瀝青混合料配比設(shè)計技術(shù)研究

鄒文剛

(貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司)

0 引 言

級配設(shè)計對于瀝青混合料的使用性能具有至關(guān)重要的決定性作用，也是關(guān)系到瀝青路面路用性能的關(guān)鍵因素。確保公路瀝青路面路用性能與使用壽命，必須對瀝青混合料的配比設(shè)計進行優(yōu)化。當前，在我國公路瀝青混合料配比設(shè)計中，主要有馬歇爾混合料配比設(shè)計方法與Superpave 配比設(shè)計方法兩種設(shè)計技術(shù)，不同的設(shè)計方法對于材料選用、試驗驗證等也有著不同的要求，這就要求技術(shù)人員必須結(jié)合不同設(shè)計方法的實際特點，進一步的優(yōu)化研究，以提高瀝青混合料的設(shè)計質(zhì)量。

1 馬歇爾配比設(shè)計方法

馬歇爾配比設(shè)計方法是我國瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的配比設(shè)計方法，主要是通過成型馬歇爾試件，依靠體積指標以及物理力學(xué)性能參數(shù)來確定級配范圍以及最佳油石比，馬歇爾配比設(shè)計流程如下所示。

(1)原材料的控制。對于馬歇爾配比設(shè)計中原材料的質(zhì)量控制，在規(guī)范中都有著明確的試驗檢測方法以及指標要求。對瀝青材料，重點是對針入度、軟化點、延度、粘度、彈性恢復(fù)、離析穩(wěn)定性以及老化新能等常規(guī)性能的試驗檢測。對粗集料，重點是對壓碎值、磨耗損失、扁平顆粒含量、堅固性以及含泥量等技術(shù)指標的檢測;對細集料，則主要是堅固性、砂當量、含泥量等相關(guān)技術(shù)指標。對礦粉，主要是確保表觀密度、含水量、親水系數(shù)、粒度范圍以及有無團粒結(jié)塊等進行試驗檢測。

(2)級配范圍的確定。由于級配類型與路面的使用性能有著非常密切的關(guān)系，因此對于級配的確定必須慎重選擇。在規(guī)范中，對于瀝青混合料的級配范圍給出了較大范圍的選擇，在進行馬歇爾配比的實際設(shè)計過程中，除了參照技術(shù)規(guī)范的相關(guān)要求以外，還應(yīng)該根據(jù)項目所在地的氣候、降水、交通量等細化選擇，確定最為適合的級配。

(3)最佳油石比的確定。對于瀝青混合料配比設(shè)計階段最佳油石比的確定，首先應(yīng)該根據(jù)混合料的類型以及交通荷載情況，結(jié)合工程施工經(jīng)驗，初步按照間隔0.3%確定幾組不同的油石比，之后通過雙面擊實成型馬歇爾試件，并分別進行試驗檢測確定不同油石比條件下的試件毛體積相對密度、孔隙率、瀝青飽和度以及礦料間隙率等體積指標，同時確定馬歇爾穩(wěn)定度與流值。按照毛體積相對密度、穩(wěn)定度最大值與空隙率和飽和度的中值作為OAC1，將在規(guī)范范圍內(nèi)的最大油石比和最小油石比的中值確定為OAC2，OAC1與OAC2的中值作為最終確定的最佳油石比。

2 Superpave 配比設(shè)計方法

Superpave 配比設(shè)計方法是美國SHRP 計劃的研究成果，是一種基于性能的瀝青混合料設(shè)計和分析體系，與馬歇爾設(shè)計方法最大的區(qū)別在于Superpave 配比設(shè)計方法無論是材料選擇、級配確定以及混合料性能評定都更加強調(diào)改善路面的服務(wù)情況。其具體設(shè)計流程如下所示。

(1)原材料的選擇。Superpave 配比設(shè)計方法中，對原材料的性能和質(zhì)量要求有了很大的不同，尤其是對于瀝青材料，需要根據(jù)預(yù)期氣候條件以及交通條件，確定瀝青膠結(jié)料的高溫性能等級與低溫性能等級要求，同時還需要考慮到交通量的要求;并側(cè)重了老化性能要求，需要根據(jù)運輸、施工以及使用階段分別采取旋轉(zhuǎn)播磨烘箱、壓力老化容器等進行老化性能驗證;對于膠結(jié)料的高低溫性能則依靠動態(tài)剪切流變儀以及彎曲梁流變儀等進行試驗檢測。對于集料以及礦粉的性能要求，則主要是依據(jù)于AASHTO 設(shè)計規(guī)范中的測試方法以及指標要求，與我國規(guī)范要求大致吻合，但更加強調(diào)了對集料棱角性的要求。

(2)混合料級配設(shè)計。對于混合料的級配確定，在級配范圍的確定上增加了控制點和限制區(qū)的要求。對于級配范圍的控制點要求設(shè)計級配不能超過所在控制點的大小范圍，控制點主要是設(shè)置在最大粒徑、公稱最大粒徑、2.36 mm 以及0.075 mm。限制區(qū)則是在最大密度線兩側(cè)的區(qū)域，是要求在級配范圍設(shè)計過程中不能通過的區(qū)域，如果通過限制區(qū)容易出現(xiàn)級配設(shè)計中細集料含量過多，影響壓實與后期混合料的抗永久變形能力。

(3)最佳油石比的確定。在初步確定級配以后，初始估算混合料的油石比，并通過旋轉(zhuǎn)壓實儀成型試件，試件的標準尺寸為150 mm×115 mm，旋轉(zhuǎn)壓實過程中壓實次數(shù)的確定應(yīng)該根據(jù)交通量分別確定初始壓實次數(shù)、設(shè)計壓實次數(shù)以及最大壓實次數(shù)，試件成型冷卻后確定瀝青混合料試件的旋轉(zhuǎn)壓實參數(shù)、孔隙率、礦料間隙率等參數(shù)指標，并根據(jù)AASHTO 中的經(jīng)驗公式計算預(yù)估瀝青用量。在確定預(yù)估瀝青用量以后，分別以預(yù)估瀝青用量上下間隔0.5%、1.0%確定4 個瀝青用量，并再次使用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型試件，通過計算分析壓實數(shù)據(jù)與體積特性，選擇在設(shè)計壓實次數(shù)下，各項體積指標均能符合規(guī)范設(shè)計要求的瀝青用量作為最佳瀝青用量。

3 瀝青混合料路用性能的驗證

按照我國現(xiàn)行公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，對于瀝青混合料必須進行相關(guān)路用性能的驗證，特別是對瀝青混合料進行高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性的試驗驗證，試驗驗證的內(nèi)容如下所示。

(1)高溫穩(wěn)定性的驗證。瀝青混合料高溫穩(wěn)定性是混合料性能的重要指標，也是評價瀝青路面荷載作用下抵御擠壓以及永久變性能力的主要指標。瀝青混合料高溫穩(wěn)定性評價試驗方法主要有單軸高溫蠕變實驗、Superpave 法中最大旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)下的殘余空隙率驗證以及車轍試驗等試驗方法，其中我國規(guī)范推薦才采用車轍試驗，以動穩(wěn)定度作為高溫穩(wěn)定性的評價指標。我國規(guī)范中的技術(shù)要求如表1 所示。

表1 瀝青混合料車轍試驗動穩(wěn)定度技術(shù)要求

(2)低溫性能驗證。瀝青混合料的低溫性能不足很容易造成瀝青路面后期的開裂問題，現(xiàn)階段的試驗方法主要有瀝青混合料低溫彎曲蠕變試驗、SHRP 中的低溫性能J－積分試驗、混合料低溫壓縮試驗以及低溫彎曲試驗等，主要通過破壞彎拉強度、彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量、低溫彎曲破壞應(yīng)變等評價瀝青混合料的低溫性能。在我國規(guī)范中對于低溫性能的技術(shù)要求主要是以低溫彎曲試驗破壞應(yīng)變進行分析，具體要求見表2 所示。

表2 瀝青混合料低溫彎曲試驗破壞應(yīng)變(με)技術(shù)要求

(3)水穩(wěn)定性。水損害是我國瀝青路面最為常見的早期病害問題，對于水穩(wěn)定性的試驗檢測，在材料選擇階段就需要通過水煮法等手段評價集料與瀝青之間的粘結(jié)性能。在驗證階段，則主要是通過浸水馬歇爾試驗以及凍融劈裂試驗進行評定，通過浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度以及凍融劈裂強度比進行水穩(wěn)定性的評價。規(guī)范中的要求見表3 所示。

表3 瀝青混合料水穩(wěn)定性檢驗技術(shù)要求

4 結(jié) 語

在進行瀝青混合料的配比設(shè)計中，無論采用何種設(shè)計方法，技術(shù)人員均應(yīng)該把材料選擇、級配范圍確定以及性能驗證作為重點，結(jié)合不同公路工程路面的交通量、荷載、自然環(huán)境等不同的特點，提高配比設(shè)計過程中的針對性，確保試驗過程數(shù)據(jù)整理分析的準確性，進而提高瀝青混合料的配備比設(shè)計質(zhì)量，為瀝青路面路用性能與使用壽命的改善提供基礎(chǔ)保障。

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