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摘 要：为了研究变I法用于半柔性复合路面级配设计的合理性，本文根据选择的SC16级配，通过变I法设计级配范围，以正交试验分析关键筛孔的尺寸，并根据正交试验进行级配优化，在变I法的基础上，提出在半柔性复合路面级配设计中粗集料级配和细集料级配应选取不同的I值，并在计算的基础上确定了SC16的级配应用范围。
关键词：道路工程；半柔性路面；级配确定；变I法；
中图分类号：TU986文献标识码： A
1 前言
灌入式半柔性路面是指在母体沥青混合料空隙率高达20%~30%路面中，灌注以水泥为主要成分的特殊浆剂而形成的路面。半柔性复合路面强度的构成在于其特殊的结构体系，母体沥青混合料中粗集料之间相互嵌挤骨架空隙结构为复合材料提供了骨架支撑，再由细集料、沥青加上后期灌入的灌浆材料共同的填充了空隙使得整个结构更加的密实[1-3]。由于灌浆材料具有较高的强度，与母体沥青混合结合后，能为复合材料提供高强度，使得在路面使用中具有很强的抵抗车辙的能力和耐高温性能，所以近年来国内外学者[4-8]开展了一系列半柔性复合材料作为路面面层材料用于道路工程的研究，经国内外大量的研究已经证明该路面良好的使用状况以及其经济性，但是对于半柔性复合路面而言，其级配设计方法目前在国内外存在很大争议。
所以，本文在变I法的基础上，根据选择的SC16级配进行母体沥青混合料的配合比设计，开展变I法用于半柔性复合路面沥青混合料級配设计的可行性进行研究，通过正交试验分析关键筛孔的尺寸，根据试验的情况及国内外研究资料中的方法，进行SC16最佳油石比确定，提出一种方便施工应用的配合比设计方法。
2 变I法用于半柔性复合路面级配设计的可行性分析
采用变I法进行沥青混合料的级配范围确定，选用沥青混合料SC16最大公称粒径16mm筛孔通过率的上限为100%，下限为90%，并经过计算后初步拟定集料级配上限范围，取I值为0.43来设计粗集料（≥2.36mm），0.53作为设计细集料（＜2.36mm）的I值；设计下限级配范围时采用跟上限相同的方式，粗集料时采用0.36作为I值来计算，0.46来计算细集料，计算结果如表1。
表1 初步设计集料级配范围
筛孔（mm） 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
通过率
（%） 上限 100 100 79 53 23 10 9 5 3 1 1
下限 100 90 67 40 14 5 4 2 1 0 0
利用变I法设计的上下限级配制作马歇尔试件（采用双面击实50次成型）进行指标测试，测试其密度、空隙率、连通空隙率，结果如表2所示。
表2 空隙率测试结果
类别 体积
（cm3） 空中重
（g） 水中重
（g） 密度
（g/cm3） 理论密度 空隙率
(%) 连通空隙率
(%)
上限 466.4 974.4 577.4 2.089 2.610 20.0 15.3
下限 476.3 970.8 580.6 2.038 2.695 24.4 18.6
通过测试发现在变I法计算的上下限测得混合料的空隙率20.0%~24.4%，而此时混合料的下限值已经没有0.15mm以下的细集料，沥青混合料矿料之间的粘结不足，容易散开。分析空隙率无法达到预期要求的原因是由于变I法最初是建立在简单模型的基础上并通过试验而得出的。变I法计算的2.36mm筛孔筛余比例较大，对于沥青混合料体积干涉作用明显，使得混合料具有一定的空隙，而不能够满足设计的20%~28%的要求。同时，随着筛孔的越小计算的所得比例趋近于0，使得沥青混合料的空隙率偏小，达不到设计要求空隙率上限，同时细集料的分布不匀，缺乏填料，沥青混凝土的粘结力不足易分散。
本文通过在变I法的基础上设计实验，大于4.75mm的粗集料通过变I法计算公式计算级配，在4.75mm以下的集料，利用平均分布。本研究采用L16（45）正交实验表设计试验，因素分别为4.75mm通过率、2.36mm通过率、0.075mm通过率。其中4.75mm通过率通过I法计算得出，上限拟定最大公称粒径16mm通过率为100%计算，下限拟定通过率为90%计算；2.36mm通过率水平是在前面可行性研究中计算范围经过调整确定；填料及油石比通过国内外资料以及实验研究确定油石比附近取值。正交试验设计因素表如表3所示。
表3 正交试验设计因素表 单位%
4.75mm通过率 2.36mm通过率 0.075mm通过率 油石比
1 10 4 1 2
2 13 6 2 2.5
3 16 8 3 3
4 19 10 4 3.5
根据拟定的正交试验设计因素表，设计的各组实验中的级配组成见表4。
表4 正交试验各组配合比 单位 %
级配类型 集料粒径（mm） 油石比（%）
16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
1 90 63 35 10 4 3 2 2 1 1 2.5
2 90 63 35 10 6 5 4 3 3 2 3
3 90 63 35 10 8 7 6 5 4 3 3.5
4 90 63 35 10 10 9 8 7 6 4 4
5 90 66 39 13 4 3 3 2 2 2 3.5
6 90 66 39 13 6 5 4 3 2 1 4
7 90 66 39 13 8 7 6 5 4 4 2.5
8 90 66 39 13 10 8 7 6 4 3 3
9 100 75 45 16 4 4 4 4 4 4 4
10 100 75 45 16 6 5 5 4 4 4 3.5
11 100 75 45 16 8 6 6 4 4 1 3
12 100 75 45 16 10 8 6 4 2 2 2.5
13 100 77 49 19 4 4 4 4 4 4 3
14 100 77 49 19 6 5 4 4 3 3 2.5
15 100 77 49 19 8 6 6 4 4 2 4
16 100 77 49 19 10 7 5 4 2 1 3.5
根据试验的级配组成成型马歇尔试件，分别测得试件的空隙率、连通空隙率、稳定度及流值指标，采用极差法对实验结果进行分析，结果如表5所示。
表5 结果分析
指标 因素 ω
空隙率
（%） 4.75通过率 25.4 24.0 22.3 21.1 4.2
2.36通过率 24.9 23.9 22.3 21.6 3.3
0.075通过率 23.2 23.3 23.1 23.2 0.2
油石比 23.7 23.5 22.9 22.6 1.1
稳定度
（kN） 4.75通过率 3.9 3.8 4.0 4.3 0.5
2.36通过率 2.9 4.1 4.4 4.5 1.6
0.075通过率 3.7 3.9 4.0 4.3 0.6
油石比 3.7 3.9 4.2 4.1 0.5
流值
（0.1mm） 4.75通过率 16.5 18.3 19.2 17.5 2.7
2.36通过率 17.9 18.9 18.2 16.5 2.3
0.075通过率 17.7 18.7 16.5 18.7 2.2
油石比 16.2 18.6 19.0 17.7 2.8
吸水率
（%） 4.75通过率 20.3 18.5 17.5 16.3 4.0
2.36通过率 19.8 18.8 17.1 16.9 2.9
0.075通过率 18.2 18.2 18.2 18.0 0.2
油石比 18.9 18.4 17.9 17.4 1.5
通过表可以发现，对于不同的指标，各个影响因素从主到次得排序为：对于空隙率的影响：从大到小依次为4.75mm通过率、2.36mm通过率、油石比、0.075mm通过率；对于稳定度的影响：从大到小依次为油石比、4.75mm通过率、2.36mm通过率、0.075mm通过率；对于流值的影响：从大到小依次为2.36mm通过率、0.075mm通过率、4.75mm通过率、油石比；对于吸水率的影响：从大到小依次为4.75mm通过率、2.36mm通过率、油石比、0.075mm通过率。其中4.75mm、2.36mm筛孔的通过率对于母体沥青混合料的各项指标影响非常明显，在设计母体沥青混合料的时候，应重点对这两个筛孔进行控制。
由研究结果和变I法原理可知，计算时选取的I值越大，计算所得的级配空隙率越小，选择I值越小时计算的级配空隙率越大。
3 结论
本文根据选择的SC16级配，研究了变I法在开级配沥青混合料集料级配设计中的应用，证明了变I法可以用于开级配，由于开级配设计的级配中较小筛孔的通过率偏粗，导致了空隙率难以满足半柔性复合路面母体沥青混合料的空隙率要求。
参考文献
[1]庞传琴,杨宇亮. 半柔性混合料性能探讨[J]. 公路, 108-110 (2004).
[2]徐培华, 宋哲玉, 姚爱玲,沙爱民. 灌注式半刚性路面面层复合材料试验研究[J]. 中国公路学报 (2002).
[3]张大可, 成长庆, 吴国雄, 胡玲玲,张洋. 半柔性路面水稳定性及低温抗裂性能分析[J]. 重庆交通学院学报, 55-57+72 (2007).
[4]陈祥峰. 高性能流动性水泥灌浆材料配合比设计及半柔性路面路用性能研究[D]西安:长安大学, (2010).
关键词：道路工程；半柔性路面；级配确定；变I法；
中图分类号：TU986文献标识码： A
1 前言
灌入式半柔性路面是指在母体沥青混合料空隙率高达20%~30%路面中，灌注以水泥为主要成分的特殊浆剂而形成的路面。半柔性复合路面强度的构成在于其特殊的结构体系，母体沥青混合料中粗集料之间相互嵌挤骨架空隙结构为复合材料提供了骨架支撑，再由细集料、沥青加上后期灌入的灌浆材料共同的填充了空隙使得整个结构更加的密实[1-3]。由于灌浆材料具有较高的强度，与母体沥青混合结合后，能为复合材料提供高强度，使得在路面使用中具有很强的抵抗车辙的能力和耐高温性能，所以近年来国内外学者[4-8]开展了一系列半柔性复合材料作为路面面层材料用于道路工程的研究，经国内外大量的研究已经证明该路面良好的使用状况以及其经济性，但是对于半柔性复合路面而言，其级配设计方法目前在国内外存在很大争议。
所以，本文在变I法的基础上，根据选择的SC16级配进行母体沥青混合料的配合比设计，开展变I法用于半柔性复合路面沥青混合料級配设计的可行性进行研究，通过正交试验分析关键筛孔的尺寸，根据试验的情况及国内外研究资料中的方法，进行SC16最佳油石比确定，提出一种方便施工应用的配合比设计方法。
2 变I法用于半柔性复合路面级配设计的可行性分析
采用变I法进行沥青混合料的级配范围确定，选用沥青混合料SC16最大公称粒径16mm筛孔通过率的上限为100%，下限为90%，并经过计算后初步拟定集料级配上限范围，取I值为0.43来设计粗集料（≥2.36mm），0.53作为设计细集料（＜2.36mm）的I值；设计下限级配范围时采用跟上限相同的方式，粗集料时采用0.36作为I值来计算，0.46来计算细集料，计算结果如表1。
表1 初步设计集料级配范围
筛孔（mm） 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
通过率
（%） 上限 100 100 79 53 23 10 9 5 3 1 1
下限 100 90 67 40 14 5 4 2 1 0 0
利用变I法设计的上下限级配制作马歇尔试件（采用双面击实50次成型）进行指标测试，测试其密度、空隙率、连通空隙率，结果如表2所示。
表2 空隙率测试结果
类别 体积
（cm3） 空中重
（g） 水中重
（g） 密度
（g/cm3） 理论密度 空隙率
(%) 连通空隙率
(%)
上限 466.4 974.4 577.4 2.089 2.610 20.0 15.3
下限 476.3 970.8 580.6 2.038 2.695 24.4 18.6
通过测试发现在变I法计算的上下限测得混合料的空隙率20.0%~24.4%，而此时混合料的下限值已经没有0.15mm以下的细集料，沥青混合料矿料之间的粘结不足，容易散开。分析空隙率无法达到预期要求的原因是由于变I法最初是建立在简单模型的基础上并通过试验而得出的。变I法计算的2.36mm筛孔筛余比例较大，对于沥青混合料体积干涉作用明显，使得混合料具有一定的空隙，而不能够满足设计的20%~28%的要求。同时，随着筛孔的越小计算的所得比例趋近于0，使得沥青混合料的空隙率偏小，达不到设计要求空隙率上限，同时细集料的分布不匀，缺乏填料，沥青混凝土的粘结力不足易分散。
本文通过在变I法的基础上设计实验，大于4.75mm的粗集料通过变I法计算公式计算级配，在4.75mm以下的集料，利用平均分布。本研究采用L16（45）正交实验表设计试验，因素分别为4.75mm通过率、2.36mm通过率、0.075mm通过率。其中4.75mm通过率通过I法计算得出，上限拟定最大公称粒径16mm通过率为100%计算，下限拟定通过率为90%计算；2.36mm通过率水平是在前面可行性研究中计算范围经过调整确定；填料及油石比通过国内外资料以及实验研究确定油石比附近取值。正交试验设计因素表如表3所示。
表3 正交试验设计因素表 单位%
4.75mm通过率 2.36mm通过率 0.075mm通过率 油石比
1 10 4 1 2
2 13 6 2 2.5
3 16 8 3 3
4 19 10 4 3.5
根据拟定的正交试验设计因素表，设计的各组实验中的级配组成见表4。
表4 正交试验各组配合比 单位 %
级配类型 集料粒径（mm） 油石比（%）
16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
1 90 63 35 10 4 3 2 2 1 1 2.5
2 90 63 35 10 6 5 4 3 3 2 3
3 90 63 35 10 8 7 6 5 4 3 3.5
4 90 63 35 10 10 9 8 7 6 4 4
5 90 66 39 13 4 3 3 2 2 2 3.5
6 90 66 39 13 6 5 4 3 2 1 4
7 90 66 39 13 8 7 6 5 4 4 2.5
8 90 66 39 13 10 8 7 6 4 3 3
9 100 75 45 16 4 4 4 4 4 4 4
10 100 75 45 16 6 5 5 4 4 4 3.5
11 100 75 45 16 8 6 6 4 4 1 3
12 100 75 45 16 10 8 6 4 2 2 2.5
13 100 77 49 19 4 4 4 4 4 4 3
14 100 77 49 19 6 5 4 4 3 3 2.5
15 100 77 49 19 8 6 6 4 4 2 4
16 100 77 49 19 10 7 5 4 2 1 3.5
根据试验的级配组成成型马歇尔试件，分别测得试件的空隙率、连通空隙率、稳定度及流值指标，采用极差法对实验结果进行分析，结果如表5所示。
表5 结果分析
指标 因素 ω
空隙率
（%） 4.75通过率 25.4 24.0 22.3 21.1 4.2
2.36通过率 24.9 23.9 22.3 21.6 3.3
0.075通过率 23.2 23.3 23.1 23.2 0.2
油石比 23.7 23.5 22.9 22.6 1.1
稳定度
（kN） 4.75通过率 3.9 3.8 4.0 4.3 0.5
2.36通过率 2.9 4.1 4.4 4.5 1.6
0.075通过率 3.7 3.9 4.0 4.3 0.6
油石比 3.7 3.9 4.2 4.1 0.5
流值
（0.1mm） 4.75通过率 16.5 18.3 19.2 17.5 2.7
2.36通过率 17.9 18.9 18.2 16.5 2.3
0.075通过率 17.7 18.7 16.5 18.7 2.2
油石比 16.2 18.6 19.0 17.7 2.8
吸水率
（%） 4.75通过率 20.3 18.5 17.5 16.3 4.0
2.36通过率 19.8 18.8 17.1 16.9 2.9
0.075通过率 18.2 18.2 18.2 18.0 0.2
油石比 18.9 18.4 17.9 17.4 1.5
通过表可以发现，对于不同的指标，各个影响因素从主到次得排序为：对于空隙率的影响：从大到小依次为4.75mm通过率、2.36mm通过率、油石比、0.075mm通过率；对于稳定度的影响：从大到小依次为油石比、4.75mm通过率、2.36mm通过率、0.075mm通过率；对于流值的影响：从大到小依次为2.36mm通过率、0.075mm通过率、4.75mm通过率、油石比；对于吸水率的影响：从大到小依次为4.75mm通过率、2.36mm通过率、油石比、0.075mm通过率。其中4.75mm、2.36mm筛孔的通过率对于母体沥青混合料的各项指标影响非常明显，在设计母体沥青混合料的时候，应重点对这两个筛孔进行控制。
由研究结果和变I法原理可知，计算时选取的I值越大，计算所得的级配空隙率越小，选择I值越小时计算的级配空隙率越大。
3 结论
本文根据选择的SC16级配，研究了变I法在开级配沥青混合料集料级配设计中的应用，证明了变I法可以用于开级配，由于开级配设计的级配中较小筛孔的通过率偏粗，导致了空隙率难以满足半柔性复合路面母体沥青混合料的空隙率要求。
参考文献
[1]庞传琴,杨宇亮. 半柔性混合料性能探讨[J]. 公路, 108-110 (2004).
[2]徐培华, 宋哲玉, 姚爱玲,沙爱民. 灌注式半刚性路面面层复合材料试验研究[J]. 中国公路学报 (2002).
[3]张大可, 成长庆, 吴国雄, 胡玲玲,张洋. 半柔性路面水稳定性及低温抗裂性能分析[J]. 重庆交通学院学报, 55-57+72 (2007).
[4]陈祥峰. 高性能流动性水泥灌浆材料配合比设计及半柔性路面路用性能研究[D]西安:长安大学, (2010).