基于體積法的BRA瀝青混合料配合比設計方法

楊 凱

（天津市市政工程設計研究院，天津市 300051）

0 引言

現行的《公路工程瀝青路面施工技術規范》沒有關于BRA的配合比設計方法、摻配方式的具體規定。因此，大部分BRA瀝青路面的混合料配合比都是根據以往施工經驗按照傳統馬歇爾設計方法進行設計，而試驗表明傳統配合比設計方法并不能充分發揮BRA優異的路用性能，主要表現為：（1）BRA對合成級配產生干涉作用；（2）混合料最佳瀝青含量偏低，導致瀝青膜厚度不足，降低了水穩定性；（3）級配針對性弱，不能根據道路使用環境、BRA種類和摻量設計級配。

針對以上問題，本文在體積法的基礎上做了一些改進，提出基于體積法的BRA瀝青混合料配合比設計方法。試驗表明此法簡便、可行，提高了BRA混合料的路用性能。

1 設計思路

BRA的相對密度較小（1.62～1.72），單位質量體積是石料的1.5倍左右，不可避免地會對合成級配產生影響。運用體積法設計BRA瀝青混合料時考慮了BRA的體積，通過間斷2.36～4.75 mm集料及在數學模型中加入代表BRA體積的代數項這兩種方式，減小BRA對合成級配產生的顆粒干涉影響，使瀝青、BRA、礦粉、細集料及設計空隙的總體積等于主骨料空隙體積。

VMA是瀝青混合料重要的體積參數，合適的VMA可以確保混合料有足夠的瀝青膜厚度，保持混合料的耐久性。傳統方法設計的BRA瀝青混合料，VMA和瀝青膜厚度都低于規范要求，這是因為BRA的粘結和填充作用減小了混合料中需要基質瀝青裹覆的集料面積和填充空隙，從而導致達到相同VV所需的瀝青含量減少，VMA降低。因此，方程組中引入VMA項，使VMA在配合比設計過程中得到控制，也使集料表面的瀝青膜厚度得到保證。不同工程的交通、氣候條件各異，設計者需要實際情況調整礦粉、瀝青和BRA比例。為此，方程組中引入BRA摻量、油石比兩個方程，通過膠漿性能與數學模型結合的方法增加級配設計的適用性。

綜上，基于體積法的BRA瀝青混合料配合比計算公式如下：

方程組中有 qc、qf、qm、qa、qb，5個未知數，分別表示粗集料、細集料、礦粉、基質瀝青和BRA的質量百分數。P0.075、qN、x、y分別表示礦粉 0.075 mm篩孔通過率、BRA中地瀝青含量、粉膠比、BRA摻量（地瀝青與基質瀝青之比）。設計者只要確定VMA、VV、粉膠比和BRA摻量就可以用數學方法計算出BRA瀝青混合料的配合比。

式（1）與最初的體積法設計公式相比有以下改進：（1）引入新的方程與未知數，方程組自由度為0，有效瀝青用量通過數學計算得出，避免了設計中的隨意性；（2）加入VMA等體積參數，使混合料的瀝青膜厚度得以控制；（3）考慮了膠漿性能，混合料針對性更強。

2 確定體積參數

體積法方程組中，BRA、礦粉、粗集料、細集料和瀝青的相對密度由試驗測定。瀝青混合料設計空隙率VV和礦料間隙率VMA參照施工規范要求VV和VMA分別取4%、14%。粉膠比、BRA摻量通過膠漿試驗確定分別為1.0、31%。

粗集料間隙率VCA主要取決于粗顆粒的表面性質和顆粒形狀，各檔粗集料的比例對VCA影響較小[2]。結合實際情況確定粗集料13.2～9.5 mm：9.5～4.75 mm為1∶1。實測粗集料相對密度，計算粗集料骨架間隙率VCA，試驗結果見表1。

表1 VCA計算結果

研究表明，粗集料含量大于72%時，隨著粗骨料的增加細集料的減少，細集料已不能充分填充粗骨料的空隙[3]。根據試驗結果，松裝密度與實際要求相符，確定VCA為43.2%。

綜上，將設計參數代入方程組計算，得到粗集料含量、細集料含量、瀝青油石比。計算結果見表2、表3。

表2 體積參數

表3 各種材料比例（單位：%）

3 設計實例

3.1 試驗材料

集料采用閃長巖，礦粉由石灰巖磨制，瀝青為克拉瑪依70#重交道路石油瀝青。BRA灰分含量75%，采用“干法”工藝摻配。各種材料的相對密度見表4。

表4 試驗材料相對密度

3.2 合成級配

為了增加對比性，試驗中采用體積法、傳統方法分別進行BRA瀝青混合料配合比設計，以BRA-V13、BRA-13表示。級配見表5。

表5 混合料級配

3.3 體積參數驗證及路用性能

對混合料進行馬歇爾試驗，試驗結果見表6。

由表6試驗結果可知，基于體積法設計的BRA瀝青混合料，基質瀝青用量比傳統方法設計的混合料提高近0.4%，瀝青膜厚度增加1μm，VV、VMA與設計值基本相同，VFA在中值附近，說明基于體積法進行BRA瀝青混合料配合比設計是可行的。受BRA中地瀝青的影響，體積法最佳油石比的設計值與實測值不同，設計時需要根據地瀝青含量對計算出的最佳油石比進行折減，按照折減后的油石比進行試驗。

對兩種BRA瀝青混合料進行高溫、低溫和水穩定性試驗，試驗結果見表7。

表7 混合料路用性能試驗結果

試驗結果表明，體積法設計的BRA瀝青混合料的路用性能均優于傳統BRA混合料。說明基于體積法設計的BRA瀝青混合料具有良好的路用性能。

4 結論

本文在體積法的基礎上，提出了基于體積法的BRA瀝青混合料配合比設計方法。此方法可以方便、快捷地確定不同BRA摻量的瀝青混合料配合比。試驗表明，體積法顯著改善了BRA瀝青混合料的VMA等體積指標，提高了BRA混合料性能，在實際工程中可以參考使用。

[1]楊凱.布敦巖瀝青混合料配合比設計方法及性能研究[D].長安大學碩士論文,2012.

[2]盧永貴,張登良.基于路用性能的瀝青混合料體積設計方法[J].西安公路交通大學學報,2001,21(2):30-33.

[3]郝培文,張宗濤,張登良.間斷密級配的設計方法[J].石油瀝青,2000,14(4):11-31.