半开级配沥青混合料由适当比例的粗集料、细集料及少量填料(或不加填料)与沥青结合料拌和而成，压实后剩余空隙率在10％以上的半开式沥青混合料，也称沥青碎石混合料(以AM表示，采用圆孔筛时用LS表示)。
开级配沥青混合料是矿料级配主要由粗集料组成，细集料较少，矿料相互拔开，压实后空隙率大于15％的开式沥青混合料。
间断级配沥青混合料是矿料级配组成中缺少1个或几个档次而形成的级配间断的沥青混合料。
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AM-20沥青碎石混合料级配优化设计
随着我国公路事业蓬勃发展，我国公路通车总里程将达到410万公里，四通八达的全国公路网正在加速编织。而其中大多数都是沥青路面，由于经济、技术等原因，半刚性基层沥青路面是目前已建沥青路面的主要结构形式。然而随着半刚性基层在高等级公路的长期应用与研究，它的一些固有缺陷也逐渐暴露出来,主要表现在半刚性材料收缩量较大、抗冲刷性能较差、结构排水性能差等方面。这些材料缺陷势必导致半刚性基层沥青路面早期破坏严重，路面开裂、唧浆、松散等屡见不鲜，严重影响道路的服务功能。当沥青混凝土面层不能完全封住水时，下渗的水分及从裂缝进入的水分就长时间滞留在沥青混凝土面层和半刚性基层的界面上，在荷载作用下形成唧浆。如果设置沥青稳定碎石排水基层，将积滞在路面结构内的水分迅速排除到路面和路基结构外，可以改善路面的使用性能，提高其使用寿命。大量研究证明，采用沥青稳定碎石排水基层能够有效的防止反射裂缝的发生，并且能够排出路面结构内部的水分，避免水分对下层或沥青面层的破坏。
本研究主要对AM-20沥青碎石混合料级配进行优化设计，并对其力学性能及路用性能进行室内试验研究。
AM-20沥青碎石混合料配合比采用马歇尔击实法（正反面击实50次）进行级配设计，混合料最大理论密度采用沥青浸渍法实测获得，成型后的混合料毛体积密度均采用蜡封法进行测定。AM-20沥青碎石混合料试件成型过程中，控制拌和温度在150～160℃范围内，成型温度在140～150℃范围内。
1、原材料基本情况
试验用原材料分别是产自天津的石灰岩，规格为10～20mm、5～10mm和0～5mm机制砂以及石灰岩矿粉四种。还有产自沧州的50号A级石油沥青。
对粗集料、细集料、填料分别进行了压碎值、磨耗损失、表观相对密度、毛体积相对密度、吸水率、砂当量、棱角性、亲水系数以及粘附性等试验。试验检测结果表明，所有技术指标都符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中关于高速公路及一级公路沥青混合料用集料的质量技术要求。
对50号A级道路石油沥青按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）表4.2.1－1要求进行了规定项目的试验检测。试验检测结果见表2-5，检测结果表明，对该样品所检测项目除了老化后延度外，其他项目均符合50号A级道路石油沥青技术要求。本研究所选用的质沥青所检测项目只有老化后延度不合格，其他均符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中相关沥青技术要求。
2 级配设计
为了更准确的控制AM-20沥青碎石混合料的级配曲线，保证其路用性能具有可比性，遂将各个规格的集料进行逐级筛分，直至筛孔2.36。每一级筛孔上的石料分别存放，用编织袋分类装好，做好标记，便于配制混合料。为级配设计做好准备。
根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)关于AM-20型沥青碎石混合料矿料级配范围要求，在规范级配范围之内选择三种合成级配，分别为1#级配和2#级配、3#级配，级配组成见表3-2，矿料级配曲线如图1。
图1 AM-20沥青碎石矿料级配曲线
根据不同级配的对沥青混合料性能的影响，研究三种级配的沥青碎石混合料的体积参数及马歇尔稳定度试验结果。根据AM-20马歇尔配合比设计要求和《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中热拌沥青混合料配合比设计方法，确定最佳沥青油石比，并对最佳沥青油石比下的马氏试件的体积参数及稳定度进行检验。 本研究对AM-20三个级配通过物理力学参数与油石比之间关系，确定其最佳沥青油石比。按蜡封法测定试件毛体积密度，根据沥青浸渍法实测合成级配矿料混合料的有效相对密度并计算沥青混合料最大理论相对密度。马氏试件体积参数及马歇尔试验结果见见表3。
表3 三种级配设计结果
| 级配类型 |
最佳油石比（%） |
最大理论相对密度 |
毛体积相对密度 |
VV（%） |
VMA（%） |
VFA（%） |
稳定度（kN） |
流 值（mm） |
| 1# |
3.5 |
2.612 |
2.277 |
12.8 |
19.1 |
32.9 |
6.15 |
38.0 |
| 2# |
3.5 |
2.596 |
2.305 |
11.2 |
18.1 |
38.2 |
7.28 |
42.6 |
| 3# |
3.4 |
2.655 |
2.246 |
15.4 |
20.2 |
23.8 |
7.28 |
42.6 |
试验结果表明，1#、2#、3#级配的空隙率分别为12.8%、11.2%、15.4%，可见级配对空隙率的影响很明显，随着级配级配越细，空隙率则越小。1#级配在最佳油石比的情况下，可以满足空隙率13%的要求。
3 混合料性能研究
在配合比设计的基础上，主要对AM-20型普通沥青碎石混合料的高温抗车辙性能、水稳定性能、低温抗裂性能、抗压回弹模量、疲劳性能等进行检测，以全面评价AM-20沥青碎石混合料的路用性能。
(1)高温稳定性
沥青混合料高温稳定性，主要是指沥青混合料在夏季高温（通常为路表温度60℃）条件下，经车辆荷载长期重复作用后，不产生车辙、推移、波浪、拥包、泛油等病害的性能。目前，许多国家己把车辙试验作为沥青混合料组成设计的一项评价指，SHRP计划也将它作为AAMAS沥青混合料分析系统的一项不可缺少的指标。我国目前采用马歇尔稳定度试验和车辙试验来评价沥青混合料的高温抗车辙性。车辙试验结果与实际路面车辙有较好的相关性。
表4-1 AM-20沥青碎石混合料车辙试验结果
| 级配类型 |
最佳油石比（%） |
平均动稳定度（次/mm） |
变异系数（%） |
| 1# |
3.5 |
2649.5 |
6.7 |
| 2# |
3.5 |
2327.4 |
7.9 |
| 3# |
3.4 |
1500 |
8.2 |
试验结果表明，三种级配沥青混合料的动稳定度指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）对沥青混合料的技术要求，还比普通沥青混合料略高一些，说明AM-20沥青碎石高温抗车辙性能较好。与3#级配相比，1#级配和2#级配沥青混合料的动稳定值有所提升，尤其是2#级配能达到2600次/mm。
(2) 抗水损害能力
沥青混合料抗水损害能力主要决定于矿料的性质、沥青与矿料之间相互作用以及沥青混合料的空隙率、沥青膜的厚度等。沥青混合料水稳定性的评价方法，通常分为评价沥青与矿料的黏附性和评价沥青混合料的水稳定性两个阶段进行，这两个阶段是不可分割的整体。
在浸水马歇尔试验过程中，成型好的AM-20沥青碎石混合料浸泡在60℃水浴中不足一天均发生不同程度的剥落，以3#级配的混合料最为明显，用时最少，散落程度最严重，1#级配也未能幸免。在冻融劈裂试验过程中，成型好的AM-20沥青碎石混合料在-18℃冰箱中冷冻16 h之后并未出现异样，同样浸泡在60℃水浴之后，出现剥落。我们又在同样的试验条件下，采用了70#基质沥青和SBS改性沥青成型试件，试件通过同样的试验条件并没有发生损坏。
基于以上试验基础及理论分析，课题组想到了在采用50#基质沥青的AM-20沥青碎石混合料中掺加消石灰。本研究采用间接干掺法，即按照一定的比例将消石灰加入到矿粉中，将消石灰直接和集料进行拌和，让消石灰覆盖在集料表面，然后再加入沥青进行拌和，能够比较准确计量消石灰的掺量。
在同等试验条件下，采用50#基质沥青的AM-20沥青碎石混合料中外掺1%的消石灰，试验果然得到改善，试件完好，没有发生剥落。
添加1%的消石灰即可以显著提高沥青混合料的抗水损害能力。掺加加消石灰外掺剂可以提高集料和沥青之间的粘附性，通过提高沥青与集料之间的粘附性来达到预防和减少水损害的发生。
(3)低温抗裂性能试验
沥青路面的低温开裂是寒冷地区路面破坏的主要形式，这种开裂是多因素共同作用的结果，可以分为外因和内因，外因主要是气候环境因素，与气温和降温速率有关；内因主要包括沥青和石料性质、沥青混合料组成、沥青膜厚度等。沥青路面低温裂缝现象具有普遍性，控制沥青路面低温缩裂十分重要而又紧迫。
采用MTS-810万能试验机（设备型号为TESTSTAR-Ⅱ型，控温精度为±0.1℃）在温度-10℃、加载速率50mm/min的条件下进行弯曲试验，以弯曲破坏应变为指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能。
表4-3 AM-20沥青碎石混合料弯曲试验结果
| 级配类型 |
弯曲试验破坏应变（με） |
抗弯拉强度（MPa） |
弯曲劲度模量（MPa） |
| 1# |
4996 |
6.5 |
1376 |
| 2# |
4212 |
8.1 |
1961 |
| 3# |
4451 |
5.4 |
1562 |
试验结果表明，三种级配的低温弯曲应变指标均能满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）对普通沥青混合料的技术要求。级配对沥青混合料低温弯曲应变指标有一定的影响，但是影响不显著。在同等试验条件下，1#级配的低温抗裂性能要优于其他两种级配。
(3)抗压回弹模量试验
路面材料的弹性模量分为动态弹性模量和静态弹性模量。目前我国使用的回弹模量相当于国外的静回弹模量，抗压回弹模量是其中的一种。路面材料的抗压回弹模量是体现路面材料力学性质的重要指标，反映了材料的应力-应变特性，是路面结构设计中进行力学验算或厚度计算的一个重要参数，因此，合理确定路面材料抗压回弹模量对路面结构设计有非常重要的意义。经试验测定，AM-20沥青碎石混合料的回弹模量在633～792范围内。接近规范对沥青碎石混合料模量的推荐值。虽然1#、2#、3#级配的空隙率各不相同，但是得到的回弹模量值却相当。
4 级配优化
表2 半开级配AM-20沥青碎石优化后的级配范围
| 通过下列筛孔(mm)的质量百分率(％) |
|
26.5 |
19 |
16 |
13.2 |
9.5 |
4.75 |
2.36 |
1.18 |
0.6 |
0.3 |
0.15 |
0.075 |
| 级配范围 |
100 |
90～98 |
60～79 |
50～69 |
40～59 |
15～34 |
5～18 |
2～13 |
1～10 |
0～8 |
0～6 |
0～4 |
5 结论
通过对AM-20沥青碎石混合料进行的物理力学性能试验，可以得出以下结论：
（1）逐级筛分要准确细致，保证可靠度，应及时分装，做好标记，筛分要认真彻底，不得混杂，筛分量至少要满足试验需求用量，并多备出若干，以保证石料供给充足、取料均匀，不能影响后续试验。
（2）与普通热拌沥青混合料相比，AM-20沥青碎石混合料采用50#基质沥青成型时，必须严格控制温度，成型温度宜为150℃，超过160℃则容易掉渣。
（4）AM-20沥青碎石混合料的粗集料的含量通常在50%以上，本文的三种级配中最细级配的粗集料含量也在60%以上，粗集料嵌锁成骨架，抵抗车辆荷载作用下的永久变形能力增加，大大提高了抗车辙能力。
（5）沥青混合料在浸水条件下，由于沥青与矿料的粘附力降低，表现为混合料的整体力学强度降低。尤其对于AM-20沥青碎石混合料，由于孔隙较大，沥青用量少，矿料之间的接触点比普通沥青混合料少，更应该考虑水稳定性。为了更好的保证混合料的水稳定性，通过试验证明，添加1%的消石灰即可以显著提高沥青混合料的抗水损害能力。掺加加消石灰外掺剂可以提高集料和沥青之间的粘附性，通过提高沥青与集料之间的粘附性来达到预防和减少水损害的发生。在掺加过程中，需注意要确保集料是在裹覆消石灰以后才与沥青拌和。
（6）经试验测定，AM-20沥青碎石混合料的回弹模量在633～792范围内。接近规范对沥青碎石混合料模量的推荐值。可以满足相应的技术要求。
#AM #半开级配 #沥青混合料