談Superpave 混合料配合比設計

呂為昱 李海明 張英海

0 引言

Superpave設計方法主要特性是改變了試驗室壓實方法，采用Superpave旋轉壓實儀(SGC)成型試件，可根據交通水平和行車速度選擇不同的壓實次數，而且在壓實過程中采用搓揉方式，更逼真地模擬車輛荷載對路面的作用，與實際情況更相符，同時也能測試瀝青混合料的可壓實性，以識別其是否穩定。與傳統的馬歇爾設計方法相比，Superpave瀝青混合料設計方法更加適用重及超重交通路面的瀝青混合料組成設計。

1 混合料級配范圍

Superpave混合料級配組成采用了限制區和禁區的概念，級配范圍比較寬，設計單位可根據材料不同選擇體積指標滿足要求的級配。

在對杭浦高速公路、杭州灣大橋北岸連接線兩條高速公路使用的Superpave路面的級配組成進行了匯總和總結，由于浙北地區常用的集料種類和級配比較穩定，Sup25，Sup19瀝青混合料組成級配相當接近，也就是說，針對浙北及周邊地區的集料，瀝青混合料的組成級配相對也是比較固定的。以此為依據，歸納總結了Superpave瀝青混合料組成級配范圍，見表1。

表1 Superpave瀝青混合料礦料級配范圍

2 混合料室內壓實功

2.1 旋轉壓實次數選擇

我國JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術規范，對高速公路與一級公路的瀝青混合料設計，統一采用雙面擊實75次。我國瀝青混合料的馬歇爾設計方法是效仿學習美國馬歇爾設計方法，但在美國馬歇爾設計方法中，瀝青混合料擊實次數是根據交通量大小而變化。瀝青混合料室內設計壓實功要和路面最終交通量水平相適應，對于不同交通量不同的路面，應采用不同室內壓實功。

在Superpave瀝青混合料設計中，采用設計旋轉壓實次數N設計來區別不同混合料的壓實功，設計旋轉壓實次數N設計是交通水平的函數，交通水平由設計ESAL’s表示，N設計值的范圍見表2。

表2 Superpave旋轉壓實次數

隨著施工機械制造技術的發展，高速公路瀝青路面施工機械不斷更新，壓路機的壓實功不斷增加，基本均采用26 t，30 t大噸位膠輪壓路機，以及13 t雙鋼輪振動壓路機，這也對瀝青混合料的設計提出了新問題，瀝青混合料室內壓實功必須和路面施工機械的壓實功相匹配，才能確保瀝青路面的施工質量。馬歇爾雙面75次擊實的擊實功小于現今路面的壓實功，與路面施工實際情況不相匹配;采用設計次數100次旋轉壓實設計的瀝青路面，與路面實際的壓實功比較匹配，采用合理的碾壓組合，一般要采用大噸位壓路機緊跟碾壓，才能使路面的現場空隙率滿足要求;而采用設計次數125次旋轉壓實設計的混合料，室內壓實功要明顯大于路面的壓實功，給路面現場碾壓帶來困難。因此，針對目前的路面現場壓實機械，Superpave瀝青路面旋轉壓實設計次數不要超過100次。

2.2 旋轉壓實儀內部角

內部角測量和標定的裝置主要有Troxler的DAVⅡ+HMS，PINE的RAM，內部角測量的過程是模擬瀝青混合料在壓實過程中受到旋轉壓實，因此其更加具有代表性。

AASHTO最新的規程T312-08相關規定，內部角標定不再采用熱拌瀝青混合料，而采用熱拌瀝青混合料的模擬器，內部角范圍為1.16°±0.02°。杭浦高速公路施工過程中，對施工單位的PINE旋轉壓實儀進行了內部角測量和標定，調整前后旋轉壓實試件密度變化了0.012 g/cm3，空隙率變化了0.5%，由此可見進行旋轉壓實儀的內部角標定工作是必須的。

3 混合料體積分析

不管設計方法有何不同，其根本目的都是希望能得到耐久、穩定的瀝青混合料。當考慮瀝青混合料的特性時，瀝青膠結料和集料的體積比例，或簡而言之混合料的體積性質是必須重視的因素。

壓實瀝青混合料的體積特性，主要包括空隙率(Va)、礦料間隙率(VMA)、瀝青填隙率(VFA)和有效瀝青用量(Pbe)對混合料的路用性能有一定影響。礦料間隙率(VMA)和空隙率(Va)都是以占瀝青混合料的體積百分率來表示。瀝青填隙率(VFA)是以VMA中由有效瀝青填充的百分率來表示。

由于空隙率、VMA和VFA均以體積量來表示，因此不能夠稱重，而混合料必須首先在體積的基礎上進行設計或分析。為了應用于設計，這種體積方法可很容易地轉換為以質量為基礎的配合比設計。

3.1 瀝青混合料的VMA

礦料間隙率VMA包括空氣空隙和有效瀝青用量所填充的空隙，表示為總體積的百分率。VMA的計算基于集料的毛體積相對密度，以占壓實瀝青混合料毛體積的百分率表示。

影響VMA的因素很多，其中最重要的因素是集料特性，如級配、表面紋理和形狀?；旌狭蟅MA也不是越大越好，同濟大學林繡賢教授提出，當VMA大于最小值1.5%時需做滴漏試驗，而美國專家提出當VMA大于最小值1.5%時需要重新設計混合料級配。因此，進行混合料設計，最佳VMA值為大于最小值0.5%～1.5%。

3.2 瀝青混合料的空隙率Va

設計空隙率Va=4%，并非Superpave法的首創，這實際是前人大量實踐的共識。

由此在浙北地區Superpave瀝青混合料采用統一設計空隙率4%，根據不同交通量采用不同的壓實功，以達到設計空隙率的要求，是比較科學和合理的。

3.3 瀝青飽和度VFA

混合料VFA指標是附屬指標，并不重要，可以通過混合料礦料間歇率VMA和空隙率計算而得。原施工技術規范中規定VFA指標為70～85，這個指標范圍偏高，不適用于重載交通條件。Superpave瀝青混合料的體積設計指標如表3所示。

表3 Superpave混合料體積設計指標要求

4 混合料配合比設計

4.1 瀝青混合料目標配合比設計

Superpave瀝青混合料目標配合比設計的主要步驟如下:

1)原材料選擇(集料、瀝青膠結料、改性劑等等)。

原材料選擇是根據實體工程的交通量及環境因素進行的，也就是說，瀝青膠結料的PG分級應根據工程要求而選擇，集料的要求根據交通量及路面層厚而定。原材料選擇應要求它們的性能達到及超過既定標準。

2)選擇混合料級配組成。

選擇設計集料結構是通過比較一系列試驗混合料的屬性而進行。這一步驟主要通過改變各料堆混合比例，選擇滿足Superpave要求的級配，一般選用三條試驗級配進行試驗。如果一個試驗混合物在合適的設計瀝青膠結料含量下的體積性質指標滿足要求(標準依據交通量及環境而定)，就認為試驗混合物可以接受。一旦選定，該試驗混合物就是設計集料結構。

3)選擇設計瀝青膠結料含量。

選擇設計瀝青膠結料含量就是采用設計集料結構變化瀝青膠結料含量，使得到混合料的體積和壓實性質與混合料標準(依據交通量及環境條件而定)相比可以接受。這一步是上一步試驗結果的驗證，設計者可以觀察設計集料結構對瀝青用量的體積及壓實特性敏感性。采用設計瀝青膠結料含量的設計集料結構就是設計配合比。

4)N最大旋轉壓實試驗驗證。

采用設計的瀝青用量及設計混合料級配進行N最大下旋轉壓實試驗，N最大下的旋轉壓實試驗是模擬路面使用末期時路面交通壓實情況，也可部分表征瀝青路面在超載情況下的表現。

5)混合料水敏感性評價。

對設計瀝青用量及設計混合料級配的混合料進行水敏感性評價。Superpave混合料水敏感性評價采用AASHTO T283試驗。同時可結合我國路面施工技術規范中要求，對瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗，以驗證瀝青混合料的抗水損害性能，殘留穩定度標準為不小于85%。

6)混合料抗高溫和低溫性能評價。

結合JTG F40-2004的規定，應對設計完成的瀝青混合料進行抗高溫和低溫性能評價，其中道路石油瀝青混合料的車轍動穩定度不小于1000次/mm，改性瀝青混合料車轍動穩定度不小于3000次/mm，小梁低溫抗裂試驗的彎曲破壞應變不小于2500 με。

4.2 瀝青混合料生產配合比設計

Superpave瀝青混合料目標配合比設計完成后，如施工單位采用間歇式拌和樓設備生產，需要取拌和樓熱料倉集料，進行生產配合比調試，并對生產配合比進行驗證。

Superpave瀝青混合料生產配合比調試和驗證的步驟與常規瀝青混合料類似。

生產配合比驗證包括試拌和試鋪兩階段，試拌工作主要采用生產配合比的級配和設計瀝青用量，進行拌和樓試拌，并取樣進行旋轉壓實試驗和抽提試驗，驗證混合料體積指標和級配組成;試鋪工作是在試拌成功后，進行試鋪段施工，試鋪段段落長度300 m～500 m左右，取試鋪瀝青混合料進行旋轉壓實試驗和抽提試驗，驗證瀝青混合料體積指標和級配組成，如滿足要求，生產配合比就確定下來，生產配合比的級配組成和油石比作為大規模生產質量控制的標準。

5 結語

本文主要針對Superpave瀝青混合料組成設計中一系列問題進行研究探討，明確了Superpave瀝青混合料的級配組成，總結了Superpave瀝青混合料的室內擊實功，分析匯總了Superpave瀝青混合料體積指標中幾個關鍵體積指標，結合浙北地區的實際情況，確定了Superpave瀝青混合料配合比設計流程。

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[5]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術規范[S].

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