沥青砼矿料级配设计理论浅析.docx
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沥青砼矿料级配设计理论浅析
沥青砼矿料级配设计理论浅析
一、前言
近年来，随着我国国民经济的高速发展，我国交通运输业特别是公路运输业显现出突飞猛进的态势，载至到2000年底，我国高速公路的通车里程已达16000KM，总里程位居世界第三位。
公路运输呈现车流量大（3000辆/昼夜以上）和轴载重（大型货运车辆自重加运输货物有的每辆达60t以上，汽车轮胎的气压已增大到1.0Mpa以上）的情况，传统的沥青砼混合料矿料级配（规范中的ACI型和ACII型及抗滑表层）及沥青砼配合比设计方法已不能满足现行公路交通运输的需要，所以现在国内出现了多碎石沥青砼（SAC）、SMA、Superpave等路面结构，沥青材料也出现了如SBR、SBS、EVA、PE等用不同改性剂加入沥青中对沥青进行改性的各种改性沥青，而且路面基层也从传统的石灰土、石灰碎石土、石灰工业废渣土改进成二灰碎石基层、水泥稳定碎石基层。
但至今还是没有彻底解决路面拥包、泛油、车辙、渗水、松散等问题，有些高等级公路通车还不到两年就出现早期损坏现象，如国道104线静海段路面拥包、变形，石太高速公路路面车辙、变形现象，石安线的路面透水损坏，京沪高速江苏锡澄段的路面唧浆网裂等。
二、黄高速公路辛沧段沥青砼矿料级配组成
石黄高速公路辛沧段沥青砼路面采用三层式沥青砼结构，各层的矿料组成符合表-1所列级配范围。
4cm沥青砼表面层（粗集料采用安山岩）采用修正后的多碎石SAC-16型级配，5cm中面层采用修正后的AC-20Ⅰ型级配，6cm下面层采用修正后的AC-25Ⅰ型级配。
沥青砼矿料级配范围（方孔筛）表一1
筛孔尺寸
31.5
26.5
19
16
13．2
9．5
4．75
2．36
1．18
0．6
0．3
0．15
0．075
混合料类型
AC—25调中值各筛孔通量
100
95~100
79~93
68~82
57~71
46~60
33~47
29~39
20~30
14~24
9~17
7~13
4~8
100
97．5
86
75
64
53
40
34
25
19
13
10
6
2．5
11．5
11
11
11
13
6
9
6
6
3
4
6
AC—20调中值各筛孔通量
100
95~100
77~88
62~76
49~63
35~49
30~40
23~33
16~26
10~20
6~14
6~8
100
97.5
82.5
69
56
42
35
28
21
15
10
7
2.5
15
13.5
13
14
7
7
7
6
5
3
7
SAC—16调中值各筛孔通量
100
95~100
75~90
58~70
39~51
28~37
21~29
15~23
11~17
9~13
7~9
100
97.5
82.5
64
45
32.5
25
19
14
11
8
2.5
15
18.5
19
11.5
7.5
6
5
3
3
8
三、沥青砼配合比设计理论浅析
沥青砼混合料在路面结构中产生破坏的情况，主要是发生在高温时由于抗剪强度不足或塑性变形过剩而产生推移、车辙、泛油等现象，低温时抗拉强度不足或变形能力较差而产生裂缝现象，以及沥青混合料配合比选用不当，空隙率过大而产生的路面结构渗水，在大量快速行车的作用下，反复作用的动水压力（孔隙水压力）使沥青从碎石表面剥落下来，造成沥青砼路面坑洞、网裂、唧浆等破坏现象。
为了防止沥青砼路面产生高温剪切破坏，我国柔性路面设计方法中，对沥青路面抗剪强度验算要求在沥青砼路面面层破裂面上可能产生的剪应力τα应不大于沥青混合料的许用剪应力τR即τα≤τR。
而沥青混合料的许用剪应力τR取决于沥青混合料的抗剪强度τ，沥青混合料的抗剪强度τ可通过三轴试验方法应用莫尔—库仑包络线按下式求得：
τ=C+σtgφ=f（C.σ.φ）
式中：
τ—沥青混合料的抗剪强度（Mpa）
σ—正应力（Mpa）
C—沥青混合料的粘结力（Mpa）
φ—沥青混合料的内摩擦角（rad）
从式中可知沥青混合料的抗剪强度和沥青混合料的粘结力及内摩擦角有关，和施工过程的碾压力（压实度）有关。
所以沥青的品种（包括改性沥青）和矿料之间油膜厚度（沥青用量）的研究是解决如何提高沥青砼粘结力C及高温稳定性的问题，沥青砼矿料级配及密度的研究是解决如何提高沥青砼内摩察角φ和抗渗水性问题，沥青砼中掺加纤维类的研究是解决如何提高低温抗拉强度的问题。
沥青混合料是一种复合材料，它是由沥青、粗集料、细集料和矿粉以及外加剂所组成，由于组成材料质量的差异和数量的多寡，可形成不同的组成结构，并表现为不同的力学性能。
一）沥青砼矿料级配种类
1． 沥青砼种类及优缺点
（1） 悬浮—密实结构：
当采用连续型密级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时，按粒子干涉理论，为避免次级集料对前级集料密排的干涉，前级集料之间必须留出比次级集料稍大的空隙供次级集料排布。
按此组成的沥青混合料虽然可以获得很大的密实度，但是各级集料均被次级集料所隔开，不能直接靠拢而形成骨架，有如悬浮于次级集料及沥青胶浆之间。
这种结构的沥青混合料就是我国规范中的ACⅠ型结构，它具有良好的抗渗性能，但内摩擦角φ较低，其热稳定性（即抗车辙能力和抗水平荷载推挤能力）和抗滑性能都比较差。
（2） 骨架—空隙结构：
当采用连续型开级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时，由于这种矿质混合料递减系数较大，粗集料所占的比例较高，细集料则很少，按此组成的沥青混合料，粗集料可以互相靠拢形成骨架，但由于细集料数量过少，不足以填满粗集料之间的空隙，因此形成“骨架—空隙”结构，我国规范中的AM型、ACII型就是这种结构，它虽然具有较高的内摩擦角φ，但粘结力C较低，抗渗性能很差。
（3） 密实—骨架结构：
当采用间断型密级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时，由于这种矿质混合料断去了中间尺寸粒径的集料，既有较多数量的粗集料可形成空隙骨架，同时又有相当数量的细集料可填密骨架的空隙，因此形成“密实—骨架”结构，这种结构不仅具有较高的粘结力C，而且具有较高的内摩擦角φ，SMA就属于这种结构，但这种结构沥青用量较多，沥青质量要求高，通常要求改性沥青，并掺加沥青玛蹄脂，造价比较高。
2． 几个体积率的概念
VCA：
在击实沥青混合料试件中，4.75mm颗粒径以上的粗集料形成一个骨架，骨架以外的空隙率占整个试件的体积的百分数，称为粗集料骨架间空隙率用VCA表示。
如果把混合集料中小于4.75mm的细料筛除，将大于4.75mm的粗集料装入容器桶中松散堆积，测定出松散状态的粗集料的空隙率为VCADBC表示。
将大于4.75mm的粗集料装入容器桶中捣实后，测定出紧密状态粗集料的空隙率为VCADRC。
则VCADRC一定小于VCADBC。
如果VCA比VCADBC大就说明细骨料填充撑开粗骨料，不能形成特别有效的嵌挤作用。
所以VCAVCAx为试件中4.75mm颗粒径以下的细集料占整个试件的体积的百分数。
VCAmix为试件中4.75mm颗粒径以下的细集料、沥青及纤维素之和占整个试件的体积的百分数。
VMA：
细集料填充在粗集料骨架空隙中后，全部矿料之外的空隙。
VFA：
在矿料的空隙VMA中填充沥青和纤维素的体积率。
Sr：
沥青的体积占全部空隙的百分数为沥青饱和度。
VV：
为沥青混合料试件的空隙率。
故VMA=VFA+VVVCA=VCAx+VMA=VCAx+VFA+VV=VCAmix+VV
VCAmix=VCAx+VFA
在击实沥青混合料试件中，如果认为2.36mm颗粒径以上的集料为粗集料，也同样存在以上几个体积率的概念。
3． 各种粒径沥青砼混合料矿料级配的VCADRC，VCADBC。
各种粒径各种类型沥青砼混合料矿料级配的VCADRC，VCADBC是不同的。
笔者按照规范中各种沥青砼混合料级配中值配料，按照前述的方法得出了各种类型不同粒径的VCADRC，VCADBC。
见表-4（其中SAC-16的矿料是用的安山岩）。
从表-4中可以看出VCADRCVCADBC在同一种粒径沥青砼混合料中和沥青砼的类型关系不大，假如粒径为16mm，无论AC-16I型AC-16II型，从表中可知VCADRC、VCADBC变化不大。
当然VCADRC、VCADBC的变化和岩石破碎机的种类有关，这是因为不同型式的岩石破碎机生产出来的矿料的针片状含量及粒料的几何尺寸是不一样的，VCADRC、VCADBC的变化也和岩石种类有关，有些岩石层面比较明显，生产出来的粒料针片状含量就比较高。
各种沥青混合料矿料级配表一2
筛孔尺寸
31.5
26.5
19
16
13．2
9．5
4．75
2．36
1．18
0．6
0．3
0．15
0．075
混合料类型
AC—25Ⅰ
100
95~100
75~90
62~80
53~73
43~63
32~52
25~42
18~32
13~25
8~18
5~13
3~7
AC—25Ⅱ
100
90~100
65~85
52~70
42~62
32~52
20~40
13~30
9~23
6~16
4~12
3~8
2~5
SAC—25
100
90~100
64~78
53~69
43~59
33~47
22~34
17~27
14~24
11~21
9~18
7~15
5~9
AC—20Ⅰ
100
95~100
75~90
62~80
52~72
38~58
28~46
20~34
15~27
10~20
6~14
4~8
AC—20Ⅱ
100
90~100
65~85
52~70
40~60
26~45
16~33
11~25
7~18
4~13
3~9
2~5
SAC—20
100
90~100
67~83
53~69
43~57
28~40
19~31
15~25
11~21
9~18
7~15
5~9
AC—16Ⅰ
100
95~100
75~90
58~78
42~63
32~50
22~37
16~28
11~21
7~15
4~8
AC—16Ⅱ
100
90~100
65~85
50~70
30~50
18~35
12~26
7~19
4~14
3~9
2~5
AK—16
100
90~100
60~82
45~70
25~45
15~35
10~25
8~18
6~13
4~10
3~7
SAC—16
100
90~100
70~90
50~75
30~50
22~37
16~28
12~23
8~18
6~13
4~8
德国SMA
100
95~100
75~88
30~39
22~27
16~23
12~20
11~18
9~15
8~12
各种沥青混合料矿料级配中值表—3
筛孔尺寸
31.5
26.5
19
16
13．2
9．5
4．75
2．36
1．18
0．6
0．3
0．15
0．075
混合料类型
AC—25Ⅰ
100
97.5
82.5
71
63
53
42
33.5
25
19
13
9
5
AC—25Ⅱ
100
95
75
61
52
42
30
21.5
16
11
8
5.5
3.5
SAC—25
100
95
71
61
51
40
28
22
19
16
13.5
11
7
AC—20Ⅰ
100
97.5
82.5
71
62
48
37
27
21
15
10
6
AC—20Ⅱ
100
95
75
61
50
35.5
24.5
18
12.5
8.5
6
3.5
SAC—20
100
95
75
61
50
34
25
20
16
13.5
11
7
AC—16Ⅰ
100
97.5
82.5
68
52.5
41
29.5
22
16
11
6
AC—16Ⅱ
100
95
75
60
40
26.5
19
13
9
6
3.5
AK—16
100
95
71
57.5
35
25
17.5
13
9.5
7
5
SAC—16
100
95
80
62.5
40
29.5
22
17.5
13
9.5
6
德国SMA
100
97.5
81.5
34.5
24.5
19.5
16
14.5
12
10
二）、沥青砼粘结力的分析
研究VFA（沥青用量）和沥青种类是解决沥青砼粘结力问题。
由于马歇尔试验方法和实际情况已经不符（因为实际公路上沥青砼路面受汽车轮胎柔压，同时马歇尔试验击实次数是两面各击75次，如再增加击实次数，骨料就被击破碎了，而柔压再增加静载骨料也没有破碎情况发生），所以我们必须用其它理论来解决沥青砼油石比问题。
各种沥青混合料矿料级配表-4
粒径尺寸
空隙率%
混合类型
9.5mm
4.75mm
2.36mm
VCADRC
VCADBC
VCADRC
VCADBC
VCADRC
VCADBC
AC-30I
AC-30II
41.7
41.9
45.9
45.8
38.9
39.5
43.6
43.4
36.9
36.8
40.1
41.3
AC-25I
AC-25II
SAC-25
41.4
41.8
39.7
47.4
47.7
47.1
40.0
40.8
39.6
45.5
46.0
43.3
37.6
38.1
37.8
42.6
42.9
42.7
AC-20I
AC-20II
SAC-20
43.0
43.3
42.9
48.1
48.6
48.9
41.9
41.9
41.6
46.0
46.5
48.3
38.3
38.9
39.0
42.9
43.9
44.7
AC-16I
AC-16II
SAC-16
44.8
44.3
44.8
49.7
48.2
50.1
41.7
42.2
42.4
46.0
47.3
46.5
39.2
38.5
37.6
43.6
43.4
44.5
我们用粘信封的道理来解释沥青砼油膜厚度（油石比）问题，我们粘信封时涂上一定的浆糊进行粘贴，随着压力的增大，多余的浆糊被挤出来，信封口粘的就越紧，一定的压力和浆糊的厚度是有关系的，压力越大，浆糊的厚度越薄，粘结力也就越大。
沥青砼油膜厚度也是一样，当我们施工时采用的碾压设备（轮胎）的压强越大，初压温度越高，油膜厚度越薄，形成的沥青砼粘结力也就越大，这就是美国工程兵JOHN.L.MCRAE先生的GTM机旋转柔压理论，该GTM试验机很好地解决了碾压设备（轮胎压强）、碾压温度和油石比（油膜厚度）的关系。
鉴于我国大型车量轮胎压强已达到1.0Mpa以上，所以建议使用GTM试验机用1.0Mpa的压力进行旋转柔压，试验时温度为130∽135度，稳定后的用油量为设计用油量。
现场施工工艺要求复压完成后的温度控制在130度以上，初压采用大吨位轮胎压路机（轮胎压强为1.0Mpa以上）。
另外沥青的种类及矿料对沥青的粘附性也直接影响着沥青砼粘结力，所以国内出现了高温稳定性好同时低温时具有良好的抗裂性的改性沥青，并且要对酸性的和中性的硬质矿料要进行处理，提高粘附性，一般采用生石灰水清洗或掺加生石灰粉或低标号水泥。
三）、沥青砼混合料矿料级配原理浅析
1、绝对空隙率VV与路面渗透问题
研究沥青砼绝对空隙率VV就是解决沥青砼路面渗水和路面泛油问题。
通过大量数据证明沥青砼的绝对空隙率小于7%就不渗水。
但是沥青砼绝对空隙率太小也会导致沥青砼的热稳性下降和路面泛油，因为当高温季节随着温度的增高，沥青砼的温度升高，沥青膨胀，如果没有一定的空隙，沥青就只能往上走而引起泛油。
所以绝对空隙率最小值要满足沥青受热膨胀的要求，一般最小空隙率大于2%就能满足沥青受热膨胀的要求。
综合两种因素，所以VV取中值4%∽5%。
计算时取4.5%。
2、混合料矿料级配变化和内摩擦角的关系
从理论上讲，粗集料的间隙率被小一级的集料填充，小一级的集料又被更小一级的集料填充，直至最小的矿料为止是最理想的级配，即9.5mm，4.75mm，2.36mm级矿料，都满足VCADRC≤VCA＜VCADBC（即VCADRC≤VCAmix+4.5%＜VCADBC），这时的内摩擦角φ接近最大，粘结力C也接近最大，抗渗性能也好。
如果粗集料的间隙不能被小一级的集料完全填充（即VCAmix+4.5%＜VCADRC），这就形成了骨架空隙结构,我国规范中的Ⅱ型就是这种结构，这种结构内摩察角φ最大，但粘结力C小，抗渗透性差。
另一种结构就是悬浮式密集沥青混合料结构，即9.5mm，4.75mm，2.36mm级矿料都满足（VCAmix+4.5%）＞VCADBC，随着（VCAmix+4.5%）/VCADBC的增大，内摩擦角φ减小，这就是我国规范中的AC-I型结构。
四）笔者观点
我国高等级沥青混凝土路面设计多用二层或三层结构，主要为了满足沥青混凝土路面热稳定性、不透水性、耐磨耗性、抗滑性、耐久性、抗疲劳破坏等方面的要求，所以各层沥青混凝土结构有各层的作用。
根据各层作用，笔者提出了以下观点作为确定矿料级配的原则：
1、沥青砼面层重点要具有承载能性好，温度稳定性好（高温时不易变软，低温时具有良好的抗裂性能和抗温度疲劳裂缝的能力），不透水、耐磨耗、抗滑性好、耐久性好等特点，其中不透水性和抗滑性在高速公路路面面层尤其重要，使用改性沥青和在沥青砼中掺加博尼维主要解决温度稳定性和耐久性要求，使用硬质岩主要解决耐磨耗性要求，矿料级配是解决承载能力，不透水性和抗滑性的主要途径，为了满足沥青砼面层抗车辙性，不透水性和抗滑性的要求，笔者认为对4.75mm粒径来讲应满足1.10＜（VCAmix+4.5%）/VCADBC＜1.20，对2.36mm粒径来讲应满足1.0≤（VCAmix+4.5%）/VCADBC＜0.95的要求，只有这样才能保证沥青砼具有一定的构造深度，同时又保证了不透水性和抗车辙的要求。
2、沥青砼中面层重点要具有承载性能好，同时还要具备不透水性。
笔者认为对4.75mm粒径来讲应满足1.00＜（VCAmix+4.5%）/VCADBC＜1.10，对2.36mm粒径来讲应满足（VCADRC+VCADBC）/2＜（VCAmix+4.5%）＜VCADBC。
只有这样的才能保证沥青砼中面层具有嵌挤紧密骨架结构，同时又具备不透水性的要求。
3、沥青砼底面层重点要具有很高的承载能力，同时兼顾不透水性，笔者认为对4.75mm粒径来讲应满足VCADRC＜（VCAmix+4.5%）＜VCADBC。
对2.36mm粒径来讲最好也应应满足VCADRC＜（VCAmix+4.5%）＜VCADBC，但在我国北方地区满足0.9三、用VCADRC、VCADBC理论剖析石黄高速辛沧段沥青混合料组成结构
一）面层沥青砼混合料组成结构理论剖析
石黄高速公路辛沧段路面三标沥青砼面层采用改性沥青，矿料采用安山岩，沥青砼矿料级配采用表-1中SAC-16调。
1、 矿料的合成级配情况见表-5
2、 不同规格碎石密度的测定
根据矿料合成级配比例掺后测得：
⑴、2.36mm以上碎石级配
a、表观密度2.871b、振实密度1.78c、松散堆积密度1.582
计算得：
振实后绝对体积率（1.78/2.871）×100=62.0%，空隙体积率（1-0.62）×100=38.0%
松散堆积体积率（1.582/2.871）×100=55.1%，空隙体积率（1-0.551）×100=44.9%
⑵、4.75以上碎石级配
a、表观密度2.872b、振实密度1.647c、松散堆积密度1.529
计算得：
振实后绝对体积率（1.647/2.872）×100=57.3%，空隙体积率（1-0.573）×100=42.7%
松散堆积体积率（1.529/2.872）×100=53.2%，空隙体积率（1-0.532）×100=46.8%
沥青砼配合比矿料组成计算表
承包单位：
一局六公司合同号：
三合同使用单位：
SAC-16（调）表石层表-5
材料规格
筛孔尺寸mm
19
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
通过量（%）
矿粉
筛
分
结
果
10-20安山岩碎石
100
95.6
66.1
22.2
0.60
0.30
5-10安山岩碎石
100
99.8
98.0
19.5
1.5
1.0
3-5安山岩碎石
100
93.2
15.6
1.8
1.4
1.1
0.9
0.5
机制（石灰岩）砂
100
98.5
86.5
62.1
43.5
31.2
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