骨架密實型瀝青混合料級配優(yōu)化設(shè)計及性能分析

徐龍，畢玉峰，于大海

（1.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院，山東 濟(jì)南250031）

骨架密實型瀝青混合料級配優(yōu)化設(shè)計及性能分析

徐龍1，畢玉峰2，*，于大海1

（1.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院，山東 濟(jì)南250031）

研究法國GB5新型瀝青混合料及其設(shè)計方法在我國的適用性，對于明確GB5瀝青混合料性能特點具有一定參考價值，對實際工程應(yīng)用也有一定借鑒意義。文章基于法國GB5骨架密實型瀝青混合料及其設(shè)計方法，分析了GB5型瀝青混合料的特點，依照其設(shè)計原理設(shè)計混合料級配并進(jìn)行了系列室內(nèi)試驗，對用GB5礦料級配設(shè)計方法獲得的高性能瀝青混合料GB5-13與應(yīng)用傳統(tǒng)馬歇爾瀝青混合料設(shè)計法設(shè)計的SMA-13兩種瀝青混合料進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明:GB5-13瀝青混合料密實度大且瀝青用量低，比SMA-13瀝青用量低10%；新型瀝青混合料因初始空隙率水平低且礦料級配內(nèi)摩阻力高而具有較好的水穩(wěn)定性，GB5-13勁度模量大，控制應(yīng)變模式下的GB5-13疲勞性能遜于SMA-13；優(yōu)化礦料級配后的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性有所提高，而低溫性能未得到改善。

瀝青混合料；骨架密實；級配設(shè)計；GB5-13

0 引言

自瀝青混合料誕生以來，因其優(yōu)異的性能表現(xiàn)而成為全世界高等級路面材料之一，隨著新交通環(huán)境的不斷變化，對瀝青混合料性能的要求也在不斷提高。骨架密實型瀝青混合料以高內(nèi)摩阻力的礦料結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)募?xì)料膠漿水平而具有出色的路用性能表現(xiàn)［1-3］。較好內(nèi)摩阻力需要集料間的嵌擠作用產(chǎn)生，礦料嵌擠特性的優(yōu)良直接關(guān)系著高性能瀝青混合料的形成與否。

國內(nèi)主流礦料級配設(shè)計方法包括主骨料空隙填充法CAVF（Course Aggregate Void Fillingmethod）［4］和 多 碎 石 瀝青混凝土SAC（Stone Asphalt Concrete）［5-6］礦料級配設(shè)計法以及多級嵌擠密實級配MDBG（Multilevel Dense Built-in Gradation）設(shè)計方法［7］，國外的貝雷法［8］、Superpave法［9］等也不同程度地得到應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，級配設(shè)計方法的研究大致可分為3類:基于某種特定瀝青混合料類型的級配優(yōu)化［10-11］、基于不同混合料設(shè)計方法的級配優(yōu)化［12］和基于瀝青混合料綜合路用性能、設(shè)計指標(biāo)或評價指標(biāo)（高溫性能、體積參數(shù)等）的級配優(yōu)化［13-14］。各種設(shè)計方法特點突出又目標(biāo)一致，通過以上列舉的各方法均能獲得具有較好嵌擠特性的骨架型瀝青混合料。Superpave法提出的級配控制點和禁區(qū)的概念有助于設(shè)計者一定程度上控制級配的粗細(xì)狀態(tài)，但級配設(shè)計過程仍含有較大的經(jīng)驗性。貝雷法是唯一粗細(xì)集料劃分界限隨公稱最大粒徑變化的級配設(shè)計方法，同時提出粗集料比（CA）、細(xì)集料中粗集料比例 （FAC）和細(xì)集料中細(xì)集料比例（FAF）等3個級配檢驗指標(biāo)，其體系的完整性較之其他設(shè)計方法更強(qiáng)。CAVF法的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是細(xì)集料顆粒和瀝青膠漿均不對粗集料的嵌擠結(jié)構(gòu)造成干涉，其粗細(xì)級配確定方法和合成級配驗證均需進(jìn)一步完善。SAC法明確了CAVF法中未確定的級配驗證方法，提出VCAAC和VCADRF兩種級配檢驗方法。多級嵌擠密實型級配MDBG設(shè)計方法是通過室內(nèi)搗實試驗和體積分析獲得合成級配配比，并借助貝雷法進(jìn)行級配驗證，體系完善。

文章主要介紹了一種新型間斷級配礦料設(shè)計方法，并用其設(shè)計骨架密級配混合料GB5-13（Grave Bitume 5-13），消除集料顆粒間的干涉作用和邊界作用，使其集料嵌擠達(dá)到最優(yōu)化，空隙率水平最優(yōu)化，以此提高礦料級配的骨架嵌擠能力并提高其密實度，可以降低用來填充集料顆粒間空隙的瀝青用量。選用SMA-13（Stone Mastic Asphalt-13）作為對照，借助室內(nèi)試驗評價GB5-13瀝青混合料的路用性能和力學(xué)性能。

1 法國GB5瀝青混合料簡述

法國GB5新型瀝青混合料以消除干涉作用對礦料空隙率的影響為前提，基于集料嵌擠理論來確定不同粒徑集料用量，形成單間斷或雙間斷級配的密實骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，繼而與聚合物改性瀝青拌合而形成高性能瀝青混合料（HPAs）。其具有密實度大、勁度模量高和抗疲勞性能好的特點，有助于降低瀝青路面厚度和提高路面壽命。

1.1 理論基礎(chǔ)

Fran?ois介紹了Caquot提出的GB5型瀝青混合料集料嵌擠的理論方法［15］，并得到20世紀(jì)70年代后的研究者不斷豐富發(fā)展，得出與之相對應(yīng)的許多嵌擠模型和精確算法。該嵌擠理論由Perraton［16］轉(zhuǎn)化應(yīng)用到瀝青混合料領(lǐng)域，之后Olard等［17］不斷完善，形成GB5瀝青混合料設(shè)計體系。

不同粒徑的兩種顆粒間存在兩類相互作用影響集料空隙比的大小，即邊界作用和干涉作用，后者又稱之離散作用。當(dāng)在空間無限大的細(xì)集料中加入少量粗集料，細(xì)集料的排列被干擾，即邊界作用產(chǎn)生。此時，邊界處的空隙增大但粗集料占據(jù)細(xì)集料的空間更大，礦料的空隙比（空隙與礦質(zhì)實體的體積之比）減小，并且邊界作用與顆粒間的空隙以及顆粒和顆粒團(tuán)接觸產(chǎn)生的任何形式（管狀和板狀等）的邊界有關(guān)。交界面處空隙的增加與加入粗集料的表面積成比例關(guān)系［15］。干涉作用是指在無限大體積的粗集料中加入些許細(xì)集料，隨著細(xì)集料數(shù)量的增加，部分粗集料被迫分離，使其空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。部分被迫分離的粗集料間空隙增大，礦料空隙比相應(yīng)增加。邊界作用和干涉作用圖解如圖1、2和3［15］所示，圖3中F為細(xì)集料空隙比；C為粗集料空隙比；D為邊界作用系數(shù)。

圖1 邊界作用圖

圖2 干涉作用圖

圖3 邊界作用和干涉作用圖解圖

相鄰兩檔集料的平均粒徑比越大，邊界作用和干涉作用對礦料空隙比的影響越明顯。當(dāng)一種集料粒徑相對 于另一種 非常小 （d細(xì)集料／d粗集料≤0.008）時，在二元混合料中，通過三條直線來描述混合料空隙比的變化規(guī)律，定義臨界值Px和Pt來消除邊界作用和干涉作用對空隙比的影響［15］。點Pt處的粗集料比例使得相鄰兩檔集料間無干涉作用產(chǎn)生且混合料空隙比最小，即密實度達(dá)到最大值。對應(yīng)細(xì)集料含量由高到低的3條直線關(guān)系如圖4所示，其中E為常 數(shù) ［15］。

圖4 不同含量細(xì)集料的礦料空隙比變化圖

1.2 集料嵌擠優(yōu)化方法

由1.1所述可知，礦料骨架結(jié)構(gòu)的形成需消除干涉作用的影響。根據(jù)Furnas的研究成果，將礦料按粒料粒徑相對大小分為細(xì)集料、中集料和粗集料。其中，中集料與粗集料的粒徑比應(yīng)小于0.2（d中≤0.2d粗），細(xì)集料與中集料的粒徑比也應(yīng)小于0.2 （d細(xì)≤0.2d中），即相鄰兩檔集料的平均粒徑比不大于0.2。

根據(jù)所設(shè)計礦料最大公稱粒徑及其所含粒料種類（n），分n-1步對其進(jìn)行迭代優(yōu)化，每一步迭代優(yōu)化需6次旋轉(zhuǎn)壓實來確定最優(yōu)配比，每次壓實要用法式旋轉(zhuǎn)壓實儀分別對不加瀝青的粒料壓實20轉(zhuǎn)，確定其各自的空隙比。其中每一步都要對相應(yīng)集料組成的礦料做3次旋轉(zhuǎn)壓實試驗來確定如圖4所示的3條直線方程，3次壓實所取粗集料比例分別為0%、40%和100%。臨界值Pt處進(jìn)行1次旋轉(zhuǎn)壓實，Pt±3%處進(jìn)行2次旋轉(zhuǎn)壓實來對臨界值Pt進(jìn)行敏感性分析。假設(shè)存在3類集料，分別為粗集料、中集料和細(xì)集料，則概括集料嵌擠優(yōu)化的具體步驟如下:

（1）把中集料看作細(xì)集料，經(jīng)6次旋轉(zhuǎn)壓實確定臨界值Pt1，即中集料用量為1-Pt1，粗集料用量Pt1。

（2）把上一步確定的最佳用量比的中、粗集料看作粗集料，再經(jīng)6次旋轉(zhuǎn)壓實確定臨界值Pt2，最終確定細(xì)集料、中集料和粗集料的最佳配比。

2 骨架密實型瀝青混合料GB5-13級配優(yōu)化設(shè)計

2.1 集料篩分

試驗集料選用濟(jì)南黃河三橋施工現(xiàn)場玄武巖，各檔集料篩分結(jié)果見表1。

2.2 級配優(yōu)化過程

文章所述GB5-13瀝青混合料包含礦粉、0-1.18、0-5和10-15等4檔集料，由1.2所述礦料級配優(yōu)化方法可知，共需進(jìn)行3步級配優(yōu)化，每步優(yōu)化粗細(xì)集料的體積之和為單位1，采用美式旋轉(zhuǎn)壓實儀，垂直壓力600 kPa，有效內(nèi)旋轉(zhuǎn)角1.16°，旋轉(zhuǎn)速率30 r／min，壓實次數(shù)5 r／次。優(yōu)化過程如下:

第一步優(yōu)化中，10-15集料為粗集料，0-5集料為細(xì)集料，且d細(xì)集料／d粗集料＝0.1846＜0.2。按照文章1.2所述流程進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實，礦料空隙比分別由式（1）～（3）表示為

表1 各檔集料篩分結(jié)果

式中:ei為礦料空隙比，i＝1，2，3；p為粗集料比例。

由式（2）和（3），求得優(yōu)化后的Pt值為79%，優(yōu)化過程如圖5所示。

圖5 0-5和10-15兩檔集料優(yōu)化過程圖

在第一步優(yōu)化的基礎(chǔ)上，粗集料由79%的10 -15集料和21%的0-5集料組成，細(xì)集料為0-1.18，d細(xì)集料／d粗集料＝0.2394＞0.2，此時粗細(xì)集料間會產(chǎn)生一定程度的干涉作用，需對計算出的Pt值進(jìn)行優(yōu)化，驗證其敏感性。經(jīng)旋轉(zhuǎn)壓實礦料空隙比分別由式（4）～（6）表示為

由式（5）和（6）得到Pt為87.9%，在該值附近取不同p值進(jìn)行試驗，求取使得礦料空隙比達(dá)到最優(yōu)的點，最終取Pt＝83%，優(yōu)化過程如圖6所示。

經(jīng)過兩次優(yōu)化后，將65.6%的10-15集料和17.4%的0-5集料以及17%的0-1.18集料組成粗集 料，礦 粉為 細(xì) 集料，d細(xì)集料／d粗集料＝0.1572＜0.2，滿足要求。進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實試驗得到礦料空隙比由式（7）～（9）表示為

由式（8）和（9）得到Pt為90%，優(yōu)化過程如圖7所示。

圖6 0-1.18、0-5和10-15三檔集料優(yōu)化過程圖

圖7 礦粉、0-1.18、0-5和10-15四檔集料優(yōu)化過程圖

經(jīng)三步優(yōu)化后，確定GB5-13各檔料體積配比如下:

（1）10-15:79%×83%×90%＝59%

（2）0-5:21%×83%×90%＝15.7%

（3）0-1.18:17%×90%＝15.3%

（4）礦粉:1-90%＝10%

為避免填料過多引起瀝青混合料高溫穩(wěn)定性不足，保證混合料一定空隙率水平（不同于水泥混凝土），并結(jié)合拌合廠的實踐情況，將填料體積配比確定為5%［17］。各 檔集 料 體積 比 轉(zhuǎn) 化為 質(zhì) 量比 為10-15:0-5:0-1.18:礦粉 ＝62%:17%:16%: 5%。另外，按照馬歇爾級配中值逼近法確定SMA-13級配組成。木質(zhì)纖維用量均為0.3%。兩種礦料級配各檔集料通過百分率、物理指標(biāo)分別見表2、3，合成級配曲線如圖8所示。

表2 兩種瀝青混合料級配組成

表3 兩種瀝青混合料礦料物理指標(biāo)

圖8 兩種瀝青混合料的合成級配曲線圖

從表2、3和圖8可以看出，SMA-13以3-5為間斷檔，骨架結(jié)構(gòu)的形成依靠5-10和10-15兩檔集料，則5-10勢必會對10-15的組成結(jié)構(gòu)造成干涉。級配理論依據(jù)不同，GB5-13的間斷檔為5-10，骨架結(jié)構(gòu)的形成單靠10-15一檔料，其級配曲線上半部分稍低于規(guī)范下限，下半部分高于規(guī)范上限，粗中顯粗，細(xì)中偏細(xì)，成“S”型。

3 2種瀝青混合料性能對比分析

3.1 馬歇爾指標(biāo)分析

瀝青選用成品SBS改性瀝青，其技術(shù)參數(shù)見表4。按照J(rèn)TG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》［18］，用馬歇爾擊實儀雙面擊實50次成型試件。兩種瀝青混合料切面如圖9所示，測定其體積指標(biāo)見表5。

表4 瀝青技術(shù)參數(shù)

圖9 SMA-13（左）和GB5-13（右）切面圖

表5 兩種瀝青混合料的體積指標(biāo)

從表5可以看出，GB5-13瀝青用量比SMA-13減少10%，VMA水平低于SMA-13，瀝青飽和度略高?？傮w而言，GB5-13相對于SMA-13具有更高的密實度。

3.2 路用性能驗證

通過60℃車轍試驗、單軸貫入試驗、小梁彎曲試驗、浸水試驗和凍融劈裂試驗分別對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫性能和抗水損害性能進(jìn)行驗證［18-19］。試驗結(jié)果見表6。

由表6可知，基于新型骨架嵌擠原理的GB5-13瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和抗水損害性能均要優(yōu)于SMA-13，原因在于GB5-13要比SMA-13更加密實，前者礦料顆粒以10-15為主要骨架集料，摩阻力高。另外，前者其瀝青用量低。車轍試驗環(huán)境下，5-10料檔較10-15偏細(xì)，從車轍試驗和單軸貫入試驗結(jié)果來看，SMA-13動穩(wěn)定度對GB5-13的占比為79.5%，抗剪強(qiáng)度占比為79.6%，說明其高溫性能穩(wěn)定。另外，骨架密級配混合料GB5-13低溫抗裂性能稍遜于SMA-13，但遠(yuǎn)大于規(guī)范要求值。

表6 兩種瀝青混合料路用性能指標(biāo)

3.3 動態(tài)模量分析

通過單軸動態(tài)模量試驗分別測定5、20、35和50℃等4個溫度點下0.5、1、5、10及20 Hz等5個頻率的兩種瀝青混合料動態(tài)模量。利用時溫等效原理，以20℃為基準(zhǔn)溫度繪制2種瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線，如圖10所示。

圖10 兩種瀝青混合料動態(tài)模量主曲線圖

從圖10中可以看出，GB5-13高頻區(qū)動態(tài)模量高于SMA-13，低頻動態(tài)模量區(qū)兩者幾乎無差別。結(jié)合抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知，高抗剪強(qiáng)度的GB5-13瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性，SMA-13低溫性能優(yōu)良。另外，GB5-132的20℃、10 Hz動態(tài)模量為7518 MPa，較相同條件下SMA-13的動態(tài)模量5724 MPa高31%，說明在接近瀝青路面實際受力狀態(tài)的情況下，GB5-13更優(yōu)越一些。

3.4 疲勞性能驗證

采用控制應(yīng)變形式的四點彎曲疲勞試驗，試驗結(jié)果見表7。

表7 兩種瀝青混合料疲勞試驗結(jié)果

由表7可知，GB5-13初始勁度模量均高于SMA-13，應(yīng)變控制模式下，GB5-13要達(dá)到固定應(yīng)變水平，每次重復(fù)荷載作用于試件的所需應(yīng)力值就會增大，GB5-13就容易達(dá)到疲勞壽命值。另外，GB5-13瀝青用量水平較SMA-13低，也是導(dǎo)致其疲勞性能差的一個因素。

4 結(jié)論

通過上述研究表明:

（1）GB5礦料級配設(shè)計方法依靠單檔集料形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的礦料級配與SBS改性瀝青拌合而成的混合料GB5-13較SMA-13更加密實，瀝青用量降低10%。

（2）GB5-13和SMA-13兩種瀝青混合料均具有較好的水穩(wěn)定性，但GB5-13要比SMA-13好一些，主要由于前者的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，具有較好的內(nèi)摩阻力，且前者的初始空隙率比后者要小，瀝青混合料更加密實，瀝青膠漿填充效果好。級配優(yōu)化后的GB5-13瀝青混合料疲勞性能未得到提高。

（3）GB5-13和SMA-13高頻（低溫）動態(tài)模量有差別，GB5-13低溫破壞應(yīng)變水平和抗彎拉強(qiáng)度低于SMA-13，說明GB5-13低溫性能遜于SMA -13；低頻動態(tài)模量幾近相同，同時GB5-13抗剪強(qiáng)度和動穩(wěn)定度均高于SMA-13，說明GB5-13高溫穩(wěn)定性較好。

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（學(xué)科責(zé)編：趙成龍）

Gradation optim ized design and performance analysis of skeleton dense asphaltm ixture

Xu Long1，Bi Yufeng2，*，Yu Dahai1
（1.Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute，Jinan 250031，China；2.School of Transportation Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

It has certain reference value for the performance characteristics of GB5 asphaltmixture to research the applicability of France GB5 dense skeleton structure new asphaltmixture to China，which has some reference significance for the practical engineering application.This paper，based on France GB5 dense skeleton structure asphaltmixture and its design method，analyzed the characteristic of GB5 asphaltmixture，took a series of laboratory tests and designing gradation based on the theory of that，and made a comparative analysis of the pavement performance of GB5-13 which in terms of GB5 mineral aggregate gradation designmethod and SMA-13 that based on Marshall designmethod.Testing results show GB5 asphaltmixture has great compactnesswith 10%lower asphalt content than SMA-13.The new type of asphaltmixture has high moisture resistance due to lower initial porosity and higher inner friction，and with great stiffnessmodulus，the fatigue resistance of GB5-13 isworse than SMA-13's by controlling strain mode.The asphaltmixture with optimized gradation has great high temperature stability，but the low-temperature crack resistance of that is not improved.

asphaltmixture；dense skeleton；gradation design；GB5-13

U411

A

1673-7644（2017）03-0263-06

2017-05-17

徐龍（1990-），男，在讀碩士，主要從事瀝青與瀝青混合料等方面的研究.E-mail:sdxl005＠163.com

*：畢玉峰（1971-），男，研究員，博士，主要從事道路結(jié)構(gòu)及材料等方面的研究.E-mail:biyf＠163.com