ATB -25沥青混合料级配优化

钟梦武;蒋功雪;孙超林;朱沅峰;罗志高;袁海雅;吴开

【摘 要】Base on the theory of filling aggregate mixture,this paper gives a reasonable gradation range of ATB-25 mixture used in lower layer below the highway which is in high temperature, rainy and high traffic by means of theoretical calculations, and optimizes the gradation according to production practice. Comparing to the specification of the gradation range,the differences between the optimized ATB-25 mixture gradation are that the lower limit of aggregate gradation appropriately increase the fine aggregate ratio, ensuring the density of ATB-25 mixture. While the upper limit of aggregate gradation substantially reduce the proportion of fine aggregate, making the ATB-25 mixture always at the skeleton dense structure and improving ATB-25 mixture's performance of resisting rutting in high temperature. Meanwhile, the skeleton dense structure theory and experimental verification of ATB-25 aggregate gradation shows that considering the deviation of the normal construction, the optimized gradation range is always in the skeleton dense structure, whose high temperature stability and water stability properties can be guaranteed. Therefore, it can be used in lower layer below the highway which is in high temperature, rainy and high traffic.%以混合料骨料填充理论为基础,运用理论计算的手段给出了高温多雨大交通量高速公路沥青路面下面层用ATB- 25的合理级配范围,并且根据生产实践对级配进行了优化.与规范规定的级配范围相比,优化后的ATB- 25混合料级配范围,适当提高了级配下限的细集料比例,保证了ATB- 25混合

料的密实性;且大幅度减少了级配上限细集料比例,使ATB-25混合料始终处骨架密实结构,提高了ATB - 25混合料的高温抗车辙性能.同时,ATB- 25矿料级配骨架密实结构理论分析与试验验证表明,考虑正常的施工偏差,优化后的级配范围始终处于骨架密实结构,高温稳定性和水稳性能可以得到保证,可以应用在我国高温多雨大交通量高速公路的下面层中. 【期刊名称】《公路工程》 【年(卷),期】2011(036)006 【总页数】6页(P1-5,21)

【关键词】道路工程;ATB-25混合料;级配优化;骨架密实结构 【作 者】钟梦武;蒋功雪;孙超林;朱沅峰;罗志高;袁海雅;吴开

【作者单位】湖南省交通科学研究院,湖南长沙410015;湖南省长湘高速公路建设开发有限公司,湖南长沙410219;湖南省长湘高速公路建设开发有限公司,湖南长沙410219;湖南省交通科学研究院,湖南长沙410015;湖南省长湘高速公路建设开发有限公司,湖南长沙410219;湖南省长湘高速公路建设开发有限公司,湖南长沙410219;湖南省交通科学研究院,湖南长沙410015 【正文语种】中 文 【中图分类】U416.217 0 前言

沥青混合料是由沥青结合料粘结矿料组成的，其高温稳定性的形成机理也来源于沥青结合料的高温粘结性和矿料级配的嵌挤作用。但是在高温状态下，即使采用了经

过改性的高粘度沥青结合料，仅仅依靠沥青是无法承受重载车辆荷载的强大水平推挤力和水平剪切作用的。在这种情况下，由粗、细集料和矿粉组成的矿料级配起到了重要作用。有研究表明，沥青混合料的高温抗车辙能力有60%依赖于矿料级配的嵌挤作用，沥青结合料的粘结性能只能有40%的贡献［1］。实践经验与理论分析表明，当ATB—25用做高温多雨大交通量高速公路沥青路面的下面层时，不仅应密水，而且应具有良好的高温稳定性。而我国现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)［2］中推荐的 ATB—25 级配范围，实践证明却并不理想，难以确保上述性能，主要原因有以下几个方面:

①规范推荐级配范围太宽，4.75 mm与2.36 mm筛孔通过率的上、下限差值超过了12%(现行规范要求控制在12%以内)，分别达到了20%和17%。

②当实际级配靠近低限时，难以保证ATB的密实性，空隙率会比较大，在多雨地区容易导致水损害。

③ 当ATB—25取代通常用的AC—25，作为沥青路面下面层使用时，在实际级配靠近规范上限时，将成为一种悬浮式密实结构，在高温地区的大交通量高速公路上，将影响其抗车辙的能力。

鉴于上述情况，本文在现有规范级配的基础上，通过试验与理论分析，对用于下面层的ATB—25级配开展优化技术研究，提出适合于高温多雨大交通量高速公路的级配范围。 1 级配优化技术思路

首先提出的混合料级配要满足使用环境条件对沥青混合料基本性能的要求。本文主要针对用于高温多雨、大交通量高速公路下面层的ATB—25级配范围进行优化。以往道路工作者认为，下面层在高温季节由于层位较低，温度相对较低，且混合料粒径相对较粗，不是产生车辙的主要层次。但是调查分析表明，在超载、重载现象非常严重的我国高速公路上，特别是在南方高温多雨地区，下面层的车辙也是不容

忽视的。因此，沥青混合料的基本性能要求为:①密实不透水;②具有较强的高温稳定性。

其次，从沥青混合料的集料级配角度上来说，要使沥青混合料密实不透水的话，集料间隙率不能太大。尽管大的集料间隙率，可以通过多用沥青来使其密实，但这样不仅经济性差，而且务必会降低沥青混合料的高温稳定性。而要使沥青混合料具有较强的高温稳定性，就应使沥青混合料中的粗集料形成骨架嵌挤结构，我国沙庆林院士开发的SAC、德国开发的SMA、法国开发的BBM等等，都是应用了这一基本原理［3］。应用在高温多雨大交通量条件下的ATB—25的矿料级配优化原则是用粗集料形成骨架，用细集料填充骨架中的空隙，使设计出的沥青混合料既密实不渗水，又具有较高的高温抗永久变形能力，即形成骨架嵌挤密实结构。 同时，应保证在当前施工技术水平条件下，考虑正常的材料偏差、配料偏差与施工离析，最终沥青混凝土的有关技术指标仍在允许范围之内。以往规定的级配范围过大，往往接近范围下限的矿料级配的沥青混凝土性质，与接近范围上限的矿料级配的沥青混凝土性质，会有质的差别。即使实际施工级配没有超出规定范围，其路用性能也是得不到基本保证的。 2 矿料级配设计方法

矿料级配骨架密实结构的设计，目前有2种基本方法。①凭经验确定一个较宽的级配范围，让使用者按照较宽范围的中值和根据矿料的组成，自己选择一条级配曲线，这种方法随意性太大。②是以一种连续级配的粗集料为骨架，在保证粗集料骨架不被挤开的条件下，用另一连续级配细集料填隙，形成一个既具有高的密实度，又具有高内摩阻力的密实骨架结构。国内许多学者均对此进行过研究，利用逐级填充理论，通过大量的试验，得出混合料最小间隙率下粗细集料的比例，最终得出混合料的级配范围［4～5］。还有学者，采用正交试验设计方法和使用性能试验，得出不同环境下混合料的最佳级配［6～10］。这些研究，通过大量的试验，合理

的给出了混合料的级配范围。本文从理论计算分析的角度，试图给出适合高温多雨(大交通量)条件下，ATB—25的合理级配范围。

骨架密实结构是以粗集料为主的断级配，矿料级配分为三大部分，一部分是粗集料，第二部分是细集料，第三部分是填料。粗细集料的分界线统一定为 4.75 mm，即大于 4.75 mm 为粗集料，4.75 ～0.075 mm为细集料，小于0.075 mm的为填料。本文将矿料级配计算分别按粗集料、细集料两部分进行，填料含量事先根据经验确定。

2.1 粗集料的级配范围理论计算

ATB—25粗集料的级配计算可以按照基本公式(1)进行。

式中:Pdi为筛孔尺寸di的通过量，%;Dmax为矿料的最大粒径，mm;di为某筛孔尺寸，mm;k、n为系数。

ATB—25的最大粒径为31.5 mm，公称最大粒径为26.5 mm，其通过量一般为90% ～100%。4.75 mm的通过量以满足一定的粗集料间隙率VCAmix，且路面不渗水来加以确定。

ATB—25作为基层(或下面层)使用，一般都不使用改性沥青，其抗车辙能力更加要依赖于混合料的骨架结构。因此，VCAmix接近VCADRC为宜。课题组采用不同的ATB—25石灰石粗集料级配，试验得到不同级配下粗集料的自然堆积状态下以及捣实状态下的密度，计算所得VCADRC与VCAnat值见表1。 表1 ATB—25 VCADRC与 VCAnat值一览表Table 1 The VCADRCand VCAnatvalue of ATB—25级配 合成毛体积相对密度γCA 捣实堆积相对密度 捣实间隙率VCADRC/% 自然堆积相对密度 自然堆积间隙率VCAnat/%级配12.710 1.622 40.1 1.464 46.0级配 2 2.713 1.633 39.8 1.479 45.5级配 3 2.714 1.640 39.6 1.491 45.1级配 4 2.710 1.648 39.2 1.490 45.0级配 5 2.713 1.632 39.8

1.477 45.6级配62.715 1.655 39.0 1.482 45.4

从表中结果可以发现:VCADRC一般介于39.0%～40.0%之间，平均可按 39.5%考虑，VCAnat介于45.0% ～ 46.0% 之间，平均可按 45.5% 考虑。VCADRC与VCAnat的平均值可按42.5%考虑。

根据实践经验，ATB—25在高温地区的油石比大约为3.5%左右。据此推算(参见本文第3部分ATB—25矿料级配的骨架密实结构理论分析)，4.75 mm的通过量定为23% ～33%，基本能够保证密实不渗水，又处于良好的骨架嵌挤状态(即VCAmix接近VCADRC)。

用 di=26.5，Pdi=100，与 di=4.75，Pdi=33 两组数据代入式(1)，得到下列2个联立方程。

解此方程组，得系数 k=111.794，n=0.645，由此可得计算ATB—25粗集料级配范围上限的公式为

同样，用 di=26.5，Pdi=90，与 di=4.75，Pdi=23两组数据代入式(1)，计算ATB—25粗集料级配范围下限的公式为，即:

按式(2)、式(3)计算的ATB—25粗集料级配范围见表2。 2.2 细集料的级配范围理论计算

细集料级配计算的基本公式的形式与粗集料级配的计算公式相同，只是把公式(1)右侧的分母Dmax用4.75代入即可。

由于4.75 mm筛孔通过量应与计算粗集料级配时的通过量相同，已确定为23% ～33%，在此，只要根据以往实践经验确定0.075 mm的通过量，即可求解计算细集料级配的公式。对于ATB—25，大多将0.075 mm的通过量定为2% ～

6%。

用 di=4.75，Pdi=33，Dmax=4.75 与 di=0.075，Pdi=6，Dmax=4.75 两组数据代入式(1)，可以建立下列两个联立方程。

解此方程组，得系数 k=33，n=0.411，由此可得计算ATB—25细集料级配范围上限的公式为Pdi，即:

同样，用 di=4.75，Pdi=23，Dmax=4.75 与 di=0.075，Pdi=2，Dmax=4.75 两组数据代入式(1)，可以得到计算ATB—25细集料级配范围下限的公式为，即:

按式(4)、式(5)计算的ATB—25细集料级配范围见表2。 2.3 级配调整

根据生产实践经验，表2所列计算级配中的4.75～9.5 mm之间的用料偏多，平均达到了18%，而13.2～19 mm之间的用料偏少，一般情况下，会与碎石场的生产比例严重失调，对于一些场地不大的料场来说，将严重影响碎石场的正常生产，而且会增加生产成本。如果对4.75～19 mm之间的粗集料用量比例结合以往经验进行少量调整，适当减少4.75～9.5 mm 之间的用料，并适当增加 13.2 mm以上粗集料的用量，使级配中粗集料的用量比例基本与碎石场的粗集料生产比例相协调，那么，不仅可以解决上述问题，而且因增加了粒径相对较大部分的粗集料用量比例，沥青混合料的高温稳定性将更好。调整后的级配见表2。

表2 ATB－25矿料级配范围Table 2 Aggregate gradation of ATB-25 asphalt mixture级配不同筛孔(mm)下的通过率/%31.5 26.5 19.0 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075计算值 100 100～90 81～69 72～60 64～52 52～40 33～23 25～1519～10 14～7 11～5 8～3 6～2调整后 100 100～90 80～

68 70～56 62～48 48～36 33～23 25～1519～10 14～7 11～5 8～3 6～2 图1为优化后的ATB—25(以下称为yATB—25)混合料级配曲线图，由图可见，较规范ATB—25级配相比，yATB—25级配范围明显变窄，4.75 mm 与2.36 mm筛孔上下限通过率差值均为10%，降低幅度分别为50%、44%;对于级配下限，级配优化适当提高了细集料比例，保证了yATB—25混合料的密实性;对于级配上限，级配优化较大幅度减少了细集料比例，使 yATB—25始终处骨架密实结构，确保了yATB—25混合料的高温抗车辙性能。

图1 yATB—25沥青混合料矿料级配Figure 1 Aggregate gradation of yATB—25 asphalt mixture

3 yATB—25矿料级配的骨架密实结构理论分析

假设沥青的相对密度为1，矿料都是用同种石灰石材质，且相对密度相同。根据工程实践经验，最佳油石比采用Pa=3.5%，沥青混合料试件的毛体积相对密度γf近似取2.43。我们可以用下列公式(6)来定性地分析yATB—25沥青混凝土骨架密实结构情况。

式中:Pf为4.75 mm以下(包括细集料与矿粉)的百分含量，%;Pca为4.75 mm以上粗集料的百分含量，%;Pa为沥青混合料的油石比，%;γf为沥青混合料试件毛体积相对密度;γb为沥青的相对密度;vv为沥青混合料的空隙率，%;VCAmix为沥青混合料粗集料的间隙率，%。

式(6)等号左边为4.75 mm以下矿料所占的体积百分率、沥青所占体积百分率与沥青混合料中的空隙率三部分之和。等号右边为沥青混合料中粗集料间隙率。也就是说沥青混合料中粗集料的间隙除去沥青砼所必要的空隙外，其余间隙刚好均被细集料和沥青填满，即形成骨架密实结构。

用公式6判别沥青混凝土结构属性的条件如表3所示。

表3 混凝土结构类型判别Table 3 Determine the type of mixture structure判别条件 VCAmix＞VCA nat结构类型 悬浮结构VCADRC＜VCAmix≤VCAnat VCAmix≤VCADRC疏松骨架结构 紧密骨架嵌挤结构 3.1 yATB—25 级配上限

当现场沥青混合料的实际级配接近设计级配范围(如表2所列)的上限线，4.75 mm通过率达到上限33%时(Pf=33%)，Pca=100% －33%=67%。用 γb=1，γf=2.43，Pf=33%，Pca=67% 代入式(6)得:

在式(7)中，当 vv=3%时，VCAmix=40.6%;当vv=5%时，VCAmix=41.9%;当 vv=4%左右时，VCAmix=41.3%，即当 vv等于4%左右时，VCAmix介于 VCADRC与 VCAnat的平均值 42.5 和 VCADRC=39.5之间(见表1)，也就是说，当4.75 mm通过率达到33%时，在正常油石比情况下，yATB—25沥青混凝土接近紧密骨架密实结构状态。同理，假设将yATB—25的4.75 mm通过率提高到38%，经过计算，仍然能确保其处于骨架密实结构，但接近疏松骨架结构，其高温稳定性将欠佳，考虑到yATB—25一般没有采用改性沥青，为确保其高温稳定性，结合实践经验，将yATB—25的4.75 mm通过率的上限定为33%是比较合适的。

3.2 yATB—25 级配中限

当现场沥青混合料的实际级配接近设计级配范围(如表2所列)的中限线，4.75 mm通过率达到中限28%时(Pf=28%)，Pca=100% －28%=72%。用 γb=1，γf=2.43，Pf=28%，Pca=72% 代入式(6)得:

在式(8)中，当 vv=4%时，VCAmix=36.8%;当vv=6%时，VCAmix=38.2%;即当 vv等于4% ～6%时，VCAmix小于VCADRC(平均值39.5)2%左右(见表1)。室

内外试验证明，在细矿料偏少的情况下，由于压实功的作用VCAmix总是小于VCADRC，其差值最大可达约5%。也就是说，当设计级配走中线时，yATB—25不仅处于良好的紧密骨架嵌挤结构状态，而且密实不渗水。 3.3 yATB—25 级配下限

当现场沥青混合料的实际级配接近设计级配范围(如表2所列)的下限线，4.75 mm通过率达到下限23%时(Pf=23%)，Pca=100% －23%=77%。用 γb=1，γf=2.43，Pf=23%，Pca=77% 代入式(6)得:

在式(9)中，当 vv=7%时，VCAmix=34.7%，比VCADRC(约39.5%，见表1)小4.8%，已基本达到了粗集料嵌挤的极限状态。也就是说，当4.75 mm通过率小到23%，即使粗集料处于最紧密的嵌挤状态(即粗集料间隙率最小)，在正常油石比情况下，其空隙率达到了不渗水的极限状态(实践经验表明，一般情况下，要使沥青混合料不渗水，现场空隙率必须大于7%)，必须加强现场压实。现场压实度达到100%以上，才能使之不渗水。因此，4.75 mm通过量下限通过率采用23%，已不能再小了。

4 yATB—25矿料级配的骨架密实结构试验验证

yATB—25矿料级配的骨架密实结构试验验证时，沥青采用50号A级道路石油沥，集料采用石灰石，矿粉采用石灰石磨细矿粉，试验室对所采用沥青、集料与矿粉分别进行主要指标的测试，结果表明均达到JTG F40规范的要求。按照我国JTG F40规范规定的热拌沥青混合料配合比设计方法―“马歇尔试验方法”对yATB—25级配中值进行了配合比设计，最终确定最佳油石比Pa为3.4%。

采用 Pa、Pa±0.3%对 yATB—25 上、中、下限级配分别做马歇尔试验和车辙试验，对所用级配的沥青混合料进行体积指标检验与高温稳定性检验，试验结果见图2、图3。

图2 yATB－25沥青混合料油石比与空隙率关系Figure 2 Air voids—asphalt-aggregate ratio of yATB －25 asphalt mixtures 图3 车辙试验结果Figure 3 Results of rutting tests

由图2可知:考虑施工偏差，当级配处于上限，油石比在Pa+0.3%时，沥青混合料空隙率大于2%，只要高温稳定性满足要求，是可以接受的。当级配处于下限，油石比在Pa－0.3%时，沥青混合料空隙率为6.5%，小于7%，经验表明，沥青混合料密实性是有保障的。

由图3可知:yATB—25上、中、下限级配沥青混合料，车辙试验采用50号A级道路石油沥青，其动稳定度均大于现行规范对改性沥青混合料动稳定度的最高要求(3 000次/mm)，即使混合料级配处于级配上限，并且油石比在Pa+0.3%的于抗车辙最不利的情况下，动稳定度仍高达3 373次/mm，说明yATB—25级配，具有优良的高温抗车辙性能。 5 结语

①在粗集料、细集料、填料均为同种石灰石矿料的基础上，yATB—25级配范围，经骨架密实结构理论分析与试验验证，能确保其为骨架密实结构，可用做我国高温多雨、大交通量条件下高速公路沥青路面下面层。对于不同的材料应根据 VCADRC与VCAnat及各种材料的密度按上述涉及方法进行适当的调整。 ②在进行目标配合比与生产配合比设计时，应使设计级配尽量走yATB—25级配中线(非关键筛孔不一定能在中线位)，特别是4.75 mm、2.36 mm 与0.075 mm等关键性筛孔。按现行配合比设计方法完成所有工作后，还应用最佳油石比Pa+0.3%与Pa－0.3%分别对上限级配与下限级配(主要指关键筛孔)进行检验。上限级配，检验高温稳定性，且空隙率要求大于2%;下限级配，检验其密实性，空隙率要求小于7%。

③摊铺后，现场随机取样做抽提试验，其混合料级配应在yATB—25范围内，油

石比应在 Pa±0.3%范围内。 ［参考文献］

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