黃吉國(guó) 黃蛟

摘要：為尋求AC型瀝青混凝土路面高溫抗車轍能力不足問(wèn)題的解決辦法，文章通過(guò)分析S型級(jí)配曲線特征，提出用S型級(jí)配曲線改造AC型結(jié)構(gòu)方法，并依托具體工程實(shí)踐開(kāi)展了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析與示范工程實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的瀝青混凝土路面具有強(qiáng)度高、抗車轍能力強(qiáng)、施工方便和性價(jià)比高等特點(diǎn)，為重載交通路面設(shè)計(jì)提供了一種新的思路與方法。

關(guān)鍵詞：S型級(jí)配曲線;特征;AC型瀝青混凝土;配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U412 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.017

文章編號(hào)：1673-4874（2019）09-0057-04

0引言

瀝青混凝土路面早期病害主要有車轍變形、松散脫落、開(kāi)裂脆斷和面層推移等形式，內(nèi)因主要是與材料的選用和配比有關(guān)。目前國(guó)內(nèi)瀝青混凝土設(shè)計(jì)主要有Marshall法、Superpave法、GTM法和貝雷法等，但集料級(jí)配均采用最大密實(shí)度法或Superpave設(shè)計(jì)方法。最大密實(shí)度法設(shè)計(jì)的級(jí)配曲線以接近最大密實(shí)度線（直線）或規(guī)范中值為最優(yōu)，Su-perpave設(shè)計(jì)方法由于有“控制點(diǎn)”和“禁區(qū)”規(guī)定，因此形成的級(jí)配曲線呈“S”形。

王清洲等通過(guò)對(duì)4種不同典型級(jí)配曲線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得出重交通路面級(jí)配宜從禁區(qū)下方通過(guò)的結(jié)論.韓旭鵬通過(guò)對(duì)“S”型級(jí)配、中值級(jí)配、關(guān)鍵篩孔偏粗級(jí)配、關(guān)鍵篩孔偏細(xì)級(jí)配等6種不同級(jí)配進(jìn)行空隙率、穩(wěn)定度、車轍關(guān)鍵性指標(biāo)試驗(yàn)，得出“S”型級(jí)配曲線綜合指標(biāo)優(yōu)于其它級(jí)配曲線的結(jié)論。石豐功等分別對(duì)兩種瀝青混合料進(jìn)行了3種級(jí)配曲線性能試驗(yàn)，得出級(jí)配曲線通過(guò)“禁區(qū)”下方時(shí)具有瀝青用量少和高溫抗車轍變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)的結(jié)論。官本輝等通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)“S”型級(jí)配混合料能夠獲得足夠密實(shí)度和較好的施工和易性。何艷等研究也指出，當(dāng)級(jí)配曲線從禁區(qū)下方通過(guò)時(shí)，混合料具有較好的高溫性能、抗疲勞性能及抗滑性能。由此可見(jiàn)，“S”型級(jí)配優(yōu)于其它型級(jí)配是行業(yè)的普遍共識(shí)和一致觀點(diǎn)，但Superpave設(shè)計(jì)法由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜、技術(shù)要求高，很難在一般實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展，特別在工地實(shí)驗(yàn)室?guī)缀鯚o(wú)條件進(jìn)行。因此，本文基于具體工程需要，提出了用Superpave礦料級(jí)配理論對(duì)AC型瀝青混合料進(jìn)行優(yōu)化的思路，成功設(shè)計(jì)了抗車轍性能較強(qiáng)的“S”型混合料。

文章基于國(guó)內(nèi)外“S”型級(jí)配曲線大量研究與工程實(shí)踐，全面分析了“S”型級(jí)配曲線特征、性質(zhì)和實(shí)現(xiàn)方法，并用“S”型級(jí)配理論對(duì)AC型瀝青混凝土進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的Sup-13路用性能進(jìn)行檢驗(yàn)和具體工程實(shí)踐應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)其在高溫抗車轍變形能力和抗壓強(qiáng)度得到很大提高的同時(shí)，水穩(wěn)定性等方面也能滿足規(guī)范要求，同時(shí)具有不增加工程成本、施工無(wú)特殊要求等特點(diǎn)，因而非常適合在重載交通路面工程中推廣使用。

1S型級(jí)配曲線特征

1.1 基于Superpave設(shè)計(jì)法的S型級(jí)配曲線

Superpave級(jí)配設(shè)計(jì)主要根據(jù)泰波（Tabol）理論，把0.45次方作為級(jí)配組成的最大密實(shí)度線，同時(shí)對(duì)礦料級(jí)配提出“控制點(diǎn)”（見(jiàn)表1）和“禁區(qū)”（見(jiàn)表2）規(guī)定。設(shè)計(jì)級(jí)配曲線要求避開(kāi)禁止區(qū)域，只能從“禁區(qū)”下方或上方通過(guò)，而且還必須通過(guò)關(guān)鍵粒徑“控制點(diǎn)”，級(jí)配范圍限制性增強(qiáng)。設(shè)置“禁區(qū)”的目的是為了控制0.3-2.36mm（公稱粒徑在25mm以上時(shí)增加到4.75mm）細(xì)砂（集料）含量，防止級(jí)配曲線在0.6mm處產(chǎn)生駝峰，同時(shí)還避免級(jí)配曲線在此區(qū)域靠近最大密實(shí)度線引起的間隙率（VMA）不足問(wèn)題，從而確保設(shè)計(jì)出的AC能夠被壓實(shí)和有足夠的高溫穩(wěn)定性?！翱刂泣c(diǎn)”則是保證0.075mm、2.36mm、最大公稱粒徑和最大粒徑等關(guān)鍵篩孔集料通過(guò)率，目的是保證其顆粒能夠形成嵌鎖密實(shí)型結(jié)構(gòu).

通過(guò)分析表1和表2，發(fā)現(xiàn)集料同時(shí)滿足“控制區(qū)”和“禁區(qū)”要求的級(jí)配曲線呈“S”形狀。級(jí)配曲線從禁區(qū)上方通過(guò)時(shí)，形成“反S曲線”，這時(shí)的細(xì)集料含量更高，瀝青混合料更密實(shí)，類似于按馬歇爾（Mar-shall）法設(shè)計(jì)的懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)，其抗水損害、疲勞特性與耐久性均較強(qiáng)，但高溫抗車轍性能較差，一般只適應(yīng)于中低荷載或者中等交通量道路。級(jí)配曲線從禁區(qū)下方通過(guò)時(shí)，形成“正S曲線”（簡(jiǎn)稱S曲線，如圖1所示），這時(shí)細(xì)集料含量減少，級(jí)配顆粒偏粗，形成嵌鎖密實(shí)型結(jié)構(gòu)，具有很好的高溫抗車轍能力，能夠承受重載和大交通，因此成為很多學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)推薦的級(jí)配曲線。

1.2 S型級(jí)配與其它型級(jí)配的主要區(qū)別

通過(guò)對(duì)S型級(jí)配分析，發(fā)現(xiàn)S型級(jí)配曲線在兩端（對(duì)應(yīng)粗細(xì)集料含量）遠(yuǎn)離最大密實(shí)度線，這樣的級(jí)配組成導(dǎo)致集料中偏粗粒料用量較多，偏細(xì)粒料用量較少。其它型級(jí)配一般根據(jù)規(guī)范給出的級(jí)配范圍通過(guò)試算確定粗細(xì)集料比例，級(jí)配曲線以接近最大密實(shí)度線或規(guī)范中值為最優(yōu)，這是兩者最大和最本質(zhì)的區(qū)別。當(dāng)然，按不同級(jí)配曲線設(shè)計(jì)的瀝青混凝土各種物理力學(xué)性能自然也不相同，其表現(xiàn)出來(lái)的路用性能差別還很大。

1.3S型級(jí)配曲線特征

通過(guò)對(duì)S型級(jí)配曲線進(jìn)行分析和大量應(yīng)用實(shí)踐研究，發(fā)現(xiàn)其有以下顯著特征：

（1）按S型級(jí)配曲線設(shè)計(jì)的瀝青混凝土屬于嵌鎖密實(shí)型結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度除來(lái)源于瀝青膠結(jié)料與礦料間粘聚力外，還來(lái)源于粗集料間的嵌鎖摩阻力，因此比懸浮密實(shí)型瀝青混凝土具有更高的強(qiáng)度和抗變形能力。

（2）S型級(jí)配粗集料含量較多，細(xì)集料含量較少，但仍然屬于連續(xù)級(jí)配范疇。通過(guò)調(diào)整AC型瀝青混合料粗細(xì)集料比例，也能在規(guī)范允許的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)S型級(jí)配目標(biāo)。

（3）按S型級(jí)配曲線設(shè)計(jì)的礦質(zhì)混合料由于減少了細(xì)集料的使用，因此對(duì)油石比并不敏感，但在4%目標(biāo)空隙率控制下的油石比較懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)的更低。

（4）S型級(jí)配嵌鎖型結(jié)構(gòu)由于使用了較多粗集料，因此對(duì)溫度表現(xiàn)不敏感，其高溫穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高，抗車轍性能優(yōu)良。但由于同時(shí)減少了細(xì)集料使用量，其密實(shí)程度會(huì)受影響，因此耐久性和抗水損害能力不及其他型級(jí)配，不過(guò)仍能滿足規(guī)范要求。

綜上所述，按S型級(jí)配曲線設(shè)計(jì)的瀝青混合料具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能，特別是在防治重載交通路面車轍等早期破壞方面有著非常出色的表現(xiàn)。

2AC型瀝青混凝土按S型級(jí)配的優(yōu)化設(shè)計(jì)

文章以貴州$207線道真大阡至石人公路改擴(kuò)建工程瀝青路面優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，研究了AC型瀝青混凝土按S型級(jí)配曲線設(shè)計(jì)的方法與路用性能檢驗(yàn)。

該項(xiàng)目為二級(jí)公路改造工程，路線全長(zhǎng)28.58km，路基寬8.5m，設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)，路面結(jié)構(gòu)為15cm級(jí)配碎石底基層+33cm水泥穩(wěn)定碎石基層+5cmAC-16中粒式瀝青混凝土下面層+4cmAC-13細(xì)粒式瀝青混凝土上面層。實(shí)施過(guò)程中，考慮該段公路為重要出省通道，長(zhǎng)大縱坡、高溫潮濕和重載交通特征明顯，遂將AC-13上面層按S型級(jí)配曲線優(yōu)化為Sup-13。

2.1集料優(yōu)化

施工單位原準(zhǔn)備的AC-13上面層0-8mm和8-16mm兩檔集料因不滿足施工技術(shù)規(guī)范要求，業(yè)主決定將料場(chǎng)搖擺篩篩網(wǎng)調(diào)整為7×7mm、13×13mm和16×16mm，鐵拓1000型拌合樓篩網(wǎng)尺寸調(diào)整為4×4mm、6×6mm、11×11mm和9×19mm。這樣集料經(jīng)拌合樓篩分后形成了0-3mm、3-5mm、5-10mm和10-15mm四檔熱料倉(cāng)集料，如此便能得到2.36mm這一關(guān)鍵篩孔，從而有利于混合料的級(jí)配控制.填料采用普通硅酸鹽水泥代替。

2.2 混合料配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1原材料實(shí)驗(yàn)

料場(chǎng)及拌合樓篩網(wǎng)重新調(diào)整后，對(duì)各檔熱料及瀝青進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3-4所示。

2.2.2 原材料篩分結(jié)果（見(jiàn)表5）

AC-13按Superpave進(jìn)行優(yōu)化后的Sup-13瀝青混合料級(jí)配控制點(diǎn)和禁區(qū)可參照表1-2最接近的最大公稱尺寸12.5mm篩孔規(guī)定執(zhí)行，也可以采用內(nèi)插方式確定13.2mm最大公稱尺寸控制點(diǎn)和禁區(qū)范圍。

2.2.3 AC型瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化

AC型瀝青混合料按S型級(jí)配優(yōu)化時(shí)，一般在控制點(diǎn)范圍內(nèi)調(diào)試選出粗、中、細(xì)三個(gè)級(jí)配，然后根據(jù)集料的性質(zhì)（密度和吸水率）計(jì)算出三個(gè)級(jí)配的初始瀝青用量，并用初始瀝青用量成型試件進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出三個(gè)級(jí)配瀝青混合料的空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、瀝青飽和度（VFA）等體積性質(zhì)，最后依據(jù)技術(shù)要求選定最優(yōu)配合比。

按以上方法，本示范路Sup-13最終生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果為：4#：3#：2#：1#：礦粉=30：29：10：30：1。礦料合成級(jí)配篩分結(jié)果見(jiàn)表6，S型級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

2.3最佳油石比確定

根據(jù)規(guī)范和類似工程經(jīng)驗(yàn)，選擇4.7%、5.0%和5.3%三個(gè)油石比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最后確定Sup-13最佳油石比為5.0%（見(jiàn)下頁(yè)表7）。按照Sup-13設(shè)計(jì)的合成級(jí)配與最佳油石比制作試件進(jìn)行馬歇爾實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表8。

3Sup-13路用性能檢驗(yàn)與工程實(shí)踐結(jié)果

基于S型級(jí)配優(yōu)化的Sup-13粗集料偏多，細(xì)集料偏少，較AC型瀝青混凝土屬于偏粗型結(jié)構(gòu)，因此示范工程對(duì)其抗水損害能力與高溫穩(wěn)定性進(jìn)行了檢驗(yàn)，如表9-11所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，優(yōu)化后的瀝青混凝土Sup-13均滿足技術(shù)規(guī)范要求。示范路建成后，通過(guò)兩年多的跟蹤觀察，目前路面平整密實(shí)，無(wú)任何病害，說(shuō)明優(yōu)化結(jié)果是可行和成功的.

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)S型級(jí)配曲線的分析和在具體工程中的應(yīng)用研究，可以得出以下基本結(jié)論：

（1）按S型級(jí)配曲線設(shè)計(jì)的瀝青混凝土較按最大密實(shí)度理論設(shè)計(jì)的結(jié)果更具優(yōu)良表現(xiàn)，其高溫抗車轍變形能力強(qiáng)，彈性模量高，非常適合山區(qū)重載大交通路面使用。

（2）S型級(jí)配曲線可按Superpave設(shè)計(jì)方法獲得，也可通過(guò)優(yōu)化調(diào)整AC粗細(xì)集料比例，在技術(shù)規(guī)范確定的級(jí)配范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

（3）S型級(jí)配屬于偏粗嵌鎖密實(shí)型結(jié)構(gòu)，由于減少了礦質(zhì)細(xì)集料與瀝青膠結(jié)料的使用，在路面全壽命周期內(nèi)都能確保具有最低4%的空隙率，因此其在抗滑、排水、減少行車水霧和吸音降噪等路面使用品質(zhì)方面表現(xiàn)更加突出。

（4）用S型級(jí)配曲線對(duì)傳統(tǒng)AC型瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化是可行的，形成的結(jié)構(gòu)具有良好的路用性能，且建設(shè)成本和施工方法幾乎沒(méi)有變化，因此性價(jià)比高，是值得大力推廣和廣泛運(yùn)用的一種新型實(shí)用技術(shù)。