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漂泊路 - 2006/2/17 13:11:00

沥青砼矿料级配设计理论浅析

【内容摘要】：本文对石黄高速公路辛沧段沥青砼矿料级配组成进行了剖析，对如何调整沥青砼矿料级配及沥青砼配合比从理论上做了详细阐述，并经过石黄高速公路通车后一年多时间的检验，证明该配合比是成功的。
【关键词】：沥青砼、矿料级配、理论浅析


一、 前言
近年来，随着我国国民经济的高速发展，我国交通运输业特别是公路运输业显现出突飞猛进的态势，载至到2000年底，我国高速公路的通车里程已达16000km，总里程位居世界第三位。公路运输呈现车流量大（3000辆/昼夜以上）和轴载重（大型货运车辆自重加运输货物有的每辆达60t以上，汽车轮胎的气压已增大到1.0 MPa 以上）的情况，传统的沥青砼混合料矿料级配（规范中的ACI型和ACII型及抗滑表层）及沥青砼配合比设计方法已不能满足现行公路交通运输的需要，所以现在国内出现了多碎石沥青砼(SAC)、SMA、Superpave等路面结构，沥青材料也出现了如SBR、SBS、EVA、PE等用不同改性剂加入沥青中对沥青进行改性的各种改性沥青，而且路面基层也从传统的石灰土、石灰碎石土、石灰工业废渣土改进成二灰碎石基层、水泥稳定碎石基层。但至今还是没有彻底解决路面拥包、泛油、车辙、渗水、松散等问题，有些高等级公路通车还不到两年就出现早期损坏现象，如国道104线静海段路面拥包、变形，石太高速公路路面车辙、变形现象，石安线的路面透水损坏，京沪高速江苏锡澄段的路面唧浆网裂等。
二、 石黄高速公路辛沧段沥青砼矿料级配组成
石黄高速公路辛沧段沥青砼路面采用三层式沥青砼结构，各层的矿料组成符合表-1所列级配范围。4cm沥青砼表面层（粗集料采用安山岩）采用修正后的多碎石SAC-16型级配，5cm中面层采用修正后的AC-20Ⅰ型级配，6cm下面层采用修正后的AC-25Ⅰ型级配。 
沥青砼矿料级配范围（方孔筛） 表一1
筛孔尺寸 31.5 26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
混合料类型 
AC—25调中值各筛孔通量 100 95~100 79~93 68~82 57~71 46~60 33~47 29~39 20~30 14~24 9~17 7~13 4~8
100 97.5 86 75 64 53 40 34 25 19 13 10 6
2.5 11.5 11 11 11 13 6 9 6 6 3 4 6
AC—20调中值各筛孔通量 100 95~100 77~88 62~76 49~63 35~49 30~40 23~33 16~26 10~20 6~14 6~8
100 97.5 82.5 69 56 42 35 28 21 15 10 7
2.5 15 13.5 13 14 7 7 7 6 5 3 7
SAC—16调中值各筛孔通量 100 95~100 75~90 58~70 39~51 28~37 21~29 15~23 11~17 9~13 7~9
100 97.5 82.5 64 45 32.5 25 19 14 11 8
2.5 15 18.5 19 11.5 7.5 6 5 3 3 8

三、沥青砼配合比设计理论浅析
沥青砼混合料在路面结构中产生破坏的情况，主要是发生在高温时由于抗剪强度不足或塑性变形过剩而产生推移、车辙、泛油等现象，低温时抗拉强度不足或变形能力较差而产生裂缝现象，以及沥青混合料配合比选用不当，空隙率过大而产生的路面结构渗水，在大量快速行车的作用下，反复作用的动水压力（孔隙水压力）使沥青从碎石表面剥落下来，造成沥青砼路面坑洞、网裂、唧浆等破坏现象。
为了防止沥青砼路面产生高温剪切破坏，我国柔性路面设计方法中，对沥青路面抗剪强度验算要求在沥青砼路面面层破裂面上可能产生的剪应力τα应不大于沥青混合料的许用剪应力τR即τα≤τR 。而沥青混合料的许用剪应力τR取决于沥青混合料的抗剪强度τ，沥青混合料的抗剪强度τ可通过三轴试验方法应用莫尔—库仑包络线按下式求得：
τ=C+σtgj=f(C. σ. j)
式中：τ— 沥青混合料的抗剪强度（MPa）
σ— 正应力（MPa）
C— 沥青混合料的粘结力（MPa）
j— 沥青混合料的内摩擦角（rad）
从式中可知沥青混合料的抗剪强度和沥青混合料的粘结力及内摩擦角有关，和施工过程的碾压力（压实度）有关。所以沥青的品种（包括改性沥青）和矿料之间油膜厚度（沥青用量）及抗剥落剂的研究是解决如何提高沥青砼粘结力C及高温稳定性的问题，沥青砼矿料级配及密度的研究是解决如何提高沥青砼内摩察角j和抗渗水性问题，沥青砼中掺加纤维类的研究是解决如何提高低温抗拉强度的问题。
沥青混合料是一种复合材料，它是由沥青、粗集料、细集料和矿粉以及外加剂所组成，由于组成材料质量的差异和数量的多寡，可形成不同的组成结构，并表现为不同的力学性能。
（一） 沥青砼矿料级配种类
1、沥青砼种类及优缺点
（1）悬浮—密实结构：当采用连续型密级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时，按粒子干涉理论，为避免次级集料对前级集料密排的干涉，前级集料之间必须留出比次级集料稍大的空隙供次级集料排布。按此组成的沥青混合料虽然可以获得很大的密实度，但是各级集料均被次级集料所隔开，不能直接靠拢而形成骨架，有如悬浮于次级集料及沥青胶浆之间。这种结构的沥青混合料就是我国规范中的ACⅠ型结构，它具有良好的抗渗性能，但内摩擦角j较低，其热稳定性（即抗车辙能力和抗水平荷载推挤能力）和抗滑性能都比较差。
（2）骨架—空隙结构：当采用连续型开级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时，由于这种矿质混合料递减系数较大，粗集料所占的比例较高，细集料则很少，按此组成的沥青混合料，粗集料可以互相靠拢形成骨架，但由于细集料数量过少，不足以填满粗集料之间的空隙，因此形成“骨架—空隙”结构，我国规范中的AM型、ACII型就是这种结构，它虽然具有较高的内摩擦角j，但粘结力C较低，抗渗性能很差。
（3）密实—骨架结构：当采用间断型密级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时，由于这种矿质混合料断去了中间尺寸粒径的集料，既有较多数量的粗集料可形成空隙骨架，同时又有相当数量的细集料可填密骨架的空隙，因此形成“密实—骨架”结构，这种结构不仅具有较高的粘结力C，而且具有较高的内摩擦角j，SMA就属于这种结构，但这种结构沥青用量较多，沥青质量要求高，通常要求改性沥青，并掺加沥青玛蹄脂，造价比较高。
2、几个体积率的概念
VCA：在击实沥青混合料试件中，4.75mm颗粒径以上的粗集料形成一个骨架，骨架以外的空隙率占整个试件的体积的百分数，称为粗集料骨架间空隙率用VCA表示。如果把混合集料中小于4.75mm的细料筛除，将大于4.75mm的粗集料装入容器桶中松散堆积，测定出松散状态的粗集料的空隙率为VCADBC表示。将大于4.75mm的粗集料装入容器桶中捣实后，测定出紧密状态粗集料的空隙率为VCADRC。则VCADRC一定小于VCADBC。如果VCA比VCADBC大就说明细骨料填充撑开粗骨料，不能形成特别有效的嵌挤作用。所以VCA<VCADBC是检验是否有骨架嵌挤作用的必要条件，当VCA=VCADRC时沥青混合料为100%骨架嵌挤结构。
VCAx为试件中4.75mm颗粒径以下的细集料占整个试件的体积的百分数。
VCAmix为试件中4.75mm颗粒径以下的细集料、沥青及纤维素之和占整个试件的体积的百分数。
VMA：细集料填充在粗集料骨架空隙中后，全部矿料之外的空隙。
VFA：在矿料的空隙VMA中填充沥青和纤维素的体积率。
Sr：沥青的体积占全部空隙的百分数为沥青饱和度。
VV：为沥青混合料试件的空隙率。
故VMA=VFA+VV 
VCA=VCAx+VMA
=VCAx+VFA+VV
=VCAmix+VV
VCAmix= VCAx+ VFA
在击实沥青混合料试件中，如果认为2.36mm颗粒径以上的集料为粗集料，也同样存在以上几个体积率的概念。
31、各种粒径沥青砼混合料矿料级配的VCADRC，VCADBC。
各种粒径各种类型沥青砼混合料矿料级配的VCADRC，VCADBC是不同的。笔者按照规范中各种沥青砼混合料级配中值配料，按照前述的方法得出了各种类型不同粒径的VCADRC，VCADBC。见表-4(其中SAC-16的矿料是用的安山岩)。
从表-4中可以看出VCADRCVCADBC在同一种粒径沥青砼混合料中和沥青砼的类型关系不大，假如粒径为16mm，无论AC-16I型AC-16II型，从表中可知VCADRC、VCADBC变化不大。当然VCADRC、VCADBC的变化和岩石破碎机的种类有关，这是因为不同型式的岩石破碎机生产出来的矿料的针片状含量及粒料的几何尺寸是不一样的，VCADRC、VCADBC的变化也和岩石种类有关，有些岩石层面比较明显，生产出来的粒料针片状含量就比较高。




各种沥青混合料矿料级配 表一2

筛孔尺寸 31.5 26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
混合料类型 
AC—25Ⅰ 100 95~100 75~90 62~80 53~73 43~63 32~52 25~42 18~32 13~25 8~18 5~13 3~7
AC—25Ⅱ 100 90~100 65~85 52~70 42~62 32~52 20~40 13~30 9~23 6~16 4~12 3~8 2~5
SAC—25 100 90~100 64~78 53~69 43~59 33~47 22~34 17~27 14~24 11~21 9~18 7~15 5~9
AC—20Ⅰ 100 95~100 75~90 62~80 52~72 38~58 28~46 20~34 15~27 10~20 6~14 4~8
AC—20Ⅱ 100 90~100 65~85 52~70 40~60 26~45 16~33 11~25 7~18 4~13 3~9 2~5
SAC—20 100 90~100 67~83 53~69 43~57 28~40 19~31 15~25 11~21 9~18 7~15 5~9
AC—16Ⅰ 100 95~100 75~90 58~78 42~63 32~50 22~37 16~28 11~21 7~15 4~8
AC—16Ⅱ 100 90~100 65~85 50~70 30~50 18~35 12~26 7~19 4~14 3~9 2~5
AK—16 100 90~100 60~82 45~70 25~45 15~35 10~25 8~18 6~13 4~10 3~7
SAC—16 100 90~100 70~90 50~75 30~50 22~37 16~28 12~23 8~18 6~13 4~8
德国SMA 100 95~100 75~88 30~39 22~27 16~23 12~20 11~18 9~15 8~12


各种沥青混合料矿料级配中值 表—3

筛孔尺寸 31.5 26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
混合料类型 
AC—25Ⅰ 100 97.5 82.5 71 63 53 42 33.5 25 19 13 9 5
AC—25Ⅱ 100 95 75 61 52 42 30 21.5 16 11 8 5.5 3.5
SAC—25 100 95 71 61 51 40 28 22 19 16 13.5 11 7
AC—20Ⅰ 100 97.5 82.5 71 62 48 37 27 21 15 10 6
AC—20Ⅱ 100 95 75 61 50 35.5 24.5 18 12.5 8.5 6 3.5
SAC—20 100 95 75 61 50 34 25 20 16 13.5 11 7
AC—16Ⅰ 100 97.5 82.5 68 52.5 41 29.5 22 16 11 6
AC—16Ⅱ 100 95 75 60 40 26.5 19 13 9 6 3.5
AK—16 100 95 71 57.5 35 25 17.5 13 9.5 7 5
SAC—16 100 95 80 62.5 40 29.5 22 17.5 13 9.5 6
德国SMA 100 97.5 81.5 34.5 24.5 19.5 16 14.5 12 10


（二）、沥青砼粘结力的分析
研究VFA（沥青用量）和沥青种类是解决沥青砼粘结力问题。由于马歇尔试验方法和实际情况已经不符（因为实际公路上沥青砼路面受汽车轮胎柔压，同时马歇尔试验击实次数是两面各击75次，如再增加击实次数，骨料就被击破碎了，而柔压再增加静载骨料也没有破碎情况发生），所以我们必须用其它理论来解决沥青砼油石比问题。 
各种沥青混合料矿料级配 表-4
粒径尺寸空隙率%混合类型 9.5mm 4.75mm 2.36mm
VCADRC VCADBC VCADRC VCADBC VCADRC VCADBC
AC-30IAC-30II 41.741.9 45.945.8 38.939.5 43.643.4 36.936.8 40.141.3
AC-25IAC-25 IISAC-25 41.441.839.7 47.447.747.1 40.040.839.6 45.546.043.3 37.638.137.8 42.642.942.7
AC-20IAC-20IISAC-20 43.043.342.9 48.148.648.9 41.941.941.6 46.046.548.3 38.338.939.0 42.943.944.7
AC-16IAC-16IISAC-16 44.844.344.8 49.748.250.1 41.742.242.4 46.047.346.5 39.238.537.6 43.643.444.5

我们用粘信封的道理来解释沥青砼油膜厚度（油石比）问题，我们粘信封时涂上一定的浆糊进行粘贴，随着压力的增大，多余的浆糊被挤出来，信封口粘的就越紧，一定的压力和浆糊的厚度是有关系的，压力越大，浆糊的厚度越薄，粘结力也就越大。沥青砼油膜厚度也是一样，当我们施工时采用的碾压设备（轮胎）的压强越大，初压温度越高，油膜厚度越薄，形成的沥青砼粘结力也就越大，这就是美国工程兵JOHN.L.MCRAE先生的GTM机旋转柔压理论，该GTM试验机很好地解决了碾压设备（轮胎压强）、碾压温度和油石比（油膜厚度）的关系。鉴于我国大型车量轮胎压强已达到1.0Mpa以上，所以建议使用GTM试验机用1.0Mpa的压力进行旋转柔压，试验时温度为130∽135度，稳定后的用油量为设计用油量。现场施工工艺要求复压完成后的温度控制在130度以上，初压采用大吨位轮胎压路机（轮胎压强为1.0MPa以上）。
另外沥青的种类及矿料对沥青的粘附性也直接影响着沥青砼粘结力，所以国内出现了高温稳定性好同时低温时具有良好的抗裂性的改性沥青，并且要对酸性的和中性的硬质矿料要进行处理，提高粘附性，一般采用生石灰水清洗或掺加生石灰粉或低标号水泥。
（三）、沥青砼混合料矿料级配原理浅析
1、绝对空隙率VV与路面渗透问题
研究沥青砼绝对空隙率VV就是解决沥青砼路面渗水和路面泛油问题。通过大量数据证明沥青砼的绝对空隙率小于7%就不渗水。但是沥青砼绝对空隙率太小也会导致沥青砼的热稳性下降和路面泛油，因为当高温季节随着温度的增高，沥青砼的温度升高，沥青膨胀，如果没有一定的空隙，沥青就只能往上走而引起泛油。所以绝对空隙率最小值要满足沥青受热膨胀的要求，一般最小空隙率大于2%就能满足沥青受热膨胀的要求。综合两种因素，所以VV取中值4%～5%。计算时取4.5%。
2、混合料矿料级配变化和内摩擦角的关系
从理论上讲，粗集料的间隙率被小一级的集料填充，小一级的集料又被更小一级的集料填充，直至最小的矿料为止是最理想的级配，即9.5mm，4.75mm，2.36mm级矿料，都满足VCADRC≤VCA＜VCADBC（即VCADRC≤VCAmix+4.5%＜VCADBC)，这时的内摩擦角φ接近最大，粘结力C也接近最大，抗渗性能也好。如果粗集料的间隙不能被小一级的集料完全填充(即VCAmix+4.5%＜VCADRC)，这就形成了骨架空隙结构,我国规范中的Ⅱ型就是这种结构，这种结构内摩察角φ最大，但粘结力C小，抗渗透性差。另一种结构就是悬浮式密集沥青混合料结构，即9.5mm，4.75mm，2.36mm级矿料都满足（VCAmix+4.5%）＞VCADBC，随着（VCAmix+4.5%）/ VCADBC的增大，内摩擦角φ减小，这就是我国规范中的AC- I型结构。
（四）笔者观点
我国高等级沥青混凝土路面设计多用二层或三层结构，主要为了满足沥青混凝土路面热稳定性、不透水性、耐磨耗性、抗滑性、耐久性、抗疲劳破坏等方面的要求，所以各层沥青混凝土结构有各层的作用。根据各层作用，笔者提出了以下观点作为确定矿料级配的原则：
1、沥青砼面层重点要具有承载能性好，温度稳定性好（高温时不易变软，低温时具有良好的抗裂性能和抗温度疲劳裂缝的能力），不透水、耐磨耗、抗滑性好、耐久性好等特点，其中不透水性和抗滑性在高速公路路面面层尤其重要，使用改性沥青和在沥青砼中掺加博尼维主要解决温度稳定性和耐久性要求，使用硬质岩主要解决耐磨耗性要求，矿料级配是解决承载能力，不透水性和抗滑性的主要途径，为了满足沥青砼面层抗车辙性，不透水性和抗滑性的要求，笔者认为对4.75mm粒径来讲应满足1.10＜（VCAmix+4.5%） /VCADBC＜1.20，对2.36mm粒径来讲应满足1.0≤（VCAmix+4.5%） /VCADBC＜0.95的要求，只有这样才能保证沥青砼具有一定的构造深度，同时又保证了不透水性和抗车辙的要求。
2、沥青砼中面层重点要具有承载性能好，同时还要具备不透水性。笔者认为对4.75mm粒径来讲应满足1.00＜（VCAmix+4.5%） /VCADBC＜1.10，对2.36mm粒径来讲应满足（VCADRC+VCADBC）/2＜（VCAmix+4.5%） ＜VCADBC。只有这样的才能保证沥青砼中面层具有嵌挤紧密骨架结构，同时又具备不透水性的要求。
3、沥青砼底面层重点要具有很高的承载能力，同时兼顾不透水性，笔者认为对4.75mm粒径来讲应满足VCADRC＜（VCAmix+4.5%） ＜VCADBC。对2.36mm粒径来讲最好也应应满足VCADRC＜（VCAmix+4.5%）＜VCADBC，但在我国北方地区满足0.9<VCA/ VCADRC<1.0也是可以的，只有这样才能沥青砼底面层具有很高的承载能力。
三、用VCADRC、VCADBC理论剖析石黄高速辛沧段沥青混合料组成结构
（一）面层沥青砼混合料组成结构理论剖析
石黄高速公路辛沧段路面三标沥青砼面层采用改性沥青，矿料采用安山岩，沥青砼矿料级配采用表-1中SAC-16调。
1、矿料的合成级配情况见表-5
2、不同规格碎石密度的测定
根据矿料合成级配比例掺后测得：
⑴、2.36 mm 以上碎石级配
a、表观密度2.871 
b、振实密度1.78 
c、松散堆积密度1.582
计算得：
振实后绝对体积率
（1.78/2.871）×100=62.0%，
空隙体积率:
（1-0.62）×100=38.0%
松散堆积体积率:
(1.582/2.871) ×100=55.1%，
空隙体积率:
（1-0.551）×100=44.9%
⑵、4.75以上碎石级配
a、表观密度2.872 
b、振实密度1.647 
c、松散堆积密度1.529
计算得：
振实后绝对体积率:
（1.647/2.872）×100=57.3%，
空隙体积率:
（1-0.573）×100=42.7%
松散堆积体积率:
（1.529/2.872）×100=53.2%，
空隙体积率:
（1-0.532）×100=46.8%

沥青砼配合比矿料组成计算表
承包单位：一局六公司 合同号：三合同 使用单位：SAC-16（调）表石层 表-5
材料规格 筛孔尺寸mm
19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
通过量（%）
矿粉筛分结果 10-20安山岩碎石 100 95.6 66.1 22.2 0.60 0.30 
5-10安山岩碎石 100 99.8 98.0 19.5 1.5 1.0 
3-5安山岩碎石 100 93.2 15.6 1.8 1.4 1.1 0.9 0.5
机制（石灰岩）砂 100 98.5 86.5 62.1 43.5 31.2 24.8 18.2
天然砂 100 90.4 76.6 50.9 27.0 3.5 0.5
矿粉 100 98.5 81.6
矿料在混合料中的含量(%) 10-20碎石 48 48 45.89 31.73 10.66 0.29 0.14 
5-10碎石 6 6 5.99 5.88 1.17 0.09 0.06 
3-5碎石 12 12 11.18 1.87 0.22 0.17 0.13 0.11 0.06
机制砂 15 15 14.78 12.98 9.32 6.53 4.68 3.72 2.73
天然砂 12 12 1.85 9.19 6.11 3.24 0.42 0.06
矿粉 7 7.0 6.9 5.71
合成级配 100 97.89 83.72 62.54 46.42 32.93 25.79 19.81 15.05 11.15 8.56
规范要求级配范围 100 95-100 75-90 58-70 39-51 28-37 21-29 15-23 11-17 9-13 7-9
目标级配中值 100 97.5 82.5 64.0 45.0 32.5 25.0 19.0 14.0 11.0 8.0

3、 目标配合比 表-6
材料名称 10-20碎石 5-10碎石 3-5石屑 机制砂 天然砂 矿粉 水泥 油石比
用量% 48 6 12 15 12 5 2 4.5
比重g/cm3 2.871 2.872 2.870 2.831 2.67 2.719 3.036 1.0286


从表-5矿料组成计算表中可知：
2.36 mm以上碎石含量为67.07% 4.75 mm以上碎石含量为53.58%
4、根据目标配合比中测得的不同油石比和击实密度，计算各种规格矿料用量

表-7
油石比 空隙率 试件密度 材料用量 不同规格矿料用量分解
沥青 矿料 4.75以上碎石 2.36以上碎石 机制砂 天然砂 矿粉 水泥
（%） (%) g/cm 3 kg/m3 kg/m3 53.58% 67.07% 13.93% 12% 5% 2%
3.5 7.04 2.483 86.9 2396 1284 1607 333.8 287.5 119.8 47.9
4.0 5.25 2.511 100.4 2411 1292 1617 335.9 289.3 120.6 48.2
4.5 3.84 2.529 113.8 2415 1294 1620 336.4 289.8 120.8 48.3
5.0 2.87 2.536 126.8 2409 1291 1616 335.6 289.1 120.4 48.2
5.5 2.62 2.524 138.8 2385 1278 1600 332.3 286.2 119.3 47.7


5、从表-7中不难看出油石比4.5时，矿料用量最大，骨架型最好，因此以油石比4.5，沥青混合料中对矿料用量进行绝对体积法分析表 
表-8
材料规格名 称 4.75以上碎石 2.36以上碎石 机制砂 天然砂 矿粉 水泥 沥青 空隙体积
用量(kg) 1294 1620 336.4 289.8 120.8 48.3 113.8 0
体积(l) 450.7 564.3 118.8 108.5 44.4 15.9 110.6 37.5


从表-8中可知：
4.75以上碎石体积（450.7 L/ m3）占沥青混凝土总体积45.07%
4.7以下细集料体积+沥青+空隙体积
=(564.3-450.7)+118.8+108.5+44.4+15.9+110.6+37.5
=549.3
占沥青混凝土中总体积54.93%
2.36以上碎石体积564.3 L/ m3 占沥青混凝土中总体积56.43%
2.36以下（细集料+沥青+空隙）体积为118.8+108.5+44.4+15.9+110.6+37.5=435.7
占沥青混凝土中总体积43.57%
6、用（细集料+沥青+空隙）体积填实粗集料碎石空隙体积的分析
⑴、已知4.75mm以上碎石，经振实后紧密状态下的空隙率为42.7%，松散堆积状态下的空隙率为46.8%。沥青混合料中（细集料+沥青+空隙）体积占沥青混凝土总体积的54.93%，不但能完全填充碎石中空隙体积，而且还能将粗集料中碎石分开隔离，形成包裹层，隔离包裹系数可为：
a、当碎石为被振实后紧密状态下空隙体积时54.93÷42.7=1.29
b、当碎石在松散堆积状态下空隙体积时54.93÷46.8=1.17
⑵、已知2.36mm以上碎石，经振实后紧密状态下的空隙率为38%，松散堆积状态下的空隙率为44.9%。沥青混合料中（细集料+沥青+空隙）体积占沥青混凝土总体积的43.57%。对填充粗集料碎石经振实紧密状态下的空隙体积，不但能完全充实，而且还能将粗集料中碎石有微弱分开隔离系数43.57÷38=1.15，对于粗集料中碎石松散堆积状态下的空隙体积，沥青混合料中（细集料+沥青+空隙）体积仅够满足填充粗集料碎石空隙体积为43.57÷44.9=97%。
7、结论
我们通过对沥青混合料中矿料级配的具体分析，沥青混合料经过碾压，认为粗细矿料级配是合理。即不是开级配，又不是密集型悬浮级配，它是一种嵌挤紧密骨架型结构。这种级配无论从承重能力、高温稳定性、抗渗水能力和通车后变形性都是有利的。
（一）中面层沥青砼混合料组成结构理论剖析
石黄高速公路辛沧段路面三标沥青砼中面层采用70#沥青，普通石灰岩，沥青砼矿料级配采用表—1中AC-20调。

1、 矿料合成级配见表-9 表-9
筛孔尺寸 （mm）项目 通过筛孔（方孔）质量百分率（%）
19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.60 0.30 0.15 0.075
规范要求 95-100 77-88 62-76 49-63 35-49 30-40 23-33 16-26 10-20 6-14 6-8
中值 97.5 82.5 69 56 42 35 28 21 15 10 7.0
合成级配 96.57 82.6 68.95 54.08 41.29 32.98 26.74 19.45 11.91 9.06 7.57

2、目标配合比（石灰岩）见表-10
表-10
材料规格名称项目 10-20mm碎石 5-10mm碎石 3-5mm石屑 天然中砂 矿粉 油石比
用量（%） 44 13 10 25 8 4.18
比重 2.738 2.738 2.729 2.669 2.719 1.023
3、马歇尔各项技术指标检测结果见表-11，击实温度为130+20C 
表-11
油石比 理论密度 实测密度 空隙率 饱和度 稳定度 流值
3.5 2.575 2.430 5.65 59 11.75 18
4.0 2.557 2.452 4.15 69 12.40 24
4.5 2.538 2.469 2.80 79 11.36 27
5.0 2.521 2.482 1.55 88 10.50 34
5.5 2.503 2.475 1.10 92 9.71 42
4.2 2.549 2.462 3.4 74 12.2 7

4、对矿料级配中不同规格碎石密度情况的测定
⑴、2.36 mm 以上碎石级配
a、表观密度2.733 
b、振实后紧密度1.667 
c、松散堆积密度1.510
不同密度情况下的空隙体积
振实紧密状态下的体积:
（1.667/2.733）×100=61%，空隙体积39%
松散堆积状态下的体积:
（1.510/2.733）×100=55.3%，空隙体积44.7%
⑵、4.75以上碎石级配
a、表观密度2.733 
b、振实后紧密度1.594 
c、松散堆积密度1.411
不同密度情况下的空隙体积
振实紧密状态下体积:
（1.594/2.733）×100=58.3%，空隙体积41.7%
松散堆积状态下体积:
（1.411/2.733）×100=51.6%，空隙体积率48.4%
5、根据目标配合比中测得的不同油石比和击实密度，计算各种规格矿料用量见表-12

表-12
油石比（%） 实测密度（t/m3） 空隙体积(%) 材料用量 不同规格矿料用量（kg）
沥青（kg） 矿料（kg） 4.75以上碎石58.7% 2.36以上碎石67.02% 天然砂24.98% 矿粉8%
3.5 2.43 5.65 85 2345 1377 1571 586 188
4.0 2.452 4.15 98 2354 2354 1578 588 188
4.5 2.469 2.80 111 2358 2358 1580 589 189
5.0 2.482 1.55 124 2358 2358 1580 589 189
5.5 2.475 1.10 136 2339 2339 1568 584 187
4.2 2.462 3.4 103.4 2358 2358 1580 589 189
6、最佳油石比4.2的沥青混合料中对矿料用量进行绝对体积法分析见表-13 
表-13
材料规格及名称 4.75以上碎石 2.36以上碎石 天然砂 矿粉 沥青 空隙体积
用量(kg) 1384 1580 589 189 103.4 0
密度(kg/L) 2.738 2.736 2.669 2.719 1.023 0
体积（L） 505.0 577.0 221 69.0 101.0 32


从本表-5可知4.75以上碎石体积505L/m3占沥青混合料总体积50.5%，4.75以下（细集料+沥青+空隙）体积=（577-505）+221+69+101+32=495L占沥青混合料中总体积49.5%
2.36以上碎石体积577 L/m3占沥青混合料总体积57.7%，2.36以下（细集料+沥青+空隙）体积为221+69+101+32=423 L/m3占沥青混合料中总体积42.3%。
7、用（细集料+沥青+空隙）体积填实粗集料碎石空隙体积分析
⑴、已知4.75以上碎石经振实后紧密状态下的空隙率为41.7%，松散堆积状态下的空隙率为48.4%。
沥青混合料中4.75以下（细集料+沥青+空隙）体积占沥青混凝土总体积49.5%，不但能完全填充碎石中空隙体积，而且还能将粗集料中碎石分开隔离形成包裹层，隔离包裹系数为：
a、当碎石在振实紧密状态下空隙体积时49.5÷41.7=1.19
b、当碎石在松散堆积状态下空隙体积时49.5÷48.4=1.02
⑵、已知2.36以上碎石经振实后紧密状态下的空隙率为39%，松散堆积状态下的空隙率为44.7%。
沥青混合料中2.36以下（细集料+沥青+空隙）体积占沥青混凝土中总体积42.3%。对填充粗集料碎石中经振实紧密状态下的空隙体积，不但能够完全充实，而且还能将粗集料中碎石有微弱分开隔离系数，42.3÷39=1.08。
对粗集料中碎石松散堆积状态下的空隙体积，沥青混合料中（细集料+沥青+空隙），仅能满足填实粗集料碎石空隙为42.3÷44.7=94.6%。
8、结论
我们通过沥青混合料中矿料级配的具体分析，沥青混合料经过碾压，认为粗细矿料级配是合理的，即不是开级配，又不是密集型悬浮原理，它是一种嵌挤紧密骨架型结构。这种级配无论从结构承重能力、高温稳定性、抗渗水能力和通车后变形性都是有利的。底面层在这里就不再论述。
五、沥青砼路面施工中注意事项
一个理论上不渗水、设计级配非常好的沥青砼配合比，但是如果施工中没有保证沥青砼均匀性（包括级配及沥青拌合的均匀性，摊铺的均匀性，碾压成型的均匀性）沥青砼路面一样会产生渗水、唧浆、车辙、泛油等早期破坏现象。石安高速公路沥青砼面层采用多碎石沥青砼（SAC）做面层结构，SAC结构从理论上是不渗水，并且有良好的抗滑性和温度稳定性，能够满足构造深度TD＞0.7mm的要求，为什么在石安线上有的段落就特别好，有些段落早期破坏现象特别严重，主要原因是没有保证沥青砼路面的均匀性和压实度，过分追求平整度所致。所以施工中保证沥青砼的均匀性和压实度是非常关键的问题。沙庆林院士在《高速公路沥青路面早期破坏现象与预测》一书第十章专门对沥青砼均匀性的重要性进行了论述。这里只简要的归纳以下几点。
1、沥青砼配合比的均匀性：拌合过程级配的均匀性和摊铺过程中级配的均匀性是不同的概念，拌合站取样只是检验拌合站生产出来的沥青砼是否符合设计沥青砼配合比，级配误差是否在规范允许范围内，我们最终的目的是检验摊铺完路面上的级配是否满足要求，取样应该是在刚摊铺完没有碾压的路面上进行随机取样，规范中应增加现场取样检查配合比的检查项目。
2、施工中引起的沥青砼离析是多方面的，在沙庆林院士的书中已谈了很多，这里补充的是摊铺过程中所造成的离析要引起高度重视，用两台6米宽的ABG423摊铺基本上能消除摊铺过程中的级配离析及温度离析，如果用一台12米宽的ABG摊铺机摊铺，摊铺过程的离析是特别严重的，许多国家是严禁用12米宽的摊铺机摊铺沥青砼路面。
3、严格控制透层油和粘层油的均匀性和用油量非常重要，如果用油量过多又不均匀，多余的透层油和粘层油将渗入到沥青砼中，造成实际上沥青砼的沥青用量过大，路面出现泛油及车辙的现象。
4、严格控制压实度：保证沥青砼的绝对空隙率小于7%，才能保证沥青砼路面不渗水。施工中要高温碾压，要做到复压完后的沥青砼路面温度不低于130°C，要采用大吨位胶轮压路机初压（改性沥青砼除外）对提高压实度效果特别明显，胶轮压路机高温碾压保证了细料填充空隙和粗骨料合理排序，并对提高表面构造深度有明显的效果。


参考文献：《道路建筑材料》第三版 严家伋 编著 
《改性沥青与SMA路面》 沈金安 编著
《高速公路沥青路面早期破坏现象及预防》 沙庆林 编著
《高等级公路半刚性基层沥青路面》 沙庆林 编著
《沥青路面施工与维修技术》 郝培文 编著
《公路 工程沥青及混合料试验规程》JTJ052—2000 
《公路沥青路面施工技术规范》JTJ032—94

晨曦 - 2006/2/22 20:10:00

可以一看

空空 - 2009/9/11 16:08:00

下载了，学习学习

421108137 - 2009/9/18 19:52:00

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