南非冷拌瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法與啟示

劉秀麗 山東省臨朐縣交通運(yùn)輸局

導(dǎo)語(yǔ)：

瀝青路面冷再生技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)得到了較大面積的推廣，但是冷再生混合料設(shè)計(jì)方法還有很大的提升空間。歐美及南非等國(guó)家的冷再生混合料設(shè)計(jì)方法各不相同，反映出各國(guó)對(duì)冷再生混合料的不同認(rèn)識(shí)，也說(shuō)明冷再生混合料設(shè)計(jì)方法還處于不斷發(fā)展完善的階段。

鑒于我國(guó)在該方面的技術(shù)發(fā)展路線與南非更為接近，因此南非的設(shè)計(jì)方法、理念和工藝也值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。細(xì)規(guī)定[6]，其中的很多理念與方法值得我們關(guān)注。南非標(biāo)準(zhǔn)中的瀝青穩(wěn)定材料（Bitumen Stabilised Materials），指的是乳化瀝青穩(wěn)定材料和泡沫瀝青穩(wěn)定材料，實(shí)際應(yīng)用中主要是針對(duì)乳化瀝青和泡沫瀝青冷再生混合料。

乳化瀝青和泡沫瀝青冷再生技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)研究和成功推廣應(yīng)用了十余年。由于南非的路面結(jié)構(gòu)形式與我國(guó)比較接近，其路面材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)我國(guó)有較高的參考價(jià)值，因此在乳化瀝青和泡沫瀝青冷再生技術(shù)的研究和推廣過(guò)程中也參考和借鑒了南非的相關(guān)成功經(jīng)驗(yàn)[1-5]。

2009年，南非瀝青協(xié)會(huì)發(fā)布了《瀝青穩(wěn)定材料技術(shù)指南》，對(duì)泡沫瀝青和乳化瀝青穩(wěn)定材料的設(shè)計(jì)、施工做出了詳

混合料分級(jí)

根據(jù)材料性能的高低，南非標(biāo)準(zhǔn)將冷再生混合料分為BSM1、BSM2、BSM3三個(gè)級(jí)別。材料分級(jí)的結(jié)果用“設(shè)計(jì)等效材料等級(jí)”（Design Equivalent Material Class，DEMC）表征，表示材料具有與同一等級(jí)新材料類似的剪切強(qiáng)度、剛度、耐久性和柔韌性，是通過(guò)規(guī)定檢測(cè)項(xiàng)目的所有檢測(cè)結(jié)果的第10百分位數(shù)、中位數(shù)和第90百分位數(shù)來(lái)確定的。所需檢測(cè)指標(biāo)及技術(shù)要求如表1所示。

不同級(jí)別的材料分別適用于不同等級(jí)的設(shè)計(jì)交通量水平。

（1）BSM1具有很好的抗剪切性能，適用于交通量超過(guò)600萬(wàn)次累計(jì)當(dāng)量軸次道路的基層。

（2）BSM2具有較好的抗剪切性能，適用于交通量低于600萬(wàn)次累計(jì)當(dāng)量軸次道路的基層。

（3）BSM3一般是用較高比例的瀝青來(lái)穩(wěn)定含有大量土的粒料，僅適用于交通量低于100萬(wàn)次累計(jì)當(dāng)量軸次道路的基層。

我國(guó)規(guī)范沒(méi)有按照性能高低、設(shè)計(jì)交通量等進(jìn)行分級(jí)[7]，例如表2所示的乳化由于南非的路面結(jié)構(gòu)形式與我國(guó)比較接近，因而其路面材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)我國(guó)有較高的參考價(jià)值。冷再生選用的原材料及冷再生混合料，在用于重交通或者輕交通、高速公路或者二級(jí)公路等不同條件時(shí)理應(yīng)有不同的性能要求。瀝青冷再生混合料技術(shù)要求。而實(shí)際上，冷再生選用的原材料及冷再生混合料，在用于重交通或者輕交通、高速公路或者二級(jí)公路等不同條件時(shí)理應(yīng)有不同的性能要求。因此，南非標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料和混合料進(jìn)行分級(jí)的做法更為科學(xué)，值得借鑒。

表1 不同等級(jí)混合料抗剪切性能指標(biāo)要求

混合料設(shè)計(jì)

礦料級(jí)配

南非標(biāo)準(zhǔn)提出的乳化瀝青和泡沫瀝青混合料礦料級(jí)配范圍幾乎完全一致，主要差別是0.075 mm通過(guò)率，如表3所示。南非標(biāo)準(zhǔn)還指出，應(yīng)該在級(jí)配范圍內(nèi)按照最大密度線理論選擇適宜的級(jí)配曲線，以獲得最小的礦料間隙率VMA。VMA值越小，混合料性能越好。我國(guó)規(guī)范提出的冷再生礦料級(jí)配范圍借鑒了南非瀝青協(xié)會(huì)2002年版的標(biāo)準(zhǔn)，與現(xiàn)在的南非標(biāo)準(zhǔn)相比主要有以下缺點(diǎn)：篩孔尺寸不連續(xù)；級(jí)配范圍過(guò)寬；0.075 mm通過(guò)率上限過(guò)高；沒(méi)有提出礦料級(jí)配設(shè)計(jì)原則；應(yīng)采用骨架結(jié)構(gòu)還是懸浮結(jié)構(gòu)，規(guī)范沒(méi)有明確規(guī)定。

最佳含水率

南非標(biāo)準(zhǔn)中的最佳含水率分為最佳拌合含水率（OMMC）、最佳壓實(shí)含水率（OCMC）2種，且對(duì)于乳化瀝青混合料、泡沫瀝青混合料的要求是不同的。

可獲得最佳拌合效果的含水率稱為最佳拌合含水率。對(duì)于乳化瀝青混合料而言，擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水率就是最佳拌合含水率。試驗(yàn)時(shí)，只用水拌合進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到最佳用水量，該用水量等于礦料含水量、乳化瀝青含水量在乳化瀝青中的含量之和，即認(rèn)為乳化瀝青中的水和瀝青顆粒在拌合過(guò)程中均起到潤(rùn)滑作用。對(duì)于泡沫瀝青混合料而言，以擊實(shí)試驗(yàn)確定的最佳含水率的65%~85%作為最佳拌合含水率，松散集料毛體積密度最大時(shí)的含水率是最佳拌合含水率的下限。

表2 我國(guó)乳化瀝青冷再生混合料設(shè)計(jì)技術(shù)要求

表3 南非瀝青協(xié)會(huì)乳化瀝青和泡沫瀝青冷拌混合料級(jí)配范圍

最佳壓實(shí)含水率是指可以獲得最佳壓實(shí)效果的含水率。對(duì)于乳化瀝青混合料，可以按最佳拌合含水率的方法確定，也可通過(guò)振動(dòng)錘擊成型方法確定。對(duì)于泡沫瀝青混合料，應(yīng)通過(guò)振動(dòng)錘擊成型方法確定。南非標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)指出，由于現(xiàn)在的壓路機(jī)壓實(shí)功率很大，施工時(shí)最佳壓實(shí)含水率要比實(shí)驗(yàn)室確定的數(shù)值低，最多可低出1.5%。

《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）規(guī)定：使用乳化瀝青時(shí)，乳化瀝青試驗(yàn)用量可定為4%，變化水量進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)獲得最大干密度時(shí)，其混合料的含水量即為最佳含水率。使用泡沫瀝青時(shí)，泡沫瀝青試驗(yàn)用量可定為3%，變化水量進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)獲得最大干密度時(shí)，其混合料的含水量即為最佳含水率。

南非標(biāo)準(zhǔn)值得我們借鑒之處在于：區(qū)分了拌合含水率和壓實(shí)含水率，更加科學(xué)；明確提出工程實(shí)際應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室確定的最佳含水率基礎(chǔ)上有所減少，符合工程實(shí)際。

設(shè)計(jì)方法與指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)交通量的不同，南非標(biāo)準(zhǔn)中將乳化瀝青和泡沫瀝青混合料設(shè)計(jì)分為3個(gè)級(jí)別。

（1）第1級(jí)設(shè)計(jì)（LEVEL1）。適用于所有交通量等級(jí)的道路。第1級(jí)設(shè)計(jì)需要檢測(cè)混合料干劈裂強(qiáng)度、濕劈裂強(qiáng)度、干濕劈裂強(qiáng)度比3項(xiàng)指標(biāo)，用于確定瀝青用量和是否需要活性填料，具體技術(shù)要求見表4。干劈裂強(qiáng)度確定最佳瀝青用量，濕劈裂強(qiáng)度確定是否需要活性填料。如果干濕劈裂強(qiáng)度比小于50%，一般表明需要添加活性填料；如果干濕劈裂強(qiáng)度比小于50%且干劈裂強(qiáng)度大于400 kPa，說(shuō)明材料中可能含有較多的黏土，或者是瀝青沒(méi)有發(fā)揮作用。

（2）第2級(jí)設(shè)計(jì)（LEVEL2）。對(duì)于累計(jì)當(dāng)量軸次超過(guò)300萬(wàn)次的道路，需要在第1級(jí)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行第2級(jí)設(shè)計(jì)。第2級(jí)設(shè)計(jì)通過(guò)檢測(cè)混合料等效劈裂強(qiáng)度和浸水24 h后的劈裂強(qiáng)度，對(duì)第1級(jí)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，最終確定瀝青用量。具體要求如表5所示。

表4 第1級(jí)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

表5 第2級(jí)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

（3）第3級(jí)設(shè)計(jì)（LEVEL3）。對(duì)于累計(jì)當(dāng)量軸次超過(guò)600萬(wàn)次的道路，需要在第1級(jí)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行第3級(jí)設(shè)計(jì)。第3級(jí)設(shè)計(jì)通過(guò)混合料三軸試驗(yàn)的黏聚力、內(nèi)摩擦角、浸水循環(huán)試樣的殘余黏聚力等對(duì)混合料的抗剪切性能和抗水損害性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，技術(shù)要求如表6所示。

《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG F41—2008）沒(méi)有區(qū)分不同交通量的情況，沒(méi)有按照交通量水平依次采用不同層次的設(shè)計(jì)方法，沒(méi)有使用三軸試驗(yàn)等方法和殘余黏聚力、等效劈裂強(qiáng)度等技術(shù)指標(biāo)，與南非標(biāo)準(zhǔn)相比要求過(guò)于簡(jiǎn)單。

試驗(yàn)方法

南非標(biāo)準(zhǔn)中的試樣全部使用振動(dòng)擊實(shí)成型，試樣養(yǎng)生根據(jù)混合料類型、是否添加活性填料以及不同層次的混合料設(shè)計(jì)選擇不同的試樣養(yǎng)生方法，這也有別于其他國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的方法。第1級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，采用無(wú)密封、40 ℃養(yǎng)生72 h至恒重，混合料的含水量一般低于0.5%；第2級(jí)、第3級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)，首先在30 ℃烘箱中養(yǎng)生20 h（泡沫瀝青混合料）或者26 h（乳化瀝青混合料），然后用塑料袋密封，放置在40 ℃烘箱中再養(yǎng)生48 h，且在24 h時(shí)更換1次塑料袋。南非標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，這樣得到的試樣含水率大約是最佳含水率的43%~50%，與混合料長(zhǎng)期使用過(guò)程的實(shí)際狀態(tài)接近，稱為“平衡含水率”。

南非標(biāo)準(zhǔn)還提出了抗水損壞性能試驗(yàn)，并開發(fā)了專用的試驗(yàn)儀器。該儀器可以對(duì)試樣按照每間隔1.4 s抽真空0.54 s的頻率進(jìn)行反復(fù)抽真空，同時(shí)采用脈沖水壓140 kPa對(duì)試樣進(jìn)行沖刷，模擬路面結(jié)構(gòu)中水分對(duì)材料的反復(fù)抽吸和沖刷。將經(jīng)過(guò)抽吸循環(huán)的試樣與沒(méi)有經(jīng)過(guò)循環(huán)的試樣分別進(jìn)行三軸試驗(yàn)，得到的黏聚力之比稱為殘余黏聚力，用來(lái)評(píng)價(jià)混合料的抗水損壞性能。

表6 第3級(jí)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

與我國(guó)規(guī)范相比，南非標(biāo)準(zhǔn)有以下幾個(gè)方面值得我們關(guān)注和借鑒。

（1）采用振動(dòng)擊實(shí)成型，得到的試樣壓實(shí)度與工程實(shí)際更為接近。

（2）提出了平衡含水率的概念，實(shí)際上是將長(zhǎng)期運(yùn)行中的混合料狀態(tài)作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)狀態(tài)。

（3）用三軸試驗(yàn)得到混合料的黏聚力和內(nèi)摩擦角并提出技術(shù)要求，而三軸試驗(yàn)中混合料的受力狀態(tài)與工程實(shí)際更為接近，這是對(duì)劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)的有益補(bǔ)充。

（4）根據(jù)設(shè)計(jì)等級(jí)的不斷提高不斷增加設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，提升設(shè)計(jì)指標(biāo)的復(fù)雜程度和科學(xué)性。分為BSM1、BSM2、BSM3三個(gè)等級(jí)。

結(jié)束語(yǔ)

瀝青路面冷再生技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)得到了較大面積的推廣，但是冷再生混合料設(shè)計(jì)方法還有很大的提升空間。歐洲、美國(guó)各州、南非等的冷再生混合料設(shè)計(jì)方法各不相同，反映出各國(guó)對(duì)冷再生混合料的不同認(rèn)識(shí)，也反映出冷再生混合料設(shè)計(jì)方法還處于不斷發(fā)展完善階段。南非研究提出了獨(dú)具特色的冷再生混合料設(shè)計(jì)方法，以下理念和做法值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。

（1）按照路面性能要求和不同的設(shè)計(jì)交通量，將乳化瀝青和泡沫瀝青混合料

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)交通量的不同，將乳化瀝青和泡沫瀝青混合料設(shè)計(jì)分為L(zhǎng)EVEL1、LEVEL2、LEVEL3三個(gè)級(jí)別。根據(jù)設(shè)計(jì)層次的不斷提升，設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的復(fù)雜程度和科學(xué)性不斷提高。

（3）提出應(yīng)該在級(jí)配范圍內(nèi)按照最大密度線理論選擇適宜的級(jí)配曲線，以獲得最小的礦料間隙率。

（4）區(qū)分了最佳拌合含水率和最佳壓實(shí)含水率，明確提出工程實(shí)際應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室確定的最佳含水率基礎(chǔ)上有所減少。

（5）采用振動(dòng)擊實(shí)成型試樣。

（6）提出了平衡含水率的概念，將長(zhǎng)期運(yùn)行中的混合料狀態(tài)作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)狀態(tài)，并開發(fā)了特殊的試樣養(yǎng)生方法。

（7）提出了三軸試驗(yàn)的黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗水損壞性能試驗(yàn)后的殘留粘聚力等技術(shù)要求。

[1] 孫祖望.瀝青路面再生技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展（一）[J].建筑機(jī)械,2005(4):13-17.

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[7] JTG F41-2008公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范[S].

[8] ARRA. Basic Asphalt Recycling Manual[S]. 2002

冷補(bǔ)瀝青混合料是常溫或低溫條件下修補(bǔ)瀝青路面坑槽最有效的方式，具有不受天氣環(huán)境影響、施工簡(jiǎn)單、維修方便、封閉交通時(shí)間短、剩料可重復(fù)利用、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，有較高的推廣價(jià)值。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)冷補(bǔ)料路用性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，市面上的冷補(bǔ)料性能良莠不齊，普遍存在初期強(qiáng)度不高、耐久性差、接縫黏結(jié)力弱、易受水損壞產(chǎn)生二次病害等問(wèn)題。
本期特稿概述了瀝青路面坑槽病害的形成原因、分類、常見的修補(bǔ)方式，以及國(guó)內(nèi)外瀝青路面坑槽冷補(bǔ)料的研究現(xiàn)狀和最新進(jìn)展；研發(fā)了一種基于高分子樹脂材料的新型瀝青路面坑槽冷補(bǔ)材料，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究其路用性能特點(diǎn)，分析影響其路用性能的集料類型、級(jí)配類型、擊實(shí)方法和養(yǎng)生條件等因素，推動(dòng)瀝青路面坑槽冷補(bǔ)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。