矿料级配设计理论

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。

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。

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。

（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，）。

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。