打开文本图片集

摘要：本文是依托高速公路路面工程基于垛积密实理论对沥青混合料矿料级配开展设计及优化的实际应用，该理论提高了沥青混合料配合比设计的工作效率和目标矿料级配的精准程度，说明垛积密实理论及文中提及的具体应用方法和工作流程具有较强的推广性及较高的工程实践价值。

关键词：垛积密实理论;沥青混合料配合比;矿料级配;设计优化

一、引言

中交二航局广西河池至百色高速公路路面No.D合同段于2017年5月份开始建设，线路总长27km，该高速公路地处于广西山区，重载交通作用于长大陡坡路段的情形常见。为了提升本项目沥青路面的耐久性和功能性，施工单位提出了一系列技术保障措施，本文主要介绍本项目通过垛积密实理论对沥青混合料矿料级配的设计和优化。

二、道路面层施工材料和技术情况

本项目路面面层结构形式为8cmAC-25C型沥青混合料下面层+6cmAC-20C型改性沥青混合料中面层+4cmAC-13C型改性沥青混合料上面层，其中改性沥青由70#A级埃索牌道路石油沥青添加SBS改性剂制成。

根据设计文件，中下面层粗集料采用石灰岩碎石，上面层粗集料采用辉绿岩碎石。

在沥青混合料矿料级配设计时，我们经常遇到如果套用《公路沥青路面施工技术规范》中对沥青混合料的相对宽松的范围级配时，往往难以达到预期效果，经常出现马歇尔稳定度、流值、矿料间隙率、孔隙率、饱和度、抗滑、渗水等指标有一项或者若干项不满足要求这一现象。导致试验重复工作量大，效率低下。即便目前行业内部普遍要求公路路面工程沥青混合料目标配合比需要委托公路甲级检测机构出具报告，也会出现配合比自身抗波动能力较差等问题，即矿料级配稍有波动，检测指标出现大幅度波动的情况。其根本原因是因为矿料目标级配与实际最优级配偏差较大所引起的。

目前交通行业内对沥青混合料的矿料级配普遍采用的是富勒级配理论，该级配理论是构建在具备平滑曲线特性的幂、指数函数等简易数学模型的基础上，计算目标级配时直接采用质量比，相对理想化;所以通过富勒级配理论给出的目标级配照比实际最优级配的偏差往往比较大。事实上，沥青混合料矿料是由不同粒径的矿料颗粒垛积后形成的，我们所说到最优级配就是希望不同粒径的矿料颗粒能够按照一定比例达到最优的空间分布，以便于充分发挥矿料颗粒自身的强度和颗粒间的内摩阻力，从而获得最佳的力学性能。所以确定矿料目标级配时，应当从矿料空间体积分布的角度首先确定矿料的体积目标级配，再根据不同矿料密度换算为质量比的目标级配是非常必要的，这样也会更切合实际情况。

三、垛积密实理论级配

垛积密实理论级配的实质是根据混合料里大小颗粒的辩证分布情况和包围情况，采用控制多个变量计算出不同粒级颗粒在最佳垛积状态时的体积分布比例。因其更符合实际情况的特点，通过垛积密实理论级配确定的矿料级配也就更加精准，在实际应用中对比富勒级配更具备优越性。

广西大学梁军林教授^①在本项目路面工程建设咨询指导意见中给的广义垛积密实理论级配公式如下：

V=100（1-nk³）n^m-1k^3（m-1）

式中，V——各级颗粒的累计筛余百分率（%）;

k——相邻两粒级的直径比（一般为标准筛）;

m——从直径比为的最大粒径下一级开始的编号;

n——颗粒包围数，时的经验值为4.75～6.75。

对于AC-25C和AC-20C混合料，采用（19，9.5，4.75，2.36，1.18，0.6，0.3，0.15，0.075）mm筛孔进行计算，编号分别为1，2，3，...9。对于AC-13C混合料，采用（9.5，4.75，2.36，1.18，0.6，0.3，0.15，0.075）mm筛孔进行计算，编号分别为1，2，3，...8。

通过以上公式，我们以河百路AC-20C的沥青混合料配合比为例，开展设计和优化。

3.1级配计算

根据n值的推荐范围，我们选取5.75作为中值以0.25为间隔跨度，计算颗粒的体积累计筛余百分率，计算结果如下：

3.2根据沥青混合料功能参数调整矿料级配的计算

经实测，石灰石矿料中粗集料的毛体积相对密度为2.685-2.700之间，表观相对密度在2.705-2.720之间，细集料及填料的表观密相对度在2.715-2.740之间，沥青相对密度γ_b为1.038，根据以往的经验AC-20C油石比p_b设定为4.2%即沥青含量为4.031%，为了方便计算并根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中公式T0705-5、T0705-6我们近似的取矿料的合成毛体积密度γ_sb为2.695，合成表观相对密度γ_sa取2.720，则合成矿料的吸水率根据公式T0705-10得到结果为0.34%，根据公式T0705-9得到合成矿料的沥青吸收系数为0.8379，根据公式T0705-8得到合成矿料有效相对密度γ_se为2.716，由此我们根据公式T0705-16得出沥青混合料中被矿料吸收的的沥青质量占矿料总质量的百分率P_ba为0.297%。

根据以上设定和计算结果，假定为矿料质量为单位1，则矿料的有效绝对体积，计算结果为0.3682;当油石比p_b为4.2%，矿料为1单位质量时，有效沥青绝对体积计算结果0.0376，沥青绝对体积计算结果为0.0405;空隙率VV根据JTG F40-2004表5.3.3-1中的要求，考虑到广西河池百色地区夏炎冬温多雨和本项目属于山区重载交通高速公路等实际情况，取4.5%;此时沥青混合料的绝对体积应计算结果为0.4249，空隙绝对体积的计算结果为0.0191，根据矿料间隙率的定义，此时矿料间隙率应按下式计算，计算结果为14.0%，满足设计矿料间隙率大于13.5%的要求;有效沥青和空隙占混合料的体积百分数计算结果为13.3%，我们不妨将有效沥青和预设空隙看成混合料中颗粒最小的物质，此时我们仅需要考虑将有效沥青体积和空隙体积把矿料中0.075mm以下的部分代换出来，就可以不改变矿料的基本垛积状态而进行垛积级配设计，其代换的体积百分率即为Pv_a+b。

3.3级配的初步确定

通过表一可知，想要代换体积百分数为13.3%的细料，颗粒包围数要大于6.25，为了更精准的确定颗粒包围数n，我们针对6.25和6.5之间的级配计算再进行细化，其结果如下

通过以上数据计算，我们可以肯定0.075mm以上粒级在对应n值的累计体积筛余百分率条件下为理论上的垛积密实状态，但是0.075mm以下粒径没有办法确定其密实程度，对于混合料整体的垛积密实架构来说，0.075mm以下颗粒数量降低，对混合料整体体积没有影响，因此我们可以对0.075mm以下粒径作为剩余空隙，用于考虑有效沥青和设计空隙率在混合料中对空间的需要。

梁军林教授指出，垛积密实理论级配是在理想状态条件下假设矿料的绝对密实状态，现实中矿料由于受到矿料颗粒粒形、颗粒分布的不均匀性等原因，很难达到这一理想条件下的垛积密实状态，计算得到的剩余空隙往往要小于实际的剩余空隙，所以垛积密实理论级配应当考虑实际情况加以运用。

计算0.075mm的体积通过率：Pv_0.075=1-A_0.075。矿料扣除0.075mm以下部分后，Pv_0.075即为在该n值条件下的可代换体积百分率，综合实际情况，我们取n=6.4的级配为初步确定级配。

3.4、初步目标通过率的确定

当各级矿料母岩相同时，其密度值的波动很小，可以认为作为体积参数的A_Vi值就是等于质量参数Ai（累计筛余百分率），当各级材料母岩不同时（例如沥青路面表面层），可以按照以下步骤进行修正累计筛余百分率。

1、将各级矿料毛体积密度和筛分结果进行对比，取各级矿料中不同母岩矿料混合情况最明显的那一级的密度作为基准密度，其数值为简易计算可以根据发生混合大致比例与不同母岩矿料表观密度加权平均得到。

2、将作为基准密度以外的各级矿料的实测表观密度与基准密度作比，其比值作为密度修正系数q_x。

3、根据筛分结果评价混合矿中料各个筛孔的分计筛余量的贡献度，即分析混合料中各单一筛孔筛上的矿料为来自于哪一档矿料的贡献。对于该筛上单粒级矿料主要来源于某一种矿料时，用该筛孔的分计筛余体积百分率f_vi乘以密度修正系数q_x得到分计筛余质量百分率f_i即有f_i=q_x*f_vi;当某筛孔上的矿料由多种矿料贡献时，可以根据贡献度大小加权平均多种矿料的密度修整系数，修正该单一筛孔的分计筛余百分率，按照公式计算，式中1至x为参与贡献的各种矿料编号。

4、根据f_i计算累计筛余百分率及确定通过率，在此不赘述。

本文中的AC-20C的初步目标通过率如下表

3.5级配的进一步优化

根据JTG F40-2004中对AC-20C的级配要求和相关工程经验，作出以下的级配优化：

1、为满足规范要求，降低粗颗粒含量，将19mm筛孔通过率调整至95%，上限值为100%，下限值为90%。减少的部分由16mm-19mm筛孔和13.2mm-16mm分担。

2、AC-20C型沥青混合料矿料关键筛孔设定为4.75mm，其通过率要求小于45%，根据实际经验宜为28%-36%，取32%，通过率减少的部分，考虑到现场混合料抗离析问题，令粗集料的中间档位 9.5mm-13.2mm和4.75mm-9.5mm等比例分担。则9.5mm筛孔通过率=54.4%。4-8号筛的通过率相应降低，降低比例==37.5%，降低后结果分别为：25.6%、19.9%、16.4%、13.1%、10.5%。

3、对于16mm和13.2mm筛孔通过率，考虑曲线平滑和现场混合料抗离析问题需要减少大颗粒增加中档颗粒等情况，其通过率分别取85%和70%。

4、矿料0.075mm筛孔通过率综合实际施工经验取5%左右。

5、对以上数据进行整合，为了方便使用，计算结果精确到0.5%，并根据JTG F40-2004第11章表11.4.4中对矿料级配误差要求和实际生产情况给出上下限波动范围，整理后如下

四、配合比设计

根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》以及JTG E41-2005《公路工程集料试验规程》开展原材料的检测工作后，根据集料的筛分结果按照目标级配提出各档矿料的掺配比例，再根据马歇尔沥青配合比试验方法进行配合比设计，其主要过程如下：

4.1合成矿料级配

原材料检测满足设计要求后，根据筛分数据结果，以及目标级配，开展级配合成工作，矿料编号为1#-6#的矿料，对应最大筛孔分别为23mm、16mm、11mm、6mm、3.5mm以及0.2mm（160目方孔筛），合成结果如下

4.2试验检测要点

为了减少因为人为操导致的试验检测数据离散性，我们对在试验规程上没有明确的操作细节中注意了以下两点：

1）矿料烘干后每个试件独立备料，总混合料备料数量考虑到损耗，采用1.03-1.05倍的计算数量，单个试件单档矿料称量时，要最大限度的满足级配比例要求，矿粉按照每个试件数量单独称量，称量之前保证矿料已经烘干。

2）矿料称量完毕后再置于烘箱内恒温4-6h。混合料拌合完毕后，将已经编号的温度计置于盛有混合料的小铁碗中并记录时间，置于150℃（模拟现场初压开始时混合料温度）烘箱中恒温不少于规定时间后再开始击实试验。

4.3检测结果

AC-20C沥青混合料试验完毕后，整理检测结果如下表所示。

以上所检指标均能够满足设计和规范要求，在此基础上出具检测报告和沥青混合料配合比设计说明，完成AC-20C沥青混合料配合比设计工作。

五、结语

根据广西大学梁军林教授提出的广义垛积密实理论级配公式计算的目标级配开展沥青混合料配合比设计，可以通过少量的试验检测工作达到预期技术效果;其主要原因是应用该理论在设计目标级配时应用了矿料间隙率、空隙率等沥青混合料核心技术指标，将其量化处理后考虑到目标级配中去，从理论上保证了矿料级配的准确性。

通过对比各种实例，笔者认为在沥青混合料中，良好的矿料级配是沥青混合料具备良好的路用性能的基础，即沥青混合料中的胶结材料——沥青，只有在良好的矿料级配的所构建的平台上才能发挥出最优的性能。

中交二航局承建的广西河百高速公路路面D标沥青路面面层使用的AC-13C、AC-20C、AC-25C所有的配合比设计、优化都是基于垛积密实理论级配开展的，通过试验检测参数稳定性实测分析和实际施工效果照比以往均大幅度提高，这充分说明了垛积密实理论级配的优越性。

实践表明通过垛积密实理级配论开展沥青混合料矿料级配的设计和优化具备较强的推广优势。

参考文献：

[1]梁军林教授：广西都安人，博士学位，教授级高级工程师，博士生导师，享受国务院特殊津贴。

[2]中交二航局广西河池至百色高速公路No.D合同段工地试验室检测报告

[3]《广西河池至百色高速公路No.D合同段 技术咨询报告》—广西大学广西特殊地质公路安全工程技术研究中心梁军林教授组织编写

[4]《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004

[5]《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011