矿料级配设计理论
ATB-30配合比设计
为应对高速公路通车后交通量迅速增长，大型车辆和严重超载等现象，避免沥青路面早期破坏，近几年我国开始应用推广以沥青碎石为代表的柔性基层。
沥青碎石基层可以增强路面排水能力，减少沥青层的温度收缩裂缝和防止反射裂缝的发生，改善路面使用性能，提高其使用寿命。
ATB称为密级配沥青稳定碎石混合料，它与普通沥青混凝土的区别主要是公称粒径的的不同，公称最大粒径通常≥26.5mm。
ATB沥青稳定碎石一般设计空隙率为3%－6%，铺筑层厚度较厚。
路面铺筑后具有良好的骨架结构，且具有防水、高温稳定、低温抗裂等特性，因此柔性基层路面结构具有优良的路面性能以及抵抗。
环境和重交通荷载疲劳作用的能力。
采用ATB—30沥青稳定碎石结构，是为了减少路面反射裂缝的出现，延长路面使用寿命。
2 ATB-30结构的特点原材料的技术标准要求如见表1、表2。
表1 沥青稳定碎石矿料级配范围表2 沥青稳定碎石混合料马歇尔技术标准3.1.2 确定矿料合成级配该过程是确定各矿料的比例，并具有足够的密度和矿料间隙要求，使粗集料相互接触形成骨架，及较高的粘聚力和较高的内摩阻角。
根据单粒级集料筛分结果最终确定矿料合成级配见表6和矿料级配组成设计图。
为了反映其可比性，在ATB-30的工程级配范围内设计了三条合成级配曲线。
从表6和图2可以看出曲线走势为：级配A几乎走级配范围的中值，级配B走级配中值与上限之间，级配C走级配中值与下限之间。
采用上述三种级配进行一系列马歇尔试验。
表6矿料级配组成设计矿料级配组成设计图3.1.3 最佳沥青用量的确定三种级配分别采用2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%的油石比制作马歇尔试件和轮碾成型后钻取芯样进行相关试验。
通过马歇尔试验测定试件密度、空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度、稳定度、流值等，结果见表7。
表7沥青稳定碎石混合料马歇尔性能指标测定结果由表7的试验数据可以看出不同的制件方法对混合料性能有所影响。
用马歇尔试验方法确定最佳石油比。
沥青混合料组成设计
前苏联k 前苏联k法
如以D1表示矿料最大粒径,当矿料粒径按1/2递减时, 如以D1表示矿料最大粒径,当矿料粒径按1/2递减时,其相 D1表示矿料最大粒径 1/2递减时 应的各级粒径尺寸为:D1 :D1、 应的各级粒径尺寸为:D1、
n为粒径尺寸数
为第一档（D1/0.5D1）粒径的重量百分率， 设a1为第一档（D1/0.5D1）粒径的重量百分率，则相应其 余各档的重量百分率为： 余各档的重量百分率为： ……a a2=a1k，a3=a1k2……am=a1km-1， 其中m为粒料分档数目，m=n其中m为粒料分档数目，m=n-1
连续开级配 粗骨料含量增加,混合料可以形成骨架作用, 粗骨料含量增加,混合料可以形成骨架作用,细集料含量 较少, 较少,不能充分填充粗骨料之间的空隙而有较大的空隙 形成一种骨架空隙结构 骨架空隙结构。 率,形成一种骨架空隙结构。 材料的强度主要取决于内摩阻力 粘结力相对是次要的, 强度主要取决于内摩阻力, 材料的强度主要取决于内摩阻力,粘结力相对是次要的, 其热稳性可以显著提高。 其热稳性可以显著提高。 空隙率太大而使路面耐久 性受到影响。 性受到影响。
2.连续级配理论 2.连续级配理论
1)最大密度曲线理论 1)最大密度曲线理论 最大密度曲线是通过试验提出的一种理想曲线。 最大密度曲线是通过试验提出的一种理想曲线。 W.B.Fuller等的研究认为 等的研究认为: W.B.Fuller等的研究认为:固体颗粒按粒度大小有规则地 组合排列,粗细搭配,可以得到密度最大、 组合排列,粗细搭配,可以得到密度最大、空隙最小的混合 料。 初期研究：细集料以下的颗粒级配为椭圆形曲线, 初期研究：细集料以下的颗粒级配为椭圆形曲线,粗集料 为与椭圆曲线相切的直线, 为与椭圆曲线相切的直线,由这两部分曲线组成的级配曲 线可以达到最大密度。 线可以达到最大密度。 简化的“抛物线最大密度理想曲线” 简化的“抛物线最大密度理想曲线”。
沥青砼矿料级配设计理论浅析
沥青砼矿料级配设计理论浅析一、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1.0Mpa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、EV A、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、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。
矿质混合料级配理论分析及组成设计方法研究
２０１８年 第８期（总第２９４期）黑龙江交通科技ＨＥＩＬＯＮＧＪＩＡＮＧＪＩＡＯＴＯＮＧＫＥＪＩＮｏ．８，２０１８（ＳｕｍＮｏ．２９４）矿质混合料级配理论分析及组成设计方法研究郑东辉（东莞市交业工程质量检测中心，广东东莞 ５２３１２５）摘 要：分析了最大密度曲线和粒子干涉两大矿质混合料级配理论，并对富勒（Ｗ．Ｂ．Ｆｕｌｌｅｒ）理论、泰波理论、我国规范所采用的连续级配理论以及魏矛斯（Ｇ．Ａ．Ｗｅｇｍｏｕｔｈ）粒子干涉理论的原理和应用范围进行了深入探讨。
采用数解法、图解法、计算机求解法以及正规方程法可进行矿质混合料配比设计。
关键词：最大密度曲线理论；级配指数；粒子干涉理论；矿质混合料；合成级配中图分类号：Ｕ４１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－３３８３（２０１８）０８－０００６－０２收稿日期：２０１８－０６－１３作者简介：郑东辉（１９８３－），男，广东陆河人，工程师，从事路桥试验检测工作。
１ 级配曲线根据矿质混合料粒径组成的特点，级配类型根据不同的理论可分为连续级配曲线和间断级配曲线。
若用半对数坐标表示筛孔尺寸，则曲线为凹型，如图１所示。
图１ 级配曲线图由级配曲线可知，曲线斜率代表着某粒径范围内的颗粒数量，斜率越大说明相应颗粒越多，呈平台状时说明相应粒径的缺失。
２ 最大密度曲线理论２．１ 富勒理论富勒（Ｗ．Ｂ．ＦｕＬｌｅｒ）早在２０世纪初便对级配曲线进行试验研究，试验采用１ｍ３箱子，将不同粒径的集料堆积进去进行筛分试验，记录每一次的质量通过率和筛孔尺寸之间的关系，发现当二者呈现抛物线关系时，矿质混合料组合具有最大密度，富勒公式可表示为ｐｉ＝１００ｄｉｄ()ｍａｘ０ ５（１）公式中ｐｉ为某级颗粒粒径集料的通过率，ｄｍａｘ为最大粒径。
富勒公式描述的抛物线是理论上矿质混合料的最大密实状态，但这种状态通常只在试验室能完成，在工程实践中很难找到集料能掺配成满足这条曲线的级配组成。
另外，在配置沥青混合料时，这种级配曲线本身计算得到的细集料偏多，不利于高温稳定性。
简述沥青砼矿料级配设计理论
研 究 沥青 砼 绝对 空 隙率 Ｖ Ｖ 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
文献标 识码 ： Ａ
文 章编号 ： １ ０ ０ ９ — ９ １ ４ Ｘ （ ２ ０ ｔ ３ ） ０ ９ －０ ０ ６ ４ －０ １
一
沥 青 砼矿 料 级 配组 成
构， 并表 现为 不 同的力 学 性能 。 三、 沥 青砼 混 合料 矿 料级 配 设计 崩 Ｉ 理
１ 、 绝 对 空 隙率 ｖ ｖ与路 面 渗 透 问题
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 ｒ ａ应 不 大于 沥 青混 合料 的许用 剪 应力 ｒ Ｒｒ ｄ≤－ ｔ － Ｒ。 而 沥青 混合 料 的许 用 剪应 力 ｒ Ｉ 诹 决 于 沥青 混合 料 的抗 剪强度 ， 沥 青混 合料 的抗剪 强度 ｆ可 通 过 三轴 试 验方 法 应用 莫 尔一 库 仑包 络 线按 下 式求 得 ：
结柬 语
Ｃ 一 沥 青 混合 料 的粘 结 力 （ ＭＰ ａ ）
ｊ 一 沥 青 混合 料 的 内摩 擦 角 （ ｒ ａ ｄ ）
我们通 过对 沥青 混合 料 中矿料 级配 的具体 分析 ， 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
矿质混合料级配
计算步骤：（先计算粗集料，在计算细料，最后计算中间料）
①、计算A（粗集料）料在混合料中的用量 按A料占优势粒径计算，设A料在i(mm)筛孔占优势，此时忽略B C两种集料在此粒径的含量（及aB（i）＝0、aC（i）＝0），故 a A（i）*X＝aM（i） X＝（aM（i）／aA（i））*100
②、 计算C（细集料）料在混合料中的用量 按C料占优势粒径计算，设C料在j(mm)筛孔占优势，此时忽略 B、C两种集料在此粒径的含量（及aA（j）＝0、aC（j）＝0），故 aC（j）*Z＝aM（j） Z＝（aM（j）／aC（j））*100
筛孔尺寸di(mm)
30
20
10
5
2.5
1.25
0.63
0.315
0.16
各筛孔尺寸的 对数值㏒Dx
1.48
1.30
1
0.7
0.4
0.1
－0.2
－0.5
－0.7
各筛孔距0.16mm 筛孔距离Sx(mm)
100
92
79
66
52
39
26
13
0
n=0.3 不同泰波 指数时的 通过百分 率
100
88.5
71.9
78～88
48～68 36～53 24～41 18～30 17～22 8～16 4～ 8
79.0
58.0 44.5 32.5 24.0 19.5 12.0 6.0 0
21.0
42.0 55.5 67.5 76.0 80.5 88.0 94.0 100
18.5
21.0 13.5 12.0 8.5 4.5 7.5 6.0 6.0 100
矿质混合料的组成设计方法
沥青混合料配合比
2、泰波 Talbol 曲线 (n)法 (n)法
认为集料的级配应该允许在一定的范 围内波动， Fuller曲线指数 改成 曲线指数0.5改成n 围内波动，将Fuller曲线指数0.5改成n， 研究认为，沥青混合料中n=0.45时 研究认为，沥青混合料中n=0.45时， 密度最大、水泥混凝土中n=0.25密度最大、水泥混凝土中n=0.25-0.45 时施工和易性较好。 时施工和易性较好。通常使用的矿质 沥青混合料的级配范围（ 沥青混合料的级配范围（包括密级配 和开级配） 0.3-0.7之间 之间。 和开级配）n在0.3-0.7之间。
3、K为参数的连续级配密度理论， 为参数的连续级配密度理论， （K法）
前苏联的伊万诺夫提出， 前苏联的伊万诺夫提出，用颗粒分级重量 递减系数K为参数的连续级配密度理论， 递减系数K为参数的连续级配密度理论， （K法）。 N次幂公式存在一个缺点，因为它是无穷级 次幂公式存在一个缺点， 没有最小粒径的控制。 数，没有最小粒径的控制。对沥青混合料 往往造成矿粉过高， 往往造成矿粉过高，路面高温稳定性不足 的缺点， 法以颗粒直径的1/2为递减标准 为递减标准， 的缺点，K法以颗粒直径的1/2为递减标准， 为筛余量的递减系数， 值越大， 设K为筛余量的递减系数，K值越大，级配 越细，一般K值为0.65-0.84。 越细，一般K值为0.65-0.84。
四、贝雷法
贝雷法通过一些指标对级配中的粗、 贝雷法通过一些指标对级配中的粗、细集 料进行约束， 料进行约束，使得混合料获得良好的骨架 结构，并且施工时不会产生离析， 结构，并且施工时不会产生离析，而且易 于压实。这些指标包括： 于压实。这些指标包括： CA比 ratio） （1）CA比（Coarse aggregate ratio） 用来描述粗集料间的填充情况。 用来描述粗集料间的填充情况。 CA比=[P(NMPS/2)-P(PCS)]/[100%CA比=[P(NMPS/2)-P(PCS)]/[100%P(NMPS/2)] 式中：P(PCS)——为0.22倍公称尺寸对应 式中：P(PCS)——为0.22倍公称尺寸对应 相近尺寸筛孔的通过率。 相近尺寸筛孔的通过率。
矿料组成设计-最大密度曲线
矿料的组成设计道路与桥梁用砂石材料，大多数是以矿料与各种结合料（如水泥或沥青等）组成混合料使用。
为此，对矿料必须进行组成设计，以确定合理的级配，其主要内容包括理论级配范围的确定及基本组成的设计两方面。
矿料的级配理论，矿料是用于沥青混合料的粗集料、细集料、填料的总称。
各种不同粒径的集料，按照一定的比例搭配起来，以达到较高的密实度（或较大摩擦力），可以采用连续级配和间断级配两种级配组成。
连续级配：是某一矿料在由标准筛配成的筛系列中进行筛分析时，所得的级配曲线平顺圆滑，具有粒级连续的（不间断的）性质，相邻粒径的颗粒之间，有一定的比例关系（按质量计）。
这种由大到小，逐级粒径均有，并按比例相互搭配组成的矿料，称为连续级配矿料。
间断级配：是在矿料中剔除其中一个（或几个）粒级，形成一种粒级不连续的混合料，称为间断级配矿料。
级配曲线范围，按配理论公式计算出各级集料在矿料的通过百分率，以通过百分率为纵坐标，以粒径为横坐标，绘制成曲线。
图解法，采用图解法来确定矿料的组成，常用的有适用于两种集料组成的“矩形法”和适用于三种集料组成的“三角形法”等。
对于三种以上集料级配的图解法，可采用“平衡面积法”，该法是采用一条直线来代替集料的级配曲线，这条直线使曲线左右两边的面积平衡（即相等），这样简化了曲线的复杂性。
这个方法又经过许多研究者的修正，故称为“修正平衡面积法”，简称图解法。
最大密度曲线理论：是通过试验提出的一种理想曲线,认为固体颗粒按粒度大小，有规则地组合排列，粗细搭配，可以得到密度最大、空隙最小的混合料。
初期研究的理想曲线是：细集料以下的颗粒级配曲线为椭圆形级配曲线，粗集料级配曲线为与椭圆曲线相切的直线，由这两部分组成的级配曲线，可以达到最大密度。
后来经过许多研究改进，提出简化的“抛物线最大密度理想曲线”认为：“矿料的颗粒级配曲线愈接近于抛物线，则其密度愈大。
”① 最大密度曲线公式：根据上述理论，当矿料的级配曲线为抛物线时，如图10-1所示，最大密度理想曲线可用颗粒粒径（d）与通过量（p）表示：d=p2/k式中：d矿料各级颗粒粒径（mm）；p 各级颗粒粒径集料的通过量（%）；k常数。
级配理论
（2）沥青混合料的散体颗粒性特征沥青混合料颗粒性力学特性（参见图2—3）表现为：(1)材料的力学特性与其压实度有关，一般随着压实度的增加，其强度与刚度均会增加；(2)材料的力学特征与三轴实验的围压σ3有关，围压增大时，沥青混合料强度与刚度也增加。
有关研究结果表明[4]，沥青混合料强度、刚度与压实度、围压有良好的线性关系。
正因为沥青混合料具有典型的颗粒性材料特性，所以传统上常用摩尔——库仑Mohr-Coulomb［5］强度理论来表征沥青混合料的力学强度。
根据Mohr-Coulomb理论，沥青混合料的力学强度主要来源于骨料颗粒间的摩擦力和嵌挤力、沥青胶结料的粘结力，并引进两个强度参数，即粘聚力C和摩阻角θ，以此作为强度理论的分析指标。
通常用三轴试验、简单拉压或直剪试验确定C、θ值。
σ压围实压度ε图2—3 沥青混合料的颗粒力学特征在此引用文献［5］的有关试验数据资料进行分析，见表2—1。
围压σ3（Mpa）σ1（普通沥青混合料）（Mpa）σ1（改性沥青混合料）（Mpa）备注0 0.2 0.4 2.292.893.532.6253.193.84沥青用量7.3%，温度230C，压实度93.6%，加载速率1%/min加载速率（%/min）0.25 1 4 2.452.893.6952.693.194.105沥青用量7.3%，温度230C，压实度93.6%，围压0.2Mpa若用传统的Mohr-Coulomb理论模型表征沥青混合料的力学特性，则沥青混合料的力学模型为：τ=σ·tgθ+ C，（式中τ为沥青混合料的抗剪强度，σ为材料受到的正应力）。
对表2—1的数据用应力圆表示为图2—4（a）、（b）。
从图（a）中可见，改性沥青和普通沥青的混合料θ值相差很小（分别为30.34°、30.82°），C值则有较大差异（前者C=0.748Mpa，后者为0.648Mpa），其原因是这两种混合料的集料级配和压实度相同（所以摩擦角θ值相近），而沥青结合料性质不同（改性沥青因为粘度大而C值较大，故凝聚力有差异，）。
1-1-3 矿质混合料的组成设计方法 (1)
8 100 100 24～ 50
2 90 100 15～ 38
1 60 100 10～ 28
0 7 5～ 15
0 1 88 4～8
砂 矿粉
标准级配范围
2014-2-1
25
砂石材料 第四步：校核 第一章 表1-2 矿质混合料的组成校核表
筛孔尺寸／mm 原材料 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3
第一章 砂石材料
u教学目的:了解和掌握砂石材料的技术性质和技
术要求，结合工程实例合理选择和应用砂石料
u重点：砂石材料的物理性质、力学性质 u难点:矿质混合料的级配设计
1
第一章 砂石材料
学习内容
p 1.砂石材料的技术性质 p 2.矿质混合料的组织设计 p 3.试验课内容：
ü 12 集料的筛分试验 ü 15 粗集料针片状颗粒含量试验
筛孔尺寸／mm 原材料 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3
0.15 O.075
通过百分率/% 碎石
各矿质集 料通过百 分率（%）
100 100 100 100
95 100 100 90～ 100
63 100 100 68～ 85
28 100 100 38～ 68
2014-2-1
14
第一章 砂石材料
修正平衡面积法（图解法）
l纵坐标按算术坐标，标出通过百分率(0～100％)。 l横坐标筛孔尺寸位置的确定：将合成级配范围中值标于 纵坐标上，从各纵坐标点引水平线与对角线相交，从交 点做垂线与横坐标相交，其各交点所对应的值即为各相 应筛孔孔径。
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15
A.N.泰波认为富勒曲线是一种理想曲线，实际矿料应允 许有一定的波动范围，故将富勒最大密度曲线改为几次幂 的通式
检测培训《粗、细集料试验、矿料级配设计》07-11-6
5. 坚固性
除前述的将原岩加工成规则试块进行 抗冻性和坚固性试验外，对已轧制成的碎 石或天然卵石，亦可采用规定级配的各粒 级集料，按现行《公路工程集料试验规程 JTG E42—2005》规定，选取规定数量的 集料，分别装在金属网篮中浸入饱和硫酸 钠溶液中进行干湿循环试验。经一定的循 环次数后，观察其表面破坏情况，并用质 量损失百分率来计算其坚固性。
分计筛余、累计筛余和通过量的关系
筛孔尺寸 /mm
d0 = Dmax d1 d2 d3 d4 d5 ┇ dk ┇ dn
存留质量/g
m0 = 0 m1 m2 m3 m4 m5 ┇ mk ┇ mn
分计筛余/%
α 0=0 α 1 α 2 α 3 α 4 α 5 ┇ α k ┇ α n A0 = 0 A1 = α A2 = α A3 = α A4 = α A5 = α
3. 级配(Gradation)
级配:
粗集料中各组成颗粒的分级和搭配称为 级配，级配通过筛分试验确定。
集料级配有关的参数：分计筛余百分率、 累计筛余百分率和通过百分率。
1、分计筛余百分率 是指某号筛上的筛余质量占试样总质量百分率
2、累计筛余百分率 是指某号筛的分计筛余百分率和大于该号筛的各筛 分计筛余百分率之总和 3、通过百分率 是指通过某号筛的试样质量占试样总质量的百分 率，即100与某号筛累计筛余百分率之差
a
0
m0 m1 m2
T
(2)细集料的毛体积密度、表干密度（饱和面干密度）、 吸水率 [细集料毛体积密度、表干密度测定方法]：按照《公路 工程集料试验规程JTG E42—2005》规定，将细集料在 水中浸24h，使开口孔隙饱水，再适当蒸发表面水后放 人饱和面干试模，提起饱和面于试模后要求饱和面干试 样的塌陷形状如图1－8，立即称取饱和面干试样质量m3， 迅速放人容量瓶中，将水加满，称其质量m2。倒出容量 瓶中的水和细集料并装满水，称得容量瓶装满水的质量 为m1，将倒出的细集料在规定条件(105℃±5℃烘干至 恒重)下烘干后称其质量为m0。按式(1—25)和式(1—26) 计算出毛体积密度ρb、表干密度ρs。
基于分形理论SMA-13级配设计与路用性能分析
采用同一油石比 ６０％对上述 ５组级配进行混 合料性能试验研究，以空隙率、ＶＣＡ、动稳定度以 及水稳性作为评价指标，试验结果如表 ７所示。
表 ７ 沥青混合料性能试验结果
级配类型
空隙 率 ／％
ＶＣＡｍｉｘ
ＶＣＡＤＲＧ
动稳定度 ／ （次·ｍｍ－１）
冻融劈裂 ＴＳＲ／％
ＳＭＡ－１３－１ ４６ ＳＭＡ－１３－２ ２９ ＳＭＡ－１３－３ ３７ ＳＭＡ－１３－４ ５６ ＳＭＡ－１３－５ ３４
８０
湖南交通科技
表 ５ 分形维数与主要粒径通过率之间相关性
筛孔尺寸 ／ｍｍ 相关系数 Ｒ２ 筛孔尺寸 ／ｍｍ 相关系数 Ｒ２
１３２ ９５ ４７５
０２４ ０１９ ０３５
２３６ ００７５
—
０７５ ０６２
—
４７卷
图 ２ ＦＡｃ与 Ｄｆ的相关性 图 ３ ＦＡｃ与 Ｄｃ的相关性
图 ５ ＣＡ与粗集料分形维数的相关性
００７５ ７ １０ ８ ８
１１
图 １ 典型的 δ／δｍａｘ与 Ｐ （δ） 的对数关系图
细集料分界筛孔处存在明显拐点，此时采用单一分 形维数表达间断级配集料分布显然不合适。借鉴贝 雷法粗细集料划分标准，采用二重分形维数即粗集 料分形维数 ＤＣ 和细集料分形维数 Ｄｆ来表征 ＳＭＡ 的级配分形特征。
根据式 （２），对表 ３中各级配经双对数处理 后，回归拟合计算得到各级配的分形维数 Ｄ。７组 级配分形维数如表 ４所示。
测试结果 １０１ １７８ ２９５１ ９２ ５级 ４８
推荐的 ＳＭＡ－１３级配范围。对表 ３中的 ＳＭＡ级配
技术要求≤２６ ≤２８ ≥２６ ≤１５ ≥５级 ≥４２
按照式 （２） 进行回归分析发现 （见图 １），在粗
东北季冻区矿料级配设计理论
东北季冻区矿料级配设计理论研究摘要：简述了沥青混合料矿料级配设计的理论基础和以粒子干涉理论为基础的间断级配理论。
通过针对东北季冻区气候特点和路面性能的分析，阐述了骨架型沥青混合料矿料级配理论和分型理论的优缺点，指出了多级嵌挤骨架密实型沥青混合料矿料级配设计对东北季冻区高速公路发展有着重大的研究意义。
关键词：季冻区；沥青路面；矿料级配；骨架密实我国北方大部分地区都属于季节性冰冻地区，为了使沥青路面满足季冻区气候特征的要求，沥青混合料必须具有良好的低温抗裂性能、高温抗变形能力、抗滑性能、抗水损害能力、耐久性等路用性能。
沥青混合料的设计其目的就是对矿料结构组成进行优化，形成一个稳定结构，使设计的沥青路面各项性能比较均衡，满足全功能沥青路面的要求。
因此，在沥青混合料级的设计中，矿料级配设计的研究是非常重要的。
1沥青混合料矿料级配设计的理论基础级配组成理论的研究，最早发源于我国的垛积理论，但是没有得到广泛的发展。
目前常用的级配理论主要有最大密度曲线理论、粒子干涉理论及分形理论。
富勒(w.b.fuller)提出的最大密度曲线是一种理想曲线。
该理论认为当曲线接近于抛物线时可获得最大密度，主要应用于连续级配。
以此理论为基础，发展出以几种级配的算法：泰波提出的n法。
此种方法只是强调如何使级配达到最大密实度，没有考虑是否形成骨架密实结构，满足不了级配的设计要求。
同济大学林绣贤提出的i法。
此种方法通过确定通过百分率的递减率i的范围，确定粗集料和细集料的级配。
泰波法中的幂指数n与林氏法中的i两者存在着一定联系，都存在一个缺点，即它们都是无穷级数，最小粒径不能得到控制，会使矿粉用量偏多而影响路面的稳定性。
然而前苏联伊万诺夫提出k法却能控制最小粒径的通过量，不会造成矿粉过多的问题。
c.a.g魏矛斯(weymouth)提出的粒子干涉理论认为颗粒之间的空隙应由次小一级的颗粒所填充，其余空隙由再次一级的颗粒所填充，填隙颗粒的直径不能大于空隙之间的距离，否则，颗粒之间将发生粒子干涉现象。
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矿料的级配
1.概念 矿料的级配组成是指矿料中不同粒径的粒料相互之间的比例关系，通常称为矿料 级配或简称级配。级配通常以不同粒径粒料的质量百分率来表示。 2.级配原则及目的 合理地确定矿质集料的级配组成是沥青混合料的组成设计中一个重要内容，一种 良好的矿料级配组成，应该使其孔隙率在热稳定性容许的条件下为最小，同时应 具有充分的矿料比表面积，以形成足够的结构沥青裹覆矿料颗粒，从而保证矿料 颗粒之间处于最紧密的状态并为矿料与沥青之间的相互作用创造良好条件，使沥
矿料级配计算方法
2.4多级嵌挤密实级配设计方法（MDBG） 多级嵌挤密实级配设计方法（ MDBG）以逐级填充理论和粒子干涉理论为设计依 据, 以贝雷法为设计和检验标准, 包括粗集料级配设计、细集料级配设计、合成级配 设计及贝雷法对设计级配的检验。
矿料级配类型
2.间断级配 间断级配是指矿料组成中大小颗粒不连续存在，而在某一个或某几个粒径范围内没 有或者有很少矿料颗粒所组成的一种矿质混合料。这种矿质混合料既有足够的粗集料 形成骨架，又有较多的细集料填充骨架空隙。
不同类型矿料级配曲线
矿料级配理论
级配理论发源于我国的垛积理论，但由于理论模型与实际情况的差异，这一理论
在级配应用上并没有得到发展。目前常用的级配理论主要有最大密度曲线理论和离子
干涉理论。 1.最大密度曲线理论（Fuller）
最大密度曲线理论是通过实验提出一种理想曲线，当矿料按照最大密度曲线组成
时，密度最大。该理论主要用于计算连续级配。 2.粒子干涉理论（Weymouth)
粒子干涉理论认为，为达到最大密度，前一级颗粒之间的空隙，应由下一级颗粒
青混合料最大限度地发挥其结构强度效应，获得最佳的使用品质。
矿料级配类型
1.连续级配 连续级配是指矿料各级粒径的矿料，由大到小逐级按一定的重量比例组成的一 种矿质混合料，其级配曲线平顺圆滑，具有连续的性质。根据各级粒料的含量不同 ，连续级配可以分为连续密级配和连续开级配。 1.1连续密级配 连续密级配矿料密实度较大，但由于其中粗集料含量较少，且由于各级粒料都有 一定的数量，造成各级较大的颗粒都被较小的颗粒推挤开，因此矿料无法形成骨架 结构，粗集料悬浮于较小的颗粒之中。这种矿料级配的强度特性取决于黏聚力，高 温重载条件下容易出现热稳定性不足引起的路面病害。 1.2连续开级配 粗集料含量相对于密级配沥青混合料有所增加，其粗集料可以形成骨架作用，但 由于细集料含量很少，所以无法充分填充粗集料之间的空隙，是沥青混合料孔隙率 较大。这种矿料级配强度特性取决于内摩阻力，热稳定好，但耐久性较差。
所填充，其余空隙又由次小颗粒所填充;但填隙的颗粒粒径不得大于其间隙之间的距 离，否则大小颗粒之间势必发生干涉现象。该理论不仅可以用于计算连续级配，而且
可以用于计算间断级配。
矿料级配计算方法
1.连续级配
传统的连续级配的计算方法是在20世纪初，由美国学者Fuller根据最大密度理论
提出的，该理论认为当矿料的级配曲线为为抛物线时，即符合式(1)时，混合料可以 达到最大密实度状态。
d 0.5 Pd ( ) .......( 1) D
其中： Pd 为筛孔直径为d的通过量；D为最大粒径。
FULLER曲线成为了各种级配曲线组成形式的理论基础，如泰波改进的n法、林秀
贤的i法、前苏联的k法等。
矿料级配计算方法
1.1泰波n法 泰波认为富勒公式是一种理想的级配曲线，实际上要获得最大密度会有一定的波 范围，于是于是将富勒公式改成如下表达式：
林绣贤提出当颗粒粒径以1/2递减时直接采用“通过百分率递减系数i为参数”的矿
料级配组成计算方法（简称i法）过率为 100 i
2
%
以公式表示，则为：
Px 100i x 1
式中：Px当粒径按1/2递减时，矿料在第x级筛的通过百分率；
矿料级配计算方法
2.2粗集料体积设计方法(CAVF) 粗集料体积设计方法是张肖宁等在1995年提出来的，其设计思路是：首先实测主
骨架颗粒的空隙率，计算其孔隙体积。使细集料体积、沥青体积、矿粉体积及沥青混
合料最终设计空隙体积之总和等于骨架空隙体积。CAVF法即强调主骨架的充分嵌挤 作用，又充分利用细集料的填充、粘结作用，把嵌挤原则和填充原则有机结合起来。 2.3多碎石沥青混凝土(SAC)级配设计方法 SAC矿料级配设计方法是沙庆林院士提出的，其基本原理与CAVF法一致。SAC 将矿料分为三部分：一部分是粗颗粒；第二部分是细颗粒；第三部分是填料。粗细颗 粒的分界线统一定为4.75 mm。最大粒径Dmax~4.75 mm为粗颗粒， 4.75~0.075 mm为细颗粒，小于0.075 mm为填料。所以，其矿料级配计算也 分别按粗颗粒和细颗粒（事先确定填料含量）两部分进行。
d n Pd ( ) .......(2) D
泰波根据理论分析和试验认为，当n=0. 25~0. 35，集料可以获得最大密度。 日本的研究认为，当n=0. 35~0. 45，集料级配最好。《美国Superpave沥青 混合料设计规范》规定，集料级配曲线指数应取0. 45 。
矿料级配计算方法
1.2林绣贤i法
x矿料粒径的级数，最大粒径为D1时，x=1，则D1/2时，x=2；
i通过百分率的递减系数。 i=0.65~0.75时可以得到比较密实和使用效果满意的混合料。
矿料级配计算方法
2.间断级配 间断级配的计算方法以Weymouth粒子干涉理论为基础，发展而成的设计方法有 贝雷法、粗集料体积设计方法(CAVF)、多碎石沥青混凝土(SAC)级配设计方法以及 多级嵌挤密实级配设计方法（MDBG）。 2.1贝雷法 贝雷法是由伊利诺州交通部的罗伯特· 贝雷（Robert Bailey）发明的。其思路是 将矿料分为形成骨架的粗集料和填充孔隙的细集料，而粗细集料的分界筛孔尺寸随公 称最大粒径而变。 由于采用贝雷法设计集料配合比时十分复杂，因而国内常用贝雷法进行级配的检验 。