一种沥青混合料骨架密实型级配的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于沥青路面材料技术领域，具体涉及热拌沥青混合料配合比设计过程中 一种骨架密实型矿料级配的设计方法。
【背景技术】
[0002] 从粗集料的嵌挤状况与细集料、矿粉的填充程度方面讲，沥青混合料可分为骨架 空隙型、骨架密实型和悬浮密实型三种级配结构。骨架空隙型结构中粗集料多，粗集料颗 粒形成嵌挤，但细集料与矿粉少，填充粗集料间隙程度不足；骨架密实型级配中粗集料、细 集料与矿粉组成比例恰当，细集料既不对粗集料嵌挤产生干涉作用，又与矿粉充分填充粗 集料间隙；悬浮密实结构级配中粗集料较少，细集料较多，粗集料被细集料撑开，悬浮于细 集料与矿粉之间，不再形成嵌挤。理论分析与大量试验表明，跟骨架空隙型和悬浮密实型相 比，骨架密实型沥青混合料具有最好的力学强度与高温稳定性。因此，其级配设计方法一直 以来就成为了人们研宄的重点问题。
[0003] 路面工程中，密级配的沥青马蹄脂沥青混合料（SMA)与沥青混凝土（AC)为最常用 的热拌沥青混合料。
[0004] 一般认为，SM是一种典型的骨架密实型结构。我国规范提供的级配设计方法是， 在给定的级配范围内，拟定3条初始级配曲线，使其骨架分界筛孔的通过率分别处于级配 范围的中值、中值±3%附近，通过马歇尔击实试验得到各级配的SM试件，试验测得试件 的毛体积相对密度，计算矿料间隙率指标，并判断各级配的粗集料是否形成嵌挤，选择形成 嵌挤、且矿料间隙率又符合要求的级配作为设计级配。由于规范给出的SM级配范围具有 明显的间断特性，所以，已有文献及大量试验研宄表明，一般情况下SMA级配是能形成嵌挤 状态的，其矿料间隙率也易满足要求。但这种设计方法存在的问题是，拟定3条初始级配曲 线所基于的理论基础不强，经验色彩明显，也无级配优化设计思想。
[0005] 事实上，属于连续级配的AC类沥青混合料也可分为上述三种级配结构类型，但 国内外规范并未给出相应的划分，也未提出这类材料的骨架密实型级配设计方法。目前， 不管是我国《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004)还是美国Superpave体系，对 AC类沥青混合料给出的级配设计方法是，先在级配设计范围或控制点范围内，人为拟定3 条初试级配曲线，然后制件、测得试件的毛体积相对密度等参数，计算空隙率、矿料间隙率 (Superpave体系需换算为空隙率为4%时的矿料间隙率）等体积指标，最后根据矿料间隙 率（VM)大小来选择符合技术标准要求的一条级配。这类级配设计方法存在的明显不足 是：一是人为拟定的初试级配曲线受限于设计人员的理论和经验水平，不可避免地带有一 定的盲目性，因而存在所拟定的级配曲线均不符合要求的可能，但还无法预知，从而会导致 后面不必要的试验工作；二是马歇尔击实或Superpave旋转压实的沥青混合料制件过程 较为繁琐，试验工作量大，矿料间隙率获知用时较长，设计效率低，况且Superpave关于矿 料间隙率换算的经验公式还存在不准确的情况，因此又存在级配设计不成功的可能。两方 面不足带来的一个风险就是，虽然做了大量试验，耗费较长时间，但仍未能设计出合格的级 配；这在工程中不乏实例；而即使设计出了合格的级配，也无法保证就是骨架密实型。
[0006] 有些研宄文献对AC类沥青混合料的骨架密实级配设计方法进行了研宄，这些研 宄采用的级配设计方法可分为典型的两类：一是先以不同的比例对最粗的两档粗集料进行 混合，以捣实密度为考核指标，得到捣实密度最大的混合比例，并将该比例下两档最粗集料 混合得到混合粗集料，然后将第三档粗集料再以不同比例与之混合，继续试验得到一个捣 实密度最大的新比例，以此类推，直到所有集料的混合比例确定为止，最终确定出骨架密实 型级配；二是在规范给定的级配范围内，按上述规范的级配设计方法，拟定若干级配，借用 SM嵌挤形成条件，分析并确定拟定的若干级配中形成嵌挤的级配作为设计级配。前者方法 存在的一个明显不足就是试验工作量浩大，实际工程中难以推广；况且，这种方法设计的骨 架密实级配往往存在超出级配范围的可能，而一旦超出级配范围就需要人为调整，调整的 后果就是前面设计的级配不再是骨架密实型。后者方法存在的问题跟规范设计方法的问题 类似，级配设计的原理性不强，试探性及经验性明显。
【发明内容】
[0007] 为解决现有技术存在的上述不足，本发明提供一种沥青混合料骨架密实型级配的 设计方法。
[0008] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种沥青混合料骨架密实型级配的 设计方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1 :拟定一条S形级配曲线，并据此将各档集料混合，设定粗细料分界粒径，大 于该分界粒径的粗集料统称为粗料，小于该分界粒径的细集料和填料统称为细料；
[0010] 步骤2 :分别测定粗料的合成毛体积相对密度，细料的合成毛体积相对密度 γ fa，粗料骨架间隙率Vca，细料的间隙率Vfa，读取分界粒径的通过率X ;
[0011] 步骤3 :通过下式计算所述分界粒径的临界通过率Xtl:
[0012]
[0013] 步骤4 :根据通过率X和临界通过率Xtl的大小对比，调整粗料用量和细料用量的用 量比，使通过率X与临界通过率Xtl相等，从而得到骨架密实型级配。
[0014] 步骤1中，所述S形级配曲线的拟定方法按照《公路沥青路面施工技术规范》 (JTGF40-2004)的要求进行。
[0015] 步骤1中，所述分界粒径为2. 36mm。
[0016] 步骤4中，当X < Xc^，增大细料用量与粗料用量的用量比；当X > X对，减小细 料用量与粗料用量的用量比。
[0017] 步骤4中，当骨架密实型级配沥青混合料的矿料间隙率小于所述规范最小值的要 求时，所述细料的内部配比不变，建立粗料的0.45次方级配曲线图，据图分析初始拟定级 配的粗料级配曲线的S形特征，调整各档粗集料用量比例，使粗料级配曲线远离粗料对应 的最大理论密度线，从而增大粗料骨架间隙率Vca，进而增大矿料间隙率，同时增大了临界通 过率X。。
[0018] -种沥青混合料骨架密实型级配的设计方法，包括以下步骤：
[0019] 步骤I :设定粗细料分界粒径，大于该分界粒径的粗集料统称为粗料，小于该分界 粒径的细集料和填料统称为细料，分别拟定所述粗集料和所述细料的配比；
[0020] 步骤2 :分别测定粗料的合成毛体积相对密度γ Μ，细料的合成毛体积相对密度 γ fa，粗料骨架间隙率Vca，细料的间隙率Vfa;
[0021] 步骤3 :通过下式计算骨架密实型级配的所述分界粒径的临界通过率xQ:
[0022]
[0023] 步骤4 :通过制件试验，分析沥青混合料的矿料间隙率是否满足最小值要求，不符 合要求时调整粗料级配，使粗料级配曲线远离粗料的最大密度线，这个过程可重复进行，直 到符合要求、得到合格的骨架密实型级配为止。
[0024] 本发明的有益效果为：
[0025] 骨架密实型沥青混合料具有最好的力学强度与高温稳定性，但目前还没有一个成 熟的、理论性较强的骨架密实级配设计方法。本专利通过合理选定粗细料分界粒径尺寸， 针对骨架空隙型、骨架密实型和悬浮密实型级配分别建立了矿料间隙率物理模型，从本质 上揭示了各类级配的矿料间隙率形成机制，在此基础上创建了骨架密实级配设计原理与方 法，即基于拟定的级配，在做了粗料骨架间隙率等少量试验后，通过计算粗细分界粒径的临 界通过率，适当调整粗细料用量比例，即可得到骨架密实型级配。该法仅依据一条拟定级配 就设计出骨架密实级配，克服了目前广泛采用的从拟定的若干级配中选出一条的试探性缺 陷，既显著提升了骨架密实级配的设计理论与技术水平，又提高了设计效率。
[0026] 所建立