Sup20瀝青混合料VMA指標(biāo)的重要意義

王濤

（中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司）

VMA 定義為壓實(shí)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(guò)來(lái)說(shuō)，VMA 就是瀝青體積和空隙體積之和占?jí)簩?shí)試件總體積的百分率，即VMA 指標(biāo)在瀝青配合比設(shè)計(jì)階段，對(duì)于瀝青用量的選取、空隙率的范圍、骨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是很有指導(dǎo)意義的，很多試驗(yàn)人員在配合比設(shè)計(jì)階段往往對(duì)于這個(gè)指標(biāo)理解不深，往往導(dǎo)致在同樣結(jié)構(gòu)層配合比設(shè)計(jì)的時(shí)候，配合比設(shè)計(jì)結(jié)果千差萬(wàn)別，最終影響瀝青路面鋪筑的質(zhì)量和耐久性。本文從Sup20 瀝青混合料設(shè)計(jì)VMA 指標(biāo)的調(diào)整方法，詳細(xì)闡述VMA 指標(biāo)對(duì)于瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)意義。

目前對(duì)于Sup 系列結(jié)構(gòu)全國(guó)各省已經(jīng)有了多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，最早是由江蘇省交通科學(xué)研究院賈渝等人從美國(guó)引進(jìn)的技術(shù)，它的設(shè)計(jì)體系要求根據(jù)工程所在地的氣候和交通條件進(jìn)行材料的選擇和混合料設(shè)計(jì)，提出了全新的混合料級(jí)配概念和級(jí)配設(shè)計(jì)范圍，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法作為混合料設(shè)計(jì)手段，更加接近現(xiàn)場(chǎng)的壓實(shí)工藝，試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果相關(guān)性較強(qiáng)，起到有效的施工指導(dǎo)意義[2]。目前常規(guī)結(jié)構(gòu)主要有Sup25、Sup20、Sup13，三種結(jié)構(gòu)的體積指標(biāo)如表1所示。

表1 Superpave混合料馬歇爾技術(shù)指標(biāo)

從表1可以看到，隨著結(jié)構(gòu)層由下往上，VMA指標(biāo)是逐層增加的，但Superpave 混合料設(shè)計(jì)的空隙率是4%，也就是隨著結(jié)構(gòu)層由下往上瀝青含量是要逐層增加的，才能滿(mǎn)足VMA 指標(biāo)要求。這個(gè)里面好多配合比設(shè)計(jì)人員就有很多疑問(wèn)，比如Sup20 和Sup25 就一個(gè)公稱(chēng)最大粒徑的差別，VMA 指標(biāo)卻要相差1 個(gè)點(diǎn)，Sup25 混合料VMA 指標(biāo)很容易滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但Sup20 混合料VMA 指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求卻很困難，自認(rèn)為不應(yīng)該用這么多瀝青用量，就江蘇地區(qū)常用石灰?guī)r應(yīng)用而言，Sup25 瀝青用量3.9%左右，而Sup20 如果要滿(mǎn)足VMA 指標(biāo)要求，瀝青用量需要4.2%左右，瀝青用量相差較大[3]，一段時(shí)間好多試驗(yàn)人員和學(xué)者也會(huì)有這樣的想法，認(rèn)為Sup20 混合料VMA 控制指標(biāo)有問(wèn)題，不應(yīng)該那么大。其實(shí)有這種想法的人對(duì)Sup20 理解不夠深刻，目前在公路行業(yè)經(jīng)?？吹剿^的Sup20 混合料，實(shí)際上很多是易于壓實(shí)假性Sup20，并沒(méi)有達(dá)到結(jié)構(gòu)真正的意義。下面從混合料設(shè)計(jì)和應(yīng)用的角度去分析Sup20混合料VMA指標(biāo)的意義。

1 VMA設(shè)計(jì)指標(biāo)現(xiàn)狀

Sup20 瀝青混合料主要應(yīng)用于道路的中下面層，在高速公路上主要應(yīng)用于中面層，中面層的功能不僅要求提供較強(qiáng)的抗車(chē)轍能力，還要提供較強(qiáng)的低溫抗裂性能[4]?？管?chē)轍性能主要有礦料骨架和瀝青膠結(jié)料共同作用，低溫抗裂性能主要來(lái)源于瀝青膜的厚度，厚度越大低溫抗裂性能越強(qiáng)、路面耐久性越強(qiáng)[5]。根據(jù)美國(guó)SHRP 計(jì)劃研究成果，Sup20 混合料VMA 技術(shù)要求≥13[6]。這個(gè)指標(biāo)往往讓初學(xué)者感到疑惑，因?yàn)樵诨旌狭吓浜媳仍O(shè)計(jì)過(guò)程中很難達(dá)到，而Sup25 和Sup13 混合料VMA 技術(shù)指標(biāo)很容易滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。本文匯總了江蘇地區(qū)部分高速公路和地方道路VMA指標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)果，如表2所示。

表2 江蘇地區(qū)部分高速公路和地方道路Sup20混合料VMA設(shè)計(jì)結(jié)果

從上述數(shù)據(jù)可以看出，高速公路的設(shè)計(jì)瀝青用量是明顯高于國(guó)省干線(xiàn)的瀝青用量，VMA 指標(biāo)高速公路基本滿(mǎn)足目前設(shè)計(jì)要求，國(guó)省干線(xiàn)Sup20 對(duì)于這個(gè)指標(biāo)是明顯不足的，并沒(méi)有達(dá)到真正的設(shè)計(jì)意圖。

2 設(shè)計(jì)指標(biāo)的調(diào)整方法

很多初次接觸Sup20的試驗(yàn)人員對(duì)于VMA技術(shù)指標(biāo)的調(diào)整很是迷惑，認(rèn)為是本身指標(biāo)的問(wèn)題，并不影響施工質(zhì)量，而且目前按照較低的瀝青用量、較低的VMA 指標(biāo)施工，現(xiàn)場(chǎng)也沒(méi)有明顯的病害發(fā)生，既省錢(qián)也能確保施工質(zhì)量，這種情況有過(guò)一段漫長(zhǎng)的時(shí)間段，甚至最后都很少有人關(guān)心技術(shù)指標(biāo)的問(wèn)題，這也是目前行業(yè)最大的問(wèn)題，只關(guān)注眼前的質(zhì)量，不關(guān)注遠(yuǎn)期耐久性問(wèn)題和設(shè)計(jì)真正的目的。行業(yè)很少關(guān)注真正的Sup20 結(jié)構(gòu)到底是一種什么結(jié)構(gòu)。本文針對(duì)VMA 列舉某典型的配合比設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，如某Sup20 配合比設(shè)計(jì)中，根據(jù)目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)確定的最佳油石比，本次生產(chǎn)配合比采用最佳油石比為4.3%，分別進(jìn)行了最佳油石比、最佳油石比±0.3%條件下設(shè)計(jì)次數(shù)下的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)（N 設(shè)計(jì)=100）。即采用4.0%、4.3%、4.6%三種油石比進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)，礦料合成表觀(guān)相對(duì)密度為2.766，礦料合成毛體積相對(duì)密度為2.691，礦料合成有效相對(duì)密度為2.741，混合料試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4、表5所示，設(shè)計(jì)級(jí)配如圖1所示。

圖1 混合料設(shè)計(jì)級(jí)配

表3 不同油石比旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表4 最大次數(shù)下體積指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

表5 生產(chǎn)配合比馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，該生產(chǎn)配合比除了旋轉(zhuǎn)壓實(shí)VMA指標(biāo)不滿(mǎn)足現(xiàn)行大于13的標(biāo)準(zhǔn)要求，其它指標(biāo)均滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)范要求。那么究竟應(yīng)該如何調(diào)整才能保證VMA 技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。首先驗(yàn)證礦料密度。因?yàn)樵谟?jì)算VMA 的過(guò)程中，礦料合成毛體積相對(duì)密度是參與公式計(jì)算的，它的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，直接影響級(jí)配選擇和混合料數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性[7]，以往在很多配合比設(shè)計(jì)中也發(fā)現(xiàn)，礦料密度明顯是不符合實(shí)際情況的，很多重要數(shù)據(jù)存在明顯問(wèn)題，直接影響后續(xù)級(jí)配的選擇和數(shù)據(jù)的合理性，這樣是設(shè)計(jì)不出一個(gè)優(yōu)秀的配合比。其次調(diào)整礦料合成級(jí)配，上述生產(chǎn)比例在油石比4.3%的情況下壓實(shí)情況較好，空隙率接近4.0%，對(duì)于Sup20 這種結(jié)構(gòu)就要及時(shí)調(diào)整礦料比例，傳統(tǒng)思維是將礦料級(jí)配調(diào)整成容易壓實(shí)的級(jí)配[8]，而針對(duì)該種情況，要將級(jí)配調(diào)整成難以壓實(shí)的級(jí)配，原4.3%油石比旋轉(zhuǎn)壓實(shí)空隙率將高于4.0%，再不斷上調(diào)瀝青用量，直到合適的瀝青用量下VMA 和空隙率滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求。在調(diào)整級(jí)配的過(guò)程中，可以選擇多個(gè)礦料級(jí)配，直到選擇合適的礦料級(jí)配。這個(gè)級(jí)配調(diào)整是一些初學(xué)者很少?lài)L試的方法，因?yàn)槊糠N級(jí)配都包含著大量的混合料試驗(yàn)，工作量是較大的。

3 應(yīng)用效果

根據(jù)江蘇地區(qū)建成Sup20 道路使用效果的總結(jié)分析，高速公路由于借助多方管理和技術(shù)服務(wù)，對(duì)于Sup20 的使用關(guān)鍵點(diǎn)的控制還是非常精準(zhǔn)，真正用到了該結(jié)構(gòu)的精髓，既有較強(qiáng)的抗車(chē)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(guò)20 年，路面病害依舊非常少，這和過(guò)程中質(zhì)量嚴(yán)格控制是分不開(kāi)的。

地方國(guó)省干線(xiàn)在施工過(guò)程中，技術(shù)指標(biāo)控制沒(méi)有高速那么嚴(yán)格，關(guān)注的重點(diǎn)還是偏向于事后檢測(cè)質(zhì)量的合格率情況，對(duì)于前期配合比設(shè)計(jì)并沒(méi)有開(kāi)展針對(duì)性專(zhuān)題會(huì)議或總結(jié)，大部分施工或管理單位，對(duì)于Sup20 這種結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的把控不是很到位，致使在國(guó)省干線(xiàn)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(gè)現(xiàn)象，也是存在很長(zhǎng)一段時(shí)間的誤區(qū)，就是滲水系數(shù)和外觀(guān)問(wèn)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(zhì)量和外觀(guān)，總認(rèn)為不滲水是好的、外觀(guān)細(xì)一點(diǎn)是好的，這種認(rèn)知是錯(cuò)誤的，這也間接導(dǎo)致了我們施工的Sup20 越來(lái)越細(xì)，甚至有些地方能將Sup20 做成AC20F 型結(jié)構(gòu)，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(yùn)營(yíng)狀態(tài)，反觀(guān)地方國(guó)省干線(xiàn)，好多道路已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的車(chē)轍型病害，這當(dāng)然和國(guó)省干線(xiàn)重載車(chē)輛多、頻繁剎車(chē)剪切密切相關(guān)，拋開(kāi)該種因素，Sup20 結(jié)構(gòu)偏細(xì)、VMA 技術(shù)指標(biāo)不合格有很大的影響。

4 總結(jié)

在Sup20 結(jié)構(gòu)配合比設(shè)計(jì)中，我們?cè)?jīng)走過(guò)很多彎路，對(duì)于指標(biāo)的理解也是由淺入深，一個(gè)優(yōu)秀的配合比設(shè)計(jì)，表面上是控制空隙率，實(shí)則是控制VMA 技術(shù)指標(biāo)，它是混合料設(shè)計(jì)關(guān)鍵性指標(biāo)，該指標(biāo)必須滿(mǎn)足技術(shù)要求才能做好“原汁原味的Sup20”，對(duì)于該種結(jié)構(gòu)“難于壓實(shí)”方能成就長(zhǎng)壽命瀝青路面。希望本文能夠幫助較多的初學(xué)者盡快領(lǐng)悟Sup20 的設(shè)計(jì)精髓，最大程度發(fā)揮該種結(jié)構(gòu)帶來(lái)的優(yōu)秀效果。