大粒径嵌锁式沥青混合料级配设计方法
摘 要
针对现有大粒径沥青混合料设计方法中存在的问题，依据现有研究成果提出了一种适合最大粒径在25mm以上的大粒径嵌锁式沥青混合料级配设计方法。对关键控制筛孔的选择和矿料级配计算进行详细地论述，最后选取不同级配进行了混合料的高温稳定性、水稳定性和动态压缩模量试验。结果表明：ATSM的水稳定性与传统的密级配大粒径沥青混合料ATB系列材料持平，高温稳定性和动态压缩模量优于ATB混合料。
关键词
道路工程 | 大粒径沥青混合料 | 嵌锁式级配设计 | 性能试验
随着交通行业的发展，重载车辆数量明显增加，车辆渠化也日益严重，使传统的沥青混合料面临着严峻的考验，如何改善沥青混合料的路用性能已成为广大道路工作者的研究焦点[1]。现有的沥青混合料矿料级配类型中，根据骨架密实程度的不同，可分为密实悬浮型、骨架空隙型、骨架密实型3种典型结构，骨架密实型结构相较于其他两种矿料级配类型有着更好的路用性能和力学性能。其中，骨架密实型结构根据骨架的嵌挤程度又可分为紧密骨架密实、一般骨架密实和骨架悬浮型结构[2]。近年来的研究结果表明，增大集料粒径，并调整级配使其形成紧密骨架密实型即嵌锁结构，可以有效控制反射裂缝问题，提高道路抗车辙能力。
目前，境内外常用的大粒径骨架密实型沥青混合料的级配设计方法有：贝雷法、CAVF法和SAC设计方法[3，4]。贝雷法基于矿料的平面三圆，通过计算推导出3个参数控制关键筛孔的通过率，从而保证混合料形成骨架密实型结构，但贝雷法的参数设定存在问题，境内也有学者认为贝雷法只适用于检验级配，在设计级配上还存在问题[5]。CAVF法只能用来检验原材料矿料级配是否符合骨架密实型的粗、细集料比例，不能计算出具体每档的级配组成[6]；SAC矿料级配设计方法是由沙庆林提出的针对粗集料断级配的矿料级配设计方法，这种方法选取最大粒径、4.75mm和0.075mm3个筛孔作为控制筛孔，对级配进行分段，控制每个关键筛孔的通过率，依据Fuller公式进行计算，最终形成级配曲线[7]。SAC矿料级配设计方法很好地修正了前两种设计方法的缺点，但是该方法在设计大粒径沥青混凝土矿料级配时还存在几个值得商榷的问题：(1)当最大粒径大于20mm时，继续使用4.75mm和0.075mm筛孔作为关键筛孔是否合理；(2)粒径增大后关键筛孔的通过率如何确定没有明确。
本文针对现有大粒径沥青混合料设计方法中存在的问题，依据现有研究成果，提出了大粒径嵌锁式沥青混合料(后文简称ATSM)的级配设计方法，并对混合料进行了路用性能试验和力学性能试验，为ATSM的工程应用提供基础。
矿料级配设计
关键控制筛孔确定
在矿料级配设计方法中，多选用最大粒径筛孔、4.75mm和0.075mm这3个筛孔作为级配的控制筛孔，这3个筛孔将集料分为粗集料、细集料和填料，大量的研究也表明它们的通过率会影响混合料的性能。但这些关键筛孔选取时没有考虑级配的最大粒径的影响，粒径增大后，若还选取常规的3个筛孔则无法保证沥青混合料矿料级配稳定性，所以在ATSM级配设计中对于传统关键筛孔的选取进行了调整，关键控制筛孔见表1。
ATSM在级配设计中考虑6个关键筛孔，关键筛孔1和6为最大粒径和最小粒径所对应的筛孔，他们的通过率会影响沥青混合料的各项性能，所以要对其通过率进行控制。关键筛孔2为Dmax/2，它的通过率会对级配中的CA比(见公式(1))产生影响，而CA比会直接影响到混合料的骨架密实结构，所以在级配设计时我们要选取其为关键筛孔进行控制。关键筛孔3~5是通过贝雷级配设计方法中对平面三圆模型推导得到的下级粒径填充的关键筛孔系数0.22确定的，即D3＝0.22Dmax、D4＝0.22D3、D5＝0.22D4，这3个筛孔的通过率决定嵌锁结构的形成，是最为重要的3个控制筛孔。这样的关键筛孔划分能够更加精确地控制级配曲线，最大粒径增大后也不会出现由于某段曲线控制点少导致混合料无法达到嵌锁的问题。
矿料级配计算
大粒径嵌锁式沥青混合料(ATSM)的矿料级配分为3部分：粗集料、细集料、填料。粗细集料的划分选用集料最大粒径的0.22倍对应的筛孔进行划分，即表1中的第三关键筛孔。Dmax~第三关键筛孔为粗集料，第三关键筛孔~0.075mm为细集料，小于0.075mm为填料。矿料级配也按照粗集料和细集料两部分进行设计计算，计算过程中选择相邻的两个关键筛孔作为控制点，将级配曲线分为5段，通过不同筛孔的通过率计算级配曲线，再将曲线连接组成最终级配曲线。本文在设计过程中对6个关键筛孔的通过率进行了规定，见表2。
根据最新的研究结果，要形成紧密骨架密实型结构，需要粗集料含量在65%~75%，即第三关键筛孔的通过率为25%~35%；最大粒径筛孔通过率过大会导致离析，在级配设计时要规定其通过率在90%~100%之间[8]；0.075筛孔是控制矿粉比例的关键，所以要对它的通过率进行控制，一些对骨架密实型结构的研究表明，0.075筛孔的通过率在6%~10%之间可以保证骨架结构的密实。在贝雷级配设计方法中，提出了CA比、FAc比和FAf比这3个概念，计算公式如下：
这3个比值是控制级配骨架密实型结构的指标，最新的研究对比值进行了修正，认为连续型级配混合料，合理的3个参数范围为：CA值0.45~0.85; FAc值0.40~0.55；FAf值0.40~0.55[9]。通过CA、FAc、FAf值进行反算，可得到关键筛孔2、4、6的通过率上限、下限，计算结果列于表2。采用表2的结果对粗细集料级配曲线的计算进行控制。
(1)粗集料级配计算
粗集料计算的基本公式：
确定矿料级配的标称最大粒径后，根据设定的第一、第二、第三控制筛孔可将粗集料分为两段，根据设定的关键筛孔的通过量，可通过式(4)计算出相应的粗集料级配。计算结果列于表3中。
(2)细集料级配计算
细集料也同样采取分段计算的方式，计算的基本公式也和粗集料的计算公式(4)相同，只是将Dmax换为表1中的第三关键筛孔粒径，细集料级配曲线分为3段计算。计算结果列于表4中。
ATSM性能研究
为对大粒径嵌锁式沥青混合料(ATSM)的性能进行研究，本文进行了6组级配的配合比设计。除ATSM-25、ATSM-30、ATSM-40外，还选取了传统密级配沥青碎石ATB-25、ATB-30、ATB-40作为对照组。最终的合成级配及最佳油石比见表5。
选用表5中的级配及最佳油石比Pa成型试件，进行高温稳定性、水稳定性和动态压缩模量的研究。
高温稳定性
本文采用车辙试验验证ATSM的高温稳定性，车辙试验的最大特点是能够充分模拟沥青路面上车轮行驶的实际情况，在用于试验研究时，可以改变温度、荷载、试件厚度、尺寸和成型条件等因素，以较好地模拟路面的实际情况，试验结果可用于建立经验公式预估沥青路面的车辙深度，或用于检测沥青混合料的抗车辙能力。试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)中的要求进行试验，为排除误差，每组级配类型成型6个试件，最终取平均值作为试验结果，见图1。
由图1可知：试验结果均能满足我国夏炎热区的高温性能的要求值。当最大粒径相同时，ATSM系列的动稳定度高于ATB系列。结果表明，与传统的ATB系列沥青稳定碎石相比，ATSM具有更好的高温稳定性。随着矿料级配中的最大粒径增大，动稳定度也相应增加。试验结果表明，随着沥青混合料粒径的增大，高温稳定性呈现增加的趋势。
水稳定性
采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验综合评价ATSM的水稳定性，同样选择ATB系列作为对照，试验结果见图2。
由图2可见，6种混合料的水稳定性都可以满足规范中对于马歇尔残留稳定度(MS0)和冻融劈裂比(TSR)的要求。且ATSM的马歇尔残留稳定度和冻融劈裂比均略大于相同最大粒径的ATB沥青混合料。由此可知，ATSM的水稳定性要略优于传统的ATB系列沥青混合料。
动态压缩模量试验
动态压缩模量是《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中对于沥青混合料强度的评价指标。动态模量越高，说明混合料具有更好的力学性能。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)中的要求成型试件，成型后将试件放入规定试验温度(20℃±0.5℃)范围内的温度箱保持4~5ｈ，选择频率为5Hz进行动态压缩模量试验。为减小误差，每种类型级配进行6组试验，取平均值作为最终结果，试验结果见图3。
由图3可知，ATSM的动态压缩模量试验结果满足规范中的要求，且明显高于最大粒径相同的ATB类混合料，证明ATSM具有良好的力学性能。同时，随着最大粒径的增加，动态压缩模量呈现增加的规律，这种规律表明，随着粒径的增大，沥青混合料具有更好的力学性能。
结语
本文针对现有大粒径沥青混合料级配设计方法的不足，提出了大粒径嵌锁式沥青混合料的级配设计方法。设计方法中选用6个关键筛孔控制级配曲线，并提出了6个关键筛孔的通过率上下限，通过计算公式分段计算后再将各段曲线拟合。本文还选择密集配大粒径沥青混合料ATB系列为对照组，对设计的级配曲线进行了配合比设计，并对其高温稳定性、水稳定性和动态压缩模量进行了验证。结果表明，ATSM的各项性能均能满足规范中的要求，水稳定性与传统的密级配大粒径沥青混合料ATB系列材料持平，高温稳定性和动态压缩模量优于ATB混合料。