山區(qū)高速公路AC-20 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

郎進(jìn)

摘要：為優(yōu)化山區(qū)高速公路瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，文章以AC-20混合料配合比設(shè)計(jì)為依托，通過對(duì)山區(qū)氣候特點(diǎn)及瀝青路面應(yīng)用場(chǎng)合的分析，提出山區(qū)高速公路瀝青路面的主要路用性能要求，并采用貝雷法反算提出了山區(qū)高速公路礦料級(jí)配控制范圍，同時(shí)對(duì)瀝青混合料體積指標(biāo)、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、滲水系數(shù)等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化研究。經(jīng)過實(shí)體工程驗(yàn)證，該優(yōu)化的AC-20瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料;體積指標(biāo);水穩(wěn)定性;高溫穩(wěn)定性

0 引言

瀝青混合料性能是關(guān)系到瀝青路面使用壽命及服務(wù)水平的直接因素。瀝青混合料設(shè)計(jì)過程中，需要考慮高溫、低溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、耐久性及施工和易性等多個(gè)性能[1-3]。各個(gè)性能之間的實(shí)現(xiàn)存在一定的矛盾性，但已有的工程應(yīng)用中多參照國(guó)家相關(guān)規(guī)范，千篇一律地采用相似的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行瀝青混合料設(shè)計(jì)，往往造成所設(shè)計(jì)的瀝青混合料性能顧此失彼，或者其性能與本地區(qū)氣候環(huán)境不符。如何實(shí)現(xiàn)瀝青混合料各方面性能的平衡和協(xié)調(diào)，提高瀝青混合料對(duì)本地區(qū)環(huán)境的適應(yīng)性，成為瀝青路面質(zhì)量管理過程的重中之重[4-5]。

本文以我國(guó)西南某省為研究對(duì)象。在該省已通車的瀝青路面工程中，水損害、局部推移及車轍病害較為突出，瀝青路面抗老化、耐疲勞性能略低造成的路面早期發(fā)白及反射裂縫過早出現(xiàn)的病害也較為普遍。造成這些問題的原因較多，但瀝青混合料設(shè)計(jì)過程未針對(duì)該省山區(qū)氣候特點(diǎn)進(jìn)行混合料專項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)化是重要原因之一[6-8]。為提高山區(qū)高速公路瀝青路面混合料設(shè)計(jì)指標(biāo)體系的科學(xué)性、合理性，本文結(jié)合依托省份氣候特點(diǎn)，以中面層AC-20瀝青混合料為例，對(duì)施工過程瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行研究，為制定山區(qū)高速公路合理的瀝青混合料指標(biāo)體系提供參考。

1 山區(qū)地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)

1.1 瀝青路面使用性能氣候分區(qū)

根據(jù)我國(guó)瀝青路面使用性能氣候分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，依托省按設(shè)計(jì)雨量分區(qū)指標(biāo)而言，全部屬于年降雨量為1 000 mm以上的潮濕區(qū);按低溫分區(qū)指標(biāo)而言，全部屬于極端最低溫度>-9 ℃的冬溫區(qū);按高溫分區(qū)指標(biāo)而言，其存在夏炎熱區(qū)（最熱月平均最高氣溫>30 ℃）及夏熱區(qū)（最熱月平均最高氣溫為20 ℃～30 ℃）兩個(gè)高溫分區(qū)。該地區(qū)瀝青路面使用性能分區(qū)主要分為1-4-1夏炎熱冬溫潮濕區(qū)及2-4-1夏熱冬溫潮濕區(qū)。山區(qū)高速公路AC-20瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化研究/郎 進(jìn)[=JP2] 由于氣候分區(qū)分界線基本位于該省中部，同時(shí)由于該地區(qū)地形復(fù)雜、海拔變化較大，局部地區(qū)氣候可能與整體氣候分區(qū)有所不同，因此該地區(qū)瀝青路面設(shè)計(jì)及指標(biāo)體系制定過程中應(yīng)充分考慮氣候分區(qū)特點(diǎn)。根據(jù)氣候條件分析，該地區(qū)瀝青路面主要對(duì)水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性的要求較高，對(duì)低溫性能要求相對(duì)略低。因此，混合料設(shè)計(jì)及指標(biāo)制定過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性指標(biāo)的確定。

1.2 使用條件

該地區(qū)高等級(jí)公路橋隧比較高，部分項(xiàng)目橋隧比高達(dá)70%以上，較高比例的橋隧比使得水泥混凝土橋面鋪裝及結(jié)構(gòu)物間小段落復(fù)合式路面比例增加。根據(jù)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算，由于橋面及水泥混凝土面板與瀝青面層模量相差較大，其上鋪裝的瀝青路面層在車輛荷載作用下，混合料內(nèi)部剪應(yīng)力大大高于常規(guī)瀝青路面，瀝青面層也更容易發(fā)生內(nèi)部材料流動(dòng)變形而形成車轍。

另外，該地區(qū)地勢(shì)地形變化較大，長(zhǎng)大縱坡段落較多。長(zhǎng)上縱坡段落的瀝青路面在行車荷載低速碾壓作用下，容易發(fā)生瀝青路面的蠕變變形及層間推移;長(zhǎng)下坡段落的瀝青路面容易發(fā)生層間推移，同時(shí)容易在貨車剎車灑水作用下經(jīng)常保持飽水狀態(tài)而發(fā)生水損害。

因此，考慮到橋面鋪裝、復(fù)合式路面及長(zhǎng)大縱坡段落較多，瀝青混合料設(shè)計(jì)過程應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)進(jìn)行混合料抗車轍變形能力控制及水穩(wěn)定性設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2 AC-20配合比設(shè)計(jì)要求

2.1 級(jí)配類型

級(jí)配是影響瀝青混合料性能的關(guān)鍵因素。該地區(qū)中面層具有抵抗高溫變形及封水的雙重作用，同時(shí)，瀝青混合料應(yīng)具有較好的抗離析及施工均勻性。級(jí)配確定過程中需要根據(jù)常用的級(jí)配曲線進(jìn)行優(yōu)化，并采用貝雷法進(jìn)行級(jí)配驗(yàn)證，以保證級(jí)配嵌擠良好及施工均勻。

貝雷法是基于各級(jí)嵌擠密實(shí)理論而來的，其對(duì)提高瀝青混合料嵌擠效果，保證混合料施工均勻性具有重要作用。根據(jù)貝雷法粗細(xì)集料嵌擠填充理論，AC-20主要影響篩孔為9.5 mm、4.75 mm、1.18 mm及0.6 mm。選取貝雷法關(guān)鍵參數(shù)CA值在0.4～0.6，F(xiàn)Ac值在0.4～0.55，F(xiàn)Af值在0.45～0.55，以選取常用的4.75 mm篩孔通過率，進(jìn)行CA值范圍內(nèi)9.5 mm篩孔通過率的反算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

經(jīng)計(jì)算，4.75 mm篩孔通過率在常用的32%～37%時(shí)，9.5 mm篩孔通過率在51%～60%內(nèi)。同理，可得出1.18 mm、0.6 mm篩孔通過率。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及已有工程應(yīng)用情況，該地區(qū)AC-20瀝青混合料推薦級(jí)配范圍如表2所示。

2.2 油石比

適度的瀝青薄膜厚度、合理的粉膠比是保證瀝青混合料水穩(wěn)性能及耐疲勞性的主要影響因素。一般而言，瀝青薄膜厚度宜在6～8 μm，根據(jù)前文推薦的級(jí)配范圍及該地區(qū)石灰?guī)r密度，反算出在不同瀝青薄膜厚度下最低的瀝青用量（如表3所示）。

結(jié)合對(duì)該地區(qū)相似級(jí)配及相似材料下油石比的統(tǒng)計(jì)分析，得出該地區(qū)高等級(jí)公路AC-20型瀝青混合料油石比應(yīng)≥4.2%。該油石比對(duì)應(yīng)的瀝青薄膜厚度為7.3 μm，屬于中等偏上的瀝青富余量，對(duì)提高混合料水穩(wěn)性能具有一定的作用。

3 馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)

3.1 試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件確定

馬歇爾試件的技術(shù)指標(biāo)受試驗(yàn)條件的影響較大，在制定指標(biāo)時(shí)首先應(yīng)對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行統(tǒng)一的要求才能保證該地區(qū)各個(gè)項(xiàng)目對(duì)指標(biāo)應(yīng)用的一致性。

改性瀝青AC-20瀝青混合料馬歇爾成型試件時(shí)，礦料加熱溫度控制在170 ℃～175 ℃，瀝青混合料拌和溫度控制在160 ℃～170 ℃，試件擊實(shí)成型溫度在160 ℃～165 ℃。試件采用小型瀝青混合料拌和機(jī)逐個(gè)拌和，每組試件不少于6個(gè)，最大限度地減少試驗(yàn)過程的誤差影響。

3.2 體積指標(biāo)及參數(shù)

目前，我國(guó)評(píng)價(jià)瀝青混合料體積指標(biāo)的主要指標(biāo)有空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、瀝青飽和度（VFA）、粉膠比（FB）、瀝青薄膜有效厚度（DA）等。這些混合料的體積指標(biāo)參數(shù)分別從不同角度描述了混合料的體積狀態(tài)。

3.2.1 空隙率

空隙率指標(biāo)描述了混合料的密實(shí)封水性?？紤]到該地區(qū)瀝青面層密水的需要，對(duì)夏炎熱區(qū)適當(dāng)降低最大空隙率范圍指標(biāo)，將規(guī)范規(guī)定的6.0%的空隙率上限調(diào)整為5.5%;對(duì)夏熱區(qū)適當(dāng)提高混合料最小空隙率范圍指標(biāo)，以保證混合料變形空間，將最低空隙率由3.0%調(diào)整為3.5%。同時(shí)，實(shí)際設(shè)計(jì)的混合料目標(biāo)級(jí)配宜控制在3.8%～4.5%。

3.2.2 礦料間隙率

礦料間隙率反映混合料中礦料之外的瀝青與空隙率的空間，因此規(guī)定了下限值?；旌狭显O(shè)計(jì)目標(biāo)級(jí)配宜控制在3.8%～4.5%的某個(gè)值，相應(yīng)的礦料間隙率最小值也在12.8%～13.5%的某個(gè)值。同時(shí)，該指標(biāo)也反映出礦料級(jí)配的嵌擠程度，因此礦料間隙率不能高于下限值過多，規(guī)定為不高于下限值2%。

3.2.3 瀝青飽和度及粉膠比

瀝青飽和度及粉膠比指標(biāo)描述了瀝青與礦料的相互關(guān)系。提高瀝青飽和度，有利于改善瀝青混合料的密實(shí)性及耐久性，但飽和度也不能過高，過高可能存在行車作用下泛油及蠕變變形的風(fēng)險(xiǎn)。粉膠比描述了瀝青混合料瀝青與石粉的比例關(guān)系，反映了瀝青膠漿的穩(wěn)定程度及其與石料的粘結(jié)程度，是瀝青混合料水穩(wěn)定性、耐久性及高溫穩(wěn)定性的一項(xiàng)控制指標(biāo)。該地區(qū)瀝青混合料普遍存在粉膠比過大的情況，部分項(xiàng)目粉膠比可達(dá)1.4，存在一定的瀝青用量不足的問題。此次指標(biāo)修訂根據(jù)瀝青用量計(jì)算并參考美國(guó)等相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論，采用0.8～1.2的控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 馬歇爾穩(wěn)定度及流值

馬歇爾穩(wěn)定度及流值是采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法的基本指標(biāo)，其反映了瀝青混合料力學(xué)強(qiáng)度特性及流動(dòng)變形能力。該地區(qū)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)仍參照中國(guó)相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

3.4 技術(shù)指標(biāo)

結(jié)合馬歇爾試件體積指標(biāo)及馬歇爾混合料試驗(yàn)指標(biāo)，綜合該地區(qū)AC-20瀝青混合料馬歇爾試件技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

4 混合料路用性能指標(biāo)

4.1 高溫性能指標(biāo)

車轍試驗(yàn)指標(biāo)不僅能反映出瀝青混合料抗高溫變形能力，同時(shí)能夠較為直接地反映混合料設(shè)計(jì)過程中級(jí)配、原材料等的質(zhì)量問題。根據(jù)對(duì)該地區(qū)AC-20瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，參照相鄰省份瀝青混合料車轍試驗(yàn)指標(biāo)，提出AC-20瀝青混合料車轍控制指標(biāo)為3 000次/mm。

4.2 水穩(wěn)性能指標(biāo)

瀝青混合料水穩(wěn)定性是該地區(qū)的重點(diǎn)，通過對(duì)級(jí)配及油石比等指標(biāo)的控制，瀝青混合料的水穩(wěn)定性得到一定程度的提高。因此，在技術(shù)可行的情況下，該地區(qū)殘留穩(wěn)定度提高為90%，凍融劈裂強(qiáng)度比提高為85%。

4.3 滲水系數(shù)指標(biāo)

滲水系數(shù)是反映混合料級(jí)配密實(shí)及瀝青用量的直接性指標(biāo)，同時(shí)能夠反映混合料內(nèi)部嵌擠程度，因此，室內(nèi)進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行滲水系數(shù)驗(yàn)證，該地區(qū)AC-20室內(nèi)滲水系數(shù)提高為100 mm/min。

5 工程應(yīng)用效果驗(yàn)證

5.1 混合料試驗(yàn)指標(biāo)

參照本文制定的瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)對(duì)實(shí)體項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)混合料設(shè)計(jì)，其級(jí)配如表5所示，油石比為4.3。經(jīng)馬歇爾試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足本文提出的指標(biāo)要求（如表6所示），即空隙率為3.9%、礦料間隙率>13%的要求。設(shè)計(jì)油石比為4.3%，瀝青薄膜厚度為7.5 μm，粉膠比為1.13。混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果為5 618次/mm，殘留穩(wěn)定度為93%，凍融劈裂強(qiáng)度比為88.5%，表明混合料設(shè)計(jì)性能良好。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)效果

現(xiàn)場(chǎng)取芯效果表明：芯樣均勻、密實(shí)，骨架嵌擠效果良好，無明顯離析（如圖1所示）?，F(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度以最大理論密度計(jì)算，基本控制在94.5%～95.5%，芯樣空隙率為4.5%～5.5%，與室內(nèi)設(shè)計(jì)相符性較好。

6 結(jié)語

（1）山區(qū)降雨量大，部分地區(qū)夏季溫度較高，高等級(jí)公路橋隧比及長(zhǎng)大縱坡路段較多，瀝青路面對(duì)水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性的要求較高，混合料設(shè)計(jì)及指標(biāo)制定過程中應(yīng)確定好水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性指標(biāo)。

（2）AC-20混合料級(jí)配采用骨架密實(shí)型級(jí)配，在貝雷法計(jì)算的基礎(chǔ)上提出了該地區(qū)AC-20控制級(jí)配范圍。通過瀝青薄膜預(yù)估，該地區(qū)高等級(jí)公路AC-20型瀝青混合料油石比≥4.2%。

（3）結(jié)合山區(qū)已有瀝青混合料設(shè)計(jì)指標(biāo)及地區(qū)瀝青混合料設(shè)計(jì)要求，對(duì)空隙率、礦料間隙率、粉膠比等指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化提高。

（4）考慮到該地區(qū)氣候條件要求，將動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)提高為3 000次/mm，該地區(qū)殘留穩(wěn)定度提高為90%，凍融劈裂強(qiáng)度比提高為85%。

（5）根據(jù)指標(biāo)優(yōu)化的混合料均能滿足設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)鋪筑效果良好，芯樣密實(shí)、均勻、嵌擠效果良好。

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