高速公路瀝青路面的瀝青混凝土配合比設計理論淺析

王曉輝

（新疆維吾爾自治區有色地質勘查局七0四隊,新疆 哈密 839000）

0 引言

瀝青路面在高速公路較為常見，但是根據各地區高速公路運營、保養現狀來看，瀝青混合料的路面結構容易破壞。造成這一現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。為進一步提升瀝青混凝土路面穩定性，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作用。

1 瀝青混凝土配合比設計理論研究

1.1 基本理論要求

為解決高速公路出現的瀝青混凝土路面剪切破壞問題，我國在相關規定中明確提出，在瀝青路面面層破裂面上所產生的剪應力τa應小于等于瀝青混合料許用剪應力τR，而τR與瀝青混合料的抗剪強度τ之間存在密切關系[1]。在配合比設計中，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——混合料粘結力（MPa）；σ——正應力（MPa）；ψ——混合料內摩擦角（rad）。

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

在高速公路瀝青路面材料配合比設計中應考慮以下因素影響：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格規范，目前常見的規格標準包括3~5 mm、5~10 mm、10~15 mm等。二是細集料。細集料在瀝青混凝土中的占比高，根據現有高速公路工程項目的性能標準，細集料關鍵性能指標應滿足以下標準：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，理想的礦粉應做到粒徑大小均勻并且雜質少、具有理想的塑性指數。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定性和低溫抗裂性，不需要設置伸縮縫，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

根據目前我國高速公路項目的施工經驗，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）懸浮密實結構。采用連續型密集配礦質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。因此與常規結構相比，懸浮密實結構具有更強的密實度，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。在我國相關規范中，ACI型結構采用了此架構，實踐結果證明該結構的抗滲性能良好，但是熱穩定性、抗滑性能不理想。

（2）骨架空隙結構。使用連續型級配礦質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大的特征，導致粗集料占比高，在粗集料相互作用下會形成較大且穩定的骨架；相比之下，細集料因數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]。在現行規定中所介紹的AM型瀝青混凝土礦料級配采用了該結構，實踐證明骨架空隙結構具有粘結力低、內摩擦角大的特征。

1.3 瀝青混凝土粘結力

瀝青混凝土粘結力與瀝青種類、瀝青用量存在密切關系，在高速公路瀝青混凝土結構層施工階段，所使用的碾壓設備壓強越大、初始溫度越高，施工后瀝青混凝土油膜厚度越薄，粘結力越大。這就是GTM機旋轉柔壓理論的基礎，因此可認為碾壓設備、油石比與碾壓溫度三者之間的相關性。同時，目前我國高速公路路面施工中所使用設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壓力做旋轉柔壓，設定試驗溫度為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定。在施工前先處理酸性、中性硬質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驗證明，當路面絕對空隙率小于7%時可以有效避免路面滲水問題發生。但需要注意的是，絕對空隙率偏低會導致混凝土路面泛油，并導致結構熱穩性異常。而在高溫夏季，隨著天氣溫度增加會造成瀝青膨脹，若瀝青混凝土結構中沒有足夠空隙則會導致瀝青上行并造成泛油問題。因此在配合比設計中瀝青混凝土的絕對空隙率應控制在4%~5%之間。

（2）混合料級配與集料內摩擦角之間存在相關性，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量標準。在級配設計中，隨著內摩擦角增加會提升粘結力，導致粗集料間隙無法被低一級集料填充，最終導致骨架空隙結構。

（3）瀝青混凝土路面應具有良好的溫度穩定性與承載性，避免瀝青混凝土結構在高溫狀態下硬度下降或低溫狀態下出現表層結構開裂等質量問題，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巖等。

2 瀝青混凝土配合比設計思路

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量，而根據路面結構損壞原因調查結果來看，瀝青自身品質質量問題與路面使用年限之間存在密切關系。例如瀝青材料中的含蠟量偏高會導致路面后期出現橫向裂縫，為避免此類問題發生，配合比設計中應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，所使用的瀝青應具有良好的溫度適應能力，如低溫時的形變能力以及高溫時的感溫性等。為滿足上述技術規范，可選擇溶凝膠型結構的環烷基稠油直餾瀝青。該瀝青的針入度指數為-2~+2之間，瀝青質含量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高速公路車輛數量變化的情況下，可考慮采購性能更優異的瀝青材料，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。根據現有研究發現，當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，并且也可以有效減少路面平整度衰減等質量問題發生。

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合能力，材料配比設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、無風化且表面粗糙干凈、針片狀顆粒少的材料，并且其壓碎值、沖擊值等均應該滿足技術規范[3]。

2.1.3 填料

理想的瀝青混凝土填料為石灰巖、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，碎石填料的規格通常為＜3 mm、3~5 mm、5~10 mm等若干規格。同時，為避免待料以及溢料等問題，在設計中應盡量控制超大粒徑含量，最大規格應控制在3%以下。

2.2 確定礦質混合料比重

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

2.3 確定最佳油石比

在現行規定中，確定最佳的瀝青用量是找出馬歇爾指標均符合要求的共同范圍，相關人員可參考既往經驗確定估算值，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 性能檢測結果

為判斷上文提出的瀝青混凝土配合比設計方案的合理性，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 試驗設計方案

考慮到氣溫因素對高速公路瀝青路面性能指標的影響，該文以我國夏季平均氣溫為參照標準，設定混凝土路面的溫度環境為30 ℃，在高溫環境下需充分評估高溫環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，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：根據瀝青混凝土材料的質量標準，采用的標準車轍試驗件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，使用意大利漢堡車轍儀，控制軟件為DWT，環境溫度波動為“±1 ℃”，試驗構件以“42.0±1.0”次/min速率控制試件運動。試驗中連續對路面進行加載（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 試驗結果評估

根據該文試驗結果可知車轍深度與試驗輪加載次數之間存在相關性，其位移均值達到了4.48 mm，這一結果可證明TLA改性瀝青具有良好的抗高溫性能，其性能指標滿意。

3.2 低溫抗裂性試驗

3.2.1 試驗設計

在高速公路瀝青路面瀝青混凝土配合比設計中，抗低溫設計是技術人員必須考慮的技術性能指標，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]。

在該次試驗中根據相關試驗規范制定車轍板，使用標準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系統對試件性能指標進行檢測，該設備可以獲得高精度的采集數據以及位移數據，方便判斷試件性能指標。

3.2.2 試驗結果

根據該次試驗結果可知，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性，其中溫度越低材料的最大彎拉應變的變化越小。這一結果也證明，在低溫環境下該文設計的瀝青混凝土配合比對低溫環境敏感度更低。因此，可以認為該配合比設計方案對于低溫環境有良好的適應性，該瀝青混凝土配合比的性能指標更令人滿意。

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計中的關鍵技術指標，該性能標準與材料的流動性等存在相關性。在數據計算中可根據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 試驗結果

根據該次試驗結果可知，當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出線性變化趨勢，并且假設瀝青用量相同，不同級配混合料的相對密度值遞減。而在實際上，通過增加細集料與礦粉的比重有助于降低瀝青混凝土結構中的空隙率；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 結語

在高速公路瀝青路面的瀝青混凝土配合比設計中，瀝青材料、集料與填料的性能參數都是瀝青混凝土配合比設計中不容忽視的問題，嚴格執行質量規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用范圍，相關人員還需要探索復合改性瀝青等材料在工程項目中應用的新方向，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。