关键词：道路工程 | 高模量沥青混合料 | 矿料级配 | 力学性能 | 动态模量 | 疲劳性能

沥青混合料由矿料与沥青两种材料组成，矿料级配对沥青混合料性能的影响不言而喻。目前国内外关于矿料级配设计理论的研究较多，如zui大密度线理论、粒子干涉理论、计算法、骨架嵌挤理论、体积设计法等，但这些理论本质上是相通或类似的，即只有zui大程度的减小粒子干涉效应才能达到zui大密度，才能形成稳定的骨架嵌挤结构。

相对于目前常用的各种沥青混合料而言，EME在更大的程度上依靠沥青胶结料来提高强度和性能，多采用低针入度的硬质沥青或在混合料中加入外掺剂。正因为沥青的性能发生了显著改变，因此EME对级配的要求相对宽松。本文采用针入度为30(0.1mm)的低标号沥青，对比了国内常用的几种典型级配混合料的力学性能，分析矿料级配对混合料动态模量和抗疲劳性能的影响。

矿料级配

EME级配要求

法国EME更倾向于采用连续级配，且要求在对数坐标系下为光滑的曲线，但其标准中并没有对沥青混合料矿料级配曲线(颗粒分布曲线)的规定，仅对0. 063mm、2mm、4mm及6mm筛孔的通过率进行了规定。这些规定并不能直接用于我国现行的沥青混合料设计体系中。我国规范中集料公称zui大粒径(NMPS)指集料可能全部通过或允许有少量不通过(筛余≤10%)的zui小标准筛筛孔尺寸，通常比集料zui大粒径小一个粒级；法国标准中采用的集料zui大粒径D指满足2D尺寸筛孔的集料通过率为100%，1.4D尺寸筛孔集料通过率为98%~100%，D尺寸筛孔集料通过率为85%～98%的筛孔尺寸。法国标准中EME的关键筛孔通过率范围见表1。

从表1数据可见，法国标准建议的EME级配控制范围较我国规范更窄一些，关键筛孔目标通过率较我国常用的控制值高，也就是说法国标准高模量沥青混合料所采用的矿料级配总体上偏细。图1为法国标准中EME20级配控制范围与我国规范中AC20沥青混合料级配范围中值曲线在对数坐标曲线下的对比，其中AC20级配各筛孔的中值通过率按照内插法换算到法国标准筛孔体系下。从图中可以看出，我国规范所采用的级配与法国标准控制的级配存在较大区别，同时我国规范中的级配控制范围中值在对数坐标体系下存在驼峰，与法国标准连续光滑级配曲线的要求相悖。

典型矿料级配

选取的4种典型级配，包括河北GTM试验方法采用的级配、superpave级配、SAC级配及采用贝雷法设计的矿料级配，集料zui大公称粒径均为20mm。其中，贝雷法设计的级配无级配范围的概念，因此先将前3种级配的级配范围绘制在一起进行对比，其中SAC20级配的上限及下限分别取其级配中4.75mm筛孔通过率为40%及30%的级配曲线，对比结果见图2。

从图2可见，GTM20与SUP20级配范围的差异较小，两者的上限除1.18mm、0.6mm及0.075mm筛孔的通过率存在2%~3%的差别外，其它各筛孔通过率zui大相差1%，而两者的级配范围下限除19.0mm筛孔通过率存在5%的差别外，其它各筛孔的通过率相差均在1%~2%，但在0.3mm及以下筛孔，GTM20级配要求的通过均高于SUP20级配2%。总体而言，两者级配范围相差较大的点出现在19.0mm筛孔及super-pave级配范围的限制区内。

SAC20的级配范围与GTM20及SUP20相比则存在显著不同。首先，其上下限之间的范围相对较小，特别是其上下限端部两筛孔的通过率相等，使得其整个级配范围形成闭合;其次，SAC20的级配整体更粗一些，尤其在9.5mm及以下筛孔，其上限靠近GTM及SUP级配的中值及下限，而其下限在2.36~9.5mm筛孔范围内均在GTM及SUP级配范围的下限之外，但下限的两端又均在另外两者的范围之内。总体而言，SAC级配的中间部分筛孔偏粗，而较大筛孔部分偏细，较细筛孔部分通过率适中。

在上述级配范围的基础上，结合各级配的应用经验和所采用集料的具体情况，分别确定了EME20、GTM20、SUP20及SAC20的级配曲线，另外采用贝雷法确定了BAL20级配曲线，5条级配曲线的对比见图3。

从图中可见，5条级配曲线的主要区别在于中间筛孔的通过率不同，相比之下，5种级配由细到粗的排序为EME→GTM→SUP→BAL→SAC，相应的4.75mm筛孔的通过率由大到小分别为52.8%、44.5%、41.2%、37.5%及35.4%，粗集料含量zui大差值为17.4%。

表2为EME20及4种典型级配各筛孔的质量通过百分率，从数值上看，GTM、SUP、SAC及BAL4种级配0.075mm筛孔的通过率基本相当，zui大差值为0.6%，而EME级配0.075mm筛孔的通过率较高，达到7.3%，5种级配2.36~4.75mm档集料的含量分别为19.1%，13.3%、12.5%、9.6%及11.5%，zui大差值为9.5%。总体上4种典型级配细集料部分的相差不是太明显，而EME级配细集料含量稍多，在4.75mm筛孔以下明显偏细。

试验结果

配合比设计

在级配确定的基础上，采用30号沥青，依据已有配合比设计数据确定混合料的油石比，EME级配的油石比为4.8%，GTM、SUP及BAL3种级配均为4.5%，SAC级配为4.2%，相应的沥青膜厚度分别为EME7.52μm、GTM8.39μm、SUP8.45μm、BAL8.51μm、SAC8.58μm，粉胶比分别为1.52、1.29、1.33、1.31及1.36。

确定配合比后，制备1500px×1000px×325px的大块试件，切割为上底宽25mm、下底宽70mm、高250mm、厚25mm的梯形试件进行试验，梯形试件的体积孔隙率均在2%～3%，无显著差异。

动态模量

参照EN12697－26中梯形试件两点弯曲的试验方法进行动态模量测试，测试的温度为15℃，共采用40Hz、30Hz、20Hz、10Hz等4个加载频率，采用4个试件进行平行试验。不同频率下的模量及相位角测试结果见表3、图4、图5所示。

由试验结果可见，级配对混合料的模量有一定影响，EME及GTM级配混合料的模量相对于其它3种级配较高，平均提高约8%；而superpave、SAC及贝雷法3种级配混合料的模量相差不大，均在同一水平，相比之下采用较小油石比的SAC级配混合料模量略高。整体上从级配分析可见，级配组成中细集料含量高有利于提高混合料的弯拉动态模量，这可能与偏细的级配具有相对较大的比表面积有关。EME级配的模量略低于GTM级配或与其沥青膜厚度较小有关。

从相位角的对比上看，EME、GTM与SAC级配混合料在不同频率下的相位角基本一致，而superpave级配混合料与贝雷法级配混合料在不同频率下的相位角基本一致，说明相应级配混合料的粘弹特性比较接近。

疲劳性能

参照EN12697-24中梯形试件两点弯曲的试验方法进行疲劳性能测试，梯形试件尺寸与模量测试采用的试件尺寸相同。疲劳试验的温度为10℃，采用25Hz的加载频率。疲劳试验的失效标准为初始模量衰减50%。每种级配均采用3个应变控制水平，每水平6个平行试件，不同级配混合料的疲劳试验结果见表4所示。

从表4疲劳试验结果可见，依然是级配越连续、细集料含量越多的混合料抗疲劳性能越好，其中在130με水平下，GTM级配混合料的疲劳寿命达到SAC及贝雷级配的2倍以上，较superpave级配提高25%以上，而EME级配混合料虽然沥青膜厚度小于GTM级配，但其细集料含量相对更高，因此疲劳寿命较GTM级配仍提高近40%，这或与其比表面积更大有关。

图6、图7分别为5种混合料疲劳曲线及130με水平下加载力的衰减曲线，从加载力的衰减曲线看，连续性越好、细集料含量越多，疲劳加载过程中平稳阶段的加载力(模量)衰减速率也越小，平稳阶段相对越长。

结论

本文中5种级配混合料的两点弯曲动态模量及疲劳试验结果表明：

(1)相同沥青用量条件下级配越连续、细集料含量越多越有利于提高混合料的两点弯曲动态模量及抗疲劳性能。

(2)级配对混合料动态模量的影响程度总体上并不显著，在沥青及用量不变的条件下，调整级配对混合料模量的影响程度不超过10%。

(3)调整级配，增加细集料的用量可显著提高混合料的疲劳寿命，提高幅度在20%以上。

参考文献：

[1]陈忠达，袁万杰，郑东启.级配理论应用研究.重庆交通学院学报2005,24(4):44 -48.

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[3]张宗涛,刘中林,郝培文,等.间断密级配沥青混合料配合比设计方法.西安公路交通大学学报,2001,21(4):22-25.

[4]沙庆林.SAC 和其他粗集料断级配的矿料级配设计方法.公路2005(1):143 -150.

[5]潭忆秋,张肖宁.用体积法设计混合料的配合比.哈尔滨建筑大学学报,1999,32(3):106-111.

全文完  发布于《道路工程》2018年第2期   

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