淺析高性能瀝青路面瀝青混合料設(shè)計方法

【摘要】高性能瀝青路面瀝青混合料設(shè)計方法是一種新型的混合料設(shè)計方法，從目前國內(nèi)的應(yīng)用來看，它較傳統(tǒng)的馬歇爾設(shè)計方法瀝青混合料性能有較大的改善，有效的防止了瀝青路面早期損害的發(fā)生。本文以試驗為基礎(chǔ)，依據(jù)高性能瀝青路面瀝青混合料設(shè)計實例對其探討，以求指導(dǎo)路面設(shè)計與施工。

【關(guān)鍵詞】高性能瀝青路面瀝青混合料設(shè)計；損害；實例

1987年美國公路戰(zhàn)略研究計劃（SHRP）進(jìn)行一項為期五年耗資5000萬美元的瀝青課題研究，旨在制定一個新的瀝青和瀝青混合料規(guī)范、試驗、設(shè)計方法和評價體系。SHRP瀝青課題的最終研究成果稱為Superpave，即高性能瀝青路面，包括膠結(jié)料規(guī)范、混合料設(shè)計體系和混合料性能分析方法。本文基于已有的研究，以試驗為基礎(chǔ)，依據(jù)高性能20改性瀝青混合料配合比設(shè)計實例對高性能瀝青混合料設(shè)計方法進(jìn)行探討。

一、Superpave設(shè)計原理

我們在進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計時，通常做法是千方百計調(diào)整

級配盡可能符合規(guī)范規(guī)定的中值，特別強(qiáng)調(diào)“應(yīng)使包括0.075mm、2.36mm和4.75mm的篩孔在內(nèi)的較多的通過量接近設(shè)計級配范圍的中值”。在0.45次級配圖上，我們可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)級配中值點接近最大密度線。也就是說，使瀝青混合料能最大限度的密實是瀝青混合料設(shè)計的原理。

而Superpave設(shè)計則認(rèn)為隨著交通量的增長，軸載的增加，我們需要更多的粗集料形成骨架，有足夠的礦料間隙率和足夠的瀝青保持耐久性，并具有一定的空隙率使瀝青能夠自由遷移，這就是Superpave的設(shè)計概念。

二、級配確定

根據(jù)Superpave設(shè)計原理，Superpave的集料級配控制就完全不同于我國瀝青路面技術(shù)規(guī)范的級配范圍，主要采用控制點和限制區(qū)來初選級配，總體要求就是盡可能使較大的粗集料通過量多一些，而較小的粗集料通過量少一些，同時要求細(xì)集料一端不能通過規(guī)定的限制區(qū)，一般曲線均走限制區(qū)的下方，也就是限制混合料中細(xì)集料的含量。

下面我就將普通AC-25Ⅰ、AC-20Ⅰ型瀝青混合料與Sup25和Sup20級配繪圖進(jìn)行對比。如圖1、圖2所示。其中改進(jìn)型AC-25Ⅰ、AC-20Ⅰ型瀝青混合料級配為寧靖鹽UV21標(biāo)中下面層合成級配，Sup25和Sup20型瀝青混合料級配為如東S334公路下面層合成級配。從中可以看出AC-25Ⅰ、AC-20Ⅰ的規(guī)范中值級配曲線穿越了禁區(qū)范圍，同時接近最大理論密度線；Sup合成曲線則與最大理論密度線形成較大S型交叉，完全避開禁區(qū)范圍；而改進(jìn)型AC-25Ⅰ、AC-20Ⅰ型瀝青混合料級配界于兩者之間。

三、瀝青用量

Sup瀝青用量是根據(jù)集料的性質(zhì)即密度和吸水率計算出最初始

的用油量，然后用初始用油量及初定級配（粗、中、細(xì)）分別設(shè)計成型試件，確定級配。設(shè)計級配確定后，將設(shè)計旋轉(zhuǎn)壓實條件下空隙率為4%的瀝青用量作為設(shè)計瀝青用量。與我國普通瀝青混合料瀝青用量確定方法有很大的區(qū)別。

四、擊實方法

根據(jù)Sup設(shè)計原理，試件成型時的旋轉(zhuǎn)壓實取代了馬歇爾的垂直

擊實。旋轉(zhuǎn)壓實是通過揉搓作用達(dá)到擊實的目的，有效的模仿了現(xiàn)場碾壓的狀況。同時，根據(jù)交通量大小來選擇初始壓實次數(shù)、設(shè)計壓實次數(shù)和最大壓實次數(shù)。最大壓實度要求是一個非常重要的指標(biāo)，用于檢測混合料抵抗永久變形能力。普通瀝青混合料在最大壓實次數(shù)壓實下，空隙率均小于1%，有時幾乎為零，而Sup混合料在要求最大壓實次數(shù)下，壓實度≤98%。提高了路面的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了抗變形能力。

高性能20改性瀝青混合料設(shè)計實例

（一）集料技術(shù)性質(zhì)試驗

試驗選用石料為石灰?guī)r石料、瀝青為161SBS改性瀝青，依據(jù)高性能瀝青路面設(shè)計要求，進(jìn)行了集料技術(shù)性質(zhì)試驗，結(jié)果如下表所示：

表1-1 集料技術(shù)性質(zhì)試驗結(jié)果匯總表

試驗項目試驗值設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)高性能瀝青路面混合料設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

集料認(rèn)同特性粗集料棱角性（%）100/≥100%

細(xì)集料棱角（%）46.0/>45%

扁平顆粒（%）5.6≤15<10%

砂當(dāng)量（%）85.6≥70>60%

集料料源特性堅固性（%）17.5≤30<35～45%

安定性（%）3.3≤12<10～20%

注：對于集料的料源特性，高性能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)無具體要求，表中列出的標(biāo)準(zhǔn)為推薦值。

瀝青混合料中集料的幾何特性包括形狀和紋理兩方面。集料的形狀和表面紋理顯著影響瀝青混合料的路用性能，直接關(guān)系到瀝青混合料的耐久性、工作和易性、抗剪切強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度、疲勞性能等。為了能夠設(shè)計出具有長壽命的瀝青混凝土路面，集料必須具有合理的形狀和紋理特征。

（二）設(shè)計集料結(jié)構(gòu)的選擇

1、初選級配

依據(jù)Superpave設(shè)計的一般方法，在選擇集料結(jié)構(gòu)時，首先調(diào)試選出粗、中、細(xì)三個級配，根據(jù)集料的性質(zhì)（密度和吸水率）計算出三個級配的初始用油量。然后用初始用油量成型試件。根據(jù)試驗結(jié)果，計算出這三個級配的瀝青混合料在空隙率為4%時所需的瀝青用量及相應(yīng)的瀝青混合料性質(zhì)，如礦料間隙率（VMA）、飽和度（VFA）、礦粉與有效瀝青之比（F/A）、初始旋轉(zhuǎn)次數(shù)的壓實度（%Gmmat in）等。圖1-1為三種初選級配的曲線圖，表1-2為估算瀝青用量匯總表。

表1-2 估算瀝青用量匯總表

試驗級配Gsb

（g/cm3）Gsa

（g/cm3）Gse

（g/cm3）VbaVbeWsPbi（%）

12.6692.7202.7100.01340.08972.34434.33

22.6712.7212.7110.01290.08972.34504.31

32.6732.7212.7120.01260.08972.34554.29

表中：Gsb—級配集料毛體積密度；Gsa—級配集料表觀密度；Gse—級配集料有效密度；Vba—集料吸收的瀝青膠結(jié)料體積；Vbe—有效瀝青膠結(jié)料的體積；Ws—每立方厘米混合料中集料質(zhì)量；Pbi—估算瀝青用量。

2、三種試驗級配評價

根據(jù)各個級配的估算瀝青用量和設(shè)計經(jīng)驗，擬用4.3%的瀝青用量采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型試件，旋轉(zhuǎn)壓實儀設(shè)定的單位壓力為0.6MPa。根據(jù)交通量數(shù)據(jù)并考慮到工程施工實際的壓實條件，選擇壓實次數(shù)N最初=8次，N設(shè)計=100次，N最大=160次。根據(jù)Superpave 的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行估算用油量成型試件時，將旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)設(shè)定在N設(shè)計，本次試驗為N設(shè)計=100次，估算瀝青用量下各級配旋轉(zhuǎn)壓實試驗結(jié)果匯總于表1-3。

由上表數(shù)據(jù)可知級配1、級配2和級配3均滿足Superpave 設(shè)計要求，考慮到壓實特性和工程實際的瀝青用量，本次設(shè)計選擇級配1為設(shè)計級配。

3、選擇設(shè)計級配的瀝青用量

設(shè)計級配確定后由表1-3并根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，取Pb為4.3%，四個瀝青用量分別為：3.8%、4.3%、4.8%、5.3%。在進(jìn)行確定選擇級配瀝青用量的試驗時，壓實次數(shù)應(yīng)設(shè)定在N設(shè)計，本次N設(shè)計=100次。試驗結(jié)果如表1-4所示：

根據(jù)四個瀝青用量混合料的體積性質(zhì)，通過圖表插值法可以得到設(shè)計瀝青用量為4.34%及其對應(yīng)的體積性質(zhì)。

4、設(shè)計瀝青用量混合料體積性質(zhì)驗證

經(jīng)以上分析設(shè)計結(jié)果取瀝青用量為4.34%，采用瀝青用量4.3%成型試件，驗證4.3%的瀝青用量在壓實次數(shù)設(shè)定在N最大時對應(yīng)的體積性質(zhì)指標(biāo)（N最大=160次），試驗結(jié)果見表1-5：

通過以上四個部分的試驗和分析，我們即可確定級配1為設(shè)計級配，配合比為1#：2#：3#：4#：礦粉=21：36.5：14：25：3.5，設(shè)計瀝青用量為4.3%，設(shè)計瀝青用量下瀝青混合料各項體積指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

自Superpave瀝青混合料設(shè)計方法在我國實踐以來，可以說對道路界是一場新思想的變革，Superpave瀝青混合料結(jié)構(gòu)經(jīng)實踐證明較我們傳統(tǒng)的密實懸浮類混合料的抗車轍性能有了明顯的改善，這一設(shè)計方法的最大亮點即為引用了混合料的體積性質(zhì)作為設(shè)計的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，同時旋轉(zhuǎn)壓實的成型工藝也較傳統(tǒng)的馬歇爾擊實的成型方法更能模擬實際路面車輪的搓揉作用。但作為一種新的設(shè)計方法，我們要用一分為二的觀點來看問題，這一設(shè)計方法還有許多方面需要我們?nèi)パ芯刻接懀纾涸诨旌狭吓浜媳仍O(shè)計中只是單一的以體積指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，并沒有引入力學(xué)性能指標(biāo)這是否合適，此外由于Superpave混合料采用的級配較粗，從目前國內(nèi)已修筑的Superpave路面來看滲水系數(shù)過大的路段較多。Superpave混合料級配設(shè)計中的限制區(qū)對于我國現(xiàn)有的石料性質(zhì)還需要進(jìn)一步的試驗驗證。相信通過大量的研究，我們會對Superpave有更加深層次的認(rèn)識和改進(jìn)，從而有利于提高瀝青混合料質(zhì)量，為公路事業(yè)做出貢獻(xiàn)。