1、第 卷 第 期 年 月公 路 交 通 科 技 .收稿日期：基金项目：住房城乡建设部 年科学技术项目（）作者简介：李秀君（），女，江苏江阴人，副教授，博士.（.）：.基于高抗剪密实型的泡沫沥青冷再生混合料中粒式级配设计李秀君，赵麟昊，高世柱，欧阳欢，王宁宁（上海理工大学 环境与建筑学院，上海；.上海勘察设计研究院（集团）有限公司，上海）摘要：在重载交通和雨水综合作用下，泡沫沥青冷再生路面常因混合料抗剪切性能和密实性不足发生车辙和水损病害。为了设计出适用于多雨重载公路泡沫沥青冷再生混合料中粒式级配，在对散体力学剪切模量和最小空隙率分析的基础上，以铣刨料为原料，以剪切模量和最小空隙率为粗、细集料级配
2、的设计指标，以体积法为级配合成方法，以贝雷法参数为检验标准，并选取多级嵌挤密实型级配和级配中值为对照，以冷再生混合料抗剪强度参数和路用性能为验证，最终提出高抗剪密实型泡沫沥青冷再生混合料中粒式级配设计方法。综合不同级配下泡沫沥青冷再生混合料的高温稳定性和水稳定性，以满足规范路用性能的混合料级配曲线为上下限，确定了推荐级配范围。结果表明：新设计的级配的粗集料和粉料含量高，细集料含量低，与 级配相似，新级配的粗铣刨料表面粗糙度高，接触面多，形成的骨架结构可有效传递车辆荷载，适量的胶结料能有效进行填充，空隙率小；混合料具有较大的内摩擦角和黏聚力，混合料高温稳定性较级配中值提高.，远高于规范对重载公路
3、动稳定的要求，水稳定性能相对于级配中值提高.，均远高于规范限值；选用铣刨料进行级配设计，加入适当比例的新料不会对冷再生料力学性能产生不利影响。关键词：道路工程；泡沫沥青冷再生；高抗剪密实型；多雨重载公路；中粒式级配；抗剪切性能；水稳定性中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，公路交通科技第 卷 ，（），（）.，.，（），.：；引言泡沫沥青冷再生技术在国内外开展研究和应用多年，已有多省市结合地区特点编制地方规范，但通过实际调查发现，完全按照地方标准推荐的级配范围设计冷再生混合料，在重载交通和雨水的作用下，常因混合料抗剪切性能和密实性不足导致再生路面发生车辙和水损病害。虽然有省份已针
4、对不同交通量的推荐级配范围开展研究，如浙江省 公路泡沫沥青冷再生路面设计与施工技 术 规 范（）针对不同交通量给出粗粒式推荐级配范围，但当泡沫沥青冷再生层作为下面层时，常因再生层厚度受限，粗粒式级配不适用；公路沥青路面再生技术规范（）虽给出粗粒式、中粒式和细粒式的推荐级配范围，但并未针对交通量给出相应的建议。传统的级配设计方法如 提出的“法”、前苏联的“法”、我国同济大学的“法”和美国的“法”等，主要强调级配的密实性，未考虑集料的嵌挤状态，难以保证混合料的抗剪切性能。“法”虽通过调整粗细集料合成比例来表征集料的嵌挤状态，但未考虑粗、细集料矿料级配内部是否具备较好的嵌挤和填充状态。为设计出高抗剪
5、和高水稳定性的混合料，陈忠达、袁万杰等以填充理论和贝雷法为基础，以最小空隙率为指标，提出由主、次骨架结构形成的多级嵌挤密实级配（）设计方法，并通过路用性能验证该方法的有效性。杜顺成、戴经梁和韩雪等在散体细观力学研究的基础上，通过理论推导和试验的手段，提出以剪切模量为指标的粗集料级配（）设计方法，有效提高沥青混合料抗剪切性能。然而高抗剪密实型级配设计的研究主要针对普通沥青混合料，对泡沫沥青冷再生混合料中粒式级配的研究尚未开展。因此，探寻一种适用于多雨重载公路下面层的高抗剪密实型泡沫沥青冷再生混合料中粒式级配设计方法显得尤为重要。本研究在散体力学剪切模量和最小空隙率分析的基础上，结合冷再生材料特点
6、，提出高抗剪密实型泡沫沥青冷再生混合料中粒式级配设计方法，并以 法和规范中值为对照，以混合料抗剪强度参数和路用性能为验证，为设计最佳级配曲线和级配范围开展系统研究。级配设计理论和步骤.级配设计指标（）剪切模量泡沫沥青冷再生混合料矿料可视为散体颗粒材料，当混合料受到外界作用时，由构成骨架的粗集料以接触嵌挤的形式承担，因此在研究混合料抗剪性能时，应从粗集料内部颗粒的接触情况和抗剪切性能进行研究。杜顺成等将集料颗粒形状视为理想球体，采用不连续的粒状介质模型建立散体细观力学模型，推导出表征粗集料嵌挤状态的剪切模量 公式，如式（）所示：|（.），（）式中，为散体材料的相对密度；为集料颗粒法向弹性刚度；为
7、集料颗粒切线与法向弹性刚度之 第 期李秀君，等：基于高抗剪密实型的泡沫沥青冷再生混合料中粒式级配设计比；为散体材料的平均粒径，采用式（）计算。，（）式中，为第 档粗集料的质量比重；为第 档粗集料的等效半径，取平均半径。若想以表征粗集料嵌挤状态的剪切模量为指标优化泡沫沥青冷再生混合料中粒式级配，仍需解决一个问题：构成冷再生混合料骨架结构的铣刨料和新集料的法向和切向弹性刚度相差较大，无法将其视为常数，若将铣刨料与新集料进行混合设计，将切向和法向弹性刚度视为定值将不符合实际情况。在实际工程中，铣刨料的含量通常占 以上，为了能够满足理论要求，本研究尝试选择铣刨料含量为 进行级配设计，这可较大程度上保证
8、构成主骨架颗粒力学性能相近，能直接以式（）表征的剪切模量为指标进行级配设计。同时，为确保工程中不会因掺入新集料而削弱冷再生料的路用性能，后文选取掺入新料和作为对照组进行验证。.，（）式中|为常数。（）最小空隙率细集料主要用于填充主骨架空隙，使级配具有较好的密实性，提高混合料抗剪切和抗水损性能，因此，为确保细集料级配的密实性，设计时选最小空隙率式（）为指标。（），（）式中，为紧装密度；为间隙率；为表观密度。.级配设计步骤（）粗集料级配设计：根据逐级填充理论，将低一级粒径 以不同比例填充到上一级粒径 中，计算等效半径，并通过插捣试验确定集料相对密度和剪切模量，确定剪切模量与填充比例的曲线关系，取最
9、大剪切模量对应的填充比例为最佳填充比例；在和 形成最佳抗剪密实结构的基础上，将下一级粒径 以不同比例填充到其中，确定最佳 级粒径组成比例；同理进行下一级填充，直至各级铣刨料全部填充完成，确定粗集料级配各档的组成比例。（）细集料级配设计：选取最小空隙率为指标，参照粗集料级配设计步骤进行设计。（）合成级配设计：因粗细集料粒径相差较大，若采用试验的方法确定二者质量比，易产生离析，影响试验结果，故本研究采用体积法计算粗细集料的质量比。（）级配检验：本研究采用“法”的 比、比和 比对设计的级配进行检验。同时，选择 级配和级配中值为对照，根据混合料抗剪强度参数和路用性能确定和调整级配，确定最佳级配范围，并
10、验证加入新集料不会对冷再生料路用性能产生不利影响。为方便论述，本研究将上述级配设计体系命名为高抗剪密实型冷再生料级配（，简称）设计方法。级配设计实例与分析本研究取最大公称粒径为 ，由“法”定粗细集料分界粒径为.，以下将采用铣刨料进行级配设计。.粗集料级配设计 级填充试验：将粒径为 的铣刨料以表 的设计比例填充到.的铣刨料中进行试验，试验结果如表 和图 所示。表 级填充试验结果.项目.与 铣刨料不同组成比例 .由表 和图 可知，随 铣刨料比例增加，集料的剪切模量大体呈现先上升后下降的趋势，当比例为 时，取得最大值，集料抗剪切性能最优。从空隙率与填充比例的变化规律可知，其呈现波动式变化，当比例从
11、到 时，铣刨料体积已超过.铣刨料形成的骨架公路交通科技第 卷图 级填充试验结果.结构空隙，干扰原有的密实结构，骨架逐渐转化为由两档粒径铣刨料共同形成，空隙较大；随着比例增大，由 铣刨料形成骨架的占比提高，铣刨料间嵌挤点数量增加，并且 中较小粒径的铣刨料对空隙进行填充，当比例达到 和 时，形成高抗剪密实结构；随着比例继续增加，骨架结构已完全由 铣刨料构成，骨架空隙小，较小粒径的铣刨料已无法进行填充，导致空隙率增大，抗剪性能下降。通过对比不同比例下剪切模量与空隙率，二者基本呈现剪切模量较大时空隙率较小的规律。但空隙率随填充比例呈波动式变化，若像 法选最小空隙率为设计指标，需进行多组混合料路用性能试
12、验才能确定最佳比例。而剪切模量随填充比例变化时，最大值明显且唯一，且剪切模量公式中同时考虑空隙率和等效半径，能保证集料具有高抗剪性和密实性。图 级 级填充试验结果.限于篇幅，同理，由图 可知，级填充试验结果：.与 .，.与.，.与.的最佳质量比分别为 ，。因此，根据 法确定粗集料级配各档（.，.，.，.）的最佳质量比例为：.。.细集料级配设计 级填充试验：将粒径为.和.的铣刨料按表 中的设计比例充分混合（共 左右），并进行空隙率试验，试验结果如表 和图 所示。表 级填充试验结果.项目.与.铣刨料组成比例 .图 级 级填充试验结果.将.和.的铣刨料按相应比例混合时，相对于粗集料的主骨架结构，.铣
13、刨料相当于构成次级骨架结构材料，.铣刨料是对次级骨架结构间隙进行 级填充。由表 和图 可知，当.铣刨料占比较小时，对次级骨架结构起到较好的填充作用，当占比较大时，挤占了.铣刨料，破坏了次级骨架结构，导致空隙率变大。以最小 空 隙 率 为 指 标，.和.铣刨料质量比为 时所形成的次级骨架结构最为密实。限于篇幅，级填充试验结果不再赘述。但从图 可知，随着填充等级增加，次级骨架结构空隙率呈现先缓后快的下降趋势，其中，级填充对次级骨架的空隙率影响较小，对密实性贡 第 期李秀君，等：基于高抗剪密实型的泡沫沥青冷再生混合料中粒式级配设计献不大，主要因为前 级填充的铣刨料粒径较大，起到构建次级骨架的作用；而
14、，级填充对次级骨架结构的密实性影响较大，粒径较小的集料能对次级骨架进行较好填充。因此，在进行细集料级配设计时，应避免.，.和.这 档铣刨料用量偏高导致次级骨架结构被挤占而降低稳定性；同时，也应避免.，.和小于.这 档铣刨料用量偏少而导致级配不密实，可结合填充试验在接近最小空隙率的范围内进行确定。根据 法，以最小空隙率为指标的填充试验，确定细铣刨料各档（.，.，.，.，.，.，.）的最佳比例为：.。.合成级配设计根据体积法计算粗细集料的合成比例。其中泡沫沥青用量占定.，密度为.；水泥用量.，密度为.。根据粗集料级填充试验，确定空隙率 .，粗集料干捣密度.；细集料紧装密度.。经计算，粗集料、细集料
15、和水泥的质量百分比为：.，.，.，结合各档铣刨料最佳质量比，进行级配确定。法设计的级配如表 级配 所示，上下 变化.粒径的通过率，确定级配 和级配。同时，根据 法，采用相同材料进行试验，确定级配。选取 公路沥青路面再生技术规范（）中粒式级配中值和级配范围进行对比。表 不同设计方法的合成级配.级配类型通过以下筛孔（）的质量百分率.级配中值.级配范围.合成级配检验参考“法”，法设计的级配，其检验参数分别为：.，.和.，均在 型级配检验参数的推荐范围内（比：.，.，.）。.级配对比分析将不同级配曲线绘制如图 所示。根据图，不论是 法设计的级配 还是 法设计的级配，均超出处于级配下限，说明所设计的级配
16、曲线整体偏粗，细集料含量较少；并且级配 和级配 与 的级配特点相似，粗集料和粉料含量较高，细集料含量较低，较多的粗铣刨料表面粗糙度高，接触面多，形成的骨架结构可有效传递车辆荷载，适量的胶结料能有效进行填充，空隙率很小，具有抗剪切、防水性强等特点。级配 处于推荐级配范围内，贴近级配下限；而级配 距离级配范围较远，细集料通过率差距较大。对于级配中值，级配偏细，细集料较多，有利于与泡沫沥青形成沥青胶砂黏附粗集料，混合料早期稳定性较好，但是混合料在剪切作用下，沥青胶团易发生剪切变形，特别在夏季高温下易发生车辙病害，这也证明 法和 法设计高抗剪混合料级配具有一定的合理性。图 不同设计方法的合成级配曲线.公路交通科技第 卷 泡沫沥青冷再生混合料抗剪强度参数与路用性能.抗剪强度参数泡沫沥青冷再生混合料强度主要由胶结料黏聚力和集料摩阻力构成，为进一步论证 法的合理性，本研究利用简易三轴力学模型计算混合料抗剪强度参数，其中参数 和 的计算如式（）和式（）所示。同时，为论证新集料的掺入不会削弱冷再生料的力学性能，选择级配，用新料按 和 的比例替换各档铣刨料，记为级配 和级配。，（），（）式中，为泡沫沥青冷
