高速公路瀝青路面的瀝青混凝土配合比設(shè)計理論淺析

王曉輝

（新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局七0四隊,新疆 哈密 839000）

0 引言

瀝青路面在高速公路較為常見，但是根據(jù)各地區(qū)高速公路運營、保養(yǎng)現(xiàn)狀來看，瀝青混合料的路面結(jié)構(gòu)容易破壞。造成這一現(xiàn)象的主要原因可能與材料自身抗剪強度不足、塑性變形值偏高有關(guān)。為進一步提升瀝青混凝土路面穩(wěn)定性，該文將通過試驗分析的方法，對瀝青混凝土配合比展開設(shè)計，最終提出一套完整的瀝青混凝土配合比方案，希望對類似高速公路混凝土項目有一定的借鑒與指導(dǎo)作用。

1 瀝青混凝土配合比設(shè)計理論研究

1.1 基本理論要求

為解決高速公路出現(xiàn)的瀝青混凝土路面剪切破壞問題，我國在相關(guān)規(guī)定中明確提出，在瀝青路面面層破裂面上所產(chǎn)生的剪應(yīng)力τa應(yīng)小于等于瀝青混合料許用剪應(yīng)力τR，而τR與瀝青混合料的抗剪強度τ之間存在密切關(guān)系[1]。在配合比設(shè)計中，τ可通過三軸試驗方法計算，其計算方法如公式（1）所示。

式中，τ——混合料抗剪強度（MPa）；c——混合料粘結(jié)力（MPa）；σ——正應(yīng)力（MPa）；ψ——混合料內(nèi)摩擦角（rad）。

根據(jù)公式（1）可以判斷抗剪強度與摩擦角、粘結(jié)力之間存在相關(guān)性。在當(dāng)前高速公路瀝青混凝土路面設(shè)計中，通過優(yōu)化瀝青品種以及瀝青用量有助于提升混合料粘結(jié)力與高溫穩(wěn)定性；優(yōu)化礦量級配與密度則有助于改善內(nèi)摩擦角性能。

在高速公路瀝青路面材料配合比設(shè)計中應(yīng)考慮以下因素影響：一是粗集料。瀝青混凝土材料常用于鋪裝下層，對粗集料的性能未提出嚴(yán)格規(guī)范，目前常見的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)包括3~5 mm、5~10 mm、10~15 mm等。二是細(xì)集料。細(xì)集料在瀝青混凝土中的占比高，根據(jù)現(xiàn)有高速公路工程項目的性能標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)集料關(guān)鍵性能指標(biāo)應(yīng)滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：含泥量≤3%；堅固性（＞0.3 mm部分）≤12%；毛體積密度≥2.5 g/cm3；表觀相對密度≥2.5 g/cm3。三是礦粉。屬于研磨的天然礦粉，理想的礦粉應(yīng)做到粒徑大小均勻并且雜質(zhì)少、具有理想的塑性指數(shù)。四是瀝青材料。這是一種彈塑性粘性材料，因而具有一定的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，不需要設(shè)置伸縮縫，路面平整且有彈性，行車較舒適。

1.2 幾種常見的瀝青混凝土礦料級配種類

根據(jù)目前我國高速公路項目的施工經(jīng)驗，目前常見的瀝青路面的瀝青混凝土礦料級配種類主要包括以下幾種：

（1）懸浮密實結(jié)構(gòu)。采用連續(xù)型密集配礦質(zhì)混合料與瀝青組成的混合料時，為避免次級集料影響前級集料密排效果，需確保前級集料間留出更大空隙，以滿足次級集料正常排布的需求。因此與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，懸浮密實結(jié)構(gòu)具有更強的密實度，但是因為各級集料均被次級集料分隔，決定了集料間無法有效靠攏并形成骨架。在我國相關(guān)規(guī)范中，ACI型結(jié)構(gòu)采用了此架構(gòu)，實踐結(jié)果證明該結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能良好，但是熱穩(wěn)定性、抗滑性能不理想。

（2）骨架空隙結(jié)構(gòu)。使用連續(xù)型級配礦質(zhì)混合料與瀝青組成的混合料時，因為此類混合料具有遞減系數(shù)大的特征，導(dǎo)致粗集料占比高，在粗集料相互作用下會形成較大且穩(wěn)定的骨架；相比之下，細(xì)集料因數(shù)量少無法充分填滿粗骨料的空隙，最終會在骨架中形成大小不一的空隙[2]。在現(xiàn)行規(guī)定中所介紹的AM型瀝青混凝土礦料級配采用了該結(jié)構(gòu)，實踐證明骨架空隙結(jié)構(gòu)具有粘結(jié)力低、內(nèi)摩擦角大的特征。

1.3 瀝青混凝土粘結(jié)力

瀝青混凝土粘結(jié)力與瀝青種類、瀝青用量存在密切關(guān)系，在高速公路瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層施工階段，所使用的碾壓設(shè)備壓強越大、初始溫度越高，施工后瀝青混凝土油膜厚度越薄，粘結(jié)力越大。這就是GTM機旋轉(zhuǎn)柔壓理論的基礎(chǔ)，因此可認(rèn)為碾壓設(shè)備、油石比與碾壓溫度三者之間的相關(guān)性。同時，目前我國高速公路路面施工中所使用設(shè)備的輪胎壓強普遍大于等于1.0 MPa，所以在GTM試驗機中可使用1.0 MPa壓力做旋轉(zhuǎn)柔壓，設(shè)定試驗溫度為130 ℃，初壓時采用大噸位輪胎壓路機即可。

同時針對瀝青種類對黏附力的影響，目前市面上出現(xiàn)了不用類型的改性瀝青，此類材料具有良好的抗裂性與高溫穩(wěn)定。在施工前先處理酸性、中性硬質(zhì)礦料也是提升瀝青混凝土粘附性的合理方法，例如在施工前可向原材料中摻加生石灰粉或者低標(biāo)號水泥。

1.4 瀝青混凝土混合料級配要求

（1）絕對空隙率影響路面滲透率。高速公路瀝青路面滲透率對行車安全、使用年限有重要影響，大量高速公路項目的實踐經(jīng)驗證明，當(dāng)路面絕對空隙率小于7%時可以有效避免路面滲水問題發(fā)生。但需要注意的是，絕對空隙率偏低會導(dǎo)致混凝土路面泛油，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)性異常。而在高溫夏季，隨著天氣溫度增加會造成瀝青膨脹，若瀝青混凝土結(jié)構(gòu)中沒有足夠空隙則會導(dǎo)致瀝青上行并造成泛油問題。因此在配合比設(shè)計中瀝青混凝土的絕對空隙率應(yīng)控制在4%~5%之間。

（2）混合料級配與集料內(nèi)摩擦角之間存在相關(guān)性，這是因為集料中存在大小不一的空隙，該空隙會被更低級的集料填充，直至級配滿足瀝青路面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在級配設(shè)計中，隨著內(nèi)摩擦角增加會提升粘結(jié)力，導(dǎo)致粗集料間隙無法被低一級集料填充，最終導(dǎo)致骨架空隙結(jié)構(gòu)。

（3）瀝青混凝土路面應(yīng)具有良好的溫度穩(wěn)定性與承載性，避免瀝青混凝土結(jié)構(gòu)在高溫狀態(tài)下硬度下降或低溫狀態(tài)下出現(xiàn)表層結(jié)構(gòu)開裂等質(zhì)量問題，通常會使用改性瀝青或者在瀝青混凝土中摻加博尼維等方法來提升路面的耐久性與溫度穩(wěn)定性等。而針對路面易破損等問題，也可以在混凝土材料中摻加硬質(zhì)巖等。

2 瀝青混凝土配合比設(shè)計思路

2.1 原材料的選擇

2.1.1 瀝青材料

瀝青材料性能直接影響高速公路路面質(zhì)量，而根據(jù)路面結(jié)構(gòu)損壞原因調(diào)查結(jié)果來看，瀝青自身品質(zhì)質(zhì)量問題與路面使用年限之間存在密切關(guān)系。例如瀝青材料中的含蠟量偏高會導(dǎo)致路面后期出現(xiàn)橫向裂縫，為避免此類問題發(fā)生，配合比設(shè)計中應(yīng)將瀝青含蠟量含量控制在3%以下。合理選擇瀝青種類也是減少路面病害的合理手段，例如選擇溫度敏感度低以及稠度低的瀝青材料可以有效避免路面開裂，而高粘度瀝青可生產(chǎn)出有更高勁度的混合料，此類材料也有助于強化路面的抗車轍能力。因此可以認(rèn)為在目前瀝青材料選擇中，使用少石蠟、高樹脂的石油是正確選擇。

同時考慮到氣候變化對路面使用年限的影響，所使用的瀝青應(yīng)具有良好的溫度適應(yīng)能力，如低溫時的形變能力以及高溫時的感溫性等。為滿足上述技術(shù)規(guī)范，可選擇溶凝膠型結(jié)構(gòu)的環(huán)烷基稠油直餾瀝青。該瀝青的針入度指數(shù)為-2~+2之間，瀝青質(zhì)含量15%~25%。

最后為提升瀝青材料整體性能，在考慮未來一段時間內(nèi)高速公路車輛數(shù)量變化的情況下，可考慮采購性能更優(yōu)異的瀝青材料，如SK或者殼牌公司的AH-50、AH-70等材料。

2.1.2 集料

粗集料粒徑是影響混合料抗車轍能力與抗疲勞強度的重要因素。根據(jù)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合料厚度與粒徑的比率接近2.0時，瀝青路面的抗車轍與抗滑性能處于最佳狀態(tài)，并且也可以有效減少路面平整度衰減等質(zhì)量問題發(fā)生。

碎石與瀝青材料的粘附性也是影響路面耐久性、強度的重要因素。為確保二者具有良好的結(jié)合能力，材料配比設(shè)計中一般不使用酸性材料，并且碎石粘附性大于等于4級。目前理想的碎石材料為無雜質(zhì)、無風(fēng)化且表面粗糙干凈、針片狀顆粒少的材料，并且其壓碎值、沖擊值等均應(yīng)該滿足技術(shù)規(guī)范[3]。

2.1.3 填料

理想的瀝青混凝土填料為石灰?guī)r、強基性巖石等，上述材料研磨加工后獲得的礦粉。為滿足不同材料級配要求，碎石填料的規(guī)格通常為＜3 mm、3~5 mm、5~10 mm等若干規(guī)格。同時，為避免待料以及溢料等問題，在設(shè)計中應(yīng)盡量控制超大粒徑含量，最大規(guī)格應(yīng)控制在3%以下。

2.2 確定礦質(zhì)混合料比重

正常情況下合成級配曲線應(yīng)盡量靠近限值，因此可通過不同規(guī)格篩孔過量，使其接近級配中限。而考慮到未來一段時間內(nèi)高速公路交通量的增加，在混合料比重設(shè)計中可考慮調(diào)整級配范圍下限，其級配曲線應(yīng)有正常的波動范圍，但是要避免出現(xiàn)犬牙交錯等問題。

2.3 確定最佳油石比

在現(xiàn)行規(guī)定中，確定最佳的瀝青用量是找出馬歇爾指標(biāo)均符合要求的共同范圍，相關(guān)人員可參考既往經(jīng)驗確定估算值，并以估計值為中值，以0.5上下變化瀝青用量，取5個不同的瀝青用量制備馬歇爾試驗的試件，當(dāng)馬歇爾試驗檢測合格后，評估混凝土材料的密度、空隙率、飽和度及礦料間隙率，最終確定配合比的最佳瀝青用量。

3 性能檢測結(jié)果

為判斷上文提出的瀝青混凝土配合比設(shè)計方案的合理性，可通過性能試驗的方法綜合評估配合比設(shè)計方案的合理性，包括車轍試驗以及低溫抗裂性試驗等。

3.1 車轍試驗

3.1.1 試驗設(shè)計方案

考慮到氣溫因素對高速公路瀝青路面性能指標(biāo)的影響，該文以我國夏季平均氣溫為參照標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定混凝土路面的溫度環(huán)境為30 ℃，在高溫環(huán)境下需充分評估高溫環(huán)境對瀝青混凝土材料性能的影響，通過車轍試驗綜合評價路面的性能指標(biāo)，其中在車轍深度檢測中可利用漢堡車轍試驗方法做綜合評價[4]。

試驗檢測方法為：根據(jù)瀝青混凝土材料的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，采用的標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，使用意大利漢堡車轍儀，控制軟件為DWT，環(huán)境溫度波動為“±1 ℃”，試驗構(gòu)件以“42.0±1.0”次/min速率控制試件運動。試驗中連續(xù)對路面進行加載（或者試件極限變形值大于等于20 mm）后即可終止試驗。

3.1.2 試驗結(jié)果評估

根據(jù)該文試驗結(jié)果可知車轍深度與試驗輪加載次數(shù)之間存在相關(guān)性，其位移均值達(dá)到了4.48 mm，這一結(jié)果可證明TLA改性瀝青具有良好的抗高溫性能，其性能指標(biāo)滿意。

3.2 低溫抗裂性試驗

3.2.1 試驗設(shè)計

在高速公路瀝青路面瀝青混凝土配合比設(shè)計中，抗低溫設(shè)計是技術(shù)人員必須考慮的技術(shù)性能指標(biāo)，由于需要保證澆注式瀝青混凝土各項路用性能之間的平衡，所以在提高溫穩(wěn)定性的同時還要改善其低溫抗裂性及抗疲勞性[5]。

在該次試驗中根據(jù)相關(guān)試驗規(guī)范制定車轍板，使用標(biāo)準(zhǔn)尺寸對車轍板用切割板將其加工成250 mm×30 mm×35 mm的小試塊，加載速率為50 mm/min，試驗溫度最低值為-20 ℃。

低溫抗裂性檢測中采用MTS系統(tǒng)對試件性能指標(biāo)進行檢測，該設(shè)備可以獲得高精度的采集數(shù)據(jù)以及位移數(shù)據(jù)，方便判斷試件性能指標(biāo)。

3.2.2 試驗結(jié)果

根據(jù)該次試驗結(jié)果可知，澆筑式瀝青混凝土材料的抗彎拉強度與溫度變化之間存在相關(guān)性，其中溫度越低材料的最大彎拉應(yīng)變的變化越小。這一結(jié)果也證明，在低溫環(huán)境下該文設(shè)計的瀝青混凝土配合比對低溫環(huán)境敏感度更低。因此，可以認(rèn)為該配合比設(shè)計方案對于低溫環(huán)境有良好的適應(yīng)性，該瀝青混凝土配合比的性能指標(biāo)更令人滿意。

3.3 空隙率試驗

3.3.1 計算方法

空隙率一直是瀝青混凝土材料配合比設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，該性能標(biāo)準(zhǔn)與材料的流動性等存在相關(guān)性。在數(shù)據(jù)計算中可根據(jù)最大理論相對密度判斷材料性能，其計算方法如公式（2）所示。

式中，γ——瀝青相對密度值（g/cm3）；Pa——混合料油石比（%）；P1、P2、Pn——不同檔位集料的百分比（%）；y1、y2、yn——不同集料表觀相對密度（g/cm3）。

3.3.2 試驗結(jié)果

根據(jù)該次試驗結(jié)果可知，當(dāng)級配相同時隨著瀝青用量的增加，瀝青混凝土材料的最大理論密度呈現(xiàn)出線性變化趨勢，并且假設(shè)瀝青用量相同，不同級配混合料的相對密度值遞減。而在實際上，通過增加細(xì)集料與礦粉的比重有助于降低瀝青混凝土結(jié)構(gòu)中的空隙率；同時隨著瀝青用量的增加，混凝土材料空隙率在礦粉與級配作用的影響下，交互作用下降，瀝青用量增加，使空隙被瀝青材料填充，因此空隙率會明顯下降。

4 結(jié)語

在高速公路瀝青路面的瀝青混凝土配合比設(shè)計中，瀝青材料、集料與填料的性能參數(shù)都是瀝青混凝土配合比設(shè)計中不容忽視的問題，嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量規(guī)范對于提升瀝青路面性能的意義重大。而在未來為了可以進一步拓展瀝青混凝土配合比方案的應(yīng)用范圍，相關(guān)人員還需要探索復(fù)合改性瀝青等材料在工程項目中應(yīng)用的新方向，未來還需要深入探索專用澆注式改性瀝青的開發(fā)與研究，找到其在高、低溫性能、施工和易性之間的最佳平衡點。