山區高速公路AC-20 瀝青混合料配合比設計優化研究

郎進

摘要：為優化山區高速公路瀝青混合料配合比設計，文章以AC-20混合料配合比設計為依托，通過對山區氣候特點及瀝青路面應用場合的分析，提出山區高速公路瀝青路面的主要路用性能要求，并采用貝雷法反算提出了山區高速公路礦料級配控制范圍，同時對瀝青混合料體積指標、高溫穩定性、水穩定性、滲水系數等技術指標進行了優化研究。經過實體工程驗證，該優化的AC-20瀝青混合料技術指標滿足設計要求。

關鍵詞：瀝青混合料;體積指標;水穩定性;高溫穩定性

0 引言

瀝青混合料性能是關系到瀝青路面使用壽命及服務水平的直接因素。瀝青混合料設計過程中，需要考慮高溫、低溫穩定性、水穩定性、耐久性及施工和易性等多個性能[1-3]。各個性能之間的實現存在一定的矛盾性，但已有的工程應用中多參照國家相關規范，千篇一律地采用相似的設計方法進行瀝青混合料設計，往往造成所設計的瀝青混合料性能顧此失彼，或者其性能與本地區氣候環境不符。如何實現瀝青混合料各方面性能的平衡和協調，提高瀝青混合料對本地區環境的適應性，成為瀝青路面質量管理過程的重中之重[4-5]。

本文以我國西南某省為研究對象。在該省已通車的瀝青路面工程中，水損害、局部推移及車轍病害較為突出，瀝青路面抗老化、耐疲勞性能略低造成的路面早期發白及反射裂縫過早出現的病害也較為普遍。造成這些問題的原因較多，但瀝青混合料設計過程未針對該省山區氣候特點進行混合料專項技術指標的優化是重要原因之一[6-8]。為提高山區高速公路瀝青路面混合料設計指標體系的科學性、合理性，本文結合依托省份氣候特點，以中面層AC-20瀝青混合料為例，對施工過程瀝青混合料技術指標進行研究，為制定山區高速公路合理的瀝青混合料指標體系提供參考。

1 山區地區環境特點

1.1 瀝青路面使用性能氣候分區

根據我國瀝青路面使用性能氣候分區標準，依托省按設計雨量分區指標而言，全部屬于年降雨量為1 000 mm以上的潮濕區;按低溫分區指標而言，全部屬于極端最低溫度>-9 ℃的冬溫區;按高溫分區指標而言，其存在夏炎熱區（最熱月平均最高氣溫>30 ℃）及夏熱區（最熱月平均最高氣溫為20 ℃～30 ℃）兩個高溫分區。該地區瀝青路面使用性能分區主要分為1-4-1夏炎熱冬溫潮濕區及2-4-1夏熱冬溫潮濕區。山區高速公路AC-20瀝青混合料配合比設計優化研究/郎 進[=JP2] 由于氣候分區分界線基本位于該省中部，同時由于該地區地形復雜、海拔變化較大，局部地區氣候可能與整體氣候分區有所不同，因此該地區瀝青路面設計及指標體系制定過程中應充分考慮氣候分區特點。根據氣候條件分析，該地區瀝青路面主要對水穩定性和高溫穩定性的要求較高，對低溫性能要求相對略低。因此，混合料設計及指標制定過程中應加強對水穩定性及高溫穩定性指標的確定。

1.2 使用條件

該地區高等級公路橋隧比較高，部分項目橋隧比高達70%以上，較高比例的橋隧比使得水泥混凝土橋面鋪裝及結構物間小段落復合式路面比例增加。根據路面結構力學計算，由于橋面及水泥混凝土面板與瀝青面層模量相差較大，其上鋪裝的瀝青路面層在車輛荷載作用下，混合料內部剪應力大大高于常規瀝青路面，瀝青面層也更容易發生內部材料流動變形而形成車轍。

另外，該地區地勢地形變化較大，長大縱坡段落較多。長上縱坡段落的瀝青路面在行車荷載低速碾壓作用下，容易發生瀝青路面的蠕變變形及層間推移;長下坡段落的瀝青路面容易發生層間推移，同時容易在貨車剎車灑水作用下經常保持飽水狀態而發生水損害。

因此，考慮到橋面鋪裝、復合式路面及長大縱坡段落較多，瀝青混合料設計過程應根據工程特點進行混合料抗車轍變形能力控制及水穩定性設計優化。

2 AC-20配合比設計要求

2.1 級配類型

級配是影響瀝青混合料性能的關鍵因素。該地區中面層具有抵抗高溫變形及封水的雙重作用，同時，瀝青混合料應具有較好的抗離析及施工均勻性。級配確定過程中需要根據常用的級配曲線進行優化，并采用貝雷法進行級配驗證，以保證級配嵌擠良好及施工均勻。

貝雷法是基于各級嵌擠密實理論而來的，其對提高瀝青混合料嵌擠效果，保證混合料施工均勻性具有重要作用。根據貝雷法粗細集料嵌擠填充理論，AC-20主要影響篩孔為9.5 mm、4.75 mm、1.18 mm及0.6 mm。選取貝雷法關鍵參數CA值在0.4～0.6，FAc值在0.4～0.55，FAf值在0.45～0.55，以選取常用的4.75 mm篩孔通過率，進行CA值范圍內9.5 mm篩孔通過率的反算，計算結果如表1所示。

經計算，4.75 mm篩孔通過率在常用的32%～37%時，9.5 mm篩孔通過率在51%～60%內。同理，可得出1.18 mm、0.6 mm篩孔通過率。根據上述計算結果，并結合工程經驗及已有工程應用情況，該地區AC-20瀝青混合料推薦級配范圍如表2所示。

2.2 油石比

適度的瀝青薄膜厚度、合理的粉膠比是保證瀝青混合料水穩性能及耐疲勞性的主要影響因素。一般而言，瀝青薄膜厚度宜在6～8 μm，根據前文推薦的級配范圍及該地區石灰巖密度，反算出在不同瀝青薄膜厚度下最低的瀝青用量（如表3所示）。

結合對該地區相似級配及相似材料下油石比的統計分析，得出該地區高等級公路AC-20型瀝青混合料油石比應≥4.2%。該油石比對應的瀝青薄膜厚度為7.3 μm，屬于中等偏上的瀝青富余量，對提高混合料水穩性能具有一定的作用。

3 馬歇爾試驗技術指標

3.1 試驗方法及標準試驗條件確定

馬歇爾試件的技術指標受試驗條件的影響較大，在制定指標時首先應對試驗條件進行統一的要求才能保證該地區各個項目對指標應用的一致性。

改性瀝青AC-20瀝青混合料馬歇爾成型試件時，礦料加熱溫度控制在170 ℃～175 ℃，瀝青混合料拌和溫度控制在160 ℃～170 ℃，試件擊實成型溫度在160 ℃～165 ℃。試件采用小型瀝青混合料拌和機逐個拌和，每組試件不少于6個，最大限度地減少試驗過程的誤差影響。

3.2 體積指標及參數

目前，我國評價瀝青混合料體積指標的主要指標有空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、瀝青飽和度（VFA）、粉膠比（FB）、瀝青薄膜有效厚度（DA）等。這些混合料的體積指標參數分別從不同角度描述了混合料的體積狀態。

3.2.1 空隙率

空隙率指標描述了混合料的密實封水性。考慮到該地區瀝青面層密水的需要，對夏炎熱區適當降低最大空隙率范圍指標，將規范規定的6.0%的空隙率上限調整為5.5%;對夏熱區適當提高混合料最小空隙率范圍指標，以保證混合料變形空間，將最低空隙率由3.0%調整為3.5%。同時，實際設計的混合料目標級配宜控制在3.8%～4.5%。

3.2.2 礦料間隙率

礦料間隙率反映混合料中礦料之外的瀝青與空隙率的空間，因此規定了下限值。混合料設計目標級配宜控制在3.8%～4.5%的某個值，相應的礦料間隙率最小值也在12.8%～13.5%的某個值。同時，該指標也反映出礦料級配的嵌擠程度，因此礦料間隙率不能高于下限值過多，規定為不高于下限值2%。

3.2.3 瀝青飽和度及粉膠比

瀝青飽和度及粉膠比指標描述了瀝青與礦料的相互關系。提高瀝青飽和度，有利于改善瀝青混合料的密實性及耐久性，但飽和度也不能過高，過高可能存在行車作用下泛油及蠕變變形的風險。粉膠比描述了瀝青混合料瀝青與石粉的比例關系，反映了瀝青膠漿的穩定程度及其與石料的粘結程度，是瀝青混合料水穩定性、耐久性及高溫穩定性的一項控制指標。該地區瀝青混合料普遍存在粉膠比過大的情況，部分項目粉膠比可達1.4，存在一定的瀝青用量不足的問題。此次指標修訂根據瀝青用量計算并參考美國等相關試驗結論，采用0.8～1.2的控制標準。

3.3 馬歇爾穩定度及流值

馬歇爾穩定度及流值是采用馬歇爾設計方法的基本指標，其反映了瀝青混合料力學強度特性及流動變形能力。該地區相關技術標準仍參照中國相關規范執行。

3.4 技術指標

結合馬歇爾試件體積指標及馬歇爾混合料試驗指標，綜合該地區AC-20瀝青混合料馬歇爾試件技術指標如表4所示。

4 混合料路用性能指標

4.1 高溫性能指標

車轍試驗指標不僅能反映出瀝青混合料抗高溫變形能力，同時能夠較為直接地反映混合料設計過程中級配、原材料等的質量問題。根據對該地區AC-20瀝青混合料試驗結果的統計，參照相鄰省份瀝青混合料車轍試驗指標，提出AC-20瀝青混合料車轍控制指標為3 000次/mm。

4.2 水穩性能指標

瀝青混合料水穩定性是該地區的重點，通過對級配及油石比等指標的控制，瀝青混合料的水穩定性得到一定程度的提高。因此，在技術可行的情況下，該地區殘留穩定度提高為90%，凍融劈裂強度比提高為85%。

4.3 滲水系數指標

滲水系數是反映混合料級配密實及瀝青用量的直接性指標，同時能夠反映混合料內部嵌擠程度，因此，室內進行混合料設計時應進行滲水系數驗證，該地區AC-20室內滲水系數提高為100 mm/min。

5 工程應用效果驗證

5.1 混合料試驗指標

參照本文制定的瀝青混合料技術指標對實體項目進行現場混合料設計，其級配如表5所示，油石比為4.3。經馬歇爾試驗，各項指標滿足本文提出的指標要求（如表6所示），即空隙率為3.9%、礦料間隙率>13%的要求。設計油石比為4.3%，瀝青薄膜厚度為7.5 μm，粉膠比為1.13。混合料動穩定度試驗結果為5 618次/mm，殘留穩定度為93%，凍融劈裂強度比為88.5%，表明混合料設計性能良好。

5.2 現場效果

現場取芯效果表明：芯樣均勻、密實，骨架嵌擠效果良好，無明顯離析（如圖1所示）。現場壓實度以最大理論密度計算，基本控制在94.5%～95.5%，芯樣空隙率為4.5%～5.5%，與室內設計相符性較好。

6 結語

（1）山區降雨量大，部分地區夏季溫度較高，高等級公路橋隧比及長大縱坡路段較多，瀝青路面對水穩定性和高溫穩定性的要求較高，混合料設計及指標制定過程中應確定好水穩定性及高溫穩定性指標。

（2）AC-20混合料級配采用骨架密實型級配，在貝雷法計算的基礎上提出了該地區AC-20控制級配范圍。通過瀝青薄膜預估，該地區高等級公路AC-20型瀝青混合料油石比≥4.2%。

（3）結合山區已有瀝青混合料設計指標及地區瀝青混合料設計要求，對空隙率、礦料間隙率、粉膠比等指標進行了優化提高。

（4）考慮到該地區氣候條件要求，將動穩定度指標提高為3 000次/mm，該地區殘留穩定度提高為90%，凍融劈裂強度比提高為85%。

（5）根據指標優化的混合料均能滿足設計要求，現場鋪筑效果良好，芯樣密實、均勻、嵌擠效果良好。

參考文獻：

[1]趙眾愛. 山區高速公路施工標準化管理思路與實踐[J]. 公路，2014，59（9）：10-15.

[2]鐘 永，曾 理. 山區高速公路長大縱坡段車轍病害分析及防治措施[J]. 公路工程，2012，37（3）：20-24.

[3]李凌林，黃曉明，李 昶. 瀝青混合料動穩定度控制在山區公路中的應用[J]. 東南大學學報（自然科學版），2010，40（3）：599-603.

[4]趙 鵬. 山區高等級公路瀝青路面預防性養護研究[J]. 交通世界，2020（30）：99-100.

[5]陳旭丹，粟海濤，錢振東. 高海拔山區復雜環境的新型水泥混凝土橋面防水粘結層研究[J]. 公路交通科技（應用技術版），2020，16（9）：297-301.

[6]陳慶香. 貴州山區運營高速公路瀝青路面小修養護技術適用性探討[J]. 黑龍江交通科技，2019，42（10）：154-155.

[7]周 奇. 浙江省山區高速公路長上坡路段抗車轍瀝青路面應用技術研究[D]：西安：長安大學，2019.

[8]阮鹿鳴. 山區公路長大縱坡段瀝青路面結構疲勞損傷研究[D]：重慶：重慶交通大學，2018.