大粒徑骨架密實型瀝青穩(wěn)定碎石ATSM-40級配設(shè)計

李遂生，索智，劉文娟，張瑞，張乾，羅亮，閆強, 譚祎天

（1.鄭州市公路管理局，河南 鄭州，450052；2.北京建筑大學(xué)，北京，100044；3.河南乾坤路橋工程有限公司，河南 新鄉(xiāng)，453300）

一、研究背景

自20世紀(jì)60年代至今，我國道路基層多選用半剛性道路結(jié)構(gòu)，由于這種結(jié)構(gòu)具有整體強度高、施工質(zhì)量好控制等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。但隨著近年來經(jīng)濟的發(fā)展，車輛荷載和胎壓也在逐漸地增加，路面結(jié)構(gòu)在使用期間要承受車輪荷載的反復(fù)作用，這種情況下，剛性基層材料極易產(chǎn)生微裂紋，當(dāng)荷載重復(fù)作用一定次數(shù)以后，所產(chǎn)生的應(yīng)力就會超過路面結(jié)構(gòu)抗力，從而出現(xiàn)疲勞斷裂破壞，導(dǎo)致道路病害。

現(xiàn)有研究成果表明：隨著粒徑的增大，大粒徑骨架密實型瀝青混合料可以通過主骨架的充分嵌擠形成骨架結(jié)構(gòu)并提供良好的內(nèi)摩阻力，礦粉與瀝青形成的膠漿提供黏聚力，具有很好的路用性能和疲勞性能。因此，本文就大粒徑骨架密實型瀝青穩(wěn)定碎石基層材料(ATSM-40)的級配設(shè)計方法進行了詳細敘述。

二、級配設(shè)計原理

由瀝青混合料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中嵌擠成分以及密實成分所占的比例不同，可將瀝青混合料分為密實懸浮型、骨架空隙型、骨架密實型三種典型結(jié)構(gòu)。其中，密實懸浮結(jié)構(gòu)和骨架空隙結(jié)構(gòu)的瀝青混合料都存在缺陷，但骨架密實結(jié)構(gòu)的瀝青混合料，其級配綜合了其他兩種類型的組合結(jié)構(gòu)，較好地避免了結(jié)構(gòu)上的不足。本文提出了ATSM-40瀝青混合料級配設(shè)計方法，基于平面三圓理論，通過分析對比AC系列與SMA系列得到關(guān)鍵篩孔的變化規(guī)律，從而得到ATSM-40級配。

（一）貝雷法的基本原理

貝雷法不再使用傳統(tǒng)級配設(shè)計方法所定義的粗細集料，而是通過嵌擠和填充這兩個新的理念對集料進行粗細劃分。貝雷法中粗集料被定義為在單位體積中可以產(chǎn)生空隙的大顆粒集料，細集料被定義為可以填充粗集料所產(chǎn)生空隙的集料。因此，粗細集料的劃分是根據(jù)瀝青混合料最大公稱粒徑的不同而有所變化的。貝雷法將集料分成三部分：粗集料、細集料中的粗集料、細集料中的細集料，由此提出三個關(guān)鍵篩孔PCS、SCS、TCS，通過控制三個關(guān)鍵篩孔通過率的比值來確定集料間是否形成嵌擠結(jié)構(gòu)。

貝雷法首先將集料簡化為兩種平面模型圓形和片狀，并利用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出三圓模型、兩圓一片狀模型、一圓兩片狀模型和三片狀模型集料所嵌擠形成的空隙大小與最大公稱粒徑的關(guān)系，取四種情況的平均值得到關(guān)鍵篩孔是最大公稱粒徑的0.22倍。

貝雷法將細集料部分看作新的混合料，將其重新分為粗、細兩類，第二關(guān)鍵篩孔SCS作為其分界點，SCS為PCS的0.22倍。將其中的細集料再進行細化，用第三關(guān)鍵篩孔TCS進行控制，TCS為SCS的0.22倍。

（二）關(guān)鍵參數(shù)定義

貝雷法引入三個參數(shù)CA比、FAC比、FAf比。其中，CA比用來評價瀝青混合料的空隙率以及粗集料含量。CA比反映了瀝青混合料中的大粒徑集料與D/2第一關(guān)鍵篩孔集料的關(guān)系，因此CA比的大小對混合料的路用性能以及壓實效果有著很大的影響。其計算公式如下：

控制CA比小于1。若CA比大于1，則粗集料無法形成嵌擠結(jié)構(gòu)，若CA比太小，則會使瀝青混合料發(fā)生離析。一般將CA比控制在0.4～0.8之間，可以保證瀝青混合料是骨架密實結(jié)構(gòu)。

FAC比是反應(yīng)細集料中粗料部分的嵌擠情況和細料部分的填充情況的參數(shù)。一般將FAC比控制在0.35～0.5之間。FAC比的計算公式如下：

FAf比是反應(yīng)細集料中細料的嵌擠情況的參數(shù)。FAf比和FAC比都是控制瀝青混合料體積特性的參數(shù)，對于密級配的瀝青混合料來說，一般應(yīng)控制FAf比小于0.5，F(xiàn)Af比的計算公式如下：

三、配合比設(shè)計

（一）原材料性能

1、瀝青結(jié)合料

本次研究中，選用了70號基質(zhì)瀝青作為瀝青混合料的膠結(jié)材料，并采用相關(guān)實驗來測定70號基質(zhì)瀝青的針入度、延度、軟化點以及質(zhì)量變化，其相關(guān)指標(biāo)如表1所示。各項指標(biāo)均符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)要求。

表1.SK70#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

2、集料

本次實驗采用的集料為河南省信陽出產(chǎn)的石灰?guī)r，各項指標(biāo)均符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)要求。

（二）ATSM-40配合比設(shè)計

本文通過對比密級配骨架懸浮型的瀝青混合料AC以及密級配骨架密實型的瀝青混合料SMA的各檔集料的級配中值，分析瀝青混合料從骨架懸浮型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變到骨架密實型結(jié)構(gòu)過程中，其中值的上升或下降的百分比，初步得出密級配骨架密實型瀝青穩(wěn)定碎石ATSM的設(shè)計級配，再利用貝雷法的計算公式來驗證ATSM的級配，并且對關(guān)鍵篩孔的比例進行修改，使其滿足貝雷法的要求。

1、關(guān)鍵篩孔分析及規(guī)律變化探究

首先分析密級配瀝青混合料AC以及瀝青瑪蹄脂SMA的級配中值，AC-13和SMA-13關(guān)鍵篩孔分別為2.36mm、0.6mm和0.15mm。計算其級配中值的變化規(guī)律，結(jié)果如表2所示。

表2.AC-13與SMA-13級配中值變化

AC-13由密實懸浮型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變到骨架密實型結(jié)構(gòu)時，PCS下降47%，SCS下降15%，TCS上升15%。

再次對比密級配瀝青混合料AC以及瀝青瑪蹄脂SMA系列的級配中值，其中AC-16和SMA-16關(guān)鍵篩孔為4.75mm、0.6mm和0.15mm。計算其級配中值的變化規(guī)律，結(jié)果如表3所示。

表3.AC-16與SMA-16級配中值變化

瀝青混合料由密實懸浮型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變到骨架密實型結(jié)構(gòu)時，PCS下降41%，SCS下降18%，TCS上升11%。

2、ATSM-40級配曲線設(shè)計

根據(jù)公式（1）（2）（3），可計算出ATSM-40的三個關(guān)鍵篩孔為9.5mm、2.36mm和0.3mm，取上表關(guān)鍵篩孔變化的平均值作為依據(jù)來調(diào)整現(xiàn)有ATB-40的級配中值。9.5mm篩孔通過率下降15.3%，2.36mm篩孔通過率下降42.3%，0.3mm篩孔通過率變化值過小，因此該篩孔通過率無變化，其余篩孔變化取平均值，進行相應(yīng)的調(diào)整，從而得到ATSM-40的初步級配中值。

表4.ATB-40與ATSM-40級配中值

通過公式（4）（5）（6）計算貝雷法的三個參數(shù)，得到0.4＜CA=0.6＜0.8、0.35＜FAC=0.39＜0.5、FAf=0.88＞0.5，說明粗集料已形成嵌擠結(jié)構(gòu)，但是FAf比值過大導(dǎo)致最細一檔集料未形成嵌擠結(jié)構(gòu)。對上表的ATSM-40級配進行調(diào)整，并且加入各檔合成集料的篩分數(shù)據(jù)，得到表5的有關(guān)數(shù)據(jù)。

表5.ATSM-40級配設(shè)計表

通過計算得到0.4＜C A=0.4 6＜0.8、0.35＜FAC=0.47＜0.5、FAf=0.43＜0.5，三個關(guān)鍵參數(shù)均合格，說明ATSM-40的級配中粗集料嵌擠，細集料填充空隙，因此級配設(shè)計合格，滿足貝雷法的要求。

（三）確定最佳瀝青用量

本文根據(jù)試驗規(guī)范要求，對瀝青混合料進行配合比設(shè)計，因ATB-40的經(jīng)驗油石比為3%左右，故以2%、2.5%、3%、3.5%和4%五種油石比分別與上述配合比例的合成集料形成ATSM-40大馬歇爾試件。然后，測得大馬歇爾體積參數(shù)、穩(wěn)定度和流值，再通過《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTGE20-2011）中相關(guān)方法最終確定的最佳油石比為3.2%。