本节依据正交试验设计方法，通过沥青混合料冲击剪切数值模拟试验，研究粗（9.5～26.5 mm）、中（1.18～9.5 mm）、细（0.075～1.18 mm）集料对沥青混合料冲击剪切性能的影响程度和影响规律，研究沥青混合料矿料级配优化方法。

正交试验设计过程需要确定评价指标、试验因素和因素水平。评价指标用来衡量试验效果，本文采用冲击剪切试验轴向压力峰值作为评价指标。试验因素是指影响试验指标的主要因素。试验因素往往很多，不可能全面考察，应根据试验目的选取主要因素，略去次要因素，以便减少试验工作量。在进行沥青混合料级配设计时，为了达到比较好的力学性能和路用性能，都是将各档集料掺配到一起使之形成预期的级配形式，级配形成过程中，也是集料填充的过程和颗粒排列过程。以 AC-20 沥青混合料矿料级配为例，利用离散元软件再现颗粒填充过程，为了研究方便，采用圆盘颗粒代替集料，如图 7-3 所示。在研究过程中，1D 集料为16～26.5 mm 的集料， 2D 集料为13.2～26.5 mm 的集料； 3D 集料为9.5～26.5 mm 的集料，并以此类推。

图7-3　AC-20 集料填充过程二维模型

从图7-3 可以得出，在填充的初始阶段，较大颗粒之间排列规律性不明显，随着颗粒粒径逐渐减小，比较小的颗粒逐渐将大颗粒包裹起来，共同形成骨架结构；从4D 集料开始有小颗粒填充粗集料之间的间隙，但是颗粒之间仍然是以形成骨架为主；到5D 集料，小颗粒填充大一点集料间隙比较明显，但是颗粒之间仍然是以共同作用形成矿料骨架为主；到了7D 集料小颗粒主要是起到填充作用了。从颗粒填充过程来看，级配曲线可以分为三段，第一段为颗粒排列过程，称为粗段，主要是形成矿料骨架，起到增加摩擦力的作用，这一范围没有颗粒间的填充，代表的筛孔范围为 9.5～13.2 mm；第二段已经有少量细集料填充粗集料之间的空隙，称为中段，这一段起到形成骨架、增加密实的作用，代表筛孔范围为1.18～9.5 mm；最后一段为0.075～1.18 mm 筛孔尺寸范围，称为细段，这一筛孔范围的颗粒主要起到填充空隙增加密实作用，这一部分不起骨架支撑作用。

在筛孔尺寸为0.075～26.5 mm 之间总共包含有12 个筛孔，为了分析不同筛孔在沥青混合料中所起到的作用，将一条完整的级配曲线分成粗、中、细三段进行正交试验分析，试验目标是分析级配曲线不同部分对沥青混合料冲击剪切性能的影响。分析时以 9.5 mm 和1.18 mm 的粒径作为分界点，将沥青混合料矿料级配分为粗、中、细集料三个因素，分别称为集料A（含9.5 mm 筛孔）、集料B（含1.18 mm 筛孔）和集料C，作为正交表的列。由于离散元采用接触模型来模拟胶结料，因此沥青含量加到细集料内形成沥青砂浆。在利用离散元分析沥青混合料性能时，处理0.6 mm 以下集料比较困难，分析时进行了简化处理，将1.18 mm、0.9 mm和0.6 mm 均匀颗粒分别代表了集料C 的不同水平，以便了解集料C 对骨架结构的影响。本书主要研究级配曲线中粗、中、细段位置的改变对沥青混合料冲击剪切性能的影响。因素水平是根据行业标准《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中针对AC-20 的级配范围的上限及下限之间的四分点位确定，分别为上位（0.75）、中位（0.5）和下位（0.25），作为因素的三个水平。其中上位是级配范围中值与级配范围的上限的平均值，称为水平1；中位为级配范围的中值线，称为水平2；下位为级配范围下限与中值线的平均值，称为水平3，AC-20 型沥青混合料各试验因素和水平如表7-2 所示。

表7-2　正交表及AC-20 级配范围(www.daowen.com)

本试验将级配曲线分成粗、中、细三段，形成三个因素，每个因素对应三个级配形式，这样就生成一个三因素三水平的正交表，符号为L9(33 )。根据上述方法AC-20 沥青混合料矿料级配试验方案，如表7-3 所示。为了矿料级配的优化及对比分析，将规范中提供的级配范围的上限和下限值以及 Sup-20 沥青混合料矿料级配的控制点和限制区也列入其中，如图7-4～图7-5 所示。

表7-3　AC-20 级配试验设计表

图7-4　级配曲线（不含控制点和限制区）

图7-5　级配曲线（含控制点和限制区）