SBS改性沥青混合料最佳油石比优化试验研究

范 泽

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710000）

沥青混凝土结构是公路交通常见路面材料类型，具有强度高、整体性好、适应性强的特点，被广泛应用于各种高等级公路建设中。随着公路交通量的快速增加，车辆行驶需求的提高对沥青路面性能提出了更高的要求。早期的沥青混凝土路面受制于技术水平及材料工艺限制，已不能满足当前公路交通高流量、大荷载的需求，尤其是对高等级公路，急需改善沥青混凝土的综合性能，延长路面材料使用寿命[1]。

沥青混凝土由一定级配的矿料、碎石和沥青拌和而成，混合料中沥青与矿料质量比称之为油石比，是沥青混合料制备的主要参数，工程实践中需通过路面材料试验获得混合料的最佳油石比，从而使沥青性能达到最优[2]。最佳油石比变化范围较为稳定，一般在3.5%～5.5%范围内，尽管沥青用量占比较小，但油石比的变化对沥青的用量、密度、稳定度及孔隙率等均有明显影响。因此，本文结合工程实际，针对SBS改性沥青，以优化最佳油石比计算方法为出发点，开展沥青混凝土配合比的优化试验研究。

1 项目背景

1.1 道路信息

本文以某地区高等级公路为背景，该路线为国家高速公路网重点建设项目。公路交通等级为六车道高速公路，主要技术指标见表1。路面目标指标可靠度指标根据《公路工程结构可靠度设计统一标准》[3]和《公路沥青路面设计规范》[4]综合确定为1.65。

表1 高速公路主要参数Table1 Main parameters of expressway

路面结构参数受交通荷载影响，不同车流下路面疲劳寿命具有显著差异。结合地区交通荷载监测数据确定大型客货车交通量及增长率见表2。对不同层路面结构进行反复验算，最终确定路面沥青混凝土结构厚度为：4cm细粒式改性沥青玛蹄脂SMA-13上面层+6cm中粒式SBS改性沥青混凝土AC-20C中面层+8cm沥青混凝土AC-25下面层。

表2 路面验算参数Table 2 Pavement checking parameters

1.2 路面材料特性

经路面结构设计验算确定沥青混凝土上面层和中面层采用SBS改性沥青混凝土，其基质沥青采用道路A级石油沥青70号，性能检测指标见表3。经检测，该改性沥青针入度、延度、软化点等均符合设计技术要求。

表3 石油沥青及SBS改性沥青混凝土性能指标Table 3 Performance index of petroleum asphalt and SBS modifi ed asphalt concrete

矿料采用石灰岩碎石粗集料及机制砂细集料，对各矿料的技术指标进行检测，结果见表4，可知矿料的特性满足指标要求。

表4 矿料指标检测结果Table 4 Mineral index test results

2 沥青混合料油石比设计

2.1 马歇尔试验设计法介绍

沥青混合料最佳油石比确定的常用方法有马歇尔试验法、Super pave法、GTM法和力学指标法。其中，马歇尔试验法和Super pave法凭借对沥青性能的全面考虑及良好的实践效果被广泛采用[5-6]。这两种方法本质基本相同，在最佳油石比确定过程中均侧重于根据体积指标确定，区别在于试件成型方法不同。马歇尔试验法通过在标准环境下击实成型马歇尔试件，绘制油石比与沥青混合料关键指标的关系曲线并确定最佳油石比，具体步骤如下：

(1) 在标准的温度和湿度条件下，用马歇尔击实仪成型试件，测定不同油石比下的试件毛体积密度、有效沥青饱和度、矿料间隙率、流值、空隙率及稳定度；

(2) 绘制不同指标与油石比关系曲线，确定满足指标要求的油石比范围；

(3) 综合考虑各性能指标确定最佳油石比。

2.2 马歇尔试验结果

本项目所采用的设计方法为马歇尔试验法，级配曲线采用AC-20C改性沥青混凝土配合比，基于马歇尔试验对AC-20C改性沥青混凝土目标配合比进行试验设计，试验油石比范围为3.5～5.5，检测不同油石比对应的混合料毛体积相对密度、有效沥青饱和度、矿料间隙率、流值、空隙率及稳定度，试验结果如图1～图6所示，表5则给出了依据检测结果得到的各指标极值分布状况。根据检测结果可知，毛体积相对密度、矿料间隙率、稳定度曲线均出现了极值，而其余指标则为单调变化，极值出现在曲线两端。

图1 毛体积相对密度 Fig.1 Relative density of gross volume

图2 有效沥青饱和度 Fig.2 Eff ective asphalt saturation

图3 矿料间隙率 Fig.3 Mineral clearance ratio

图4 流值Fig.4 Flow value

图5 空隙率 Fig.5 Void fraction

图6 稳定度Fig.6 Stability

表5 沥青混合料马歇尔试验结果Table 5 Marshall test results for asphalt mixtures

3 最佳油石比优化

3.1 最佳油石比确定方法

沥青混凝料的性能对稳定度和流值有相应标准要求, 但早期受制于仪器设备限值，在最佳油石比计算中不考虑流值指标影响。因此依据规范JTG F40-2004，传统的最佳沥青用量根据式（1）计算[7]。

式(1)中，a1、a2、a3、a4分别为稳定度最大值、密度最大值、空隙率中值、饱和度中值对应的油石比；OACmin和OACmax为符合全部沥青混合料技术标准的油石比最小值和最大值。

流值是指进行马歇尔稳定度试验时沥青混合料试件受压达到破坏点时的垂直变形量，是沥青性能的重要指标。马歇尔试验结果中包含了稳定度、流值、密度、空隙率、饱和度指标与油石比的关系，但在公式1计算当中，对流值并未考虑。随着试验设备及检测技术的进步，为在现有检测技术基础上充分考虑沥青混合料各指标性能，本文将沥青混合料流值引入最佳油石比计算。规范对流值指标范围作出了明确规定，应在1.5～4.5范围内，流值过大或过小均不利于混合料的性能，因此将沥青流值中值对应的油石比引入最佳油石比计算，可得到式（2）。

OAC3=(a1+a2+a3+a4+a5)/5 （2）从而得到OCA的计算公式（3）。

式（3）中，a1、a2、a3、a4、a5分别为稳定度最大值、密度最大值、目标空隙率中值、饱和度范围中值、沥青流值中值对应的油石比，当密度或稳定度未出最大值时, 可采用空隙率中值4.7%对应的油石比作为OAC1；OACmin和OACmax为符合全部沥青混合料技术标准 (除VMA) 的油石比最小值和最大值。

按照公式（1）和公式（3）计算得到最佳油石比分别为4.369和4.379。表6给出了两种油石比下沥青混合料关键指标理论值对比结果，可以看到引入流值指标后沥青关键性能均好于基于传统方法所得的最佳油石比。毛体积相对密度、矿料间隙率和稳定度理论值基本无变化，但空隙率、有效沥青饱和度和流值变化较为明显。与公式（1）确定的油石比相比，空隙率、有效沥青饱和度和流值更接近目标值，即指标的中值，可认为所提出的油石比计算公式（3）可更好地利用马歇尔试验结果。

表6 沥青混合料指标理论值Table 6 Theoretical value of asphalt mixture index

3.2 马歇尔试验验证

对最佳油石比下的沥青混合料进行马歇尔试验，试验结果见表7。

表7 沥青混合料性能指标对比Table 7 Comparison of performance indexes of asphalt mixture

由表7结果可知，采用公式（3）计算油石比所得混合料的试验值变化规律与理论值基本一致，各指标均符合规范技术要求。具体数值方面，毛体积相对密度、矿料间隙率及稳定度变化微小，变化率在试验误差范围内，可认为对混合料综合性能影响不显著，而空隙率、有效沥青饱和度和流值变化则有较为明显的改善。因此，基于此所确定的最佳油石比下沥青混合料的综合性能更佳。

4 结论

(1)给出了考虑沥青混合料流值特性的最佳油石比计算方法，并通过马歇尔试验进行了验证，对比传统方法与本文方法所得最佳油石比下沥青混合料关键指标理论值，证明引入流值指标后沥青关键性能均有所改善。

(2)对最佳油石比下混合料的技术指标进行马歇尔试验, 试验结果与采用公式（3）计算最佳油石比所对应的理论值变化规律基本一致，各指标均符合规范技术要求。

(3) 马歇尔试验结果显示毛体积相对密度、矿料间隙率及稳定度变化较小，可认为对混合料综合性能影响不显著，而空隙率、有效沥青饱和度和流值变化则得到较为明显的改善，基于所提出方法确定的最佳油石比下沥青混合料的综合性能更佳。