瀝青混合料配比設(shè)計(jì)技術(shù)研究

鄒文剛

(貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司)

0 引 言

級(jí)配設(shè)計(jì)對(duì)于瀝青混合料的使用性能具有至關(guān)重要的決定性作用，也是關(guān)系到瀝青路面路用性能的關(guān)鍵因素。確保公路瀝青路面路用性能與使用壽命，必須對(duì)瀝青混合料的配比設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)前，在我國公路瀝青混合料配比設(shè)計(jì)中，主要有馬歇爾混合料配比設(shè)計(jì)方法與Superpave 配比設(shè)計(jì)方法兩種設(shè)計(jì)技術(shù)，不同的設(shè)計(jì)方法對(duì)于材料選用、試驗(yàn)驗(yàn)證等也有著不同的要求，這就要求技術(shù)人員必須結(jié)合不同設(shè)計(jì)方法的實(shí)際特點(diǎn)，進(jìn)一步的優(yōu)化研究，以提高瀝青混合料的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 馬歇爾配比設(shè)計(jì)方法

馬歇爾配比設(shè)計(jì)方法是我國瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的配比設(shè)計(jì)方法，主要是通過成型馬歇爾試件，依靠體積指標(biāo)以及物理力學(xué)性能參數(shù)來確定級(jí)配范圍以及最佳油石比，馬歇爾配比設(shè)計(jì)流程如下所示。

(1)原材料的控制。對(duì)于馬歇爾配比設(shè)計(jì)中原材料的質(zhì)量控制，在規(guī)范中都有著明確的試驗(yàn)檢測(cè)方法以及指標(biāo)要求。對(duì)瀝青材料，重點(diǎn)是對(duì)針入度、軟化點(diǎn)、延度、粘度、彈性恢復(fù)、離析穩(wěn)定性以及老化新能等常規(guī)性能的試驗(yàn)檢測(cè)。對(duì)粗集料，重點(diǎn)是對(duì)壓碎值、磨耗損失、扁平顆粒含量、堅(jiān)固性以及含泥量等技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè);對(duì)細(xì)集料，則主要是堅(jiān)固性、砂當(dāng)量、含泥量等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。對(duì)礦粉，主要是確保表觀密度、含水量、親水系數(shù)、粒度范圍以及有無團(tuán)粒結(jié)塊等進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。

(2)級(jí)配范圍的確定。由于級(jí)配類型與路面的使用性能有著非常密切的關(guān)系，因此對(duì)于級(jí)配的確定必須慎重選擇。在規(guī)范中，對(duì)于瀝青混合料的級(jí)配范圍給出了較大范圍的選擇，在進(jìn)行馬歇爾配比的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，除了參照技術(shù)規(guī)范的相關(guān)要求以外，還應(yīng)該根據(jù)項(xiàng)目所在地的氣候、降水、交通量等細(xì)化選擇，確定最為適合的級(jí)配。

(3)最佳油石比的確定。對(duì)于瀝青混合料配比設(shè)計(jì)階段最佳油石比的確定，首先應(yīng)該根據(jù)混合料的類型以及交通荷載情況，結(jié)合工程施工經(jīng)驗(yàn)，初步按照間隔0.3%確定幾組不同的油石比，之后通過雙面擊實(shí)成型馬歇爾試件，并分別進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)確定不同油石比條件下的試件毛體積相對(duì)密度、孔隙率、瀝青飽和度以及礦料間隙率等體積指標(biāo)，同時(shí)確定馬歇爾穩(wěn)定度與流值。按照毛體積相對(duì)密度、穩(wěn)定度最大值與空隙率和飽和度的中值作為OAC1，將在規(guī)范范圍內(nèi)的最大油石比和最小油石比的中值確定為OAC2，OAC1與OAC2的中值作為最終確定的最佳油石比。

2 Superpave 配比設(shè)計(jì)方法

Superpave 配比設(shè)計(jì)方法是美國SHRP 計(jì)劃的研究成果，是一種基于性能的瀝青混合料設(shè)計(jì)和分析體系，與馬歇爾設(shè)計(jì)方法最大的區(qū)別在于Superpave 配比設(shè)計(jì)方法無論是材料選擇、級(jí)配確定以及混合料性能評(píng)定都更加強(qiáng)調(diào)改善路面的服務(wù)情況。其具體設(shè)計(jì)流程如下所示。

(1)原材料的選擇。Superpave 配比設(shè)計(jì)方法中，對(duì)原材料的性能和質(zhì)量要求有了很大的不同，尤其是對(duì)于瀝青材料，需要根據(jù)預(yù)期氣候條件以及交通條件，確定瀝青膠結(jié)料的高溫性能等級(jí)與低溫性能等級(jí)要求，同時(shí)還需要考慮到交通量的要求;并側(cè)重了老化性能要求，需要根據(jù)運(yùn)輸、施工以及使用階段分別采取旋轉(zhuǎn)播磨烘箱、壓力老化容器等進(jìn)行老化性能驗(yàn)證;對(duì)于膠結(jié)料的高低溫性能則依靠動(dòng)態(tài)剪切流變儀以及彎曲梁流變儀等進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。對(duì)于集料以及礦粉的性能要求，則主要是依據(jù)于AASHTO 設(shè)計(jì)規(guī)范中的測(cè)試方法以及指標(biāo)要求，與我國規(guī)范要求大致吻合，但更加強(qiáng)調(diào)了對(duì)集料棱角性的要求。

(2)混合料級(jí)配設(shè)計(jì)。對(duì)于混合料的級(jí)配確定，在級(jí)配范圍的確定上增加了控制點(diǎn)和限制區(qū)的要求。對(duì)于級(jí)配范圍的控制點(diǎn)要求設(shè)計(jì)級(jí)配不能超過所在控制點(diǎn)的大小范圍，控制點(diǎn)主要是設(shè)置在最大粒徑、公稱最大粒徑、2.36 mm 以及0.075 mm。限制區(qū)則是在最大密度線兩側(cè)的區(qū)域，是要求在級(jí)配范圍設(shè)計(jì)過程中不能通過的區(qū)域，如果通過限制區(qū)容易出現(xiàn)級(jí)配設(shè)計(jì)中細(xì)集料含量過多，影響壓實(shí)與后期混合料的抗永久變形能力。

(3)最佳油石比的確定。在初步確定級(jí)配以后，初始估算混合料的油石比，并通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件，試件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為150 mm×115 mm，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過程中壓實(shí)次數(shù)的確定應(yīng)該根據(jù)交通量分別確定初始?jí)簩?shí)次數(shù)、設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)以及最大壓實(shí)次數(shù)，試件成型冷卻后確定瀝青混合料試件的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)參數(shù)、孔隙率、礦料間隙率等參數(shù)指標(biāo)，并根據(jù)AASHTO 中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算預(yù)估瀝青用量。在確定預(yù)估瀝青用量以后，分別以預(yù)估瀝青用量上下間隔0.5%、1.0%確定4 個(gè)瀝青用量，并再次使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件，通過計(jì)算分析壓實(shí)數(shù)據(jù)與體積特性，選擇在設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)下，各項(xiàng)體積指標(biāo)均能符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求的瀝青用量作為最佳瀝青用量。

3 瀝青混合料路用性能的驗(yàn)證

按照我國現(xiàn)行公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，對(duì)于瀝青混合料必須進(jìn)行相關(guān)路用性能的驗(yàn)證，特別是對(duì)瀝青混合料進(jìn)行高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)驗(yàn)證的內(nèi)容如下所示。

(1)高溫穩(wěn)定性的驗(yàn)證。瀝青混合料高溫穩(wěn)定性是混合料性能的重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)瀝青路面荷載作用下抵御擠壓以及永久變性能力的主要指標(biāo)。瀝青混合料高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法主要有單軸高溫蠕變實(shí)驗(yàn)、Superpave 法中最大旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下的殘余空隙率驗(yàn)證以及車轍試驗(yàn)等試驗(yàn)方法，其中我國規(guī)范推薦才采用車轍試驗(yàn)，以動(dòng)穩(wěn)定度作為高溫穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。我國規(guī)范中的技術(shù)要求如表1 所示。

表1 瀝青混合料車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)要求

(2)低溫性能驗(yàn)證。瀝青混合料的低溫性能不足很容易造成瀝青路面后期的開裂問題，現(xiàn)階段的試驗(yàn)方法主要有瀝青混合料低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)、SHRP 中的低溫性能J－積分試驗(yàn)、混合料低溫壓縮試驗(yàn)以及低溫彎曲試驗(yàn)等，主要通過破壞彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量、低溫彎曲破壞應(yīng)變等評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能。在我國規(guī)范中對(duì)于低溫性能的技術(shù)要求主要是以低溫彎曲試驗(yàn)破壞應(yīng)變進(jìn)行分析，具體要求見表2 所示。

表2 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)破壞應(yīng)變(με)技術(shù)要求

(3)水穩(wěn)定性。水損害是我國瀝青路面最為常見的早期病害問題，對(duì)于水穩(wěn)定性的試驗(yàn)檢測(cè)，在材料選擇階段就需要通過水煮法等手段評(píng)價(jià)集料與瀝青之間的粘結(jié)性能。在驗(yàn)證階段，則主要是通過浸水馬歇爾試驗(yàn)以及凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)定，通過浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度以及凍融劈裂強(qiáng)度比進(jìn)行水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。規(guī)范中的要求見表3 所示。

表3 瀝青混合料水穩(wěn)定性檢驗(yàn)技術(shù)要求

4 結(jié) 語

在進(jìn)行瀝青混合料的配比設(shè)計(jì)中，無論采用何種設(shè)計(jì)方法，技術(shù)人員均應(yīng)該把材料選擇、級(jí)配范圍確定以及性能驗(yàn)證作為重點(diǎn)，結(jié)合不同公路工程路面的交通量、荷載、自然環(huán)境等不同的特點(diǎn)，提高配比設(shè)計(jì)過程中的針對(duì)性，確保試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)整理分析的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高瀝青混合料的配備比設(shè)計(jì)質(zhì)量，為瀝青路面路用性能與使用壽命的改善提供基礎(chǔ)保障。

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［2］張方方，張捷，韓光，等.Superpave 與馬歇爾兩種瀝青混合料設(shè)計(jì)方法探討［J］.中外公路，2008，28(6):236－239.