柔性基層瀝青路面混合料組成設計方法

趙 若

（邢臺市交通運輸局，河北 邢臺 054000）

0 引言

國外對柔性基層瀝青路面進行了長期的應用和研究，取得了一系列成果，但瀝青穩定基層在我國研究剛剛開始，其設計理論和技術依據還很不完善。對瀝青穩定碎石不同的設計方法國內均有研究，然而有關如何針對我國重載超載嚴重的重交通荷載特點，選擇最合理的方法進行柔性基層材料設計的研究較少，但這對于引進并推廣應用這種路面結構至關重要。為此，采用常用的三種設計方法對柔性基層路面組成進行差異分析，以確定合理、可行的路面設計方法。

1 集料性質

考慮此路面設計是針對重交通荷載的，粗集料一般采用玄武巖和石灰巖兩種，其中上面層采用硬度及耐磨性較好的邯鄲武安產玄武巖，中面層和底面層采用華北地區常見的優質石灰巖。細集料采用邯鄲涉縣產的石灰石，采用經專用設備加工制成的基質砂。填料選用邯鄲涉縣石灰石研制的礦粉，其密度為2.757g/cm3。主要集料技術指標詳見表1。

表1 粗細集料的質量技術指標

2 集料級配

根據一般路面結構的厚度，初步選定上面層采用AC—13C型瀝青混合料，中面層采用AC—20C型瀝青混合料，下面層采用AC—25C型瀝青混合料，這三種瀝青混合料的級配見表2。

表2 瀝青混合料礦料級配表

3 瀝青結合料性質

在瀝青混合料中起膠結作用的瀝青類材料（含添加劑、改性劑等）稱為瀝青結合料，其流變性與溫度有著十分密切的關系。低溫時，瀝青材料的黏度增大，流動性低，表現出較強的彈性性質；在極低的溫度下卻又表現出明顯的脆性，這就是導致瀝青路面在冬季容易出現開裂現象的主要原因。在高溫時，瀝青材料彈性降低，表現出明顯的塑性流動。這是導致瀝青路面高溫車轍損害的主要原因。在常溫時，瀝青是一種典型的黏彈性綜合體，且具有依賴于溫度和加載時間的黏彈性性質，瀝青混合料在荷載作用下的變形也具有隨溫度、荷載作用時間而變的特性[1]。

為了選用適宜的瀝青結合料，對SK70、AH70、AH50、殼牌70SBS、KL50SBS等瀝青與改性瀝青進行了技術指標檢測，并檢測了Superpave高性能瀝青路面的高溫性能指標[2]，以便于分析瀝青混合料的高溫穩定性。為了保證瀝青路面面層具有良好的抗車轍性能，決定采用高溫性能最好的殼牌SBS—70＃改性瀝青用于上面層和中面層，中港AH—70＃基質瀝青用于底面層。參照重交通道路石油瀝青技術指標，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTJ 052—2000）相關試驗方法進行試驗，試驗結果見表3。

表3 殼牌SBS—70＃改性瀝青及AH—70＃基質瀝青技術指標

4 路面混合料組成設計

4.1 馬歇爾法（Marshall）

根據馬歇爾法（Marshall）分別對上面層AC—13C、中面層AC—20C、底面層AC—25C瀝青混合料進行試件成型，并檢驗瀝青用量與密度、飽和度、穩定度之間的關系，依據試驗規范確定試驗結果：上面層油石比范圍為3.6%～4.2%，最佳油石比為3.90%，所對應的毛體積密度為2.468g/cm3；中面層油石比范圍為3.6%～4.1%，最佳油石比為3.85%，所對應的毛體積密度為2.474g/cm3；底面層油石比范圍為3.6%～4.0%，最佳油石比為3.70%，所對應的毛體積密度為2.480g/cm3。

4.2 旋轉壓實試驗機法（GTM）

旋轉壓實試驗機法于20世紀80年代初期首先應用于美國軍用機場，后經科研人員研究開發，形成GTM設計方法，于20世紀90年代被應用于重交通瀝青路面配合比的設計，現已被公認為是解決柔性路面材料配合比設計與質量控制問題的有效手段。與傳統的馬歇爾試驗相比，GTM法最大限度地模擬了汽車對路面的實際作用情況。GTM法通過推理進行材料的力學分析和設計，最佳瀝青用量的確定主要依靠3個指標：應變比、抗剪強度安全系數GSF、最大密度。GTM法可以根據汽車對路面的實際作用壓強來設計瀝青混凝土，該試驗機采用類似于施工中壓路機作用的搓揉方法壓實瀝青混合料，從而模擬了現場壓實機和隨后汽車對路面的作用，通過旋轉壓實，使試模中瀝青混合料密度達到汽車輪胎實際作用于路面時所產生的密實度；GTM法以推理的方法來設計瀝青混凝土，克服了馬歇爾等經驗方法的不足，設計瀝青混合料時充分考慮了輪胎與路面接觸的實際情形，可設計出滿足實際荷載作用且抗變形能力強的瀝青混合料，使設計的瀝青混合料的抗剪強度大于其所受的剪應力，同時，使其所產生的應變控制在適當的范圍內。因此，GTM法可較真實地模擬實際路面材料的受力狀況以及預測材料到服務期限末的應力應變力學性質，從而可避免路面材料的早期破壞。

根據規范ASTMD 33887—96，進行不同油石比情況下的GTM試驗[3]，最終確定上面層的最佳油石比為3.6%，對應密度為2.530g/cm3；中面層最佳油石比為3.6%，對應密度為2.480g/cm3；底面層最佳油石比為3.3%，對應密度為2.500g/cm3。

4.3 SGC旋轉壓實體積法

馬歇爾試驗存在的與路面設計不掛鉤、對于不同交通荷載對混合料技術指標要求的不同沒有精確的判斷、試件成型方法不能模擬行車的壓實過程等缺陷日益凸現。而Superpave旋轉壓實法采用旋轉壓實機SGC成型試件，能將室內混合料逼真地壓實到實際路面荷載條件下所達到的密實狀態，同時壓實試件能適應大尺寸集料，基本滿足了試件仿真壓實的目的。采用SGC旋轉壓實儀揉搓成型試件，加載壓力為600kPa，旋轉速度為30轉/min，壓實角為1.25°。成型試件時，預估初始瀝青用量根據大馬歇爾試驗確定，油石比間隔為0.5%，為了與大馬歇爾試驗對比，拌和后不進行短期老化，直接裝入試模中。

上述三種設計方法的差異可通過不同的試驗進行分析研究。以上面層為例，混合料的SGC旋轉壓實空隙率、穩定度、飽和度、密度與瀝青含量之間關系曲線的試驗結果見圖1。

圖1 油石比與SGC技術指標關系曲線圖

由圖1中的關系曲線可以確定：瀝青混合料最佳油石比范圍為3.41%～4.27%，最佳油石比為3.84%，所對應的毛體積密度為2.527g/cm3。同理，可確定中面層及底面層對應的指標。為了便于分析，現將各試驗方法確定的最佳油石比匯總于表4。

表4 各試驗方法確定的最佳油石比匯總表

5 結論

由表4可以看出，無論礦料最大公稱如何，在級配完全相同的情況下，Marshall法確定的最佳油石比最大，SGC旋轉壓實法次之，GTM旋轉壓實體積法確定的最佳油石比最小。采用GTM旋轉壓實法設計的瀝青混合料擁有最大的對應密度，SGC旋轉壓實法次之，而Marshall法設計的混合料對應密度最小。

從試驗結果還可看出，采用GTM旋轉壓實法設計的瀝青混合料具有最大的對應密度和最小的瀝青用量，這就要求在施工過程中施加較大的壓實功能，可以達到加強混合料礦料顆粒間的嵌擠鎖結作用，提高混合料的抗剪強度及瀝青路面的抗車轍性的目的。采用SGC旋轉壓實法設計的瀝青混合料在抗車轍性能方面介于上述其他兩種方法設計的瀝青混合料之間。綜合上述分析，采用GTM旋轉壓實法設計重交通條件下的柔性基層瀝青路面混合料較為適合。

[1] 徐世法.表征瀝青及瀝青混合料高低溫蠕變性能的流變學模型[J].力學與實踐，1992（1）：37-40.

[2] 魏密.SBS改性瀝青混合料的設計方法及其高溫流變性研究[D].重慶：重慶交通學院，2004.

[3] 聶承凱.GTM在重載交通瀝青路面設計中的應用[J].山西交通科技，2004（2）：9-12.