湖南地区高速公路沥青路面集料级配和结构设计探讨

摘要：本文阐述了用沥青混凝土路面集料级配设计的“I”法，计算各结构类型级配范围；再用多级嵌挤密级配的“贝雷法”检验集料的骨架形成；通过计算调整可以达到抗车辙和推移较好的级配。结合湖南地区高速公路沥青混凝土路面集较级配和结构设计现状进行了理论与实践相结合的比较，得出了相关结论。

关键词：沥青路面；集料；级配；结构设计；I法；贝雷法；Superpave； 1前言

2003年以前，我国大部分的高速公路沥青路面面层结构厚度几乎都是4cm的沥青混凝土上面层加上5cm沥青混凝土中面层再加上6cm沥青混凝土下面层

[1]。在执行规范的时候，相关部门没有根据当地的实际情况，对技术要求进行科学的、辩证的分析；没有根据当地的材料、施工水平、经济实力，尤其是使用多年的成功经验，规定更具体的指标。当然采用SBS、SBR、PE改性沥青和PR颗粒改性剂或同时使用多种措施，提高沥青混合料的高低温性能，这些措施无疑是起到了一定的作用，但是，一吨改性沥青的价格比普通重交沥青高50%，抬高了高速公路的造价。因此，寻求一种经济合理技术上可行的方法，即立足当地材料，从集料的级配入手，就可提高沥青混合料的高温路用性能的方法是非常必要的。本文针对湖南省的气候特点，通过计算分析，提出适合湖南省气候区的集料级配建议范围，以及经过试验路段的验证结果，供设计和施工者参考。

2 集料组成的理论研究

2.1“I”法

该法是20世纪70年代国际上经过研究提出的方法，其计算公式[1]为：

P=P0Ix

式中：P为不同粒径d处的通过率（%）；P0为最大公称粒径D处的通过率（%）；I为通过率系数；x为级数，x=3.32Lg(D/d)，即粒径每递减1/2为一级。

2.2“贝雷法”

该法由美国伊利诺伊州交通部Robert D.Bailey先生发明，经过Heritage Research Gyoup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。 “贝雷法”设计依据的数学模型是平面模型。根据该数学模型，沥青混合矿料组成中可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，其系数大致为0.15~0.29；为了统一考虑，形成第一级填充的细集料平均直径为公称最大粒径的0.22倍，即公称最大粒径乘以0.22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集料空隙的体

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。

为了约束粗集料部分的离析现象和压实不稳定性，对级配的粗集料部分组成提出按CA比控制，即CA比=（D/2粒径处的通过率-F1粒径处的通过率）/(100%-D/2粒径处的通过率)。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，即FAC比=F2粒径处的通过率/F1粒径处的通过率；FAF比=F3粒径处的通过率/F2粒径处的通过率。

式中：D为公称最大粒径处，D/2为公称最大粒径的1/2处；F1为粗细集料的分界点，在公称最大粒径的0.22倍处，是形成嵌挤的第一级分界点；F2为第二级分界点，为F1的0.22倍处；F3为第三级分界点，为F2的0.22倍处。

2.3“I”法与“贝雷法”之间的联系

由“I”法的通过率P=P0Ix，令x1为最大公称粒径1/2处的指数，x2为最大公称粒径0.25倍(采用林秀贤教授的建议值)F1处I的指数，x3为F2处I的指数，x4为F3处I的指数，代入公式x=3.32lg(D/d)，得x1=1,x2=2,x3=4,x4=8，代入“贝雷法”的粗细料率AC、FAC、FAF的计算公式，得

AC=(P0×I-P0×I2)/100%-P0×I)

FAC=I2

FAF=I2

通过上述推导建立了AC、FAC、FAF与“I”法之间的联系，“I”法计算集料级配时，当集料从中心控制点（最大公称粒径的0.22倍，实际上是最大公称粒径的0.25倍），上面通过时（细型），d＞2.36mm时，I=0.73~0.79；d＜2.36mm时，I=0.69；当集料从中心控制点下面通过时（粗型），I=0.64~0.70（表1、2）

表1：集料在D处的通过率90%时的值

表2：集料在D处的通过率90%时的值

3湖南地区高速公路沥青路面的集料级配和结构设计

湖南省位于长江以南,纬度偏低,为大陆性特征明显的中亚热带季风湿润气候。春季雨水较多，夏季高温多雨，秋季秋高气爽，冬季比较寒冷。年降雨量偏大，沥青混合料的水损害的可能性较大，在路面的集料设计和结构设计时，主要应考虑路面的高温和低温性能及抗水性能。高温要求和低温要求发生矛盾时，应以提高其高温抗车辙能力为主，兼顾低温抗裂性能的需要，在减少4.75mm及

2.36mm的通过率的同时，适当增加0.075mm的通过率，使其级配范围成S型，并取中等或偏高水平的设计空隙率。Superpave要求设计空隙率为4%，当施工压实度达到97%时，竣工的空隙率≤7%，这是为防止渗水的界限。大量资料已经证明，当空隙率＞8%，特别在8%～12%间，渗水严重，同时在空隙率＜5%时，沥青老化很轻微，而空隙率>7%后，沥青老化则急剧增大。如设计空隙率太小，例如＜3%，甚至2.5%，则在高温时，由于沥青膨胀而造成泛油或车辙，也已为实践所证明。Superpave施工指南建议，沥青路面结构层厚度应等于或大于集料最大公称尺寸的3倍，对粗的混合料，结构层厚度应大于集料最大公称尺寸的3倍。按此原则，AK-13最大公称尺寸为13.2mm，则路面结构层厚度应大于等于4cm，AC-16Ⅰ最大公称尺寸为16.0mm，则路面结构层厚应大于等于5cm，AC-20Ⅰ最大公称尺寸为19mm，路面结构层厚度应大于等于6cm，AC-25Ⅰ最大公称尺寸为26.5mm，则路面结构层厚度应大于等于8cm。这个原则正逐渐被认可，按此原则确定的路面结构层厚度在施工中更便于压实，混合料离析程度减轻，使用效果也相对更好。从路面结构的受力分析：上面层主要受剪应力、压应力、弯拉应力，中面层主要受压应力，下面层主要受弯拉应力。剪应力不足容易形成沥青路面的推移，压应力不足容易形成沥青路面的压密型车辙，弯拉应力不足容易形成沥青路面的弯拉疲劳裂缝。从结构受力的角度考虑，结合湖南气候的特点、集料的级配组成，设计上面层、中面层时应采用集料从中心控制点下面通过的骨架密实结构，用I=0.70-0.79计算级配组成。根据林秀贤教授的研究，上面层I 为0.64~0.65 ，适用于大交通和高温地区，要求的压实功比较大；中面层和下面层采用集料从中心控制点上面通过的悬浮密实结构，抗拉强度大，较易压实，I=0.79 时CA比接近0.8的极限，为防止推挤，粗集料尽量采用I的中值，即0.76附近为宜；厚度应为最大公称粒径的3倍为宜（表3）。

表3：湖南地区沥青路面面层集料级配和厚度表

4试验路段应用检验结果

2005年，湖南省高速公路工程指挥部经申报批准，成立了“湖南省高速公路路面早期车辙病害及耐久性研究”课题组，依托长张高速公路未完成的10km路面工程，开展了试验研究。试验路铺筑制定了10cm、12cm、13cm的两层结构和15cm、18cm的三层结构，不同沥青胶结料（AH-90、AH-70、SBS、SBR改性沥青），掺加纤维与不加纤维的比较，所有沥青混合料用水泥和石灰代替部分矿粉，不掺加抗剥落剂；根据上述集料级配范围，采用美国SHAP计划提出的体

积设计方法(2004规范已纳入），用旋转压实仪成型试件，用车辙试验仪测定沥青混合料的高温路用性能（动稳定度表示）,其室内外部分试验结果如表4所示。

表4：沥青混合料高温稳定性（车辙试验结果）统计表

5结论

由于集料级配采用“I”法设计，以贝雷法检验集料的骨架形成，因此该集料级配满足规范的级配范围（比规范的级配范围窄）。按该级配范围设计的沥青混合料形成一个多级嵌挤骨架密实结构，其结构具有较强的高温稳定性（抗车辙能力），且表面粗糙，可满足抗滑要求；同时，按4%的空隙率设计，施工时严格控制，剩余空隙率在大于3%、小于7%之间，不透水，增加了沥青混合料的耐久性。试验表明：（1）一般上面层若采用改性沥青，每吨沥青胶结料的费用比普通沥青加50%，动稳定度比规范要求的SBS提高2.08倍，SBR提高1.08倍；而普通沥青动稳定度比规范70#提高5.93倍、90#提高2.96倍，说明用增大投资来提高混合料的稳定性，还不如优化集料级配带来的效果。因此，提高抗车辙能力要从集料的质量和级配入手。

（2）级配一定的情况下，用于上面层的70%沥青的抗车辙能力比90#沥青高2倍，中面层高30%，下面层主要以抗弯拉设计，抗车辙能力几乎相当。

（3）如果掺加纤维，沥青用量增加，沥青混合料的拌和时间延长10～15S，要求高温碾压完成，对施工要求较高，局限性比较大；但掺加纤维比不掺加纤维的混合料的动稳定度提高不大—— 90#提高80%，70#提高17%。

参考文献

1 林绣贤, 论Superpave的集料组成与油石比【J】, 石油沥青，2003.17（增刊）：44。

2 杨永顺，房建果，王林, 多级嵌挤密级配沥青混合料的设计【C】中国公路学会, 第五届全国路面材料及新技术研讨会论文集, 上海：中国公路杂志社，2004：16。

3 中华人民共和国交通部, JTGF40-2004公路沥青路面施工技术规范[S], 北京：人民交通出版社，2004。

4 李福普，沈金安, JTGF40-2004公路沥青路面施工技术规范实施手册[S].北京：人民交通出版社，2004。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。