当，常常会 导致离析【2 4 】。 ( 3 ) 折断级配沥青混合料 间断级配虽然有其优点，但由于组成间断以后，拌和不易均匀，给施工造成很大的 困难，为了克服这种问题，同济大学林绣贤高工提出了折断型级配，折断型级配实质上 也是一种间断型级配，只不过主骨料( 即粗集料) 控制至两级，原则上使其达到靠拢的程 度，细集料仍取连续级配，一般按k = 0 7 5 计算，粗细集料之间不问断，因而级配呈折 断型，这就减少了离析现象的产生。由于其级配的确定是通过在粗细集料之间取不同的 k 值计算所得，故而又称“变k 法 。此种级配类型，折断点位置的选择以及折断点前 后k 的取值是关键，折断点及k 值的改变方式不同，混合料矿料级配结果也不同。在实 际中难以操作，因而限制了它的使用，而且其大多也只用于间断级配如s m a 和s a c 级 配计算中【2 6 】。 3 3 级配计算方法 3 3 1 传统的理论级配计算方法 上述三种级配理论从不同角度对沥青混合料级配组成进行了分析，产生的了三种级 配计算方法，即n 法、i 法和k 法。三种级配计算方法级配问题的出发点各有差异，因 此各自参数的取值范围不同，分别介绍如下【2 4 】： ( 1 ) n 法 富勒( f u l l e r ) 根据实验提出了一种级配设计理论，其后泰波( t a r o t ) 认为富勒曲线是 一种理想曲线，实际矿料的级配应允许有定的波动范围，从而建立了如下公式： 1 4 长安大学硕士学位论文 p _ 1 0 0 ( 丢) 4 式中：d ：希望计算的等级集料粒径( 姗) d ：矿质混合料的最大粒径( i 砌) p ：希望计算的等级集料的通过量( ) n ：实验指数 ( 2 ) k 法 前苏联的伊万诺夫、奥浩饮等提出用颗粒分级质量递减系数k 为参数的矿料级配曲 线( 简称k 法) 。由此配制成的混合料极易出现离析，为了改善这一缺陷，伊氏将粒料粒 径按1 2 递减，并认为粒料重量递减系数按相同次数开方变化，此时混合料的密实度仍 可保持不变。而且针对1 1 法是无穷级数，没有最小粒径控制的缺点，苏联在确定k 法时， 定以= o 0 0 4 m m ，并控制其最小通过率为零，由此决定总级数n 。 1 3 = 3 3 2l g p 以) 有了最小粒径的控制，就解决了1 1 法存在的问题，使沥青混合料中矿粉的含量不致 过高，保证了级配在最小粒径时的通过率在可接受范围。这是k 法区别与1 1 法的实质所 在。 当矿料粒径按1 2 递减时，则有： p x = 1 0 0 1 一葛】 式中：见：为矿料在第x 级筛的通过量( ) x ：矿料粒径的级数 k ：质量递减系数 k 值经过实践通常取值在0 6 5 - 0 8 0 之间。 ( 3 ) i 法 同济大学道路工程研究所林绣贤高工长期从事这方面的研究，在分析原苏联的k 法 和美国n 法基础上，提出了直接采用质量通过百分率递减系数i 为参数的矿料级配组成 计算方法( 简称i 法) ： p x = 1 0 0 i 。 式中：p ，：当粒径按1 2 递减时，矿料在第x 级筛的通过量( ) 第三章沥青混合料集料级配理论 x ：矿料粒径的级数，x - - 3 3 2 l g ( d 砍) i ：通过百分率的递减系数 i 法公式是对k 法公式的简化，即当k 法中的1 1 足够大时，七寸0 ，k 法就演化为 i 法。对照国外规定与国内经验，认为i = o 6 5 - 0 7 5 时可以得到比较密实和使用满意的 混合料。 上述传统的级配设计理论都是建立在简单模型基础上的，虽然可以用于计算级配， 但实际上由上述理论计算的级配曲线很难用于工程实践，一方面计算得到的级配范围很 难适用于所有筛孔；另一方面在实际使用中往往需要根据路面的结构组成和混合料的使 用部位对级配作不同的调整，这就使上述理论中的n ，i ，k 等参数的选择发生了困难。 3 3 2 工程实际中矿料级配确定方法 通过上面的分析可以知道，n 、k 、i 法都是理论的级配计算方法，并未与实际工程 中使用的材料特性联系在一起，不能为人们的实际级配设计进行指导，一般不直接用于 沥青混合料级配设计。 3 3 2 1 贝雷设计方法 由美国伊利诺州交通部的罗伯特贝雷发明的贝雷法是一种系统的级配组成方法， 其主要思想是以形成的集料骨架作为混合料的承重主体，使设计的混合料能提供较高的 抗车辙性能，同时通过调整粗细集料的比例，获得合适的 v m a ，以保证设计混合料具 有较好的耐久性。贝雷法中提出了用于评价矿料性质的一系列参数，这些参数直接和 【v m a 、空隙率和压实性能相关，有助于更好地理解集料级配与混合料中空隙体积的关 系，也为评价合成级配提供了一套工具。 贝雷法通过确定不同的粗集料选取密度形成不同的集料骨架结构，进行集料级配设 计。此法的精髓在于粗集料选择密度的概念。理论上，粗集料松装密度是粗集料形成骨 架结构的下限，是粗级配混合料与细级配混合料的分界点；而干捣密度通常被看作是密 级配沥青混合料中粗集料形成骨架嵌挤结构的上限。 该法还提出了运用三个比例参数c a 比、f a c 比及f a f 比分析合成级配的方法，使 设计的混合料具有较好的抗车辙性能和耐久性。 目前国内贝雷法的应用只是停留在级配检验的层面上，认为只要满足这三个参数的 取值范围，级配就会具有良好的性能，而实际上，它们只是级配具有良好性能的必要非 充分条件。 1 6 长安大学硕士学位论文 3 3 2 2c a v f 法( 主骨料空隙填充法) 为了发挥粗集料作为主骨料的嵌挤能力，细集料、矿粉、沥青和设计空隙率应该以 不超过v c a d r c 的体积来填充主骨料紧密堆积的空隙率，将这样的设计方法称为主骨料 空隙填充法( c o u r s ea g g r e g a t ev o i df i l l i n gm e t h o d ，记为c a v f 法) 。 c a v f 法基于2 个基本假定： a 假定细集料的颗粒不对粗骨料的嵌挤结构形成干涉； b 细集料与沥青混合的胶浆也不对粗骨料的嵌挤结构形成干涉。 根据c a v f 设计方法，设计时先根据实际使用的沥青混合料最大粒径情况和施工需 要，预先选择连续的卜3 档粗骨料作为主骨架，主骨架粒径越单一均匀，得到的沥青层 表面越均匀，构造深度越大。为避免细集料对主骨架的干涉，最好采用间断级配，以避 免细集料颗粒干涉主骨料的骨架结构，造成主骨料空隙增大。按照这样的体积关系，粗 集料、细集料、矿粉以及沥青用量的质量百分率吼、g r 、g ，、吼，主骨架紧装空隙率 及沥青混合料设计目标空隙率v c a ，v c a 之间具有如下的组成关系： g 。+ g ，i + g p = 1 0 0 ( 3 1 0 ) 丧( 吩考+ 岛q p + 薏 ( 3 式中：以一为粗骨料紧装密度； 所、岛一分别为细料、矿粉的表观密度； 见一为沥青的密度； 通常，材料密度和v c a 可以通过试验测定得到，可以在吼、g r 、g p 、g 。和v c a 等5 个变量中预先确定3 个变量的设计值，利用上式计算得到其余2 个变量的设计结果。 为方便计算，一般将粗、细集料质量百分率吼、口，作为未知变量进行设计。 该法在原理上没有什么不合适的地方，但主要由两个需完善的地方。其一，该法只 是解决了粗细集料合成比例的问题，而没有解决粗细集料各自矿料级配组成问题；其二， 该法用于间断级配尚可，用于嵌挤密级配时，需要进行改进；其三，该法将粗细集料统 一按4 7 5 r a m 划分的方法有待商榷。 3 3 2 3s a c 矿料级配设计与检验方法 s a c 矿料级配的设计原则是用粗集料形成骨架，用细集料填充骨架中的孔隙，使设 1 7 第三章沥青混合料集科级配理论 计的沥青混凝土既密实、空气率小，使水不容易透入，又具有较高的高温抗永久变形能 力。 一s a c 矿料级配设计方法【2 7 】 s a c 矿料级配分三部分：粗集料、细集料和填料，粗细集料的分界线统一定为 4 7 5 m m ，即4 7 5 m m 以上集料为承重的主体。对于粗集料断级配沥青混凝土，描述粗集 料级配曲线的幂函数应该具有较大的幂值，而用于填充孔隙的细集料，则要求它比较密 实，所