本文针对沥青结构层厚度与公称最大粒径的关系是影响沥青混合压实性能和耐久性的因素之一，从压实性能和路用性能两方面对沥青面层结构层厚度的合理比例进行了室内试验研究，研究结果表明，沥青面层结构层厚度与沥青混合料最大粒径的比例为 2.5 时，沥青路面具有优良的性能．
关键词：沥青混合料：面层厚度；公称最大粒径；压实性能；路用性能
各国对沥青面层结构层厚度规定有所不同，我的《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）中关于沥青面层厚度与公称最大粒径之间关系有如下的要求：对于热拌热铺密级配沥青混合料，沥青层一层的压实厚度不宜小于集料公称最大粒径的 2.5~3.0 倍。美国早期规范中规定结构层应不小于最大粒径的 2 倍；在 Superpave1998 年出版的施工指南中建议沥青面层结构层厚度宜大于或等于公称最大粒径的 3 倍，对混合料较粗的这个比例还要增加；澳大利亚沥青混合料手册中要求面层厚度宜为公称最大粒径的 2.5 倍；德国的沥青路面规范中 (94 版) 中规定路面厚度与各混合料的公称最大粒径的 3~5 倍。和国外现行的相关规定相比，我们目前实际工程中所采用的路面厚度偏薄。而沥青路面厚度和混合料最大粒径匹配与否影响着势必影响道路沥青混合料的压实性能，而压实是沥青面层结构层施工中非常重要的一个环节。影响压实效果的因素有很多，如压实机械、碾压厚度等，在诸多的影响因素中沥青面层结构层厚度和最大粒径的关系不容忽视，两者的关系选择不当对压实是非常不利的，而压实不好就非常容易产生水损害、车辙现象。本文从压实角度及相关路用性能出发对沥青面层结构层厚度和最大粒径两者之间的关系进行深入研究，建立两者的合理关系，为沥青混合料类型提供选择依据。
一、实验方案及试件制备
（一）试验方案
本文试验采用的级配为陕西黄岩高速公路施工中采用的 AC-13 型。根据定义可知，该级配最大粒径为 16mm，公称最大粒径为 13.2mm。试验时 S（S 定义为路面结构层厚度H与最大粒径 dmax 的比值，即 S=H/dma）与相应板厚的对应关系见表 1。
表 1S 与板厚对照关系
在相同条件下，按照表中不同的板厚成型板试件，测定不同 S 下的密度，研究不同板厚和压实性能的关系。并根据不同板厚下的密度，成型相应试件，通过车辙试验、残留稳定度试验、冻融劈裂试验和低温弯曲试验等进行路用性能分析，最终确定合理的 S，以供路面结构层厚度设计时参考。
（二）试件制备
测定不同 S 下密度的试件采用轮碾法成型板。成型板试件时，均采用最佳沥青用量下的毛体积密度进行配料，并在相同的压实功、相同的拌和温度和相同的压实温度下成型试板。为了便于量测将成型好的试板切成面积大致相当的 9 小块，用于测定各自的密度，见图 1。
水稳性试件是采用不同板厚下的密度按马歇尔法成型，即为马歇尔试件图 1 切块实物图
。低温和疲劳试件是由板试件按规定尺寸切割而成。
二、原材料选用
本文集料采用陕西蓝田安山岩，集料技术性能试验结果满足要求；矿粉由石灰岩研磨而成，其试验结果均满足要求；沥青为 ESSO-90，进行各项常规指标测试，技术性能满足 A 级沥青技术要求。级配采用黄延高速公路沥青混合料的试验室配合比，如表 2 所示。
三、面层厚度与粒径的关系对压实性能影响分析
沥青混合料必须经过拌和、摊铺、碾压三个施工环节才能形成具有一定强度的结构，在这三个环节中碾压对混合料的强度起着至关重要的作用，因此需要对不同 S 下的压实性能进行分析。
（一）试验结果
不同 S 下，沥青混合料物理指标见表 3。
表 3 不同 S 下沥青混合料的物理指标
（二）试验结果分析
1、S 与沥青混合料密度的关系
众所周知，沥青混合料的密实程度直接影响到材料的强度，如抗压强度和抗拉强度。在相同的条件下，密实程度好的材料具有较高的强度，反之，强度则较低。由于沥青混合料是一种粘性极其显著的材料，一般说来，相同的压实温度、压实功、级配、沥青用量和压实速度，混合料的密实程度与压实厚度有着重要的关系，也即密实程度与 S 有着重要的关系。
从图 2 中可以得出：（1）混合料毛体积密度随 S 的增加而增加，当 S 为 3.0 时密度达到最大值。S 从 3.0 到 3.5，毛体积密度随 S 的增加而具有减小的趋势。因此，可以认为在相同的条件下当 S 为 3.0 时沥青混合料是最密实的，压实性能最好。（2）S 为 2.0 时毛体积密度较小主要是由于厚度太薄，石料在混合料碾压过程中被压碎且成为支撑，使混合料不能进一步被压实而造成的，仔细观察切块就会发现稍微大一点的石料大多有压碎的裂缝。这一现象说明板厚不能太薄（S 不能过小），否则会影响混合料的压实性能。（3）当 S 为 3.5 时混合料的毛体积密度下降是因为压实功不足造成的。这说明板厚也不能太厚，否则也会影响压实性能。因此，从密度角度来看，S 的合理比例为 3.0 左右。
2、S 与 VV 的关系
空隙率 VV 是沥青混合料一个非常重要的体积指标，它对混合料的使用性能和使用寿命都有很大的影响，尤其是对水稳定性有着很大的影响。理论上，空隙率为零时，沥青混合料完全不透水，因而其水稳性最好，当然从其它的路用性能上讲，空隙率不能太小就另当别论了。研究表明，当空隙率在 8%～15%之间时最容易发生水损害。因此，控制好沥青混合料的空隙率就非常重要了。影响混合料空隙率的因素很多，面层厚度与公称最大粒径比 S 就是其中之一。当其它条件都相同时，会因 S 的选用不合理而影响混合料的压实性能，从而导致混合料的 VV 偏大。所以选择合理的 S 对沥青混合料的 VV 也是非常重要的。
从图 3 中可以看出，在其它条件都相同的情况下，VV 大体上随板厚的增加而下降，VV 在 S 为 2.0 时最大，是因为 S 较小，结构层厚度太小，沥青混合料过压而造成的。当 S 为 3.0 时空隙率达到最低值，并且和采用马歇尔试件进行试验时的空隙率值相当。当 S 大于 3.0 时 VV 有增大的趋势。
3、S 与 VFA 的关系
从图 4 沥青混合料饱和度 VFA 和 S 的关系可以看出：在 S =2.0~3.0 之间时，VFA 随 S 的增大而增大，并在 3.0 时 VFA 达到最大值，且达到设计要求，随后 VFA 随 S 的增大而减小。实际上，VFA 的变化主要受 VV 的影响。从 VFA 的变化进一步证明了如果结构层太薄，会因过压或压实不足而使混合料的饱和度降低。这也同样要求设计时必须选择合理的结构层厚度。
综上分析，从压实性能（即毛体积密度、VV、VFA）来看，S 的合理比例应该为 3.0 左右。该比例能够使沥青混合料达到最好的密实性。
四、面层厚度与粒径的关系对路用性能影响分析
不同的沥青面层结构层厚度与公称最大粒径比 S 必然有不同的路用性能。为了能使路面给车辆提供稳定、耐久的服务，沥青混合料必须具有良好的路用性能，也就是路用性能是检验混合料的标准，因此通过路用性能的好坏来检验和选择合理的 S 是比较客观、科学的。路用性能主要包括两部分：结构性能和表面功能。结构性能包括水稳定性、高温稳定性、低温稳定性和抗疲劳性能，而表面功能主要是指路面的抗滑性能和平整性能。本节主要研究混合料的结构性能，即研究 S 与水稳定性、高温稳定性、低温稳定性之间的关系，并通过这些性能来确定合理的 S。
1、S 与水稳定性关系
用残留稳定度 MS0 和冻融劈裂强度比 TSR 来评价不同 S 下沥青混合料的水稳定性。试验结果如表 3.4 所示。
3.4 浸水马歇尔试验结果表 3.5 冻融劈裂试验结果表
从表 3.4 可看出，S 在 2.0~2.5 之间时，残留稳定度升高；当 S 大于 2.5 时，残留稳定度有下降的趋势，而且 S 从 3.0 到 3.5 残留稳定度下降非常明显。从残留稳定度角度看，合理的 S 值为 2.5~3.0。
从表 3.5 可看出，S 从 2.0~3.0，混合料的 TSR 随 S 的增大而增大，并在 3.0 时达到最大值，随后 TSR 随 S 的增大而减小。从 TSR 结果来看，S 的合理值为 3.0 左右。
从上述的残留稳定度和 TSR 试验结果综合考虑，S 的合理值应为 3.0。不同 S 所对应的水稳定性规律也间接体现了混合料的压实性能。因为残留稳定度与 TSR 和混合料的空隙率有着很大的关系，当空隙率大时其相应的残留稳定度和 TSR 就较小。
2、S 与高温稳定性关系
不同 S 所对应的车辙试验结果见表 6。从表中可以看出，对于 AC-13 型沥青混合料，不同 S 对应的动稳定度 DS 均满足高速公路大于 800 次 /mm 的要求。但相比之下当 S=3.0 时的 DS 最大，说明适当的表面层结构层厚度和公称最大粒径比能提高沥青混合料的压实性能，从而提高混合料的高温稳定性。另外，从相对变形来看 S =3.0 时的相对变形最小，也说明该比例下的高温抗车辙能力最好。因此从高温稳定性角度来看，S 适宜的比例为 3.0 左右。
表 6 不同 S 所对应的车辙试验结果表 7-10℃低温弯曲试验结果
不同 S 值的低温弯曲试验结果见表 7。从表中可以得出以下结论：（1）从最大弯拉应变来看，不同的 S 所对应的最大弯拉应变差别不大，但相比之下 S=3.0 时要大些；（2）从劲度模量来看，S=3.0 的弯曲劲度模量最小，S=2.0 的最大，而弯曲劲度模量越大表明混合料的低温抗裂性越差，所以当 S=3.0 时的低温抗裂性较好。
综合低温弯曲的试验结果可以看出，当 S=2.5～3.0 时的沥青混合料的低温抗裂性较好。
五、结论
（1）沥青面层结构层厚度与混合料公称最大粒径比对压实性能有重要的影响，合理的比例关系能够提高沥青混合料的压实密度；
（2）沥青混合料的路用性能和其压实性能密切相关，良好的压实性能可以显著提高沥青混合料的路用性能；
（3）无论是压实性能还是路用性能，本文建议面层结构层厚度与混合料公称最大粒径比 S 采用 3.0 左右。我国目前常采用的结构层厚度相对于 3.0 这个比例关系而言有点偏薄。
参考文献：
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