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大粒径沥青混合料

大粒径沥青混合料LSAM组成结构与强度机理

冷明泽 刘宝忠

（中国交通建设集团公路一局）

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 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：

 LSAM 组成结构  强度机理 配合比

一、大粒径沥青混合料LSAM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：

①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。

②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。

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。

二、LSAM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-30II

LSAM

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11～13cm

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）。

三、LSAM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ρcm与松堆密度ρna之比，即骨架稳定度S=ρcm/ρna。

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（ρca）

（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ρ，按下式计算捣实状态下粗集料骨架间隙率VCADRC。

VCADRC=（1-ρ/ρca）×100     

式中：

ρca—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ρna，按下式计算捣实状态下粗集料骨架间隙率VCADBC。

VCADBC=（1-ρna/ρca）×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ρmb，按下式计算VCAmix。

VCAmix=﹛（1-ρmb/ρca×（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=100ρcm/ρ

式中：

SSC—LSAM的骨架接触程度百分数；

ρcm—LSAM中粗集料密度；

ρcm=（ρmbρw）×（1－AC）×PCA

ρmb—LSAM的毛体积相对密度；

ρw—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=100ρcm/ρna。

式中：

S—LSAM的骨架稳定程度百分数；

ρna—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）/VCADBC＜1.08   紧排骨架密实结构

1.08≤（VCAmix+VV）/VCADBC≤1.15   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d×h=150mm×150mm，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          

NO

破坏荷载P（KN）

σ3

（KPa）

σ1（KPa）

c（KPa）

φ（度）

级配A

级配G?

级配A

级G?

级配A

级配G?

级A

级配G?

1

23.000

17.048

50

1347

1010

151

105

52.5

54.9

2

21.218

18.875

50

1247

1117

3

21.872

19.833

50

1282

1167

4

27.646

29.155

100

1650

1746

5

33.050

32.384

100

1962

1920

6

29.906

25.326

100

1792

1531

7

37.960

32.170

150

2285

1954

8

32.670

37.395

150

1987

2256

9

39.773

150

2380

10

40.587

150

2335

11

42.89

42.007

200

2621

2562

12

41.41

43.420

200

2537

2646

13

43.406

200

2647

14

200

注:

σ1—最大主应力，σ3—最小主应力，C—粘结力,φ—内摩擦角

取围压σ3=50Kpa、100Kpa、150Kpa、200Kpa时，计算σ1—最大主应力。

表3    级配A、G?

试验结果均值汇总表       

σ3（KPa）

σ1（KPa）平均值

c（KPa）

φ（。

）

级配A

级配G?

级配A

级配G?

级配A

级配G?

50

1292

1098

151

105

52.5

54.9

100

1801

1733

150

2218

2215

200

2602

2604

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

φ值

度

tgφ

σ

σtgφ

C贡献率（%）

σtgφ贡献率

细粒式AC-I型

0.135

42.7

0.923

0.328

0.303

30.7

69.3

中粒式AC-I型

0.133

43.1

0.936

0.317

0.297

30.9

69.1

细粒式AC-II型

0.096

44.8

0.993

0.232

0.23

29.4

70.6

中粒式AC-II型

0.108

44.7

0.989

0.261

0.258

29.5

70.5

细粒式AM

0.099

42.9

0.929

0.239

0.222

30.8

69.2

中粒式沥青碎石AM

0.076

43.98

0.965

0.184

0.178

29.9

70.1

LSAM的A级配

0.151

52.5

1.303

0.367

0.478

24.

76.0

LSAM的G′级配

0.105

54.9

1.423

0.254

0.361

22.5

77.5

注:

取围压σ3=C（因路面结构材料自身产生的最大约束力是粘聚力），

σ1=σ3tg2（45+φ/2）+2C×tg（45+φ/2），计算破坏面上的正应力σα=（σ1+σ3）/2

+（σ1－σ3）cos2α/2=（σ1+σ3）/2－（σ1－σ3）sinφ/2，从而求得σtgφ及其贡献率。

不同混合料类型σtgφ贡献率见图1

图1 不同混合料类型σtgφ贡献率

2）三轴试验的结果分析

（1）φ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，φ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,σtgφ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%，σtgφ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，σtgφ的相对贡献率越大。

（3）σ1和σ3有着良好的相关性，σ3越大，σ1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、φ值有所不同。

规范中规定的细粒式、中粒式沥青混凝土的φ值大致在40～45度变化，C值在0.05～0.12Mpa变化，而本研究中提供的A、G′级配的φ值在54度左右变化，C值在0.11～0.15Mpa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φ的大小，由于φ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LSAM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以上粗集料含量为60%～70%左右，可据此选择级配。

2、干捣（松堆）试验。

进行干捣（松堆）试验,实测干捣密度ρ（或松堆密度ρna）。

3、成型试件。

根据参考级配，对每一种级配选定适当的空隙率、矿料间隙率VMA、粉油比。

4、计算骨架接触度（或骨架稳定度）。

选择骨架接触度（或骨架稳定度）满足设计要求的级配；如不满足要求，则根据骨架接触度（或骨架稳定度）的大小调整级配或配比，并用沥青膜厚度验算最小沥青用量。

依据矿料间隙率VMA、空隙率VV和其它一些因素，确定最佳的沥青用量。

5、进行高温、低温、水稳定性检验，确定最优级配。

五、结束语

级配良好的LSAM具有优良的路用性能，组成设计方法简单适用，各地可因地制宜开发适合本地区的大粒径沥青混合料，提高沥青混凝土路面路用性能。

但沥青混合料是一种复杂的材料，其各种性能随材料的组成、温度、环境和外荷载作用型式不同而发生变化，大粒径沥青混合料的路用性质也有待进一步的研究和实践验证，而笔者认知水平十分有限，文中存在的疏漏和错误，还恳请同行指正。

参考文献

《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40—2004

《道路建筑材料》严家伋

《大粒径沥青混合料LSAM组成设计与路用性能研究》长安大学博士论文

《大碎石沥青混合料LSAM骨架密实型综合设计法》刘中林

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