集料级配与密级配混合料性能关系研究

1.试验方案

（1）矿料级配选择。为了系统地研究不同集料级配对密级配混合料路用性能的影响，本研究以AC-20混合料为例，选择8种级配。级配1～级配6用于研究温拌阻燃改性沥青混合料矿料级配分形规律及其与体积指标的关系，级配7和级配8用于检验预估结果。各组矿料级配见表5.12。

（2）试件成型及路用性能测试。以表5.12中的各组级配为初始级配，在成型温度130℃、压力为600k N、旋转次数为125次的试验条件下成型试件，按照《沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）进行相关路用性能测试。

表5.12　矿料级配

2.集料分布分维值计算

根据表5.12的矿料级配组成数值，在矿料级配的双对数坐标图5.10上利用最小二乘法对级配曲线进行最佳直线拟合，求出通过率与筛孔之间的最佳拟合直线的斜率b，再利用3-D=b，即可求得沥青混合料集料粒径分维值D。各组级配对应的分维值见表5.13。

表5.13　各组矿料的分维值和模糊度

由图5.10可以看出，各组级配的lg P（r）与lg r都呈现出较好的线性关系，说明温拌阻燃沥青混合料中矿料的分布呈一重分形分布，即只需一个分形维数就可以表征该级配的分形特征。

根据各级配分形维数计算中线性回归的相关系数，按照式（5.8）计算各组矿料级配的模糊度，结果见表5.13，对各级配的分形分布自相似性进行评判。

从表5.13中可以看出，各组矿料级配的分形模糊度均小于0.02，说明这几组级配的矿料分布自相似性和标度不变性差异不大，分形特征明显，可直接利用分形维数分析由这组级配范围内的矿料拌和的沥青混合料的相关性状。

3.集料级配分维值与路用性能间的关系

（1）分维值与体积参数之间的关系。根据旋转压实试验，计算出这几组级配的沥青混合料在空隙率为4%时所需的阻燃沥青用量及矿料间隙率（VMA）、饱和度（VFA）、初始压实度等其他体积指标，见表5.14。

图5.10　各粒径通过率及其与公称最大粒径比值的双对数曲线

表5.14　各组混合料设计指标试验值

建立各组沥青混合料分维值与体积设计指标间的关系曲线，如图5.11所示。

由图5.11可以看出，矿料间隙率、沥青饱和度随着矿料粒径分维值的增加而减小，初始压实度和沥青用量随着分维值的增加而增大。这主要是因为矿料分维值越大，混合料级配越细。较多的细料填充了粗矿料间隙从而造成了矿料间隙率和沥青饱和度的增大。此外，细料的增多，形成沥青胶浆所需的沥青就随之增加，初始压实度也就随之增大。

对分维值D与混合料设计指标的进行线性回归分析：

分维值D与矿料间隙率的回归模型为

分维值D与沥青饱和度的回归模型为

分维值D与初始压实度的回归模型为

分维值D与沥青用量的回归模型为

可以看出，温拌阻燃沥青混合料矿料级配分维值与矿料间隙率、沥青饱和度、初始压实度、沥青用量等混合料配合比设计的体积指标存在很好的线性关系。

将级配7的分维值D=2.4450和级配8的分维值D=2.4890代入式（5.12）～式（5.15），计算级配7和级配8的矿料间隙率、沥青饱和度、初始压实度和沥青含量，结果见表5.15。

表5.15　混合料设计参数预估值

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由级配7和级配8混合料设计参数实测结果与通过回归公式的计算结果对比可以看出，两者相差很小。亦即利用温拌阻燃沥青混合料的分形规律，任意拟定两组级配测定其设计参数并回归矿料级配分维值与设计参数的关系，可对所配制的混合料的体积指标进行预估，从而使混合料设计更具针对性。

（2）分维值与疲劳性能的关系。疲劳试验采用控制应力的三分点加载小梁试验，试验温度15℃，不同级配温拌阻燃沥青混合料试验结果，见表5.16和图5.12。

表5.16　各级配混合料疲劳试验结果

续表

由表5.16可以看出，级配1和级配3表现出较好的抗疲劳特性。这是由于沥青混合料中有较多的细集料，且两级配的沥青用量都较大，柔韧性好的沥青胶浆充分填充了集料空隙，所以有较好的抗疲劳特性。

图5.12　分维值与疲劳次数的关系

可以看出，同一个应力水平下，不同级配的分形维数与疲劳次数呈现出较好的线性回归关系。利用此关系，就可以预估得到温拌阻燃沥青混合料的疲劳次数。

（3）分维值与动稳定度的关系。高温稳定性试验采用轮碾成型法成型试件，硬质橡胶轮接触压力为0.7MPa，试验温度为60℃，车辙试验时间为60min，试验结果见表5.17。

表5.17　各组混合料动稳定度

由表5.17可以看出，级配从禁区下方时沥青混合料动稳定度比从禁区上方或从禁区内通过时表现出较好的抗车辙性能。这是因为级配5和级配6的分维值较小，粗集料含量偏多，有利于粗集料之间互相嵌挤，形成一定程度的空间骨架结构，可以有效地提高沥青混合料在行车荷载作用下抵抗塑性变形的能力。

建立各组混合料集料分形维数与动稳定度的关系，如图5.13所示。

图5.13　分维值与动稳定度的关系

还可以看出，不同级配的分形维数与动稳定度也呈现出比较好的线性回归关系。因此，也可以利用此关系预估得到沥青混合料的动稳定度。

（4）分维值与低温稳定性的关系。采用切口小梁能量法来评价3种级配类型沥青混合料的低温抗裂性，试验结果见表5.18。

表5.18　各组混合料0℃弯曲应变能

建立各组混合料集料分形维数与0℃弯曲应变能的关系，如图5.14所示。

图5.14　分维值与0℃弯曲应变能的关系

由图5.14可以看出，虽然6组沥青混合料的0℃弯曲应变能相差不是很大，但是各组沥青混合料集料分形维数与0℃弯曲应变能仍呈现了比较高的线性关系，亦可用于预估沥青混合料的低温抗裂性。

对分维值D与混合料路用性能指标进行线性回归分析。

分维值与混合料疲劳性能的回归模型为

分维值D与低温性能的回归模型为

分维值D与混合料动稳定度的回归模型为

由上述分析可知，集料分维值D与矿料间隙率、沥青饱和度、初始压实度和沥青用量等温拌阻燃沥青混合料体积设计参数有明显的线性关系，与表征混合料高温稳定性的动稳定度和表征低温稳定性的0℃弯曲应变能亦具有明显的线性关系。通过此模型关系我们可以进行温拌阻燃沥青混合料性能预估，并验证矿料级配。