高速公路路面瀝青混合料優化設計探討

楊家勇

(貴州橋梁建設集團有限公司，貴州　貴陽　550001)

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高速公路路面瀝青混合料優化設計探討

楊家勇

(貴州橋梁建設集團有限公司，貴州貴陽550001)

為了解決我國高速公路瀝青路面出現的車轍等病害，文章以某高速公路瀝青路面為研究對象，對瀝青混合料的配合比進行系統的優化設計研究，分別對瀝青路面上、中、下面層常采用的三種瀝青(ESSO-90改性瀝青、ESSO-90瀝青和SK-90瀝青)進行性能分析，并對三種瀝青混合料AC-13、AC-20和ATB-30進行優化設計，通過檢測分析其各項性能指標參數，研究出最佳級配方案，為高速公路瀝青路面建設提供相關理論依據和技術支持。

高速公路；路面病害；車轍；瀝青混合料；優化設計

0　引言

在高速公路建設發展中，瀝青路面一直受到世界各國設計、施工人員的重視和青睞，在很多實際高速公路建設工程中被廣泛使用。它是一種無接縫連續式路面，具有諸多優點，如穩定性好、噪音低、力學強度高、振動小、便于維修養護、行車平穩舒適以及適應面廣等[1]，在我國公路(包括高速公路以及普通公路)建設中的應用尤為廣泛。據資料統計，瀝青路面在高級公路路面以及次高級公路路面中所占的比例非常高，達80%以上。然而由于世界各國的社會發展工業化程度不同、

氣候條件不同以及使用的瀝青材料不同等原因，致使各國的公路瀝青路面形式與結構大相徑庭。為適應各國具體的高速公路建設發展應用和要求，需對瀝青混合料的組分及其含量進行優化，研究出符合技術經濟要求的最優設計方案，為高速公路工程建設施工提供相關理論依據和技術支持。

1　優化設計方法

1.1優化設計目的

對于傳統的瀝青混合料配比的優化采用的理論基礎是堆積理論，該方法是依最大密實度為出發點，對主骨料沒有按填充原則進行配料，重點在于采用較大粒徑的次級料作為嵌入料，增加瀝青膠漿與細集料的用量，間斷級配設計采用粒子干涉理論，保證嵌擠與填充，該配比具有較大的嵌擠骨架和密實度，但是具體到實際工程中時，粗集料的嵌擠和細集料的填充難得到保證。

多級分級嵌擠級配采用綜合堆積理論與粒子干涉理論，進行逐級嵌擠填充，雖然經過試驗分析有良好的路用性能，但是由于混合料自身級配存在差異，波動明顯，且技術工人在試配中也有較大影響，導致現場的實際級配與實驗室確定的理論目標相差甚遠[2]。

本文采用簡便的瀝青混合料配比優化方法，在保證主骨料顆粒達到充分嵌擠的情況下，同時保證細集料和瀝青漿液能填充形成主骨架的空隙，改善各種不同路用性能的矛盾。

1.2優化設計步驟

嵌擠填充級配瀝青混合料配比優化設計方法設計流程如圖1所示。

圖1　優化設計流程圖

本文提出的優化方法的設計指標與要求符合規范要求，設計指標有密度、礦料間隙率VMA、剩余空隙率VV、瀝青飽和度VFA、馬歇爾穩定度及流值。

2　優化設計實例

本文將選取某高速公路作為實體工程進行研究，該高速公路按高速公路技術標準設計為雙向四車道，路基寬度設計為24.5 m，行車速度設計為100 km/h，路面寬度設計為15 m。路面結構采用半剛性基層瀝青路面，瀝青面層結構設計(自下向上)為：土基；二灰土(厚度20 cm)；二灰穩定碎石(厚度34 cm)；ATB-30瀝青穩定碎石(厚度10 cm)；AC-20瀝青混凝土(厚度6 cm)；AC-13瀝青混凝土(厚度4 cm)。本文通過對AC-13、AC-20和ATB-30三種混合料進行優化設計，研究出最佳級配方案，為高速公路的建設提供相關理論依據。

3　混合料配合比優化設計

本文將對瀝青混合料配合比進行設計，得到瀝青混合料最佳瀝青用量，并在新建的高速公路上通過鋪筑試驗路段進行研究，下文將對瀝青混合料配合比進行設計。并對成型的瀝青路面采取鉆芯取樣，對取樣的試件進行性能研究。

3.1瀝青技術性能

瀝青路面上、中、下面層分別采用ESSO-90改性瀝青、ESSO-90瀝青和SK-90瀝青。三種瀝青各項性能參數匯集如下頁表1所示。

研究結果標明，ESSO-90改性瀝青除了殘留針入度比技術指標不滿足要求外，其他的均符合規范標準；ESSO-90瀝青所有技術指標均符合規范標準；SK-90瀝青除了含蠟量技術指標不滿足要求外，其他的均符合規范標準。

3.2AC-13瀝青混合料優化設計

瀝青混合料級配優化原則是工程中不片面追求道路施工平整度而導致瀝青混合料空隙率偏大發生早期損壞，目標空隙率要求控制在4%左右[3]。級配設計適當減少粗集料的含量和細集料的含量，調整混合料級配，最終達到“骨架密實”的效果(滲水性小以及高溫穩定等)。

初擬級配如下頁表2所示。

表1　三種瀝青各項性能參數表

表2　AC-13初擬級配表

對以上五組瀝青混合料級配方案進行馬歇爾試驗與貝雷法檢驗，測試其空隙率、穩定度等各項指標。馬歇爾試驗結果匯集于表3，切面圖如圖2所示，貝雷法檢驗結果匯集于表4。

表3　馬歇爾試驗結果表

級配1級配2級配3級配4級配5

圖2　馬歇爾試件切面圖

研究結果表面，級配1的空隙率過大；級配2空隙率為4.8%，但骨架大顆粒料與中顆粒料含量偏小，且礦料間隙率也過小；級配3與級配2進行比較，明顯穩定性不足，故級配2中的細集料部分相對合理；級配4和級配5增加了大顆粒(4.76～13.3 mm)的含量，而一定程度地減少了小顆粒(2.36～4.76 mm)的含量，從而很好地改善了骨架的密實性，但是級配4的空隙率為5.6%，偏大，且穩定度不足。綜合比較，級配5的骨架結構是最理想的，各項性能參數均滿足要求。

對級配5的各項性能進行進一步測定，匯集于表5。

表5　級配5的各項性能檢測結果表

結果標明，級配5的瀝青混合料各項性能均滿足要求，綜合性能優良。

3.3AC-20瀝青混合料優化設計

級配分為A、B、C、D，各參數如表6所示。級配組成如表7所示。

表6　各級配參數表

馬歇爾試驗結果匯集于表8，試件切面圖見圖3，貝雷法檢驗結果匯集于表9。

表7　礦料級配組成表

表8　馬歇爾試驗結果表

圖3　級配A、B、C、D試件切面圖

級配類型CAFAfFAcCAFAfFAc級配A0.680.540.51級配B0.650.460.51級配C0.590.440.48級配D0.490.520.56

分析可知，級配A、B、C中粒徑在0.3 mm以下的細集料含量少，導致瀝青混合料的毛體積密度隨之減少且瀝青飽和度也逐漸減少，穩定度也變??；另外，級配A、B、C的FAc與CA性能指標均逐漸減小，但是空隙率和礦料間隙率性能指標卻逐漸增大。級配A和級配B的礦料間隙率無法滿足規范要求，且級配C的穩定度低，高溫強度不足[4]。而級配D的各項性能指標均滿足要求。

3.4ATB-30瀝青穩定碎石優化設計

級配分為A、B兩組，級配組成如表10所示。

馬歇爾試驗結果如表11和表12，貝雷法檢驗結果如表12所示。試件切面圖如圖4所示。

表11　體積指標表

表12　馬歇爾試驗結果及貝雷法檢驗結果表

(a)級配A

(b)級配B

研究結果表明，第2組即級配B瀝青穩定碎石優化設計的空隙率等各項性能指標均滿足要求，且各項性能均優于級配A。

4　結語

本文分別對瀝青路面的上面層(材料選用ESSO-90改性瀝青)、中面層(材料選用ESSO-90瀝青)和下面層(材料選用SK-90瀝青)進行了材料性能指標分析。三種材料的各項性能中除個別指標不滿足要求外，主要技術參數及性能指標均滿足規范要求。通過對AC-13、AC-20和ATB-30三種混合料進行優化設計，將AC-13瀝青混合料級配優化成骨架密實的S型，具有滲水性小、空隙率適宜以及高溫穩定性好等特點；采用變i法對AC-20瀝青混合料進行優化，使其各項性能參數均滿足要求，尤其是穩定度指標最為突出，優于規范要求；對ATB-30瀝青穩定碎石進行馬歇爾試驗，對其級配進行優化。本文研究分析最佳級配方案，以期為高速公路的建設提供相關理論依據和技術支持。

[1]肖川.橡膠瀝青及混合料高溫性能與施工工藝研究[D].重慶：重慶交通大學，2009.

[2]孫己龍.高速公路瀝青混合料配合比優化設計方法研究[D].西安：長安大學，2010.

[3]蔡旭.瀝青路面抗車轍性能評價及結構優化[D].廣州：華南理工大學，2013.

[4]楊延新.津汕高速公路小泊頭段瀝青混合料的設計及施工工藝控制[D].長春：吉林大學，2007.

Discussions on Optimization Design of Expressway Pavement Asphalt Mixtures

YANG Jia-yong

(Guizhou Bridge Construction Group Co.，Ltd.，Guiyang，Guizhou，550001)

In order to solve the rutting and other emerging diseases of expressway asphalt pavement in China，with an expressway asphalt pavement as the research object，this article conducted the systematical optimization design study on mix ratio of asphalt mixtures，with performance analysis respectively on three kinds of asphalt(ESSO-90 modified asphalt，ESSO-90 asphalt and SK-90 asphalt)often used in upper，middle and lower surface layers of asphalt pavement，and conducted the optimization design for three kinds of asphalt mixtures AC-13，AC-20 and ATB-30，analyzed their all performance parameters through the inspection，and came up with the best grading program，thereby providing the relevant theoretical basis and technical support for the construction of expressway asphalt pavement.

Expressway；Pavement diseases；Rut；Asphalt mixtures；Optimization design

U414

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.009

1673-4874(2016)08-0034-04

2016-06-15

楊家勇(1981—)，工程師，研究方向：公路橋梁施工。