呂為昱 李海明 張英海

0 引言

Superpave設(shè)計方法主要特性是改變了試驗室壓實方法，采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀(SGC)成型試件，可根據(jù)交通水平和行車速度選擇不同的壓實次數(shù)，而且在壓實過程中采用搓揉方式，更逼真地模擬車輛荷載對路面的作用，與實際情況更相符，同時也能測試瀝青混合料的可壓實性，以識別其是否穩(wěn)定。與傳統(tǒng)的馬歇爾設(shè)計方法相比，Superpave瀝青混合料設(shè)計方法更加適用重及超重交通路面的瀝青混合料組成設(shè)計。

1 混合料級配范圍

Superpave混合料級配組成采用了限制區(qū)和禁區(qū)的概念，級配范圍比較寬，設(shè)計單位可根據(jù)材料不同選擇體積指標滿足要求的級配。

在對杭浦高速公路、杭州灣大橋北岸連接線兩條高速公路使用的Superpave路面的級配組成進行了匯總和總結(jié)，由于浙北地區(qū)常用的集料種類和級配比較穩(wěn)定，Sup25，Sup19瀝青混合料組成級配相當接近，也就是說，針對浙北及周邊地區(qū)的集料，瀝青混合料的組成級配相對也是比較固定的。以此為依據(jù)，歸納總結(jié)了Superpave瀝青混合料組成級配范圍，見表1。

表1 Superpave瀝青混合料礦料級配范圍

2 混合料室內(nèi)壓實功

2.1 旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)選擇

我國JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范，對高速公路與一級公路的瀝青混合料設(shè)計，統(tǒng)一采用雙面擊實75次。我國瀝青混合料的馬歇爾設(shè)計方法是效仿學(xué)習(xí)美國馬歇爾設(shè)計方法，但在美國馬歇爾設(shè)計方法中，瀝青混合料擊實次數(shù)是根據(jù)交通量大小而變化。瀝青混合料室內(nèi)設(shè)計壓實功要和路面最終交通量水平相適應(yīng)，對于不同交通量不同的路面，應(yīng)采用不同室內(nèi)壓實功。

在Superpave瀝青混合料設(shè)計中，采用設(shè)計旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)N設(shè)計來區(qū)別不同混合料的壓實功，設(shè)計旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)N設(shè)計是交通水平的函數(shù)，交通水平由設(shè)計ESAL’s表示，N設(shè)計值的范圍見表2。

表2 Superpave旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)

隨著施工機械制造技術(shù)的發(fā)展，高速公路瀝青路面施工機械不斷更新，壓路機的壓實功不斷增加，基本均采用26 t，30 t大噸位膠輪壓路機，以及13 t雙鋼輪振動壓路機，這也對瀝青混合料的設(shè)計提出了新問題，瀝青混合料室內(nèi)壓實功必須和路面施工機械的壓實功相匹配，才能確保瀝青路面的施工質(zhì)量。馬歇爾雙面75次擊實的擊實功小于現(xiàn)今路面的壓實功，與路面施工實際情況不相匹配;采用設(shè)計次數(shù)100次旋轉(zhuǎn)壓實設(shè)計的瀝青路面，與路面實際的壓實功比較匹配，采用合理的碾壓組合，一般要采用大噸位壓路機緊跟碾壓，才能使路面的現(xiàn)場空隙率滿足要求;而采用設(shè)計次數(shù)125次旋轉(zhuǎn)壓實設(shè)計的混合料，室內(nèi)壓實功要明顯大于路面的壓實功，給路面現(xiàn)場碾壓帶來困難。因此，針對目前的路面現(xiàn)場壓實機械，Superpave瀝青路面旋轉(zhuǎn)壓實設(shè)計次數(shù)不要超過100次。

2.2 旋轉(zhuǎn)壓實儀內(nèi)部角

內(nèi)部角測量和標定的裝置主要有Troxler的DAVⅡ+HMS，PINE的RAM，內(nèi)部角測量的過程是模擬瀝青混合料在壓實過程中受到旋轉(zhuǎn)壓實，因此其更加具有代表性。

AASHTO最新的規(guī)程T312-08相關(guān)規(guī)定，內(nèi)部角標定不再采用熱拌瀝青混合料，而采用熱拌瀝青混合料的模擬器，內(nèi)部角范圍為1.16°±0.02°。杭浦高速公路施工過程中，對施工單位的PINE旋轉(zhuǎn)壓實儀進行了內(nèi)部角測量和標定，調(diào)整前后旋轉(zhuǎn)壓實試件密度變化了0.012 g/cm3，空隙率變化了0.5%，由此可見進行旋轉(zhuǎn)壓實儀的內(nèi)部角標定工作是必須的。

3 混合料體積分析

不管設(shè)計方法有何不同，其根本目的都是希望能得到耐久、穩(wěn)定的瀝青混合料。當考慮瀝青混合料的特性時，瀝青膠結(jié)料和集料的體積比例，或簡而言之混合料的體積性質(zhì)是必須重視的因素。

壓實瀝青混合料的體積特性，主要包括空隙率(Va)、礦料間隙率(VMA)、瀝青填隙率(VFA)和有效瀝青用量(Pbe)對混合料的路用性能有一定影響。礦料間隙率(VMA)和空隙率(Va)都是以占瀝青混合料的體積百分率來表示。瀝青填隙率(VFA)是以VMA中由有效瀝青填充的百分率來表示。

由于空隙率、VMA和VFA均以體積量來表示，因此不能夠稱重，而混合料必須首先在體積的基礎(chǔ)上進行設(shè)計或分析。為了應(yīng)用于設(shè)計，這種體積方法可很容易地轉(zhuǎn)換為以質(zhì)量為基礎(chǔ)的配合比設(shè)計。

3.1 瀝青混合料的VMA

礦料間隙率VMA包括空氣空隙和有效瀝青用量所填充的空隙，表示為總體積的百分率。VMA的計算基于集料的毛體積相對密度，以占壓實瀝青混合料毛體積的百分率表示。

影響VMA的因素很多，其中最重要的因素是集料特性，如級配、表面紋理和形狀。混合料VMA也不是越大越好，同濟大學(xué)林繡賢教授提出，當VMA大于最小值1.5%時需做滴漏試驗，而美國專家提出當VMA大于最小值1.5%時需要重新設(shè)計混合料級配。因此，進行混合料設(shè)計，最佳VMA值為大于最小值0.5%～1.5%。

3.2 瀝青混合料的空隙率Va

設(shè)計空隙率Va=4%，并非Superpave法的首創(chuàng)，這實際是前人大量實踐的共識。

由此在浙北地區(qū)Superpave瀝青混合料采用統(tǒng)一設(shè)計空隙率4%，根據(jù)不同交通量采用不同的壓實功，以達到設(shè)計空隙率的要求，是比較科學(xué)和合理的。

3.3 瀝青飽和度VFA

混合料VFA指標是附屬指標，并不重要，可以通過混合料礦料間歇率VMA和空隙率計算而得。原施工技術(shù)規(guī)范中規(guī)定VFA指標為70～85，這個指標范圍偏高，不適用于重載交通條件。Superpave瀝青混合料的體積設(shè)計指標如表3所示。

表3 Superpave混合料體積設(shè)計指標要求

4 混合料配合比設(shè)計

4.1 瀝青混合料目標配合比設(shè)計

Superpave瀝青混合料目標配合比設(shè)計的主要步驟如下:

1)原材料選擇(集料、瀝青膠結(jié)料、改性劑等等)。

原材料選擇是根據(jù)實體工程的交通量及環(huán)境因素進行的，也就是說，瀝青膠結(jié)料的PG分級應(yīng)根據(jù)工程要求而選擇，集料的要求根據(jù)交通量及路面層厚而定。原材料選擇應(yīng)要求它們的性能達到及超過既定標準。

2)選擇混合料級配組成。

選擇設(shè)計集料結(jié)構(gòu)是通過比較一系列試驗混合料的屬性而進行。這一步驟主要通過改變各料堆混合比例，選擇滿足Superpave要求的級配，一般選用三條試驗級配進行試驗。如果一個試驗混合物在合適的設(shè)計瀝青膠結(jié)料含量下的體積性質(zhì)指標滿足要求(標準依據(jù)交通量及環(huán)境而定)，就認為試驗混合物可以接受。一旦選定，該試驗混合物就是設(shè)計集料結(jié)構(gòu)。

3)選擇設(shè)計瀝青膠結(jié)料含量。

選擇設(shè)計瀝青膠結(jié)料含量就是采用設(shè)計集料結(jié)構(gòu)變化瀝青膠結(jié)料含量，使得到混合料的體積和壓實性質(zhì)與混合料標準(依據(jù)交通量及環(huán)境條件而定)相比可以接受。這一步是上一步試驗結(jié)果的驗證，設(shè)計者可以觀察設(shè)計集料結(jié)構(gòu)對瀝青用量的體積及壓實特性敏感性。采用設(shè)計瀝青膠結(jié)料含量的設(shè)計集料結(jié)構(gòu)就是設(shè)計配合比。

4)N最大旋轉(zhuǎn)壓實試驗驗證。

采用設(shè)計的瀝青用量及設(shè)計混合料級配進行N最大下旋轉(zhuǎn)壓實試驗，N最大下的旋轉(zhuǎn)壓實試驗是模擬路面使用末期時路面交通壓實情況，也可部分表征瀝青路面在超載情況下的表現(xiàn)。

5)混合料水敏感性評價。

對設(shè)計瀝青用量及設(shè)計混合料級配的混合料進行水敏感性評價。Superpave混合料水敏感性評價采用AASHTO T283試驗。同時可結(jié)合我國路面施工技術(shù)規(guī)范中要求，對瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗，以驗證瀝青混合料的抗水損害性能，殘留穩(wěn)定度標準為不小于85%。

6)混合料抗高溫和低溫性能評價。

結(jié)合JTG F40-2004的規(guī)定，應(yīng)對設(shè)計完成的瀝青混合料進行抗高溫和低溫性能評價，其中道路石油瀝青混合料的車轍動穩(wěn)定度不小于1000次/mm，改性瀝青混合料車轍動穩(wěn)定度不小于3000次/mm，小梁低溫抗裂試驗的彎曲破壞應(yīng)變不小于2500 με。

4.2 瀝青混合料生產(chǎn)配合比設(shè)計

Superpave瀝青混合料目標配合比設(shè)計完成后，如施工單位采用間歇式拌和樓設(shè)備生產(chǎn)，需要取拌和樓熱料倉集料，進行生產(chǎn)配合比調(diào)試，并對生產(chǎn)配合比進行驗證。

Superpave瀝青混合料生產(chǎn)配合比調(diào)試和驗證的步驟與常規(guī)瀝青混合料類似。

生產(chǎn)配合比驗證包括試拌和試鋪兩階段，試拌工作主要采用生產(chǎn)配合比的級配和設(shè)計瀝青用量，進行拌和樓試拌，并取樣進行旋轉(zhuǎn)壓實試驗和抽提試驗，驗證混合料體積指標和級配組成;試鋪工作是在試拌成功后，進行試鋪段施工，試鋪段段落長度300 m～500 m左右，取試鋪瀝青混合料進行旋轉(zhuǎn)壓實試驗和抽提試驗，驗證瀝青混合料體積指標和級配組成，如滿足要求，生產(chǎn)配合比就確定下來，生產(chǎn)配合比的級配組成和油石比作為大規(guī)模生產(chǎn)質(zhì)量控制的標準。

5 結(jié)語

本文主要針對Superpave瀝青混合料組成設(shè)計中一系列問題進行研究探討，明確了Superpave瀝青混合料的級配組成，總結(jié)了Superpave瀝青混合料的室內(nèi)擊實功，分析匯總了Superpave瀝青混合料體積指標中幾個關(guān)鍵體積指標，結(jié)合浙北地區(qū)的實際情況，確定了Superpave瀝青混合料配合比設(shè)計流程。

[1]浙北地區(qū)Superpave瀝青路面施工技術(shù)指南[Z].2008.

[2]賈 渝.Superpave瀝青膠結(jié)料性能等級選擇[J].中外公路，2005(5):32-35.

[3]林繡賢.論HMA的設(shè)計空隙率和礦料最小間隙率[J].上海公路，2004(21):38-41.

[4]周進川.Superpave與我國瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[J].中國公路建設(shè)市場，2004(11):85-87.

[5]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[6]JTG D50-2006，公路瀝青路面設(shè)計技術(shù)規(guī)范[S].