瀝青混合料配比設計技術研究

鄒文剛

(貴州省交通科學研究院股份有限公司)

0 引 言

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

1 馬歇爾配比設計方法

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

(1)原材料的控制。對于馬歇爾配比設計中原材料的質量控制，在規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、離析穩定性以及老化新能等常規性能的試驗檢測。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、含泥量等相關技術指標。對礦粉，主要是確保表觀密度、含水量、親水系數、粒度范圍以及有無團粒結塊等進行試驗檢測。

(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系，因此對于級配的確定必須慎重選擇。在規范中，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計過程中，除了參照技術規范的相關要求以外，還應該根據項目所在地的氣候、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計階段最佳油石比的確定，首先應該根據混合料的類型以及交通荷載情況，結合工程施工經驗，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，同時確定馬歇爾穩定度與流值。按照毛體積相對密度、穩定度最大值與空隙率和飽和度的中值作為OAC1，將在規范范圍內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 配比設計方法

Superpave 配比設計方法是美國SHRP 計劃的研究成果，是一種基于性能的瀝青混合料設計和分析體系，與馬歇爾設計方法最大的區別在于Superpave 配比設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改善路面的服務情況。其具體設計流程如下所示。

(1)原材料的選擇。Superpave 配比設計方法中，對原材料的性能和質量要求有了很大的不同，尤其是對于瀝青材料，需要根據預期氣候條件以及交通條件，確定瀝青膠結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;并側重了老化性能要求，需要根據運輸、施工以及使用階段分別采取旋轉播磨烘箱、壓力老化容器等進行老化性能驗證;對于膠結料的高低溫性能則依靠動態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，則主要是依據于AASHTO 設計規范中的測試方法以及指標要求，與我國規范要求大致吻合，但更加強調了對集料棱角性的要求。

(2)混合料級配設計。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的要求。對于級配范圍的控制點要求設計級配不能超過所在控制點的大小范圍，控制點主要是設置在最大粒徑、公稱最大粒徑、2.36 mm 以及0.075 mm。限制區則是在最大密度線兩側的區域，是要求在級配范圍設計過程中不能通過的區域，如果通過限制區容易出現級配設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，并通過旋轉壓實儀成型試件，試件的標準尺寸為150 mm×115 mm，旋轉壓實過程中壓實次數的確定應該根據交通量分別確定初始壓實次數、設計壓實次數以及最大壓實次數，試件成型冷卻后確定瀝青混合料試件的旋轉壓實參數、孔隙率、礦料間隙率等參數指標，并根據AASHTO 中的經驗公式計算預估瀝青用量。在確定預估瀝青用量以后，分別以預估瀝青用量上下間隔0.5%、1.0%確定4 個瀝青用量，并再次使用旋轉壓實儀成型試件，通過計算分析壓實數據與體積特性，選擇在設計壓實次數下，各項體積指標均能符合規范設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

按照我國現行公路瀝青路面施工技術規范的相關規定，對于瀝青混合料必須進行相關路用性能的驗證，特別是對瀝青混合料進行高溫穩定性、低溫抗裂性以及水穩定性的試驗驗證，試驗驗證的內容如下所示。

(1)高溫穩定性的驗證。瀝青混合料高溫穩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 法中最大旋轉壓實次數下的殘余空隙率驗證以及車轍試驗等試驗方法，其中我國規范推薦才采用車轍試驗，以動穩定度作為高溫穩定性的評價指標。我國規范中的技術要求如表1 所示。

表1 瀝青混合料車轍試驗動穩定度技術要求

(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、彎拉應變、彎曲勁度模量、低溫彎曲破壞應變等評價瀝青混合料的低溫性能。在我國規范中對于低溫性能的技術要求主要是以低溫彎曲試驗破壞應變進行分析，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變(με)技術要求

(3)水穩定性。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定度以及凍融劈裂強度比進行水穩定性的評價。規范中的要求見表3 所示。

表3 瀝青混合料水穩定性檢驗技術要求

4 結 語

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

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