南非冷拌瀝青混合料的設計方法與啟示

劉秀麗 山東省臨朐縣交通運輸局

導語：

瀝青路面冷再生技術在我國已經得到了較大面積的推廣，但是冷再生混合料設計方法還有很大的提升空間。歐美及南非等國家的冷再生混合料設計方法各不相同，反映出各國對冷再生混合料的不同認識，也說明冷再生混合料設計方法還處于不斷發展完善的階段。

鑒于我國在該方面的技術發展路線與南非更為接近，因此南非的設計方法、理念和工藝也值得我們學習和借鑒。細規定[6]，其中的很多理念與方法值得我們關注。南非標準中的瀝青穩定材料（Bitumen Stabilised Materials），指的是乳化瀝青穩定材料和泡沫瀝青穩定材料，實際應用中主要是針對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已經在我國研究和成功推廣應用了十余年。由于南非的路面結構形式與我國比較接近，其路面材料與結構設計方法對我國有較高的參考價值，因此在乳化瀝青和泡沫瀝青冷再生技術的研究和推廣過程中也參考和借鑒了南非的相關成功經驗[1-5]。

2009年，南非瀝青協會發布了《瀝青穩定材料技術指南》，對泡沫瀝青和乳化瀝青穩定材料的設計、施工做出了詳

混合料分級

根據材料性能的高低，南非標準將冷再生混合料分為BSM1、BSM2、BSM3三個級別。材料分級的結果用“設計等效材料等級”（Design Equivalent Material Class，DEMC）表征，表示材料具有與同一等級新材料類似的剪切強度、剛度、耐久性和柔韌性，是通過規定檢測項目的所有檢測結果的第10百分位數、中位數和第90百分位數來確定的。所需檢測指標及技術要求如表1所示。

不同級別的材料分別適用于不同等級的設計交通量水平。

（1）BSM1具有很好的抗剪切性能，適用于交通量超過600萬次累計當量軸次道路的基層。

（2）BSM2具有較好的抗剪切性能，適用于交通量低于600萬次累計當量軸次道路的基層。

（3）BSM3一般是用較高比例的瀝青來穩定含有大量土的粒料，僅適用于交通量低于100萬次累計當量軸次道路的基層。

我國規范沒有按照性能高低、設計交通量等進行分級[7]，例如表2所示的乳化由于南非的路面結構形式與我國比較接近，因而其路面材料與結構設計方法對我國有較高的參考價值。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、高速公路或者二級公路等不同條件時理應有不同的性能要求。瀝青冷再生混合料技術要求。而實際上，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、高速公路或者二級公路等不同條件時理應有不同的性能要求。因此，南非標準對材料和混合料進行分級的做法更為科學，值得借鑒。

表1 不同等級混合料抗剪切性能指標要求

混合料設計

礦料級配

南非標準提出的乳化瀝青和泡沫瀝青混合料礦料級配范圍幾乎完全一致，主要差別是0.075 mm通過率，如表3所示。南非標準還指出，應該在級配范圍內按照最大密度線理論選擇適宜的級配曲線，以獲得最小的礦料間隙率VMA。VMA值越小，混合料性能越好。我國規范提出的冷再生礦料級配范圍借鑒了南非瀝青協會2002年版的標準，與現在的南非標準相比主要有以下缺點：篩孔尺寸不連續；級配范圍過寬；0.075 mm通過率上限過高；沒有提出礦料級配設計原則；應采用骨架結構還是懸浮結構，規范沒有明確規定。

最佳含水率

南非標準中的最佳含水率分為最佳拌合含水率（OMMC）、最佳壓實含水率（OCMC）2種，且對于乳化瀝青混合料、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。對于乳化瀝青混合料而言，擊實試驗確定的最佳含水率就是最佳拌合含水率。試驗時，只用水拌合進行擊實試驗，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，即認為乳化瀝青中的水和瀝青顆粒在拌合過程中均起到潤滑作用。對于泡沫瀝青混合料而言，以擊實試驗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的含水率是最佳拌合含水率的下限。

表2 我國乳化瀝青冷再生混合料設計技術要求

表3 南非瀝青協會乳化瀝青和泡沫瀝青冷拌混合料級配范圍

最佳壓實含水率是指可以獲得最佳壓實效果的含水率。對于乳化瀝青混合料，可以按最佳拌合含水率的方法確定，也可通過振動錘擊成型方法確定。對于泡沫瀝青混合料，應通過振動錘擊成型方法確定。南非標準同時指出，由于現在的壓路機壓實功率很大，施工時最佳壓實含水率要比實驗室確定的數值低，最多可低出1.5%。

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

南非標準值得我們借鑒之處在于：區分了拌合含水率和壓實含水率，更加科學；明確提出工程實際應在實驗室確定的最佳含水率基礎上有所減少，符合工程實際。

設計方法與指標

根據設計交通量的不同，南非標準中將乳化瀝青和泡沫瀝青混合料設計分為3個級別。

（1）第1級設計（LEVEL1）。適用于所有交通量等級的道路。第1級設計需要檢測混合料干劈裂強度、濕劈裂強度、干濕劈裂強度比3項指標，用于確定瀝青用量和是否需要活性填料，具體技術要求見表4。干劈裂強度確定最佳瀝青用量，濕劈裂強度確定是否需要活性填料。如果干濕劈裂強度比小于50%，一般表明需要添加活性填料；如果干濕劈裂強度比小于50%且干劈裂強度大于400 kPa，說明材料中可能含有較多的黏土，或者是瀝青沒有發揮作用。

（2）第2級設計（LEVEL2）。對于累計當量軸次超過300萬次的道路，需要在第1級設計的基礎上進行第2級設計。第2級設計通過檢測混合料等效劈裂強度和浸水24 h后的劈裂強度，對第1級設計結果進行檢驗，最終確定瀝青用量。具體要求如表5所示。

表4 第1級設計的技術要求

表5 第2級設計的技術要求

（3）第3級設計（LEVEL3）。對于累計當量軸次超過600萬次的道路，需要在第1級設計的基礎上進行第3級設計。第3級設計通過混合料三軸試驗的黏聚力、內摩擦角、浸水循環試樣的殘余黏聚力等對混合料的抗剪切性能和抗水損害性能進行評價，技術要求如表6所示。

《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG F41—2008）沒有區分不同交通量的情況，沒有按照交通量水平依次采用不同層次的設計方法，沒有使用三軸試驗等方法和殘余黏聚力、等效劈裂強度等技術指標，與南非標準相比要求過于簡單。

試驗方法

南非標準中的試樣全部使用振動擊實成型，試樣養生根據混合料類型、是否添加活性填料以及不同層次的混合料設計選擇不同的試樣養生方法，這也有別于其他國家標準中的方法。第1級設計時，采用無密封、40 ℃養生72 h至恒重，混合料的含水量一般低于0.5%；第2級、第3級設計時，首先在30 ℃烘箱中養生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 ℃烘箱中再養生48 h，且在24 h時更換1次塑料袋。南非標準認為，這樣得到的試樣含水率大約是最佳含水率的43%~50%，與混合料長期使用過程的實際狀態接近，稱為“平衡含水率”。

南非標準還提出了抗水損壞性能試驗，并開發了專用的試驗儀器。該儀器可以對試樣按照每間隔1.4 s抽真空0.54 s的頻率進行反復抽真空，同時采用脈沖水壓140 kPa對試樣進行沖刷，模擬路面結構中水分對材料的反復抽吸和沖刷。將經過抽吸循環的試樣與沒有經過循環的試樣分別進行三軸試驗，得到的黏聚力之比稱為殘余黏聚力，用來評價混合料的抗水損壞性能。

表6 第3級設計的技術要求

與我國規范相比，南非標準有以下幾個方面值得我們關注和借鑒。

（1）采用振動擊實成型，得到的試樣壓實度與工程實際更為接近。

（2）提出了平衡含水率的概念，實際上是將長期運行中的混合料狀態作為試驗設計狀態。

（3）用三軸試驗得到混合料的黏聚力和內摩擦角并提出技術要求，而三軸試驗中混合料的受力狀態與工程實際更為接近，這是對劈裂強度試驗的有益補充。

（4）根據設計等級的不斷提高不斷增加設計指標要求，提升設計指標的復雜程度和科學性。分為BSM1、BSM2、BSM3三個等級。

結束語

瀝青路面冷再生技術在我國已經得到了較大面積的推廣，但是冷再生混合料設計方法還有很大的提升空間。歐洲、美國各州、南非等的冷再生混合料設計方法各不相同，反映出各國對冷再生混合料的不同認識，也反映出冷再生混合料設計方法還處于不斷發展完善階段。南非研究提出了獨具特色的冷再生混合料設計方法，以下理念和做法值得我們學習和借鑒。

（1）按照路面性能要求和不同的設計交通量，將乳化瀝青和泡沫瀝青混合料

（2）根據設計交通量的不同，將乳化瀝青和泡沫瀝青混合料設計分為LEVEL1、LEVEL2、LEVEL3三個級別。根據設計層次的不斷提升，設計指標要求的復雜程度和科學性不斷提高。

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

（4）區分了最佳拌合含水率和最佳壓實含水率，明確提出工程實際應在實驗室確定的最佳含水率基礎上有所減少。

（5）采用振動擊實成型試樣。

（6）提出了平衡含水率的概念，將長期運行中的混合料狀態作為試驗設計狀態，并開發了特殊的試樣養生方法。

（7）提出了三軸試驗的黏聚力、內摩擦角、抗水損壞性能試驗后的殘留粘聚力等技術要求。

[1] 孫祖望.瀝青路面再生技術的現狀與發展（一）[J].建筑機械,2005(4):13-17.

[2] 拾方治,馬衛民,呂偉民.瀝青路面再生技術手冊[M].北京:人民交通出版社.2006.

[3] 徐金枝.泡沫瀝青及泡沫瀝青冷再生混合料技術性能研究[D].西安:長安大學,2007.

[4] 徐 劍,黃頌昌,鄒桂蓮. 高等級公路瀝青路面再生技術[M].北京:人民交通出版社,2011

[5] 沙慶林.高等級公路半剛性基層瀝青路面[M].北京:人民交通出版社,1998

[6] (2009). Mix Design. Technical Guideline: Bitumen Stabilized Material, Second edition[S]. P32, Asphalt Academy c/o CSIR Built Environment, Pretoria.

[7] JTG F41-2008公路瀝青路面再生技術規范[S].

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

冷補瀝青混合料是常溫或低溫條件下修補瀝青路面坑槽最有效的方式，具有不受天氣環境影響、施工簡單、維修方便、封閉交通時間短、剩料可重復利用、節能環保等特點，有較高的推廣價值。目前，國內對冷補料路用性能的評價指標沒有統一的標準，市面上的冷補料性能良莠不齊，普遍存在初期強度不高、耐久性差、接縫黏結力弱、易受水損壞產生二次病害等問題。
本期特稿概述了瀝青路面坑槽病害的形成原因、分類、常見的修補方式，以及國內外瀝青路面坑槽冷補料的研究現狀和最新進展；研發了一種基于高分子樹脂材料的新型瀝青路面坑槽冷補材料，并通過室內試驗研究其路用性能特點，分析影響其路用性能的集料類型、級配類型、擊實方法和養生條件等因素，推動瀝青路面坑槽冷補技術的進一步發展。