沥青混合料的级配设计原则与方法

沥青混合料的级配设计原则与方法
王林宋树喜
山东省交通科学研究所山东省烟台市交通局质检站
1 引言
近年来，随着对高等级沥青路面技术的进一步研究，对于路面沥青混合料的认识提高逐渐提高。

特别是近年来国际上一些先进的设计方法和设计理念的引进，为我们在沥青混合料的设计方面注入了新的活力。

以往许多认识的误区正进一步得到澄清，对路面沥青混合料的研究与认识己经进入了一个崭新的阶段。

以往对沥青混合料的级配选择问题的认识就是许多误区中的一个，我们逐渐认识到，对于沥青混合料的级配选择不再是千篇一律地选择级配范围的中值，而是根据路面的运输和气候条件和集料的自身特性进行优化选择。

正在修订的公路沥青路面施工技术规范和公路沥青路面设计规范也将级配的选择作为重要的修订内容。

在这种前提条件下对进行沥青混合料设计的工程技术人员提出了更高要求，需要对沥青混合料的级配性质充分认识，做到有的放矢。

本文将笔者近年来对沥青混合料级配的学习和研究的认识加以阐述，以抛砖引玉。

沥青路面的使用性能很大程度上取决于沥青混合料的体积特性和压实特性。

一般认为，如果路面沥青混合料的压实稳定性差，使用过程中空隙率过小容易出现车辙和泛油现象，而路面空隙率过大也容易出现水损、老化和失稳现象。

沥青混合料在一定压实条件下的体积特性由矿料的体积特性和沥青胶结料的含量和性质确定。

矿料的体积特性直观地反映在一定压实条件下的矿料间隙率VMA 的变化。

影响矿料体积特性的主要因素有：矿料的级配、矿料材质的硬度、表面纹理、颗粒的形状、压实条件。

级配是指沥青混合料中矿料不同粒径的分布，一般采用各个筛孔的通过率表示。

它是沥青混合料中矿料的最重要特性，几乎影响到沥青混合料的几乎所有重要特性，包括劲度、稳定性、耐久性、渗水性、施工和易性、抗疲劳能力、抗滑能力甚至抗开裂能力。

根据美国沥青路面协会NAPA的资料指出，对于高压力作用下的沥青混合料，如果是一个稳定的混合料，高温车辙的抗力80％是由集料骨架结构提供的，其余的20％是由沥青胶结料提供。

虽然这个比例笔者认为有些片面夸大矿料结构的作用，但也足以说明矿料结构在沥青混合料中的重要性。

2 对矿料级配的主要相关研究
在对级配研究过程中我们发现，早期的级配研究主要是采用最大密实度理论，研究如何得到矿料的最大密实度。

考虑的沥青混合料的特殊性，当时认为良好的沥青混合料级配组成应该是在热稳定性允许的条件下混合料的空隙率最小，以及保证一定的矿料比表面积使沥青可以裹覆，并使矿料之间处于最密实状态。

最大密实理论主要有以下几种代表性理论。

早在1900年Weymouth提出级配的干涉理论，在研究小球分布规律时，他指出，小于某一筛孔的部分与以上部分最密实时，在对数坐标图上是一条斜率等于0.5 的直线。

之后许多人采用小球对级配进行了进一步的研究，W．B．FULLER提出的FULLER曲线、A.N.TABOL提出TABOL曲线（即N法），Bolomey，他提出的最大理论密度公式。

1930年Nijboer采用实际的集料代替不同粒径的小球研究其最大密实性。

他也是采用对数坐标进行研究，他发现，和小球不同的是最大密实线的斜率不是0.5而是0.45。

其研究结果适合于破碎集料和非破碎集料。

最大密实理论的研究为连续级配沥青混合料的级配选择提供了理论基础，具有最大密度的沥青混合料通过增大内部颗粒的接触与减少集料孔隙可以提供更大的密实度。

热拌沥青混合料具有最大密度在级配理论上似乎是合理的，但是由于最大密实理论计算出的矿料级配组成过于密实，通常含有过量的填充料，致使沥青胶结料没有足够的体积变化空间，以适应沥青胶结料高温膨胀的要求，另外，在最大密实状态的矿质混合料，较粗的集料通常悬浮在较细的集料中，并不能保证矿质混合料具有较大的内摩阻力。

经过实践证明通常这些级配曲线并不能过直接地应用到工程实践中去，因为混合料必须留有一定的孔隙以保证其耐久性，避免泛油现象和车辙的发生。

通常最大理论密度线
只能作为级配曲线的参考线，以偏离最大理论密度线的多少来估计混合料的矿质混合料参与空隙的多少。

除了密实以外，级配则需要充分考虑高温稳定性、抗离析能力、施工特性（压实特性等）各方面的因素。

而这些性能因素与沥青混合料的体积性质以及粗集料的比例组成有着更直接的关系。

与矿质混合料级配性质最密切的体积指标就是矿料间隙率VMA。

为了将沥青混合料的级配与使用性能建立起关系，许多业内人士针对沥青混合料的实用级配进行了大量的研究，这方面主要成果主要有：
1950年Mcleod进行了以推荐最小矿料间隙率为基础的实用性能研究，经过研究认为如果沥青混合料中矿料过于密实，将产生软弱的沥青混合料。

另外，提出了不同最大公称尺寸的矿质混合料其最小间隙率VMA的要求。

为了增加矿料孔隙率，级配曲线需要离开最大理论密度线。

该技术指标的提出，为设计出高温稳定性较好的沥青混合料打下了基础。

1962年Goode和Lufsey发表了他们的研究成果，他们进一步发展了Nijboer的研究成果，使之应用于道路建设中。

他们发明了一种特殊的级配曲线图，纵向采用通过率，横向采用粒径尺寸的0．45次方，形成了早期使用的0.45次方级配曲线图。

他们通过对24个级配的研究，得出天然砂的含量和沥青混合料稳定性的影响关系。

他们指出在0.6mm对应的最大理论密度线附近存在着一个不稳定区。

天然砂含量过高，级配曲线通过不稳定区将产生不稳定的驼峰级配（“hump”）沥青混合料。

研究给出了几种典型的软弱混合料的级配特点。

1965年Hudson和Davis进一步研究Nijboer的研究成果，研究出根据级配组成预估沥青混合料矿料间隙率的方法。

根据他们的研究，筛孔尺寸以两倍关系递增的条件下，相邻不同粒径的通过率的比例关系与矿料间隙率的变化呈一定的系数关系。

根据这种系数关系，在知道初始填充料的孔隙率以后就可以计算预估出整个混合料的矿料间隙率。

前苏联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实理论（简称K法）。

我国同济大学参照n法和k法提出直接采用通过率递减系数i为参数的级配组成计算方法，（简称i法）。

按照国外规定和我国的经验，i=0.65~0.75。

SUPERPA VE的级配理论直接出自于“SHRP”计划的SHRP－A－408的报告。

1994年Cominsky.R，R.B.Leahy等提交了SHRP－A－408的报告，LEVEL ONE MIX DESIGN：Materials Selection Compaction，and Conditioning。

该报告采用了一种叫做“改良特尔菲”的集思方法，对专家组成员进行调查和咨询，该调查进行了五轮，SHRP研究者确定出范围和规范、级配控制点、0.45次方级配曲线图等。

限制区起初定义为：“在最大理论密度线上从0.3～2.36mm附近级“贝雷法”设计配曲线不适宜通过的部分”。

这就是目前Superpave级配要求的由来。

为了进一步研究限制区和级配等问题，美国联合攻关项目NCHRP 9-l4“Superpave集料规范中限制区的研究”继续开展对级配相关性能的研究。

3 级配的表征与确定方法
如何来表征级配曲线，我国以前没有统一的要求，常用的级配曲线图有的采用等分线坐标，有的采用半对数线坐标，有的采用平衡面积法绘制沥青混合料的级配曲线。

欧洲许多国家也多采用半对数坐标作为级配曲线的绘制图。

1962年JOSEPH．F．GOODE和LAWRENCE A．LUFSEY在AAPT 发表了论文详细论述了0.45 次方级配曲线图以及在该图上对沥青混合料级配性质的分析。

但是直到Superpave TM沥青混合料设计体系才将该图作为标准的级配曲线图。

由于采用0.45次方级配曲线图可以比较清晰地分析对比沥青混合料的体积性质和施工性质的某些特性，最近我国即将推出的新的沥青路面设计与施工技术规范也将0.45次方级配曲线图作为标准的级配曲线图。

美国Superpave TM沥青混合料设计体系采用该图来表征沥青混合料矿料的级配。

SHRP研究者确定出范围和规范、级配控制点、0.45次方级配曲线图等。

限制区起初定义为：“在最大理论密度线上从0.3～2.36mm附近级配曲线不适宜通过的部分”。

不同最大工称尺寸的混合料级配其限制区域控制点的范围可以参见Superpave TM的相关文献。

沥青混合料级配各筛孔的设置仍沿用ASTMD3515系列的的设置方法，即：75、150、300、600（μm）、l.18、2.36、4.75、9.5、12.5、19、25、37.5、50、
63（mm）。

见图3－l。

图3-1 0.45次方级配曲线图
4 级配对沥青混合料性能的影响
早在1940年Hveem对级配和性能的影响关系作了定性的研究分析，给出了可能发生问题的区域提示。

这几个区域主要分成四部分，如果在0.45次方级配曲线图上标示，各区域见图4-1。

图4-1 Hveem研究沥青混合料级配对性能的影响
（1）0.075～0.6mm，如果这一部分含量过高，属于驼峰级配，沥青含量稍多就会造成混合料的不稳定；
（2）0.15~2.36mm，如果这一部分含量过低，混合料孔隙过大，缺乏抗拉强度；
（3）最粗的集料部分含量过多，级配曲线最大筛孔附近过于陡直，则混合料容易离析：
（4）级配曲线最大筛孔附近过于平缓，粗集料相对较细，表面均匀易于修整。

1997年美国国家沥青技术中心的Mallick，R.B，M.S.Buchanan，E.R.Brown，采用全破碎集料和含有20％天然砂的集料，级配曲线分别通过限制区上中下测试其相关Superpave体积和压实性能。

根据其研究，得出了一下有关级配性质的主要结论：
（1）对于给定的集料级配，级配曲线在限制区以上和以下都可以得到比通过限制区要大的矿料间隙率；
（2）全部采用破碎集料的混合料比含有天然砂的混合料具有更高的矿料间隙率；
（3）混合料级配曲线位于限制区以下时，初始压实次数下具有较高的孔隙率；
（4）对于破碎集料，最大压实次数在限制区以上级配的孔隙率最大，限制区以下的孔隙率最小；
（5）含有天然砂的混合料级配，都不能满足Superpave体积指标要求，采用全破碎级料的混合料，其级配通过限制区和限制区以下的混合料都能满足Superpave体积指标要求；
（6）级配通过限制区设计出的混合料具有最小的沥青含量和最小的矿料间隙率：
（7）通过限制区的破碎混合料的体积性质好于含有20％天然砂而位于限制区以下的混合料。

目前已经结束NCHRP-149 “Superpave集料规范中限制区的研究”，并得出了一些关于限制区等方面的研究成果。

印第安纳交通部和普渡大学采用三轴试验和路面加速测试系统（APT）进行了相关的研究，也得出了相似的结论。

NCHRP9-14主要内容和结果包括：
（1）研究的第一、二部分采用最大公称尺寸为9.5的混合料，分别在设计压实次数为75、100和125次的压实条件下，代表沥青混合料适应于0.3～3、3～30、大于30个ESALs的交通量的条件下。

试验结果显示，没有避开限制区的混合料相似或好于避开限制区的混合料。

（2）研究的第三部分采用最大公称尺寸为19mm的混合料，分别在设计压实次数为75、100次的压实条件下，代表沥青混合料适应于0.3－3、3～30个ESALs的交通量的条件下。

试验结果显示，没有避开限制区的混合料相似或好于避开限制区的混合料。

（3）许多的研究表明，最大公称尺寸为9.5～37.5mm的混合料，设计压实次数从75、152次的压实条件下，得出的结果与该研究结果相似。

因此可以得出这样的建议：a．如果混合料可以满足Superpave的体积要求，细集料的棱角性可以满足Superpave的技术要求，限制区要求是没有必要的；b．AASHTO和Superpave规范中限制区的要求在任何交通量水平和最大公称尺寸下都是没有必要的。

（4）研究还得出一些其它与之相关的结论：
．避开限制区的级配通常可以得到较高的矿料间隙率，而穿过限制区的级配通常得到较小的矿料间隙率VMA。

．对于最大公称尺寸为9.5mm和19mm的混合料，通过限制区一般矿料间隙率较小，应当根据0．45次方级配曲线图上的最大理论密度线确定合理的位置。

．位于限制区以上的细级配和驼峰级配，比通过限制区的级配或限制区以下的级配在初始压实时密实度更大。

．尽管细集料的棱角性值高可以提高矿料间隙率，但并不一定必须使用高棱角性值的细集料。

高棱角性值的细集料在初始压实水平时可以提供更强壮的骨架。

根据我们近年来对沥青路面表面层混合料的研究和工程实践的经验，级配对路面沥青混合料的影响仍可以细化。

以最大公称尺寸为13.2mm的表面层混合料为例，至少在以下几个方面级配对混合料的性能有着重要的影响：
（1）0.075mm以下含量对混合料的最佳沥青含量、沥青膜厚度、沥青混合料的体积性质（VMA、VFA）、路面抗泛油的能力等性能的影响；
（2）0.075～1.18mm部分对混合料体积性质的影响；
（3）2.36、4.75mm通过率对混合料骨架结构、混合料的抗车辙能力、混合料的压实特性、混合料压实的不稳定区的影响；
（4）2.36～4.75mm部分含量对构造深度的影响；
（5）2.3 6、4.75mm以上对离析的影响；
（6）13.2mm通过率对混合料离析的影响；
（7）最大粒径对离析、压实性能的影响；
（8）级配粗集料部分的分布对压实不稳定区的影响。

5 交通、气候和材料的性质对沥青混合料级配的要求和影响
公路沥青路面要求压实成型以后的沥青混合料在高温和行车荷载的作用下稳定密实，要有一定的耐久性和抗水侵蚀的能力。

经过沥青路面技术人员的研究调查和总结，一般认为路面施工压实和
行车服务阶段要具有良好的体积性质才能保证路面的良好使用性能。

影响沥青路面的体积性质的内部因素最直接的是沥青混合料的矿料组成和沥青含量，其外部因素主要受到交通条件、气候条件和原材料的性质影响和制约。

在保证一定体积性质的情况下，这些外部条件直接影响到矿料的级配组成确定。

交通因素对路面沥青混合料的性能影响主要是路面沥青混合料的高温稳定性和抗疲劳破坏能力的影响。

表现在高温出现的车辙、拥包和疲劳产生的纵向裂缝和网裂等破坏。

交通条件因素主要是指交通量的大小、交通荷载的大小、是否是渠化交通以及行车速度的影响等。

因此在交通条件不利的条件下需要保证混合料具有坚强的矿料结构。

在Superpave TM沥青混合料设计体系中，对于沥青混合料的最终体积状态指标要求是相同的，而其成型条件和材料要求则根据交通量大小、行车速度以及温度条件的不同而不同(见表5-1)。

表5-1 Superpave旋转压实次数
由于美国道路的超载和过载现象不突出，因此设计者并没有考虑这方面的影响。

Superpave TM沥青混合料设计设计手册中对行车速度影响是这样考虑的。

“交通速度对路面中的胶结料劲度有影响，速度为50km／hr时的胶结料的视劲度比速度为100km／hr时的胶结料视劲度低，换言之PG对胶结料在50km／hr的劲度大约相当于PG64胶结料在100km／hr时的劲度……只有坚强的集料结构才能因为胶结料劲度的增力提供性能的增加。

胶结料将集料颗料锁住以提供抗车辙能力；胶结料本身不能承受荷载，也不能克服集料本身弱的骨架。

确定所选择的胶结料等级的最后一步就是要考虑这个地区历史上使用的等级，如果根据历史经验选择的胶结料似乎太软不能防止车辙，或者太硬不利于施工，那么就要重新考虑选择的胶结料等级。

”
澳大利亚的沥青混合料设计方法则是根据不同交通量等级在不同压实条件下有不同的体积指标要求，见表5-2，但是路面最终的压实效果要求却是相同的。

也就是说对于交通量较大的道路来说，设计的沥青混合料空隙率较大，级配较开，但是要通过施工过程强有力的压实，使路面最终具有良好的体积状态，这样在重车荷载作用下，沥青路面才能保持稳定状态。

因此，对于交通条件不利的情况下，为了保证沥青路面的稳定性，需要设计的沥青混合料具有坚强的稳定结构，这需要从原材料性质和矿料级配两部分进行保证。

在这种情况下，一方面要求沥青胶结料的劲度更大，矿料更坚硬并具有好的棱角性，另一方面要求所设计的级配较开，偏离最大理论密度线更远一些，这样在较强的压实条件下才能满足矿料间隙率要求。

气候条件主要指温度和降水的影响。

实际上对于沥青混合料劲度来说温度和荷载作用时间是等效的。

也就是说慢速相当于高温，快速相当于低温。

因此，对于高温地区，在沥青混合料设计时相当于按照重交通荷载进行设计。

对于降水大的地区，路面沥青混合料水稳定性的影响可能更大，因此要求压实以后的沥青混合料具有良好的密水性。

路面的密水性与路面的空隙率和混合料的最大直径和沥青混合料的类型有关，这主要取决于沥青混合料中连通孔隙平均直径的大小。

对于最大工称尺寸为4.75mm的密级配沥青混合料，8％的空隙率一般渗水系数小于300ml／min，而26.5 mm的密级配沥青混合料，6％的空隙率一般渗水系数大于300ml／min。

同样，粗级配沥青混合料（CDAC）的渗水系数远大于细级配沥青混合料（FDAC）。

下图5-l是CDAC－13混合料空隙率与渗水系数的关系。

我们一般要求路面空隙率小于7％就是基于水稳定性的要求。

图5-1 渗水系数于空隙率
矿料的性质对沥青混合料级配选择有着重要的影响，矿料对级配影响较大的性质有硬度、颗粒形状和表面纹理。

一般情况下遵循以下规律：
（1）棱角性较好的集料，级配选择是趋向密实，而圆滑的集料级配选择是趋向于更开一些；
（2）在沥青混合料中起到骨架作用的混合料期望具有更好的棱角性。

粗级配更要求具有好的粗集料棱角性，而细级配更期望具有好的细集料棱角性要求；
（3）对于密级配而言，针片状颗粒含量对沥青混合料的性质影响不大，一般小于30％的针片状颗粒对沥青混合料的性质没有更多的影响。

6 沥青混合料级配设计方法
究竟如何根据原材料的特性选定材料的级配，我们从美国引进了“贝雷法”设计的概念，经过近几年的研究和工程应用提出了“多级嵌挤密级配沥青混合料级配设计方法”。

我们对其数学模型和嵌挤状态选择以及级配参数的取值等方面进一步拓展研究，进一步拓展该方法的适用范围，试图通过在理论方面可以解释从沥青玛蹄脂碎石混合料到骨架密级配沥青混合料的各种沥青混合料集配组成原理。

并试图建立起混合料性能与级配控制的影响参数，并提出相应的技术要求，最终确定出以细集料的填充粒径和粗集料的嵌挤状态为基础的沥青混合料级配设计方法。

应用这种方法，我们可以根据原材料的体积性质设计出“多级嵌挤密级配沥青混合料”、沥青玛蹄指碎石混合料SMA、以及开级配沥青磨耗层OGFC和大碎石沥青混合料的级配组成。

我们将该级配设计方法与Superpave 混合料设计方法结合起来，将其级配设计方法作为混合料设计过程的一部分，使设计出的沥青混合料粗集料形成良好的粗集料嵌挤结构，沥青混合料的高温稳定性进一步提高，通过使用表现出良好的可操作性和应用前景。

“贝雷法”沥青混合料级配设计是由美国以利诺州交通部Robert D.Bailey先生发明的一套确定沥青混合料级配的方法。

经过Heritage Research Group近十年的内部使用和普渡大学进一步研究、实践和验证，认为采用该方法设计的沥青混合料具有良好的骨架结构，同时可以达到密实的效果，我们直译称之为“贝雷法”沥青混合料级配设计。

该设计方法也被美国著名的道路咨询公司IRES公司作为沥青混合料设计级配选择的重要的方法。

该方法的研究和应用情况在2001年AAPT论文中首次进行了相关的介绍。

2001年SUPERPA VE专家组将其讨论是否纳入到SUPERPA VE的沥青混合料设计体系中。

采用该方法设计的级配曲线走向通常属于SUPERPA VE粗级配的范畴，选择方法则根据原材料的性质特点，通过原集料的体积试验，设计成骨架密实的混合料材料结构。

采用该方法可以简化和优化混合料设计中级配结构选择的过程，使级配的选择根据材料、交通量状况有章可循。

“贝雷法”设计依据的数学模型是平面圆模型。

如下图6-l所示。

(a)全部圆形（0.15D）(b)2圆形、1片状（0.20D）
(c) 1圆形、2片状（0.24D）(d) 全部片状（0.29D）
图6-1“贝雷法”设计依据的数学模型
根据该数学模型，沥青混合料矿料组成中可以分为形成骨架的粗骨料和形成填充的细集料。

形成填充的粒径与骨料直径的关系根据圆形与片状的不同，大致系数在0.15～0.29之间。

统一考虑，形成第一级填充的细集料平均直径为最大公称尺寸的0.22倍。

即，最大公称尺寸乘以0.22即为主要控制粒径。

其设计原理是级配要求细集料的体积数量等于粗级料空隙的体积。

同样，细集料也按照此原理分成细集料中的粗集料与细集料中的细集料，并形成依次的填充状态。

多级嵌挤密级配级配设计原则
采用多级嵌挤密级配设计方法是将粗集料（大于最大公称尺寸的0.22倍的部分）形成一定的嵌挤状态，细集料逐级依次填充从而形成多级嵌挤的集（矿）料级配。

多级嵌挤密级配沥青混合料的级配设计分成两个部分，第一部分是通过对集料的体积性质进行试验和计算，使一定嵌挤状态下的细集料填充在一定嵌挤条件下的粗集料之中，使粗集料形成嵌挤骨架结构，从而提高沥青混合料的稳定性。

一般混合料，细集料的嵌挤状态介于松散状态和捣实状态之间而接近于捣实状态，而粗集料的嵌挤状态于松散状态和捣实状态之间而接近于松散状态。

第二部分通过级配参数对细集料的嵌挤和和混合料的性能进行约定。

级配控制参数
为了对粗集料部分的离析现象和压实不稳定性进行约束，对级配的粗集料部分组成提出插CA 比要求。

同样，为了保证第二级和第三级形成嵌挤状态，采用FAC比和FAF比对级配的细集料部分的嵌挤进行约束。

分界点的划分见图6-2。

级配参数的计算和相关表述如下：NMPS——最大公称尺寸处。