沥青混合料级配优化研究 长 安 大 学 2009年1月 Good afternoon. My name is Jose-Luis Mesa. I am the executive director of the Dade County, Florida, Metropolitan Planning.

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1 沥青混合料级配优化研究 长 安 大 学 2009年1月 Good afternoon. My name is Jose-Luis Mesa. I am the executive director of the Dade County, Florida, Metropolitan Planning Organization, and I am a member of the Board of Directors of IB Florida. Welcome to the IB Florida Showcase – Mainstreaming ITS in Florida. Working with me today is Charles Wallace from the University of Florida, who is also executive director of ITS Florida.

2 1、沥青混合料级配优化研究目的和意义 矿料是沥青混合料主要构成部分 矿料级配是沥青混合料性能的关键影响因素 90％以上是矿料
是沥青混合料的主体和骨架 矿料级配是沥青混合料性能的关键影响因素 级配对体积指标的影响 对沥青混合料路用性能的影响 级配与沥青路面的病害关系

3 级配变化的复杂性和多变性 相比于沥青用量的确定，级配更有优化可能和空间

4 级配存在的问题 新规范对级配的修订 但规范中没有相关级配确定的方法 取消了部分不合理级配 归并了级配
级配范围变大，对设计者的素质提出了更高的要求 但规范中没有相关级配确定的方法 级配确定成了简单配制 设计比较盲目 缺乏级配设计的指导

5 1.4 沥青混合料级配优化主要研究内容 级配优化的概念 章节安排与研究内容
级配初选 级配评价 级配调整 级配的施工控制 章节安排与研究内容 1.绪论 2.研究方案与试验设计 3.沥青混合料矿料级配及其分形特征研究 4.级配走向研究 5.级配稳定性研究 6.嵌挤密实型混合料设计方法研究 6.沥青混合料施工变异及级配控制 7.沥青混合料路用性能研究 本课题以形成密嵌挤、密实、耐久、稳定为原则，研究级配理论、级配走向、级配稳定性，级配评价和设计方法，以及施工阶段级配变异和控制措施。

6 沥青混合料级配优化研究 章节安排与研究内容 级配优化的概念 级配初选 级配评价 级配调整与设计 级配的施工控制 1.绪论
2.研究方案与试验设计 3.沥青混合料矿料级配及其分形特征研究 4.级配走向研究 5.级配稳定性研究 6.嵌挤密实型混合料设计方法研究 7.沥青混合料路用性能研究 8.沥青混合料施工变异及级配控制 级配优化的概念 级配初选 级配评价 级配调整与设计 级配的施工控制 本课题以形成密嵌挤、密实、耐久、稳定为原则，研究级配理论、级配走向、级配稳定性，级配评价和设计方法，以及施工阶段级配变异和控制措施。

7 级配初选 3.沥青混合料矿料级配及其分形特征研究 4.沥青混合料级配走向研究 沥青混合料级配优化研究 1.绪论 2.研究方案与试验设计
5.级配稳定性研究 6.嵌挤密实型混合料设计方法研究 7.沥青混合料路用性能研究 8.沥青混合料施工变异及级配控制 级配优化的概念 级配初选 级配评价 级配调整与设计 级配的施工控制

8 级配评价 沥青混合料级配优化研究 5.级配稳定性研究 6.嵌挤密实型混合料设计方法研究 1.绪论 2.研究方案与试验设计
3.沥青混合料矿料级配及其分形特征研究 4.级配走向研究 5.级配稳定性研究 抗剪强度参数 矿料级配密实曲线分析 6.嵌挤密实型混合料设计方法研究 逐级填充试验 均匀设计 研究了级配骨架评价标准 7.沥青混合料路用性能研究 8.沥青混合料施工变异及级配控制 级配优化的概念 级配初选 级配评价 级配调整与设计 级配的施工控制

9 级配调整与设计 沥青混合料级配优化研究 6.嵌挤密实型混合料设计方法研究 7.沥青混合料路用性能研究 级配评价 1.绪论
2.研究方案与试验设计 3.沥青混合料矿料级配及其分形特征研究 4.级配走向研究 5.级配稳定性研究 6.嵌挤密实型混合料设计方法研究 逐级填充试验 均匀设计， 研究了关键粒径 粗细集料级配确定、合成方法和调整方法 以及嵌挤密实的沥青混合料设计流程 7.沥青混合料路用性能研究 通过完整的室内路用性能试验，对成果的合理性和可操作性进行了分析 8.沥青混合料施工变异及级配控制 级配优化的概念 级配初选 级配评价 级配调整与设计 级配的施工控制

10 级配的施工控制 沥青混合料级配优化研究 8.沥青混合料施工变异及级配控制 级配优化的概念 1.绪论 2.研究方案与试验设计
3.沥青混合料矿料级配及其分形特征研究 4.级配走向研究 5.级配稳定性研究 6.嵌挤密实型混合料设计方法研究 7.沥青混合料路用性能研究 8.沥青混合料施工变异及级配控制 铺筑了实体工程 级配变异分析 体积参数通用图分析与应用 级配优化的概念 级配初选 级配评价 级配调整与设计 级配的施工控制

11 第三章 沥青混合料级配及分形特征研究 2.1 分形理论概述 2.2 分形理论在路面材料研究领域的应用 2.3 抗滑表层沥青混合料分形特征研究

12 第三章 矿料级配及其分形特征研究 级配类型 矿料级配的分形特征研究 分形法与传统级配计算方法的关系 本章小结 6.1 唧浆的定义
第三章 矿料级配及其分形特征研究 级配类型 矿料级配的分形特征研究 分形法与传统级配计算方法的关系 本章小结 6.1 唧浆的定义 由于水的渗入导致面层底部的沥青混合料松散，在行车荷载的反复作用下，自由水产生很大的压力并冲刷基层混合料表层的细料，形成灰白色浆。灰浆被行车压唧，通过各种形状不一和宽窄不一的裂缝（横缝、纵缝）或孔洞喷到路表面。 7.2 唧浆的分类 唧浆的成因比较单一，因此不对唧浆进行分类。 7.3 唧浆产生的原因 由于沥青混凝土面层孔隙率大或压实度不足，使雨水的渗入导致面层底部的沥青混合料松散，在行车荷载的反复作用下，自由水产生很大的压力并冲刷基层混合料表层的细料，形成灰白色浆。在行车荷载的反复压唧之下，通过一定的通道喷射到路面上，形成灰白色的痕迹。 唧浆是路面水破坏的一种表现形式，也是路面即将产生龟裂破坏或坑槽破坏的先兆。临潼～潼关一级公路全段的唧浆现象非常多，在雨后一般都非常明显。 7.4 唧浆的修补方法 一旦发现路面产生唧浆，应该立即处理。如果唧浆的量比较少，可以对唧浆处一定范围的面层表面涂抹密封剂或热沥青，防止雨水进入。当唧浆的量比较大时，可以向面层与基层之间注入水泥浆进行加固，并对唧浆表面的小缝或小孔进行封闭处理。如果唧泥的范围较大，可以采用稀浆封层进行处理，还可以采用挖除面层，用热拌混合料或常温混合料处理的方法。

13 §3.1 级配类型 在传统级配理论的基础上，随着路用性能要求、施工机械及工艺的变化及发展，产生了以下几种级配类型： ⑴传统连续式密级配； ⑵间断级配沥青混合料； ⑶折断级配沥青混合料; ⑷多级嵌挤密级配沥青混合料; 6          6.1 车辙的定义 在渠化交通作用下，道路横断面上由于车辆轮胎反复行驶久而久之产生的一种路面横向凹凸变形现象。此处定义的车辙是指路面只产生辙槽，没有其它病害伴随。在陕西省高速公路沥青路面上，真正意义上的对车辆行使舒适性有影响的车辙并不多见。大部分所谓的“车辙”其实是Ⅱ型龟裂的一种伴生的现象。 8.2 车辙的分类 根据车辙的形成机理的差异，课题组把车辙分为两类：Ⅰ型车辙和Ⅱ型车辙。 8.3 车辙产生的原因 Ⅰ型车辙形成的原因 高温季节，在行车荷载的作用下，沥青混凝土面层会被进一步碾压密实，而使得原本平整的路面在轮迹带产生了轻微的辙槽。 Ⅱ型车辙产生的原因 沥青混凝土高温稳定性不足，在行车荷载的反复作用下，沥青及沥青胶浆便产生流动，从而使混合料的网络骨架结构失稳，并产生侧向移动，形成深度较大的辙槽。这种车辙通常发生在轮迹处。真正意义上的Ⅱ型车辙在陕西省高速公路沥青路面上并不多见。 8.4 车辙的修补方法 Ⅰ型车辙的修补方法 由于半刚性沥青路面在通车运营后都要发生“二次压密”现象，而且形成的车辙深度很小，一般小于10mm，即不影响行车，又不影响路面的使用性能，所以可以不进行处理。 Ⅱ型车辙的修补方法 一般认为在100kN轴重下，面层下2～7cm是剪应力最大区域，也是最易发生辙槽的区域。因此对重度车辙的彻底处理应该至少铣刨7～8cm，采用密实的、高温稳定性好的热拌沥青混合料或SMA混合料进行修补。

14 §3.2 矿料级配的分形特征研究 3.2.1 粗集料颗粒形状的分形描述和评价 ⑴ 集料边界的识别和提取 6 9.1 泛油的定义
§3.2 　矿料级配的分形特征研究 3.2.1 粗集料颗粒形状的分形描述和评价 ⑴ 集料边界的识别和提取 ⑵ 斜率密度函数SDF ⑶ 集料形状分维数 6          9.1 泛油的定义 沥青从沥青混凝土层内部和下部向上移动，在表面产生过多的沥青，使路表面发光发亮，表面构造度显著减小的现象。 9.2 泛油的分类 由于泛油的产生一般只是表面层的原因，而且处理相对比较容易，因此对泛油不再进行分类。 9.3 泛油产生的原因 由于在沥青混合料中沥青用量过大，在行车荷载作用下自由沥青会逐渐从富油区向表面移动，而导致泛油现象。或高温季节的雨水侵入沥青混合料内部，如果沥青与矿料粘结力不足，沥青会从集料表面剥落并向上移动，也会产生的泛油现象。具国内的一些资料表明，泛油几乎在每一条公路上都有，只是数量不同和程度不同而已。泛油一般多发生在行车道轮迹下，呈间隔条片状。 5 泛油的修补方法 泛油导致最严重的后果就是路表抗滑能力不足。严重时可以在高温季节撒料强压处理或铣刨表面层后用热拌沥青混合料或SMA混合料进行罩面处理。

15 §3.2 　矿料级配的分形特征研究 可见，破碎集料棱角性越明显，则维数就越大。工程实践中可利用集料的分维数实现对集料形状的快速定量判断。集料形状分维和性能之间存在明显的对应关系，分维值较大的集料表面粗糙，能增加集料之间的嵌挤能力，从而改善混合料的抗变形能力，提高动态和静态的蠕变性能，这和人们的经验是一致的。

16 §3.2 矿料级配的分形特征研究 3.2.2 矿料级配的分形描述及评价 一、矿料级配的分形特征
§3.2 　矿料级配的分形特征研究 3.2.2 矿料级配的分形描述及评价 一、矿料级配的分形特征 上式即为用质量通过率表示的矿料级配分形表达式，不同值对应不同的级配组成，如图2-4所示。随着值的增大，级配逐渐由开级配向密级配过渡。D值的变化，导致了级配类型的变化。图中同时标出了AC-16上、下限级配曲线，经试算符合AC-16范围的分形级配维数处于2.40～2.55之间。

17 §3.2 矿料级配的分形特征研究 二、矿料级配的分形评价 ⑴级配的分形评价模式 ⑵级配分形评价的适用性分析
§3.2 　矿料级配的分形特征研究 二、矿料级配的分形评价 ⑴级配的分形评价模式 ⑵级配分形评价的适用性分析 根据分形级配表达式可知，给定一个值可求得唯一的矿料级配，是反映级配的唯一特征参数，其大小可作为区分不同矿料级配的标准。当对两条已知级配进行分维分析时，由于在双对数坐标上表示为级配曲线的回归斜率，而双对数在一定程度上可能会掩盖两种不同级配之间的微小差异而得到相同的值，表面上看起来似乎破坏了分维数与矿料级配之间的唯一性，其实不然，因为被双对数坐标掩盖的那部分信息可以通过另一个增加的参量来体现，反应了实际级配与分形级配之间的拟合程度，其值越大，拟合程度越高，级配筛孔的连续性也就越好。 其中主要反映级配的组成及潜在的混合料性能方面的暗示，则与级配的连续性有关，二者结合才能比较完整地描述一个级配,该评价方式也适合于其它级配形式的评价。

18 §3.2 矿料级配的分形特征研究 ⑶级配评价模式的进一步延展
§3.2 　矿料级配的分形特征研究 ⑶级配评价模式的进一步延展 事实上，间断级配应该理解为一个多度域分形更为合理，即在不同的尺度区间存在不同特征的分形.在级配分形分析时，如果级配间断情况比较近似或相关系数过小时，可进一步做分段回归处理，并可采用如下的扩充方式进行级配的定量描述和比较： 其中i为间断级配分形分段数，和为相应的分维数和相关系数。

19 §3.3　分形与传统级配计算方法的关系 3.3.1 传统理论级配计算方法及其与分形计算法的关系 ⑴N法 ， ⑵K法 ， ⑶I法 ， 由上面的分析可以看出，分形级配公式实际上包括了传统的理论级配计算方法，它们是从不同物理背景下推导出的，其殊途同归的原因在于分形是集料级配的本质，上面的计算结果正是这一本质特征的反映。 3.3.2 工程实际中矿料级配确定方法 ⑴Superpave法 ⑵贝雷法 ⑶体积法（CAVF法） 10.1 补中补的定义 路面修补之后又重新破坏导致多次叠加修补的现象。“补中补”与上面所提到的9中病害的性质是不同的，其数量的多少反映了养护水平的高低以及养护工作人员的态度。高速公路沥青路面养护成败的关键恰恰就在于此。因此，应该把“补中补”列入病害的范畴，以促使养护单位努力提高养护水平和加强养护施工作业认真负责的态度。在陕西省高速公路沥青路面上，“补中补”的现象非常多，尤其是对台背沉陷的修补、Ⅱ型横缝、Ⅱ型纵缝等病害的修补失效率最高，这些地方也是“补中补”最容易发生的地方。 图3.11为临潼～渭南高速公路沥青路面上的重复修补。从图中可以看出，该处已经至少经过了3～4次的修补，但是仍然没有彻底消除病害，所以再次修补不可避免。 10.2补中补的预防办法 补中补是典型的养护维修措施不正确的表现。对这种现象的处理只有将既有的修补全部挖除，并采用合理的方法从根本上对病害进行处理。预防补中补的方法只有一个：加强养护管理，提高养护技术，对于病害都应该尽可能地从根本上进行治理。

20 §3.4 本章小结 1. 借助集料照片的图形识别和提取技术，根据SDF求得的集料形状分维可以实现对集料形状的定量描述；
§3.4　本章小结 1. 借助集料照片的图形识别和提取技术，根据SDF求得的集料形状分维可以实现对集料形状的定量描述； 3. 矿料级配也是分形。通过分析给出了级配分维数的物理意义和求取方法，提出了矿料级配的分形评价模式。 4. 分形级配公式实际上包括了传统的理论级配计算方法，它们是从不同物理背景下推导出的，其殊途同归的原因在于分形是集料级配的本质。

21 第四章 沥青混合料级配走向的分形特征研究 Superpave级配走向的分形分析 不同走向Superpave级配的马歇尔试验

22 4.1 概述 沥青混合料级配走向代表了混合料矿料粗细和颗粒构成情况 研究证实“级配曲线的形状对于沥青混合料性能的影响最大”
级配的设计更多的是对级配走向的选择 借用Superpave技术的级配概念对级配走向划分成类，并对其相应分形特征进行分析，试图形成不同走向级配选择的基本方法。

23 4.2 Superpave级配研究现状 Superpave技术自1993年基本完成以来，其以公称最大粒径、控制点和限制区为标志的级配特征和基于混合料体积验证的级配选择技术始终是业界关注和争论的焦点之一. 关于限制区的争论最为激烈，它直接关系到级配曲线的走向问题，这样的争论在一段时间内可能还将存在。 本文的研究无意于判断限制区的存在与否，只是借用Superpave技术的级配概念对级配走向划分成类，并对其相应分形特征进行分析，试图形成不同走向级配选择的基本方法。

24 4.3 Superpave级配走向的分形分析 试验级配的确定
通过限制区上侧的级配曲线 通过限制区上侧的级配曲线 过限制区上侧级配 过限制区的级配 过限制区下侧的级配 反S型级配 正S型级配

25 4.3.2 Superpave级配走向的分形分析 分维数
当级配曲线彼此不相交时，随着级配曲线从限制区上侧而下侧过渡，混合料比表面积减少，分维数降低； 当级配曲线相互缠绕交叉时，随着曲线从正S向反S过渡，拐点斜率由大变小，混合料比表面积增加，分维数相应增加。 不同走向级配分维数分布

26 相关系数 当级配曲线不相交时，随着级配曲线自上而下移动，相关系数逐渐增大达到某一个峰值后开始逐渐减小； 当级配交叉缠绕时，随着拐点处斜率逐渐变小，相关系数也经历了一个逐渐由小变大再变小的过程； 不同走向级配相关系数分布

27 级配走向分形分析的一般性规律 分维数 反映矿料体系不规则度。粒度大小直接影响体系复杂程度，对分维数最敏感；粒度小的颗粒比表面积大，对随机性和层次性贡献也大，系统的分形特征就越明显，因此矿粉含量对分维数影响最大，粗集料最小； 按照这个逻辑，分维数似乎同混合矿料比表面积建立联系更为可靠。 细级配分维数大于粗级配。

28 相关系数 反映级配与分形模型拟合度，其值受级配连续均匀性影响最大－ “连续均匀”指各级粒径尺度上连续，分布具有层次性，类似于“分形度”指标；
连续级配与分形模型拟和度好，相关系数最大；间断级配在尺度上不连续，呈现一定（或近似）的断层，此时若采用分形特征参数对体系进行衡量，对应相关系数一般较连续级配低。

29 4.4 不同走向Superpave级配的马歇尔试验
马歇尔试验结果 过限制区上侧级配、过限制区级配及反S形级配属细级配，较多的细料能有效提高沥青混合料的粘聚力，故稳定度较高，空隙率较小； 过限制区下侧级配相对较粗，故空隙率较大，稳定度较小； 正S形级配较过限制区下侧级配中等颗粒增加，故空隙率最大，稳定度最小。

30 马歇尔试验曲线 不同走向级配稳定度分布 不同走向级配空隙率分布

31 4.4.2 级配走向分形特征与马歇尔指标一致性分析 分维值－空隙率 R2=0.83 R2=0.83 分维数的增加，细料成分增多，空隙率减少。
分维值较大的密实型混合料不管连续或间断，都含有较大比表面积，由于结构沥青增加，集料间粘聚力更强；如再辅以合适的粗集料形成骨架，对提高沥青混合料的永久变形能力将十分有利。 R2=0.83 R2=0.83 分维数与空隙率的关系 Vv＝349.47D D R2＝0.83

32 分维数－稳定度 稳定度反映混合料间接抗拉能力。分维数较大的级配相对密实，稳定度相应较高，能提供较大的抗拉伸变形能力，对路面疲劳及低温开裂破坏有一定控制作用。 分维数与稳定度的关系 MS＝ D D R2＝0.86

33 4.5 基于Superpave级配分形特征的级配走向选取原则
4.5.2 根据级配分维数选取级配走向的初步原则

34 4.5.1 根据Superpave走向选择级配的合理性
关于限制区的存在价值 Superpave最初的观点认为：落入限制区的级配(TRZ)混合料体积特性难以保证，施工中压实不佳，抗永久变形能力和疲劳特性较差，是应该尽量回避的。 近期Superpave研究的基本观点是：设置限制区同混合料抗车辙和疲劳特性无关、通过限制区的级配（TRZ）有可能获得良好的路用性能，甚至较ARZ和BRA更好；但也有些结论不尽相同，这与所用试验方法和评价指标有关。

35 事实上，不管ARZ、TRZ和BRZ性能顺序如何排列，均可看出三者性能存在差异，这是级配特征决定的，也就是说限制区的“区域”应该是存在的，只不过是持“限制”或“默认”何种态度尚存差异而已。
限制区为级配走向划分提供了便利，本文根据限制区位置在DAC-13范围内形成5种不同走向的级配曲线，并从分形角度进行分析，相关试验一定程度上验证了分析结果，揭示出不同走向级配曲线的内在分形特征，从这个意义上讲该区域仍有其存在的必要性。

36 Superpave级配走向对混合料性能选择的合理性
Superpave近期研究对级配走向同样关注。大量剪切试验、疲劳试验、APT加速加载试验、WesTrack及Alabama环道研究所得ARZ、TRZ和BRZ排名不尽相同。有人则认为它们都能获得良好的性能，总体来说细级配（ARZ和TRZ）优于粗级配（BRZ）。 不同级配走向结构特征不同，本文根据5种走向级配的分形特征及马歇尔指标分布规律也证实了这一点。本文的研究结论认为：Superpave级配走向的细级配（包括JS、J、F）细料成分较多，结构密实，密实度及稳定度优于粗级配（JX、Z），这同近期Superpave研究结论相近，并可通过级配分形参数得以体现，根据级配曲线分维数可实现对级配走向的初步选择。 文中5种级配曲走向都位于DAC-13范围内，分形相关系数虽有差别但都大于94％以上，原则上都属连续密级配，其中对分形参数同级配关系的分析可推广到SMA、OGFC等间断级配。

37 4.5.2 根据级配分维数选取级配走向的初步原则 寒冷地区级配走向的选择 炎热地区级配走向的选择 潮湿多雨地区级配走向的选择
选择分维值较大的间断密实级配（如SMA）或连续密实细级配 (包括JS、J和反S形几类) ，对应混合料密实稳定的特点比较适宜于寒区道路的要求。 炎热地区级配走向的选择 为防止高温病害，混合料应有一定的空隙率和抗剪强度，空隙率可容纳受热膨胀或受到挤压的胶浆，抗剪强度则能保证结构的稳定性。因此应选择分维数大但相关系数较小的间断密实级配（如SMA）或是分维数较小的连续粗级配，对文中5种走向来说，过限制区下侧级配和正S形级配具有一定的优势，并且正S形级配更具优势。 潮湿多雨地区级配走向的选择 防止路面水损害有两种选择： “排除” 或 “封堵”；透水面层OGFC的分维数一般较小，而密实型沥青混合料分维数相对较大，因此应从备选分维数分布范围的两极选择级配，适合“封堵”的级配类型有间断级配（SMA）和连续细级配，后者又可以进一步分为过JS、J类级配和反S形级配

38 第五章 级配稳定性评价方法研究 5.1 概述 5.2 不同Superpave级配混合料抗剪参数分析
5.1 概述 5.2 不同Superpave级配混合料抗剪参数分析 5.3不同矿料级配在SGC压实过程中的稳定性分析 5.4 级配稳定性评价研究

39 5.1 概述 稳定的概念 W.S.House：混合料中矿料的真实受力特性其实是一种拱联效应，荷载在路面内部的传递就是通过拱联效应来完成的,拱联分布强弱由路面混合料的稳定特性决定，并与混合料级配有着密切的关系。 评价方法 抗剪强度参数分析 密实曲线的分析

40 5.2 不同走向级配混合料抗剪参数及分析 试验条件 试验方法 研究抗剪强度与级配分维数的关系 17条Superpave级配，
用单轴压缩试验（圆柱法）（T ） 和劈裂试验(T ) ； 研究抗剪强度与级配分维数的关系

41 试验数据分析 粘聚力分布趋势分析 不同走向级配粘聚力分布 试验条件下，细级配（JS、J、F三类）较粗级配（JX、F）平均粘聚力大。
粗级配中JX类级配平均粘聚力较Z类级配更高一些 。 不同走向级配粘聚力分布

42 试验数据分析 内摩擦角分布趋势分析 不同走向级配内摩擦角分布 细级配（JS、J、F三类）较粗级配（JX、F）平均内摩擦角大。
粗级配中正S形级配内摩擦角较JX类级配明显要高。 不同走向级配内摩擦角分布

43 不同级配抗剪强度特征参数分布情况 同粗级配相比，细级配更容易获得较大的抗剪强度，并且抗剪强度的排名和粘聚力的排名相近。
走向 粘聚力，MPa 内摩擦角，rad 抗剪强度，MPa 平均值 名次 JS 1.213 1 0.525 4 3.656 2 J 1.123 3 0.533 3.466 JX 1.071 0.508 5 3.123 Z 0.835 0.554 2.674 F 1.177 0.613 4.409 同粗级配相比，细级配更容易获得较大的抗剪强度，并且抗剪强度的排名和粘聚力的排名相近。 文中试验温度15℃，此时混合料处于弹塑变形阶段，沥青胶浆对混合料稳定性的贡献最大，内摩擦角的作用未能突现出来。

44 6.2.3 抗剪强度与级配分维数的关系 分维数与抗剪强度 随着分维值的增加，抗剪强度有增大的趋势。
数据点相对比较分散，可能的原因是试验温度较低，在一定程度上掩盖了内摩擦角对抗剪强度的贡献。 分维数与抗剪强度

45 5.3 不同矿料级配在SGC压实过程中的稳定性分析
5.3.2 试验条件和试样准备 5.3.3 矿料级配压实曲线分析

46 5.3.1 SGC工作原理 试样在压头和旋转试模的竖向压力与水平剪力作用趋于稳定。 垂直压力：600kpa 旋转角：1.25°
转速：30r/min SGC主要结构及试样剪切运动示意图

47 6.3.2 试验级配 三 条 试 验 级 配 筛孔 mm 通过率 ％ DAC13 SJ13 SMA13 16 100 13.2 95 94
通过率 ％ DAC13 SJ13 SMA13 16 100 13.2 95 94 9.5 76.5 75 62.5 4.75 53 46 26 2.36 37 32 20.5 1.18 26.5 22 19 0.6 15.5 0.3 13.5 12.5 13 0.15 10 7.5 11.5 0.075 6

48 6.3.3 不同矿料级配压实曲线分析 压实曲线分析 常坐标下压实曲线 自然对数坐标下的压实曲线
旋转压实初期，试样高度下降很快；随着压实次数的增加下降速度逐渐减缓。 常坐标下压实曲线 自然对数坐标下的压实曲线

49 压实阶段划分 压缩填充 压缩移位 压缩密实 初次稳定 第2次稳定 第3次稳定

50 压实阶段划分 级配矿料在SGC旋转压实过程中，随着压实功的增加，试样高度降低，初期以矿料的移位重排为主，后期则以试样结构的压缩挤密为主，同时密实度和稳定性增加。 对于压实阶段的划分，当对判别精度要求不高时，可将4、5、6阶段合并成一个稳定阶段。根据压实曲线的特点，可将压实曲线分成不同的几个阶段，各自对应不同的压实特征，据此可对不同级配的稳定性进行评价。

51 压实阶段识别 压实次数与相邻点高度2次变化率下压实曲线

52 压实阶段识别 高度数据变化率次数越高，压实过程中的阶段性体现的就更加明显。 压实次数与相邻点高度6次变化率下压实曲线

53 不同级配矿料压实特性分析 压实次数 各压实阶段对应压实次数 各压实阶段需要压实次数
图6-21 各阶段对应压实次数 图6-22 各阶段所需压实次数 各压实阶段对应压实次数 各压实阶段需要压实次数 图6-21 各阶段对应压实次数 图6-22 各阶段所需压实次数

54 各压实阶段出现的先后与级配差异有关。粗集料含量越多，达到同一阶段所需压实次数越多，因为粗集料相互嵌挤，较大的内摩阻力增加了矿料颗粒在搓揉过程中移位挤密的难度。
各级配都是压实次数在100±15次范围内达到初次稳定阶段4，并且在此前后各阶段压实次数具有不同的分布规律。1、2、3阶段为挤密期，较多的粗集料增加了压实过程中的难度，故SMA13各压实阶段所需要压实次数比SJ13大，DAC13最小；当级配压实到4阶段后，矿料结构基本稳定，压实功增加将打破现有的平衡状态直至实现新的平衡，级配的稳定性越好， 矿料体系对外界扰动的这种“自愈”过程就越迅速，SMA13兼具良好的骨架、密实特征，因此后两个阶段所需要的压实次数最少，DAC13则最多。

55 试样高度 各压实阶段高度变化 各压实阶段对应高度

56 不同级配试样旋转压实过程中的高度不同，粗集料含量同压实曲线高低直接相关，粗集料较多的SMA13在不同阶段的高度均比其它两种级配大。
初次压实稳定阶段4是压实过程中第一次出现的稳定平衡状态。试样在4阶段以前的1、2、3、阶段高度变化较大，其中，SMA13高度变化最大，DAC13最小；4阶段及以后的5、6阶段试样结构已经趋于稳定，试样高度变化不明显，细微的数据观察发现SMA13在受到扰动后“自愈”的过程中高度变化最小，DAC13最大。

57 压实阶段划分小结 上述压实参数分析证实了压实分段提法的正确性，并为鉴别级配提供了依据。
压实分段－SGC对试样做功主要在4阶段前，5、6阶段可认为是4阶段的延续，压实效果已不明显； 压实次数－100±15次基本可满足不同类型级配的压实要求，过度压实容易造成集料的破碎； 压实效果－粗集料相互嵌挤的骨架密实结构（SMA13）压实比细集料相对较多的悬浮密实结构（DAC13）要困难一些，表现为达到4阶段需要耗费更多的压实次数； 级配判断－稳定级配在4阶段前高度变化较大，在4阶段后高度较小，尽管此时各级配已都趋于稳定。

58 6.4 级配稳定性评价研究 6.4.1 级配稳定性评价方法 6.4.2 级配稳定性评价指标 6.4.3 SGC临界压实功Wcr的确定方法
6.4.4 不同级配的稳定性特征

59 6.4.1 级配稳定性评价方法 本章从两个角度对级配稳定性进行评价：一是混合料强度参数；二是SGC压实过程分解。
强度参数分析能间接实现评价级配稳定性目的。存在的问题是试验环节增多，试验条件不同、加之用抗拉/压强度试验代替三轴试验本身就是近似过程，因此反映的各种规律更多的是一种相对趋势，并且较多耗费时间、人力和经费。 SGC压实过程分解，通过选用合适的参数（加载压力、旋转角、压实次数等），得到级配稳定的相关判断，该法操作简单、试验测控精度高、外界干扰因素少，较前者更适用。

60 6.4.2 级配稳定性评价指标 通过压实曲线分析，将压实过程划分成几个标准的阶段，其中第4阶段在级配曲线中处于非常特殊的地位，不同矿料级配达到临界稳定状态（对应第4阶段）时的临界功可以作为破坏集料能量界限的“门槛”，因此可以用来对级配的稳定性进行评价。

61 6.4.3 SGC临界压实功Wcr的确定方法 SGC临界压实功Wcr可按下式计算： H－试样压实至4阶段的变量之和。

62 6.4.4 不同级配的稳定性特征 用SGC压实曲线判断级配的稳定性 级配 试样 稳定状态特征参数 排名 压实次数,次 平均值，次
总变形量,mm 平均值,mm DAC13 1 86 16.7 15 3 2 85 14 SJ13 100 19 99 18.3 SMA13 120 115 22.8 22 110 21.1

63 按照本文的评价方法，SMA13的稳定性最好，SJ13次之，DAC13最差，这和人们的认识是一致的。
达到稳定状态时，SMA所需压实次数和总变形量最大，说明尽管SMA压实速率大，但由于粗集料相互嵌挤而使集料错位挤密需要耗费更多的压实功，形成的结构也最稳定。

64 第七章 基于抗滑性能的沥青混合料配合比设计
7.1概况 7.2 抗滑性能对原材料的要求 7.3 嵌挤密实型抗滑级配的设计方法研究 7.4嵌挤密实型抗滑混合料的配合比设计 7.5 嵌挤密实型抗滑混合料设计方法

65 第六章：多级嵌挤密级配沥青混合料设计方法研究
基本规定 矿料是沥青混合料的结构和骨架 嵌挤、密实、稳定的级配 研究内容 多级嵌挤级配的确定方法 基于胶浆的沥青混合料设计方法

66 6.1 沥青混合料级配优化与设计 级配设计目标：多级嵌挤、密实、稳定 优化设计措施 粗细集料的划分 粗集料的嵌挤骨架； 细集料填充；
粗、细集料的合成比例。

67 6.1粗集料的级配构成 粗集料的作用是形成稳定的嵌挤骨架结构，并为细集料提供合适大小的可填充空隙。 怎样形成嵌挤稳定的结构？
逐级填充试验 均匀设计法 稳定结构的评价指标 粗矿料间隙率VCADRC 加州承载比CBR

68 在一定容积内，矿料间隙率越小则发生的干涉越小，粗矿料间隙率VCADRC是矿料结构稳定性以及能否形成骨架的一个指标。
CBR是评价材料承载能力的指标，其值越大，矿料的骨架稳定性越好

69 1)粗集料的逐级填充试验研究 16～13.2mm：13.2～9.5mm：9.5～4.75mm：4.75～2.36mm＝8：32：40：20。

70 2) 粗集料的均匀设计试验 均匀设计试验可以分析各档料对矿料指标的影响程度

71 2)粗集料的均匀设计试验 相关性最高的是4.75mm通过量

72 粗集料级配确定方法 采取有约束均匀设计法 设计方法 做 法 优点 缺点 逐级填充-单因素法
做 法 优点 缺点 逐级填充-单因素法 利用矿料在装填过程中骨架稳定特征的继承性逐级确定次级粒径集料的最优含量。 操作简单，逻辑清除 一定成型条件下，矿料间隙率VCA取决于材料的形状和棱角性，采用相同材料时混合矿料的VCA比较接近，不同次级粒料对VCA的影响容易被试验误差所掩盖；各粒级分析一视同仁。 正交设计 对不同水平的粒级进行正交设计。 正交性好，分析过程简单，即“均匀分散、整齐可比” 粒级水平数太高试验量太大；各粒级分析一视同仁。 均匀设计 对不同水平的粒级进行均匀设计。 均匀性好，操作灵活，节省试验次数 试验结果仅有“均匀分散”，而无“整体可比”性，试验分析过程较麻烦；各粒级分析一视同仁。 公式计算 对不同粒级在某一参数下采用级配公式计算 计算简单，同典型级配拟合度好。 计算参数来源于实践，缺乏说服力。 采取有约束均匀设计法

73 试验结果分析 VCA指标分析 VCA指标的差异是矿料本质特征和组成比例共同作用的结果。

74 对于公称最大粒径16mm的粗集料级配 各粒级同VCA相关分析和偏相关分析结果表明：
16mm～19mm（X1）级粒料对形成具有一定空隙特征的骨架结构有利，增加X1同VCA表现为正相关。 13.2mm～16mm（X2）和9.5mm～13.2mm（X3）两档集料粒径居中，所以其作用相似并随X1的大小不同，X1较大时以干涉作用为主撑开X1形成的骨架，而X1较小时则成为骨架结构的主体，然而不管是干涉或是形成骨架结构，增加X2和X3都有利于VCA的增加，故也表现出一定的正相关性。 4.75mm～9.5mm（X4）相对于粒径更大的各级粗集料形成的结构来说，粒径连续，干涉和填充作用共存，但因粒径最小，增加X4有利于混合料结构的进一步密实，VCA相应地减小。

75 试验结果分析 CBR指标分析 不同的粗集料级配的CBR指标不同，其中10号级配CBR值最大，4号和15号级配CBR值次之，表明这些级配的强度和抗扰动能力较强；2号、11号和16号级配CBR值较小，矿料结构稳定度相对较差。

76 各粒级同CBR相关分析和偏相关分析结果表明：
16mm～19mm（X1）粒径最大，增加X1利于形成更粗的矿料骨架，内摩擦角增大，因此CBR增加，但该档集料含量较少，这种作用表现得不太明显； 13.2mm～16mm（X2）是形成骨架作用的主体，增加X2利于较粗矿料分布均匀，因此也容易获得稳定的结构，内摩擦角增大，对CBR的提高作用明显， 9.5mm～13.2mm（X3）同X2作用类似，但在参与形成骨架的同时对较粗集料形成的骨架也有一定的干涉撑持作用，因此对CBR的提高作用要相对小一些； 4.75mm～9.5mm（X4）对CBR影响显著，它对已形成骨架同时有干涉与填充作用，虽然会使VCA减小，但也会使骨架被撑开而破坏骨架稳定性，因此增大X4对提高CBR不利。

77 VCA与CBR的一致性分析 VCA和CBR分别从混合散料的体积指标（是否密实）和力学指标（是否稳定）对矿料级配特性进行评价，其值大小同矿料颗粒之间填充与干涉的本质特征有关，理想的级配应该是稳定嵌挤与充分填充的结合。 10号级配恰好满足VCA最小和CBR最大的判定条件，因此可作为粗集料的推荐级配，19mm、16mm、13.2mm、9.5mm各筛孔的通过率依次为：100％、92％、55％、46％。

78 6.2 细集料级配构成研究 沥青混合料中的细集料主要有三种作用： 两个要求： ①填充粗集料空隙并稳定粗集料骨架； ②增加胶泥劲度，
③影响沥青膜厚度。 两个要求： 填充的细集料不能对粗集料的骨架造成较大的撑持作用 细集料整体应有较大的凝聚力和密实度 选用连续级配n=0.45

79 6.3 粗、细集料合成方法 合成原则： 不发生粗、细集料的干涉 满足体积指标设计要求 矿料形成骨架 胶浆与集料综合考虑
粗集料质量百分数+细集料质量百分数+胶浆质量百分数=100 （细集料的体积+胶浆体积+沥青的体积）/粗集料的体积=粗集料的间隙率－沥青混合料设计空隙率

80 6.4 矿料级配嵌挤骨架评价标准 压实后沥青混合料中形成填充控制筛孔以上的矿料间隙率只要小于松散状态的矿料间隙率

81 7.4.1 嵌挤密实型抗滑混合料配合比体积法设计 前提－保证粗集料紧密嵌挤形成稳定的结构，从而提供良好的内摩阻力；细集料连同沥青结合料形成的沥青砂浆对粗集料间隙充分填充，保证混合料结构的密实性，并提供较高的内聚力。 设计思路－按照体积设计法，沥青、细集料、矿粉三者体积及设计空隙率总和等于粗集料间隙率。 计算公式：

82 6.5 基于胶浆的沥青混合料设计方法 一、原材料选择 二、基本试验指标测试 三、确定粗集料级配 四、确定细集料级配 五、确定矿料级配
六、确定胶浆及比例构成 七、级配的调整 八、性能检验

83 7.4.2 预设参数变化对体积法设计的敏感性分析 集料装填密度选取 目标空隙率标准的选取 矿粉含量的选取 油石比的选取

84 集料装填密度选取 装填密度对级配合成的影响
装填密度增加，VCA值减小，使粗集料比例增加，细集料比例等幅下降，影响范围约达10％，装填密度越大，级配越粗。 装填密度的选择直接关系到粗集料骨架的嵌挤程度，对粗、细集料的相对比例影响较大。 装填密度对级配合成的影响

85 紧装和松装密度可认为分别代替了集料嵌挤的上限和下限，如用松装密度计算VCA，可能会导致粗集料之间空隙偏大而不足以形成骨架结构；而用紧装密度计算VCA，所得混合料有可能难于压实，因此常取松散与紧装密度的平均值计算VCA。 紧装密度如采用马歇尔仪击实100次获得，容易导致集料破碎而改变混和矿料空隙特征；而插捣方法难以计算准确；振动密实方法和实际符合较好。因此用振实密度作为紧装密度，再与松装密度平均后计算VCA值； 从本文的计算结果来看，振实密度和松装密度的平均值在数值上与插捣法得到的数据接近，因此在实际中计算时，缺乏振实设备时也可采用插捣密度代替。

86 目标空隙率标准的选取 目标空隙率对级配合成的影响
随着空隙率增加，粗、细集料的相对比例发生变化，粗集料增加，细集料减少，但变化幅度并不大，在目标空隙率变化2％时仅有1.28％。 目标空隙率对级配合成的影响

87 其他条件不变时，目标空隙率对嵌挤密实级配合成比例不会产生太大影响，因此在选择目标空隙率初值时可充分考虑道路交通特点及自然气候条件的影响。
炎热地区采用较大的目标空隙率4.5％是合适的，可为沥青结合料高温流淌提供空间，同时适当增加粗集料比例对提高路面的承载能力有利； 低温条件采用较小的空隙率3.5％左右则较合适，既可提高路面抗裂能力，又对提高疲劳耐久性有帮助。

88 矿粉含量的选取 预设矿粉含量增加4％时对粗集料比例影响不大，细集料比例则相应减少，变化幅度与矿粉含量的增加相当，接近4％。 矿粉含量对级配合成的影响

89 当矿粉含量增加时，混合料比表面积增加，而油石比没有变化，会造成粉胶比增大，沥青胶浆相对干涩并最终影响到混合料性能的发挥，因此矿粉的选取根据对混合料的预期功能需要确定。
对抗滑型混合料而言，从维持各种性能均衡目的出发，建议在体积设计法确定级配时矿粉初始含量取6％左右。

90 油石比的选取 随着油石比的增加，粗、细集料相对比例等幅变化，粗集料比例增加，细集料比例减少，在油石比变化2％时变化3％左右。 在进行体积法设计嵌挤密实矿料级配时，实际油石比初值可采用5％。当采用纤维等稳定剂时可适当提高1％左右。 油石比对级配合成的影响

91 嵌挤密实级配KJ16设计实例 预设条件 目标空隙率－4％； 矿粉含量－6％； 油石比－4.8％
装填密度－松装、插捣、振实对应密度分别为：1.540g/cm3 、1.681g/cm3 、 1.783g/cm3

92 嵌挤密实级配KJ16与其它级配曲线比较

93 KJ16的级配特点 KJ16基本处于SMA16的范围内，13.2mm以上粗料部分靠近级配下限相对较粗，中、细档料靠近级配上限相对较细；
KJ16同DAC16相比，粗集料更粗，细集料更细，这种搭配更加容易形成紧密嵌挤密实级配。 因此，KJ16级配介于DAC16和SMA16之间，尽管不一定形成严格的骨架密实结构，但粗集料相互嵌挤，细集料和沥青胶浆构成的沥青砂浆紧密填充其间，因此得到的是一种紧密嵌挤型沥青混合料。

94 KJ16的分维分析 随着装填密度增加，级配分维数降低，级配变粗，空隙率变大，连续性降低；KJ16分维数和相关系数介于SMA16和DAC16之间，既具有较好的密实性，连续性也得到改善，表现出较大的优越性，这和上文分析是一致的。 级配 类型 级配分维数 D 相关系数 R2 DAC16 2.478 0.986 SMA16 2.576 0.885 OGFC16 2.381 0.940 KJ16 松装 2.541 0.968 插捣 2.531 0.951 振实 2.524 0.931 不同级配分形评价

95 7.5 嵌挤密实型抗滑沥青混合料设计方法 设计步骤 设计流程图，见176页，此处略。 原材料选择 基本试验指标测试 确定粗集料级配
确定细集料级配 确定矿料级配 确定最佳油石比 级配的调整 性能检验 设计流程图，见176页，此处略。

96 图6-10 嵌挤密实型混合料配合比设计流程图

97 第七章 沥青混合料路用性能研究

98 第八章 沥青混合料级配变异与施工质量控制 实体工程－青银高速 级配变异及降低变异措施 沥青混合料施工质量控制

99

100 第八章 研究结论与展望 8.1 研究结论 8.2 主要创新点 8.2 研究展望

101 8.1 研究结论 1. 提高沥青路面抗滑性能一般从抗滑石料、配比设计、施工入手，这三个环节都有明显的分形特征，借助分维数对集料形状、级配以及路面构造定量描述，描述结果同实践经验具有良好的一致性。 2. 矿料级配是分形。在对常用级配分形分析的基础上提出了矿料级配的分形评价模式，并将其延展到间断级配的评价。

102 8.1 研究结论 3. 断面构造尺度上连续，具有统计自相似特征，因此也是分形，断面构造分维数可用于评价路面的抗滑性能。
通过数字图像技术方法获取室内混合料试件断面构造特征，并用断面分维数进行表征，得到断面分维的主要影响因素和变化规律，提出基于分形插值的路面构造模拟流程图；提出采用ENVI密度分割方法得到路面构造水平剖面和整体构造的分形特征的思路和方法，分析其优缺点及适用性；通过断面分维数与抗滑机理之间的一致性分析，提出采用断面分维数作为抗滑性能的分形评价指标。

103 4. 研究了不同粗集料、不同级配、不同最大粒径混合料的抗滑衰减规律，并提出用Asymptotic指数模型拟和抗滑衰减过程。
宏观构造衰减较微观构造快； 构造分维值同常规抗滑指标有相近的衰减速率，其值大小居于二者之间，更靠近微观构造，说明宏观、微观构造对抗滑性能都很重要，尤其是微观构造。

104 8.1 研究结论 5. Superpave级配走向分形分析表明，级配分形参数对揭示矿料级配内部颗粒分布的不规则性有重要意义；不同走向级配马歇尔指标与分形参数间有良好的一致性。

105 8.1 研究结论 6. SGC压实过程表现出不同的阶段特征，初次稳比抗剪强度参数更适合评价级配矿料的稳定性；其中初始稳定状态（第4阶段）时的临界功Wcr可作为破坏集料结构能量界限的“门槛”，可用来评价级配的稳定性。 嵌挤密实级配兼具粗料嵌挤形成骨架，细料充分填充密实的优点，Wcr最大，因此结构最稳定，连续密级配属悬浮密实结构，尽管容易压实，但结构并不稳定，Wcr最小。

106 8.1 研究结论 7. 抗滑表层采用嵌挤密实级配利于各使用性能间的协调；其配合比可采用基于有约束均匀设计和CBR试验的体积设计法完成。
分析了嵌挤密实级配KJ16的特征和分形参数。 研究了预设条件对设计结果的敏感性分析：装填密度对设计结果影响最大，目标空隙率最小，矿粉和油石比居中。 给出了嵌挤密实抗滑混合料的设计思路及流程图。

107 8.2 主要创新点 分形理论在其它学科应用较多，在路面材料研究方面较少，且大部分为局部应用；本文从原材料、矿料级配、性能评价、衰减规律等方面入手，对基于分形方法的沥青路面抗滑技术展开系统研究，大都属首次，主要创新点有： 1. 通过理论分析和室内试验，揭示了级配分维数和相关系数的现实含义、主要影响因素和变化规律，提出了矿料级配的分形评价模式。

108 8.2 主要创新点 2. 通过数字图像技术方法获取室内混合料试件断面构造特征，并用断面分维数进行表征，得到断面分维的主要影响因素和变化规律，提出基于分形插值的路面构造模拟流程图；提出采用ENVI密度分割方法得到路面构造水平剖面和整体构造的分形特征的思路和方法，分析其优缺点及适用性；通过断面分维数与抗滑机理之间的一致性分析，提出采用断面分维数作为抗滑性能的分形评价指标。

109 8.2 主要创新点 3. 开发沥青路面抗滑模拟试验机，提出抗滑性能衰减规律数学模型，通过试验得到不同粗集料、不同级配、不同规格混合料的衰减规律，并提出用断面分维变化来反映抗滑性能衰减过程，并得到相关规律性。 4. 提出基于有约束均匀设计法和CBR试验的嵌挤密实抗滑混合料的设计方法，并给出设计流程图。

110 8.3 研究展望 由于作者能力和时间有限，本研究的相关方法和结论尚需理论和实践验证，有待进一步研究的问题包括：
集料形状分维中光线角度、亮度、距离等对试验结果的影响及消除办法； 本文研发的沥青路面抗滑模拟试验机在数据采集精度、自动记录和装置稳定性方面尚待进一步检验。 混合料在数字图像处理技术和分形理论应用之间的有效连通，揭示沥青混合料中矿料分布模式、空隙状态以及衰减过程中的内部变化规律。

111 谢 谢