SBS改性瀝青混合料最佳油石比優化試驗研究

范 澤

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710000）

瀝青混凝土結構是公路交通常見路面材料類型，具有強度高、整體性好、適應性強的特點，被廣泛應用于各種高等級公路建設中。隨著公路交通量的快速增加，車輛行駛需求的提高對瀝青路面性能提出了更高的要求。早期的瀝青混凝土路面受制于技術水平及材料工藝限制，已不能滿足當前公路交通高流量、大荷載的需求，尤其是對高等級公路，急需改善瀝青混凝土的綜合性能，延長路面材料使用壽命[1]。

瀝青混凝土由一定級配的礦料、碎石和瀝青拌和而成，混合料中瀝青與礦料質量比稱之為油石比，是瀝青混合料制備的主要參數，工程實踐中需通過路面材料試驗獲得混合料的最佳油石比，從而使瀝青性能達到最優[2]。最佳油石比變化范圍較為穩定，一般在3.5%～5.5%范圍內，盡管瀝青用量占比較小，但油石比的變化對瀝青的用量、密度、穩定度及孔隙率等均有明顯影響。因此，本文結合工程實際，針對SBS改性瀝青，以優化最佳油石比計算方法為出發點，開展瀝青混凝土配合比的優化試驗研究。

1 項目背景

1.1 道路信息

本文以某地區高等級公路為背景，該路線為國家高速公路網重點建設項目。公路交通等級為六車道高速公路，主要技術指標見表1。路面目標指標可靠度指標根據《公路工程結構可靠度設計統一標準》[3]和《公路瀝青路面設計規范》[4]綜合確定為1.65。

表1 高速公路主要參數Table1 Main parameters of expressway

路面結構參數受交通荷載影響，不同車流下路面疲勞壽命具有顯著差異。結合地區交通荷載監測數據確定大型客貨車交通量及增長率見表2。對不同層路面結構進行反復驗算，最終確定路面瀝青混凝土結構厚度為：4cm細粒式改性瀝青瑪蹄脂SMA-13上面層+6cm中粒式SBS改性瀝青混凝土AC-20C中面層+8cm瀝青混凝土AC-25下面層。

表2 路面驗算參數Table 2 Pavement checking parameters

1.2 路面材料特性

經路面結構設計驗算確定瀝青混凝土上面層和中面層采用SBS改性瀝青混凝土，其基質瀝青采用道路A級石油瀝青70號，性能檢測指標見表3。經檢測，該改性瀝青針入度、延度、軟化點等均符合設計技術要求。

表3 石油瀝青及SBS改性瀝青混凝土性能指標Table 3 Performance index of petroleum asphalt and SBS modifi ed asphalt concrete

礦料采用石灰巖碎石粗集料及機制砂細集料，對各礦料的技術指標進行檢測，結果見表4，可知礦料的特性滿足指標要求。

表4 礦料指標檢測結果Table 4 Mineral index test results

2 瀝青混合料油石比設計

2.1 馬歇爾試驗設計法介紹

瀝青混合料最佳油石比確定的常用方法有馬歇爾試驗法、Super pave法、GTM法和力學指標法。其中，馬歇爾試驗法和Super pave法憑借對瀝青性能的全面考慮及良好的實踐效果被廣泛采用[5-6]。這兩種方法本質基本相同，在最佳油石比確定過程中均側重于根據體積指標確定，區別在于試件成型方法不同。馬歇爾試驗法通過在標準環境下擊實成型馬歇爾試件，繪制油石比與瀝青混合料關鍵指標的關系曲線并確定最佳油石比，具體步驟如下：

(1) 在標準的溫度和濕度條件下，用馬歇爾擊實儀成型試件，測定不同油石比下的試件毛體積密度、有效瀝青飽和度、礦料間隙率、流值、空隙率及穩定度；

(2) 繪制不同指標與油石比關系曲線，確定滿足指標要求的油石比范圍；

(3) 綜合考慮各性能指標確定最佳油石比。

2.2 馬歇爾試驗結果

本項目所采用的設計方法為馬歇爾試驗法，級配曲線采用AC-20C改性瀝青混凝土配合比，基于馬歇爾試驗對AC-20C改性瀝青混凝土目標配合比進行試驗設計，試驗油石比范圍為3.5～5.5，檢測不同油石比對應的混合料毛體積相對密度、有效瀝青飽和度、礦料間隙率、流值、空隙率及穩定度，試驗結果如圖1～圖6所示，表5則給出了依據檢測結果得到的各指標極值分布狀況。根據檢測結果可知，毛體積相對密度、礦料間隙率、穩定度曲線均出現了極值，而其余指標則為單調變化，極值出現在曲線兩端。

圖1 毛體積相對密度 Fig.1 Relative density of gross volume

圖2 有效瀝青飽和度 Fig.2 Eff ective asphalt saturation

圖3 礦料間隙率 Fig.3 Mineral clearance ratio

圖4 流值Fig.4 Flow value

圖5 空隙率 Fig.5 Void fraction

圖6 穩定度Fig.6 Stability

表5 瀝青混合料馬歇爾試驗結果Table 5 Marshall test results for asphalt mixtures

3 最佳油石比優化

3.1 最佳油石比確定方法

瀝青混凝料的性能對穩定度和流值有相應標準要求, 但早期受制于儀器設備限值，在最佳油石比計算中不考慮流值指標影響。因此依據規范JTG F40-2004，傳統的最佳瀝青用量根據式（1）計算[7]。

式(1)中，a1、a2、a3、a4分別為穩定度最大值、密度最大值、空隙率中值、飽和度中值對應的油石比；OACmin和OACmax為符合全部瀝青混合料技術標準的油石比最小值和最大值。

流值是指進行馬歇爾穩定度試驗時瀝青混合料試件受壓達到破壞點時的垂直變形量，是瀝青性能的重要指標。馬歇爾試驗結果中包含了穩定度、流值、密度、空隙率、飽和度指標與油石比的關系，但在公式1計算當中，對流值并未考慮。隨著試驗設備及檢測技術的進步，為在現有檢測技術基礎上充分考慮瀝青混合料各指標性能，本文將瀝青混合料流值引入最佳油石比計算。規范對流值指標范圍作出了明確規定，應在1.5～4.5范圍內，流值過大或過小均不利于混合料的性能，因此將瀝青流值中值對應的油石比引入最佳油石比計算，可得到式（2）。

OAC3=(a1+a2+a3+a4+a5)/5 （2）從而得到OCA的計算公式（3）。

式（3）中，a1、a2、a3、a4、a5分別為穩定度最大值、密度最大值、目標空隙率中值、飽和度范圍中值、瀝青流值中值對應的油石比，當密度或穩定度未出最大值時, 可采用空隙率中值4.7%對應的油石比作為OAC1；OACmin和OACmax為符合全部瀝青混合料技術標準 (除VMA) 的油石比最小值和最大值。

按照公式（1）和公式（3）計算得到最佳油石比分別為4.369和4.379。表6給出了兩種油石比下瀝青混合料關鍵指標理論值對比結果，可以看到引入流值指標后瀝青關鍵性能均好于基于傳統方法所得的最佳油石比。毛體積相對密度、礦料間隙率和穩定度理論值基本無變化，但空隙率、有效瀝青飽和度和流值變化較為明顯。與公式（1）確定的油石比相比，空隙率、有效瀝青飽和度和流值更接近目標值，即指標的中值，可認為所提出的油石比計算公式（3）可更好地利用馬歇爾試驗結果。

表6 瀝青混合料指標理論值Table 6 Theoretical value of asphalt mixture index

3.2 馬歇爾試驗驗證

對最佳油石比下的瀝青混合料進行馬歇爾試驗，試驗結果見表7。

表7 瀝青混合料性能指標對比Table 7 Comparison of performance indexes of asphalt mixture

由表7結果可知，采用公式（3）計算油石比所得混合料的試驗值變化規律與理論值基本一致，各指標均符合規范技術要求。具體數值方面，毛體積相對密度、礦料間隙率及穩定度變化微小，變化率在試驗誤差范圍內，可認為對混合料綜合性能影響不顯著，而空隙率、有效瀝青飽和度和流值變化則有較為明顯的改善。因此，基于此所確定的最佳油石比下瀝青混合料的綜合性能更佳。

4 結論

(1)給出了考慮瀝青混合料流值特性的最佳油石比計算方法，并通過馬歇爾試驗進行了驗證，對比傳統方法與本文方法所得最佳油石比下瀝青混合料關鍵指標理論值，證明引入流值指標后瀝青關鍵性能均有所改善。

(2)對最佳油石比下混合料的技術指標進行馬歇爾試驗, 試驗結果與采用公式（3）計算最佳油石比所對應的理論值變化規律基本一致，各指標均符合規范技術要求。

(3) 馬歇爾試驗結果顯示毛體積相對密度、礦料間隙率及穩定度變化較小，可認為對混合料綜合性能影響不顯著，而空隙率、有效瀝青飽和度和流值變化則得到較為明顯的改善，基于所提出方法確定的最佳油石比下瀝青混合料的綜合性能更佳。