Sup20瀝青混合料VMA指標(biāo)的重要意義

王濤

（中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司）

VMA 定義為壓實瀝青混合料的礦料間隙率，即試件全部礦料部分以外的體積占試件總體積的百分率[1]。反過來說，VMA 就是瀝青體積和空隙體積之和占壓實試件總體積的百分率，即VMA 指標(biāo)在瀝青配合比設(shè)計階段，對于瀝青用量的選取、空隙率的范圍、骨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計是很有指導(dǎo)意義的，很多試驗人員在配合比設(shè)計階段往往對于這個指標(biāo)理解不深，往往導(dǎo)致在同樣結(jié)構(gòu)層配合比設(shè)計的時候，配合比設(shè)計結(jié)果千差萬別，最終影響瀝青路面鋪筑的質(zhì)量和耐久性。本文從Sup20 瀝青混合料設(shè)計VMA 指標(biāo)的調(diào)整方法，詳細(xì)闡述VMA 指標(biāo)對于瀝青混合料配合比設(shè)計的重要指導(dǎo)意義。

目前對于Sup 系列結(jié)構(gòu)全國各省已經(jīng)有了多年的應(yīng)用經(jīng)驗，最早是由江蘇省交通科學(xué)研究院賈渝等人從美國引進的技術(shù)，它的設(shè)計體系要求根據(jù)工程所在地的氣候和交通條件進行材料的選擇和混合料設(shè)計，提出了全新的混合料級配概念和級配設(shè)計范圍，采用旋轉(zhuǎn)壓實方法作為混合料設(shè)計手段，更加接近現(xiàn)場的壓實工藝，試驗和現(xiàn)場結(jié)果相關(guān)性較強，起到有效的施工指導(dǎo)意義[2]。目前常規(guī)結(jié)構(gòu)主要有Sup25、Sup20、Sup13，三種結(jié)構(gòu)的體積指標(biāo)如表1所示。

表1 Superpave混合料馬歇爾技術(shù)指標(biāo)

從表1可以看到，隨著結(jié)構(gòu)層由下往上，VMA指標(biāo)是逐層增加的，但Superpave 混合料設(shè)計的空隙率是4%，也就是隨著結(jié)構(gòu)層由下往上瀝青含量是要逐層增加的，才能滿足VMA 指標(biāo)要求。這個里面好多配合比設(shè)計人員就有很多疑問，比如Sup20 和Sup25 就一個公稱最大粒徑的差別，VMA 指標(biāo)卻要相差1 個點，Sup25 混合料VMA 指標(biāo)很容易滿足設(shè)計要求，但Sup20 混合料VMA 指標(biāo)滿足設(shè)計要求卻很困難，自認(rèn)為不應(yīng)該用這么多瀝青用量，就江蘇地區(qū)常用石灰?guī)r應(yīng)用而言，Sup25 瀝青用量3.9%左右，而Sup20 如果要滿足VMA 指標(biāo)要求，瀝青用量需要4.2%左右，瀝青用量相差較大[3]，一段時間好多試驗人員和學(xué)者也會有這樣的想法，認(rèn)為Sup20 混合料VMA 控制指標(biāo)有問題，不應(yīng)該那么大。其實有這種想法的人對Sup20 理解不夠深刻，目前在公路行業(yè)經(jīng)常看到所謂的Sup20 混合料，實際上很多是易于壓實假性Sup20，并沒有達(dá)到結(jié)構(gòu)真正的意義。下面從混合料設(shè)計和應(yīng)用的角度去分析Sup20混合料VMA指標(biāo)的意義。

1 VMA設(shè)計指標(biāo)現(xiàn)狀

Sup20 瀝青混合料主要應(yīng)用于道路的中下面層，在高速公路上主要應(yīng)用于中面層，中面層的功能不僅要求提供較強的抗車轍能力，還要提供較強的低溫抗裂性能[4]。抗車轍性能主要有礦料骨架和瀝青膠結(jié)料共同作用，低溫抗裂性能主要來源于瀝青膜的厚度，厚度越大低溫抗裂性能越強、路面耐久性越強[5]。根據(jù)美國SHRP 計劃研究成果，Sup20 混合料VMA 技術(shù)要求≥13[6]。這個指標(biāo)往往讓初學(xué)者感到疑惑，因為在混合料配合比設(shè)計過程中很難達(dá)到，而Sup25 和Sup13 混合料VMA 技術(shù)指標(biāo)很容易滿足設(shè)計要求。本文匯總了江蘇地區(qū)部分高速公路和地方道路VMA指標(biāo)設(shè)計結(jié)果，如表2所示。

表2 江蘇地區(qū)部分高速公路和地方道路Sup20混合料VMA設(shè)計結(jié)果

從上述數(shù)據(jù)可以看出，高速公路的設(shè)計瀝青用量是明顯高于國省干線的瀝青用量，VMA 指標(biāo)高速公路基本滿足目前設(shè)計要求，國省干線Sup20 對于這個指標(biāo)是明顯不足的，并沒有達(dá)到真正的設(shè)計意圖。

2 設(shè)計指標(biāo)的調(diào)整方法

很多初次接觸Sup20的試驗人員對于VMA技術(shù)指標(biāo)的調(diào)整很是迷惑，認(rèn)為是本身指標(biāo)的問題，并不影響施工質(zhì)量，而且目前按照較低的瀝青用量、較低的VMA 指標(biāo)施工，現(xiàn)場也沒有明顯的病害發(fā)生，既省錢也能確保施工質(zhì)量，這種情況有過一段漫長的時間段，甚至最后都很少有人關(guān)心技術(shù)指標(biāo)的問題，這也是目前行業(yè)最大的問題，只關(guān)注眼前的質(zhì)量，不關(guān)注遠(yuǎn)期耐久性問題和設(shè)計真正的目的。行業(yè)很少關(guān)注真正的Sup20 結(jié)構(gòu)到底是一種什么結(jié)構(gòu)。本文針對VMA 列舉某典型的配合比設(shè)計存在的問題，如某Sup20 配合比設(shè)計中，根據(jù)目標(biāo)配合比設(shè)計確定的最佳油石比，本次生產(chǎn)配合比采用最佳油石比為4.3%，分別進行了最佳油石比、最佳油石比±0.3%條件下設(shè)計次數(shù)下的旋轉(zhuǎn)壓實試驗（N 設(shè)計=100）。即采用4.0%、4.3%、4.6%三種油石比進行旋轉(zhuǎn)壓實試驗，礦料合成表觀相對密度為2.766，礦料合成毛體積相對密度為2.691，礦料合成有效相對密度為2.741，混合料試驗結(jié)果如表3、表4、表5所示，設(shè)計級配如圖1所示。

圖1 混合料設(shè)計級配

表3 不同油石比旋轉(zhuǎn)壓實試驗結(jié)果

表4 最大次數(shù)下體積指標(biāo)試驗結(jié)果

表5 生產(chǎn)配合比馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，該生產(chǎn)配合比除了旋轉(zhuǎn)壓實VMA指標(biāo)不滿足現(xiàn)行大于13的標(biāo)準(zhǔn)要求，其它指標(biāo)均滿足技術(shù)規(guī)范要求。那么究竟應(yīng)該如何調(diào)整才能保證VMA 技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計要求。首先驗證礦料密度。因為在計算VMA 的過程中，礦料合成毛體積相對密度是參與公式計算的，它的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，直接影響級配選擇和混合料數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性[7]，以往在很多配合比設(shè)計中也發(fā)現(xiàn)，礦料密度明顯是不符合實際情況的，很多重要數(shù)據(jù)存在明顯問題，直接影響后續(xù)級配的選擇和數(shù)據(jù)的合理性，這樣是設(shè)計不出一個優(yōu)秀的配合比。其次調(diào)整礦料合成級配，上述生產(chǎn)比例在油石比4.3%的情況下壓實情況較好，空隙率接近4.0%，對于Sup20 這種結(jié)構(gòu)就要及時調(diào)整礦料比例，傳統(tǒng)思維是將礦料級配調(diào)整成容易壓實的級配[8]，而針對該種情況，要將級配調(diào)整成難以壓實的級配，原4.3%油石比旋轉(zhuǎn)壓實空隙率將高于4.0%，再不斷上調(diào)瀝青用量，直到合適的瀝青用量下VMA 和空隙率滿足技術(shù)指標(biāo)要求。在調(diào)整級配的過程中，可以選擇多個礦料級配，直到選擇合適的礦料級配。這個級配調(diào)整是一些初學(xué)者很少嘗試的方法，因為每種級配都包含著大量的混合料試驗，工作量是較大的。

3 應(yīng)用效果

根據(jù)江蘇地區(qū)建成Sup20 道路使用效果的總結(jié)分析，高速公路由于借助多方管理和技術(shù)服務(wù)，對于Sup20 的使用關(guān)鍵點的控制還是非常精準(zhǔn)，真正用到了該結(jié)構(gòu)的精髓，既有較強的抗車轍效果，又有良好的低溫抗裂性能，在已建成的高速公路中，大部分高速公路使用壽命已超過20 年，路面病害依舊非常少，這和過程中質(zhì)量嚴(yán)格控制是分不開的。

地方國省干線在施工過程中，技術(shù)指標(biāo)控制沒有高速那么嚴(yán)格，關(guān)注的重點還是偏向于事后檢測質(zhì)量的合格率情況，對于前期配合比設(shè)計并沒有開展針對性專題會議或總結(jié)，大部分施工或管理單位，對于Sup20 這種結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點的把控不是很到位，致使在國省干線中施工的Sup20 介于真正的Sup20 和AC20 之間。在這里，我們不得不提的一個現(xiàn)象，也是存在很長一段時間的誤區(qū)，就是滲水系數(shù)和外觀問題。一些理解不深的管理者總是愿意用自己想法去控制施工質(zhì)量和外觀，總認(rèn)為不滲水是好的、外觀細(xì)一點是好的，這種認(rèn)知是錯誤的，這也間接導(dǎo)致了我們施工的Sup20 越來越細(xì)，甚至有些地方能將Sup20 做成AC20F 型結(jié)構(gòu)，這是不可取的。隨著使用年限的增加，高速公路依舊保持這較好的運營狀態(tài)，反觀地方國省干線，好多道路已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的車轍型病害，這當(dāng)然和國省干線重載車輛多、頻繁剎車剪切密切相關(guān)，拋開該種因素，Sup20 結(jié)構(gòu)偏細(xì)、VMA 技術(shù)指標(biāo)不合格有很大的影響。

4 總結(jié)

在Sup20 結(jié)構(gòu)配合比設(shè)計中，我們曾經(jīng)走過很多彎路，對于指標(biāo)的理解也是由淺入深，一個優(yōu)秀的配合比設(shè)計，表面上是控制空隙率，實則是控制VMA 技術(shù)指標(biāo)，它是混合料設(shè)計關(guān)鍵性指標(biāo)，該指標(biāo)必須滿足技術(shù)要求才能做好“原汁原味的Sup20”，對于該種結(jié)構(gòu)“難于壓實”方能成就長壽命瀝青路面。希望本文能夠幫助較多的初學(xué)者盡快領(lǐng)悟Sup20 的設(shè)計精髓，最大程度發(fā)揮該種結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)秀效果。