瀝青路面級(jí)配及配合比設(shè)計(jì)方法

顧徐榮

摘要：廣東省許多高速公路交通量特別繁重，從而對(duì)路面的要求特別苛刻。因此，在瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)、配合比設(shè)計(jì)方法選擇上有特殊要求。本文對(duì)不同級(jí)配類型瀝青混合料特點(diǎn)和不同配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了對(duì)比分析，推薦了適合廣東地區(qū)的瀝青混合料合理級(jí)配范圍，并提出采用GTM設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)瀝青混合料。

關(guān)鍵詞：道路工程：瀝青路面；級(jí)配；配合比設(shè)計(jì)方法

1瀝青混合料級(jí)配

2001年年底以前，廣東省高速公路中、下面層瀝青混合料的配比設(shè)計(jì)，一直按照J(rèn)TJ032-94規(guī)范，根據(jù)級(jí)配中值線，將混合料設(shè)計(jì)成懸浮密實(shí)式結(jié)構(gòu)。該種混合料的密水性和均勻性良好，但高溫穩(wěn)定性偏低。2001年以前廣東省已建成的干余公里高速公路瀝青路面，車轍并未成為路面主要病害。2002年夏，京珠高速公路粵境南段通車僅數(shù)月，路面產(chǎn)生嚴(yán)重車轍，這將懸浮密實(shí)式結(jié)構(gòu)混合料的弱點(diǎn)徹底暴露出來。京珠南產(chǎn)生車轍病害以后，各個(gè)在建項(xiàng)目，迫切需要尋求將中、下面層混合料設(shè)計(jì)成骨架密實(shí)式結(jié)構(gòu)的方法，并嘗試了多種方案。

第一種方案是直接用Superpave方法設(shè)計(jì)中、下面層混合料，在開陽高速公路某標(biāo)段，采用AH-70瀝青，油石比4.5%，空隙率4.0%，鋪筑的中面層Super20，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到1279次/mm；用油石比4.4%，空隙率4.0%鋪筑的下面層Super25，動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到1800次/mm。比之延用到當(dāng)時(shí)的懸浮密實(shí)式結(jié)構(gòu)在提高高溫穩(wěn)定性方面取得了一定效果。但根據(jù)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法確定標(biāo)準(zhǔn)密度，需要提高施工輾壓水平，從而增加施工投入，在預(yù)算不增加的情況下，要求施工單位按Superpave配比進(jìn)行施工，按旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)密度進(jìn)行壓實(shí)度驗(yàn)收有現(xiàn)實(shí)困難。

第二種方案是按Superpave方法的S型混合料級(jí)配曲線，用馬歇爾方法進(jìn)行配比設(shè)計(jì)。結(jié)果證明，對(duì)S型曲線完全符合Superpave限制區(qū)規(guī)定的中、下面層混合料，用馬歇爾擊實(shí)法確定的配比，其空隙率大幅提高，此時(shí)若將空隙率控制在4%左右，以滿足密水要求，則油石比要大幅提高。例如，開陽高速某標(biāo)段的Super25下面層，符合限制區(qū)規(guī)定的S型曲線的混合料，在4%空隙率下（旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法），油石比為4.4%。這個(gè)配比的混合料，改用馬歇爾擊實(shí)法，得出在4.4%油石比下，混合料的空隙率為5.6%，這意味著在97%壓實(shí)度下，現(xiàn)場(chǎng)空隙率達(dá)8.6%，處于透水狀態(tài)。因此，在以馬歇爾密度控制施工壓實(shí)的情況下，中、下面層混合料的S型曲線，不能完全遵守Superpave限制區(qū)的規(guī)定。

第三種方案是采用FAC（富油瀝青混合料）型混合料，這種混合料是華南理工大學(xué)張肖寧教授首先提出來的，主要通過“體積法”進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)和油石比的選用。FAC混合料具有疲勞性能好、密水性高、均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，但施工后的性能好壞尚有待于時(shí)間檢驗(yàn)

以上三種方案均無法均衡性能與耐久性的關(guān)系，為了尋找中、下面層混合料合理的曲線，廣東省一些專家從2002年夏開始，先后在開陽B02標(biāo)段、廣惠高速、廣梧高速、河龍高速等10多個(gè)工地每次鋪筑試驗(yàn)段時(shí)，都認(rèn)真分析S型曲線關(guān)鍵段落位置的改變，對(duì)路面的密水性、均勻性和粗集料顆粒嵌擠情況的影響。最終按照在保證路面的密水性和均勻性（不離析）滿足要求的前提下，盡量減少細(xì)集料含量，從面盡量形成嵌擠結(jié)構(gòu)，以提高高溫穩(wěn)定性的原則，確定了所推薦的改進(jìn)型中、下面層混合料的級(jí)配范圍，見表1，其中“G”表示“ 改進(jìn)型”。

將Superpave、FAC及GAC三類混合料特點(diǎn)比較列于表2。

對(duì)于Superpave，F(xiàn)AC和GAC三類混合料，依據(jù)廣東省多條高速公路中下面層瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度值，上述三類混合料動(dòng)穩(wěn)定度沒有必然的高低次序。這一定程度說明，通過強(qiáng)化集料骨架作用而導(dǎo)致增大壓實(shí)能量的Superpave混合料可能是不盡合理的；另一方面也說明普通瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度可由800次mm左右提高至1800次mm左右，即通過優(yōu)化級(jí)配最多能將混合料動(dòng)穩(wěn)定度提高約2倍左右。

2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法

縱觀各種瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法，均以一定壓實(shí)條件下得到最佳瀝青用量為核心，其本質(zhì)在于得到滿足使用條件的穩(wěn)定瀝青混合料，即抗車轍性能穩(wěn)定的混合料；而瀝青混合料疲勞壽命的定量分析均無法在各種設(shè)計(jì)方法中體現(xiàn)。理想的配合比設(shè)計(jì)方法應(yīng)建立在以混合料體積指標(biāo)與混合料路用性能對(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，將影響混合料使用性能的因素抽象為各種設(shè)計(jì)參數(shù)，在混合料配合比設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行定量分析，實(shí)現(xiàn)混合料配合比設(shè)計(jì)真正意義上的突破，亦是基于路面性能設(shè)計(jì)方法的重要基礎(chǔ)。

迄今為止，有兩種較有代表性的瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)思想。其一是一定級(jí)配的混合料在一定的壓實(shí)條件下，得到最佳體積狀態(tài)的最佳瀝青用量；該設(shè)計(jì)思想假定混合料體積指標(biāo)與混合料路用性能建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系，屬于經(jīng)驗(yàn)性的體積法，如馬歇爾設(shè)計(jì)法和Superpave法。另一瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)思想，認(rèn)為瀝青混合料為一定級(jí)配集料和膠結(jié)料組成的混合料；該設(shè)計(jì)思想強(qiáng)調(diào)壓實(shí)條件同交通荷載條件的關(guān)系，設(shè)計(jì)荷載為輪胎與路面的最大壓強(qiáng)，并由此得到室內(nèi)試件的壓實(shí)條件，其典型代表是GTM法。據(jù)有關(guān)研究表明，集料的密度對(duì)混合料體積指標(biāo)影響甚大，相同級(jí)配可能由于集料密度的差異而導(dǎo)致相同瀝青用量混合料空隙率差別明顯，見表3。

由表3可知，在級(jí)配相同及油石比不變的情況下，隨著集料密度的增大，混合料空隙率逐漸減小?；隗w積指標(biāo)的設(shè)計(jì)方法尚無法全面考慮集料密度變化對(duì)混合料空隙率造成影響的情況，當(dāng)前解決上述問題的最佳選擇就是采用GTM法設(shè)計(jì)瀝青混合料，從宏觀角度把握該問題。

鑒于當(dāng)前混合料體積指標(biāo)與混合料路用性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系仍不明晰，那種把通過實(shí)體工程路面體積指標(biāo)的調(diào)查結(jié)論奉為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的作法值得商榷。低應(yīng)力條件下壓實(shí)的瀝青混合料承受高應(yīng)力條件得到的體積指標(biāo)與對(duì)應(yīng)高應(yīng)力條件壓實(shí)的瀝青混合料在同等交通及氣候條件的路面體積指標(biāo)顯然是沒有可比性的。

當(dāng)前路面結(jié)構(gòu)性能衰變規(guī)律仍不得而知，顯然由實(shí)體工程路面體積指標(biāo)作為混合料設(shè)計(jì)體積指標(biāo)缺乏必然的邏輯關(guān)系，同時(shí)由于瀝青結(jié)合料品種及性能干變?nèi)f化也使基于體積指標(biāo)的設(shè)計(jì)方法陷入尷尬的局面，基于性能的設(shè)計(jì)方法仍是十分經(jīng)驗(yàn)性的。

回顧馬歇爾設(shè)計(jì)方法，試件成型擊實(shí)次數(shù)從雙面50次增加到75次以適應(yīng)交通量增加及軸載增重的實(shí)際情況，確定的最佳瀝青用量也隨之減少；由此可知，混合料組成設(shè)計(jì)方法中試件壓實(shí)條件均以最大限度模擬實(shí)際路面受荷狀況為原則，而GTM法正是遵循這一基本原則，僅因其以路面可能承受的最大壓強(qiáng)為試件壓實(shí)條件，可能得到偏保守的穩(wěn)定混合料；當(dāng)前宜以模擬實(shí)際路面最大荷載條件下室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)方法，從宏觀的角度得到滿足使用要求穩(wěn)定的混合料，即GTM法設(shè)計(jì)瀝青混合料。

對(duì)GTM法最大的擔(dān)憂就是混合料的疲勞壽命可能縮短及抗水損害能力下降。而采用GTM法設(shè)計(jì)瀝青混合料，其空隙率值均較低，因而有利于混合料抗疲勞，可見該法設(shè)計(jì)的瀝青混合料并不必然導(dǎo)致疲勞壽命較低；另外也可從路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，通過加強(qiáng)路面整體剛度降低瀝青混合料的彎拉應(yīng)力水平。對(duì)于抗水損壞能力下降的憂慮則沒有充分的依據(jù)，因?yàn)槌霈F(xiàn)水損壞的客觀條件是混合料空隙率過高處于透水狀態(tài)、多雨的氣候條件、高速重載的交通條件，顯然采用該法設(shè)計(jì)的混合料空隙率均處于不透水狀態(tài)，水損壞最基本的客觀條件不存在；但高溫、多雨、重載條件下，采用GTM法設(shè)計(jì)的磨耗層瀝青混合料可能存在出現(xiàn)松散病害的危險(xiǎn)，宜在級(jí)配優(yōu)化方面盡量抑制瀝青用量的過度減少?；诋?dāng)前瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法的研究現(xiàn)狀，高速公路瀝青路面可考慮采用GTM法進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，但因壓實(shí)功的提高應(yīng)注意進(jìn)一步提高集料質(zhì)量，并總結(jié)與設(shè)計(jì)方法對(duì)應(yīng)的施工工藝。

3 結(jié)論

（1）在以馬歇爾密度控制施工壓實(shí)的情況下，混合料的S型曲線，不能完全遵守Superpave限制區(qū)的規(guī)定；

（2）Superpave、FAC和GAC三類混合料動(dòng)穩(wěn)定度沒有必然的高低次序；通過強(qiáng)化集料骨架作用而導(dǎo)致增大壓實(shí)能量的Superpave混合料可能是不盡合理的；

（3）改進(jìn)型混合料級(jí)配經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)具有良好的路用性能；

（4）廣東省瀝青路面設(shè)計(jì)，推薦采用GTM設(shè)計(jì)方法。

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