山区高速公路AC-20 沥青混合料配合比设计优化研究

郎进

摘要：为优化山区高速公路沥青混合料配合比设计，文章以AC-20混合料配合比设计为依托，通过对山区气候特点及沥青路面应用场合的分析，提出山区高速公路沥青路面的主要路用性能要求，并采用贝雷法反算提出了山区高速公路矿料级配控制范围，同时对沥青混合料体积指标、高温稳定性、水稳定性、渗水系数等技术指标进行了优化研究。经过实体工程验证，该优化的AC-20沥青混合料技术指标满足设计要求。

关键词：沥青混合料;体积指标;水稳定性;高温稳定性

0 引言

沥青混合料性能是关系到沥青路面使用寿命及服务水平的直接因素。沥青混合料设计过程中，需要考虑高温、低温稳定性、水稳定性、耐久性及施工和易性等多个性能[1-3]。各个性能之间的实现存在一定的矛盾性，但已有的工程应用中多参照国家相关规范，千篇一律地采用相似的设计方法进行沥青混合料设计，往往造成所设计的沥青混合料性能顾此失彼，或者其性能与本地区气候环境不符。如何实现沥青混合料各方面性能的平衡和协调，提高沥青混合料对本地区环境的适应性，成为沥青路面质量管理过程的重中之重[4-5]。

本文以我国西南某省为研究对象。在该省已通车的沥青路面工程中，水损害、局部推移及车辙病害较为突出，沥青路面抗老化、耐疲劳性能略低造成的路面早期发白及反射裂缝过早出现的病害也较为普遍。造成这些问题的原因较多，但沥青混合料设计过程未针对该省山区气候特点进行混合料专项技术指标的优化是重要原因之一[6-8]。为提高山区高速公路沥青路面混合料设计指标体系的科学性、合理性，本文结合依托省份气候特点，以中面层AC-20沥青混合料为例，对施工过程沥青混合料技术指标进行研究，为制定山区高速公路合理的沥青混合料指标体系提供参考。

1 山区地区环境特点

1.1 沥青路面使用性能气候分区

根据我国沥青路面使用性能气候分区标准，依托省按设计雨量分区指标而言，全部属于年降雨量为1 000 mm以上的潮湿区;按低温分区指标而言，全部属于极端最低温度>-9 ℃的冬温区;按高温分区指标而言，其存在夏炎热区（最热月平均最高气温>30 ℃）及夏热区（最热月平均最高气温为20 ℃～30 ℃）两个高温分区。该地区沥青路面使用性能分区主要分为1-4-1夏炎热冬温潮湿区及2-4-1夏热冬温潮湿区。山区高速公路AC-20沥青混合料配合比设计优化研究/郎 进[=JP2] 由于气候分区分界线基本位于该省中部，同时由于该地区地形复杂、海拔变化较大，局部地区气候可能与整体气候分区有所不同，因此该地区沥青路面设计及指标体系制定过程中应充分考虑气候分区特点。根据气候条件分析，该地区沥青路面主要对水稳定性和高温稳定性的要求较高，对低温性能要求相对略低。因此，混合料设计及指标制定过程中应加强对水稳定性及高温稳定性指标的确定。

1.2 使用条件

该地区高等级公路桥隧比较高，部分项目桥隧比高达70%以上，较高比例的桥隧比使得水泥混凝土桥面铺装及结构物间小段落复合式路面比例增加。根据路面结构力学计算，由于桥面及水泥混凝土面板与沥青面层模量相差较大，其上铺装的沥青路面层在车辆荷载作用下，混合料内部剪应力大大高于常规沥青路面，沥青面层也更容易发生内部材料流动变形而形成车辙。

另外，该地区地势地形变化较大，长大纵坡段落较多。长上纵坡段落的沥青路面在行车荷载低速碾压作用下，容易发生沥青路面的蠕变变形及层间推移;长下坡段落的沥青路面容易发生层间推移，同时容易在货车刹车洒水作用下经常保持饱水状态而发生水损害。

因此，考虑到桥面铺装、复合式路面及长大纵坡段落较多，沥青混合料设计过程应根据工程特点进行混合料抗车辙变形能力控制及水稳定性设计优化。

2 AC-20配合比设计要求

2.1 级配类型

级配是影响沥青混合料性能的关键因素。该地区中面层具有抵抗高温变形及封水的双重作用，同时，沥青混合料应具有较好的抗离析及施工均匀性。级配确定过程中需要根据常用的级配曲线进行优化，并采用贝雷法进行级配验证，以保证级配嵌挤良好及施工均匀。

贝雷法是基于各级嵌挤密实理论而来的，其对提高沥青混合料嵌挤效果，保证混合料施工均匀性具有重要作用。根据贝雷法粗细集料嵌挤填充理论，AC-20主要影响筛孔为9.5 mm、4.75 mm、1.18 mm及0.6 mm。选取贝雷法关键参数CA值在0.4～0.6，FAc值在0.4～0.55，FAf值在0.45～0.55，以选取常用的4.75 mm筛孔通过率，进行CA值范围内9.5 mm筛孔通过率的反算，计算结果如表1所示。

经计算，4.75 mm筛孔通过率在常用的32%～37%时，9.5 mm筛孔通过率在51%～60%内。同理，可得出1.18 mm、0.6 mm筛孔通过率。根据上述计算结果，并结合工程经验及已有工程应用情况，该地区AC-20沥青混合料推荐级配范围如表2所示。

2.2 油石比

適度的沥青薄膜厚度、合理的粉胶比是保证沥青混合料水稳性能及耐疲劳性的主要影响因素。一般而言，沥青薄膜厚度宜在6～8 μm，根据前文推荐的级配范围及该地区石灰岩密度，反算出在不同沥青薄膜厚度下最低的沥青用量（如表3所示）。

结合对该地区相似级配及相似材料下油石比的统计分析，得出该地区高等级公路AC-20型沥青混合料油石比应≥4.2%。该油石比对应的沥青薄膜厚度为7.3 μm，属于中等偏上的沥青富余量，对提高混合料水稳性能具有一定的作用。

3 马歇尔试验技术指标

3.1 试验方法及标准试验条件确定

马歇尔试件的技术指标受试验条件的影响较大，在制定指标时首先应对试验条件进行统一的要求才能保证该地区各个项目对指标应用的一致性。

改性沥青AC-20沥青混合料马歇尔成型试件时，矿料加热温度控制在170 ℃～175 ℃，沥青混合料拌和温度控制在160 ℃～170 ℃，试件击实成型温度在160 ℃～165 ℃。试件采用小型沥青混合料拌和机逐个拌和，每组试件不少于6个，最大限度地减少试验过程的误差影响。

3.2 体积指标及参数

目前，我国评价沥青混合料体积指标的主要指标有空隙率（VV）、矿料间隙率（VMA）、沥青饱和度（VFA）、粉胶比（FB）、沥青薄膜有效厚度（DA）等。这些混合料的体积指标参数分别从不同角度描述了混合料的体积状态。

3.2.1 空隙率

空隙率指标描述了混合料的密实封水性。考虑到该地区沥青面层密水的需要，对夏炎热区适当降低最大空隙率范围指标，将规范规定的6.0%的空隙率上限调整为5.5%;对夏热区适当提高混合料最小空隙率范围指标，以保证混合料变形空间，将最低空隙率由3.0%调整为3.5%。同时，实际设计的混合料目标级配宜控制在3.8%～4.5%。

3.2.2 矿料间隙率

矿料间隙率反映混合料中矿料之外的沥青与空隙率的空间，因此规定了下限值。混合料设计目标级配宜控制在3.8%～4.5%的某个值，相应的矿料间隙率最小值也在12.8%～13.5%的某个值。同时，该指标也反映出矿料级配的嵌挤程度，因此矿料间隙率不能高于下限值过多，规定为不高于下限值2%。

3.2.3 沥青饱和度及粉胶比

沥青饱和度及粉胶比指标描述了沥青与矿料的相互关系。提高沥青饱和度，有利于改善瀝青混合料的密实性及耐久性，但饱和度也不能过高，过高可能存在行车作用下泛油及蠕变变形的风险。粉胶比描述了沥青混合料沥青与石粉的比例关系，反映了沥青胶浆的稳定程度及其与石料的粘结程度，是沥青混合料水稳定性、耐久性及高温稳定性的一项控制指标。该地区沥青混合料普遍存在粉胶比过大的情况，部分项目粉胶比可达1.4，存在一定的沥青用量不足的问题。此次指标修订根据沥青用量计算并参考美国等相关试验结论，采用0.8～1.2的控制标准。

3.3 马歇尔稳定度及流值

马歇尔稳定度及流值是采用马歇尔设计方法的基本指标，其反映了沥青混合料力学强度特性及流动变形能力。该地区相关技术标准仍参照中国相关规范执行。

3.4 技术指标

结合马歇尔试件体积指标及马歇尔混合料试验指标，综合该地区AC-20沥青混合料马歇尔试件技术指标如表4所示。

4 混合料路用性能指标

4.1 高温性能指标

车辙试验指标不仅能反映出沥青混合料抗高温变形能力，同时能够较为直接地反映混合料设计过程中级配、原材料等的质量问题。根据对该地区AC-20沥青混合料试验结果的统计，参照相邻省份沥青混合料车辙试验指标，提出AC-20沥青混合料车辙控制指标为3 000次/mm。

4.2 水稳性能指标

沥青混合料水稳定性是该地区的重点，通过对级配及油石比等指标的控制，沥青混合料的水稳定性得到一定程度的提高。因此，在技术可行的情况下，该地区残留稳定度提高为90%，冻融劈裂强度比提高为85%。

4.3 渗水系数指标

渗水系数是反映混合料级配密实及沥青用量的直接性指标，同时能够反映混合料内部嵌挤程度，因此，室内进行混合料设计时应进行渗水系数验证，该地区AC-20室内渗水系数提高为100 mm/min。

5 工程应用效果验证

5.1 混合料试验指标

参照本文制定的沥青混合料技术指标对实体项目进行现场混合料设计，其级配如表5所示，油石比为4.3。经马歇尔试验，各项指标满足本文提出的指标要求（如表6所示），即空隙率为3.9%、矿料间隙率>13%的要求。设计油石比为4.3%，沥青薄膜厚度为7.5 μm，粉胶比为1.13。混合料动稳定度试验结果为5 618次/mm，残留稳定度为93%，冻融劈裂强度比为88.5%，表明混合料设计性能良好。

5.2 现场效果

现场取芯效果表明：芯样均匀、密实，骨架嵌挤效果良好，无明显离析（如图1所示）。现场压实度以最大理论密度计算，基本控制在94.5%～95.5%，芯样空隙率为4.5%～5.5%，与室内设计相符性较好。

6 结语

（1）山区降雨量大，部分地区夏季温度较高，高等级公路桥隧比及长大纵坡路段较多，沥青路面对水稳定性和高温稳定性的要求较高，混合料设计及指标制定过程中应确定好水稳定性及高温稳定性指标。

（2）AC-20混合料级配采用骨架密实型级配，在贝雷法计算的基础上提出了该地区AC-20控制级配范围。通过沥青薄膜预估，该地区高等级公路AC-20型沥青混合料油石比≥4.2%。

（3）结合山区已有沥青混合料设计指标及地区沥青混合料设计要求，对空隙率、矿料间隙率、粉胶比等指标进行了优化提高。

（4）考虑到该地区气候条件要求，将动稳定度指标提高为3 000次/mm，该地区残留稳定度提高为90%，冻融劈裂强度比提高为85%。

（5）根据指标优化的混合料均能满足设计要求，现场铺筑效果良好，芯样密实、均匀、嵌挤效果良好。

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