Sup20瀝青混合料VMA指標的重要意義

王濤

（中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司）

VMA 定義為壓實瀝青混合料的礦料間隙率，即試件全部礦料部分以外的體積占試件總體積的百分率[1]。反過來說，VMA 就是瀝青體積和空隙體積之和占壓實試件總體積的百分率，即VMA 指標在瀝青配合比設計階段，對于瀝青用量的選取、空隙率的范圍、骨架結構的設計是很有指導意義的，很多試驗人員在配合比設計階段往往對于這個指標理解不深，往往導致在同樣結構層配合比設計的時候，配合比設計結果千差萬別，最終影響瀝青路面鋪筑的質量和耐久性。本文從Sup20 瀝青混合料設計VMA 指標的調整方法，詳細闡述VMA 指標對于瀝青混合料配合比設計的重要指導意義。

目前對于Sup 系列結構全國各省已經有了多年的應用經驗，最早是由江蘇省交通科學研究院賈渝等人從美國引進的技術，它的設計體系要求根據工程所在地的氣候和交通條件進行材料的選擇和混合料設計，提出了全新的混合料級配概念和級配設計范圍，采用旋轉壓實方法作為混合料設計手段，更加接近現場的壓實工藝，試驗和現場結果相關性較強，起到有效的施工指導意義[2]。目前常規結構主要有Sup25、Sup20、Sup13，三種結構的體積指標如表1所示。

表1 Superpave混合料馬歇爾技術指標

從表1可以看到，隨著結構層由下往上，VMA指標是逐層增加的，但Superpave 混合料設計的空隙率是4%，也就是隨著結構層由下往上瀝青含量是要逐層增加的，才能滿足VMA 指標要求。這個里面好多配合比設計人員就有很多疑問，比如Sup20 和Sup25 就一個公稱最大粒徑的差別，VMA 指標卻要相差1 個點，Sup25 混合料VMA 指標很容易滿足設計要求，但Sup20 混合料VMA 指標滿足設計要求卻很困難，自認為不應該用這么多瀝青用量，就江蘇地區常用石灰巖應用而言，Sup25 瀝青用量3.9%左右，而Sup20 如果要滿足VMA 指標要求，瀝青用量需要4.2%左右，瀝青用量相差較大[3]，一段時間好多試驗人員和學者也會有這樣的想法，認為Sup20 混合料VMA 控制指標有問題，不應該那么大。其實有這種想法的人對Sup20 理解不夠深刻，目前在公路行業經常看到所謂的Sup20 混合料，實際上很多是易于壓實假性Sup20，并沒有達到結構真正的意義。下面從混合料設計和應用的角度去分析Sup20混合料VMA指標的意義。

1 VMA設計指標現狀

Sup20 瀝青混合料主要應用于道路的中下面層，在高速公路上主要應用于中面層，中面層的功能不僅要求提供較強的抗車轍能力，還要提供較強的低溫抗裂性能[4]。抗車轍性能主要有礦料骨架和瀝青膠結料共同作用，低溫抗裂性能主要來源于瀝青膜的厚度，厚度越大低溫抗裂性能越強、路面耐久性越強[5]。根據美國SHRP 計劃研究成果，Sup20 混合料VMA 技術要求≥13[6]。這個指標往往讓初學者感到疑惑，因為在混合料配合比設計過程中很難達到，而Sup25 和Sup13 混合料VMA 技術指標很容易滿足設計要求。本文匯總了江蘇地區部分高速公路和地方道路VMA指標設計結果，如表2所示。

表2 江蘇地區部分高速公路和地方道路Sup20混合料VMA設計結果

從上述數據可以看出，高速公路的設計瀝青用量是明顯高于國省干線的瀝青用量，VMA 指標高速公路基本滿足目前設計要求，國省干線Sup20 對于這個指標是明顯不足的，并沒有達到真正的設計意圖。

2 設計指標的調整方法

很多初次接觸Sup20的試驗人員對于VMA技術指標的調整很是迷惑，認為是本身指標的問題，并不影響施工質量，而且目前按照較低的瀝青用量、較低的VMA 指標施工，現場也沒有明顯的病害發生，既省錢也能確保施工質量，這種情況有過一段漫長的時間段，甚至最后都很少有人關心技術指標的問題，這也是目前行業最大的問題，只關注眼前的質量，不關注遠期耐久性問題和設計真正的目的。行業很少關注真正的Sup20 結構到底是一種什么結構。本文針對VMA 列舉某典型的配合比設計存在的問題，如某Sup20 配合比設計中，根據目標配合比設計確定的最佳油石比，本次生產配合比采用最佳油石比為4.3%，分別進行了最佳油石比、最佳油石比±0.3%條件下設計次數下的旋轉壓實試驗（N 設計=100）。即采用4.0%、4.3%、4.6%三種油石比進行旋轉壓實試驗，礦料合成表觀相對密度為2.766，礦料合成毛體積相對密度為2.691，礦料合成有效相對密度為2.741，混合料試驗結果如表3、表4、表5所示，設計級配如圖1所示。

圖1 混合料設計級配

表3 不同油石比旋轉壓實試驗結果

表4 最大次數下體積指標試驗結果

表5 生產配合比馬歇爾穩定度試驗結果

根據以上數據可知，該生產配合比除了旋轉壓實VMA指標不滿足現行大于13的標準要求，其它指標均滿足技術規范要求。那么究竟應該如何調整才能保證VMA 技術指標滿足設計要求。首先驗證礦料密度。因為在計算VMA 的過程中，礦料合成毛體積相對密度是參與公式計算的，它的準確性至關重要，直接影響級配選擇和混合料數據準確性[7]，以往在很多配合比設計中也發現，礦料密度明顯是不符合實際情況的，很多重要數據存在明顯問題，直接影響后續級配的選擇和數據的合理性，這樣是設計不出一個優秀的配合比。其次調整礦料合成級配，上述生產比例在油石比4.3%的情況下壓實情況較好，空隙率接近4.0%，對于Sup20 這種結構就要及時調整礦料比例，傳統思維是將礦料級配調整成容易壓實的級配[8]，而針對該種情況，要將級配調整成難以壓實的級配，原4.3%油石比旋轉壓實空隙率將高于4.0%，再不斷上調瀝青用量，直到合適的瀝青用量下VMA 和空隙率滿足技術指標要求。在調整級配的過程中，可以選擇多個礦料級配，直到選擇合適的礦料級配。這個級配調整是一些初學者很少嘗試的方法，因為每種級配都包含著大量的混合料試驗，工作量是較大的。

3 應用效果

根據江蘇地區建成Sup20 道路使用效果的總結分析，高速公路由于借助多方管理和技術服務，對于Sup20 的使用關鍵點的控制還是非常精準，真正用到了該結構的精髓，既有較強的抗車轍效果，又有良好的低溫抗裂性能，在已建成的高速公路中，大部分高速公路使用壽命已超過20 年，路面病害依舊非常少，這和過程中質量嚴格控制是分不開的。

地方國省干線在施工過程中，技術指標控制沒有高速那么嚴格，關注的重點還是偏向于事后檢測質量的合格率情況，對于前期配合比設計并沒有開展針對性專題會議或總結，大部分施工或管理單位，對于Sup20 這種結構關鍵點的把控不是很到位，致使在國省干線中施工的Sup20 介于真正的Sup20 和AC20 之間。在這里，我們不得不提的一個現象，也是存在很長一段時間的誤區，就是滲水系數和外觀問題。一些理解不深的管理者總是愿意用自己想法去控制施工質量和外觀，總認為不滲水是好的、外觀細一點是好的，這種認知是錯誤的，這也間接導致了我們施工的Sup20 越來越細，甚至有些地方能將Sup20 做成AC20F 型結構，這是不可取的。隨著使用年限的增加，高速公路依舊保持這較好的運營狀態，反觀地方國省干線，好多道路已經出現了嚴重的車轍型病害，這當然和國省干線重載車輛多、頻繁剎車剪切密切相關，拋開該種因素，Sup20 結構偏細、VMA 技術指標不合格有很大的影響。

4 總結

在Sup20 結構配合比設計中，我們曾經走過很多彎路，對于指標的理解也是由淺入深，一個優秀的配合比設計，表面上是控制空隙率，實則是控制VMA 技術指標，它是混合料設計關鍵性指標，該指標必須滿足技術要求才能做好“原汁原味的Sup20”，對于該種結構“難于壓實”方能成就長壽命瀝青路面。希望本文能夠幫助較多的初學者盡快領悟Sup20 的設計精髓，最大程度發揮該種結構帶來的優秀效果。