沥青路面级配及配合比设计方法

顾徐荣

摘要：广东省许多高速公路交通量特别繁重，从而对路面的要求特别苛刻。因此，在沥青混合料级配设计、配合比设计方法选择上有特殊要求。本文对不同级配类型沥青混合料特点和不同配合比设计方法进行了对比分析，推荐了适合广东地区的沥青混合料合理级配范围，并提出采用GTM设计方法设计沥青混合料。

关键词：道路工程：沥青路面；级配；配合比设计方法

1沥青混合料级配

2001年年底以前，广东省高速公路中、下面层沥青混合料的配比设计，一直按照JTJ032-94规范，根据级配中值线，将混合料设计成悬浮密实式结构。该种混合料的密水性和均匀性良好，但高温稳定性偏低。2001年以前广东省已建成的干余公里高速公路沥青路面，车辙并未成为路面主要病害。2002年夏，京珠高速公路粤境南段通车仅数月，路面产生严重车辙，这将悬浮密实式结构混合料的弱点彻底暴露出来。京珠南产生车辙病害以后，各个在建项目，迫切需要寻求将中、下面层混合料设计成骨架密实式结构的方法，并尝试了多种方案。

第一种方案是直接用Superpave方法设计中、下面层混合料，在开阳高速公路某标段，采用AH-70沥青，油石比4.5%，空隙率4.0%，铺筑的中面层Super20，动稳定度达到1279次/mm；用油石比4.4%，空隙率4.0%铺筑的下面层Super25，动稳定度达到1800次/mm。比之延用到当时的悬浮密实式结构在提高高温稳定性方面取得了一定效果。但根据旋转压实法确定标准密度，需要提高施工辗压水平，从而增加施工投入，在预算不增加的情况下，要求施工单位按Superpave配比进行施工，按旋转压实的标准密度进行压实度验收有现实困难。

第二种方案是按Superpave方法的S型混合料级配曲线，用马歇尔方法进行配比设计。结果证明，对S型曲线完全符合Superpave限制区规定的中、下面层混合料，用马歇尔击实法确定的配比，其空隙率大幅提高，此时若将空隙率控制在4%左右，以满足密水要求，则油石比要大幅提高。例如，开阳高速某标段的Super25下面层，符合限制区规定的S型曲线的混合料，在4%空隙率下（旋转压实法），油石比为4.4%。这个配比的混合料，改用马歇尔击实法，得出在4.4%油石比下，混合料的空隙率为5.6%，这意味着在97%压实度下，现场空隙率达8.6%，处于透水状态。因此，在以马歇尔密度控制施工壓实的情况下，中、下面层混合料的S型曲线，不能完全遵守Superpave限制区的规定。

第三种方案是采用FAC（富油沥青混合料）型混合料，这种混合料是华南理工大学张肖宁教授首先提出来的，主要通过“体积法”进行级配设计和油石比的选用。FAC混合料具有疲劳性能好、密水性高、均匀性好等优点，但施工后的性能好坏尚有待于时间检验

以上三种方案均无法均衡性能与耐久性的关系，为了寻找中、下面层混合料合理的曲线，广东省一些专家从2002年夏开始，先后在开阳B02标段、广惠高速、广梧高速、河龙高速等10多个工地每次铺筑试验段时，都认真分析S型曲线关键段落位置的改变，对路面的密水性、均匀性和粗集料颗粒嵌挤情况的影响。最终按照在保证路面的密水性和均匀性（不离析）满足要求的前提下，尽量减少细集料含量，从面尽量形成嵌挤结构，以提高高温稳定性的原则，确定了所推荐的改进型中、下面层混合料的级配范围，见表1，其中“G”表示“ 改进型”。

将Superpave、FAC及GAC三类混合料特点比较列于表2。

对于Superpave，FAC和GAC三类混合料，依据广东省多条高速公路中下面层沥青混合料动稳定度值，上述三类混合料动稳定度没有必然的高低次序。这一定程度说明，通过强化集料骨架作用而导致增大压实能量的Superpave混合料可能是不尽合理的；另一方面也说明普通沥青混合料动稳定度可由800次mm左右提高至1800次mm左右，即通过优化级配最多能将混合料动稳定度提高约2倍左右。

2 沥青混合料配合比设计方法

纵观各种沥青混合料配合比设计方法，均以一定压实条件下得到最佳沥青用量为核心，其本质在于得到满足使用条件的稳定沥青混合料，即抗车辙性能稳定的混合料；而沥青混合料疲劳寿命的定量分析均无法在各种设计方法中体现。理想的配合比设计方法应建立在以混合料体积指标与混合料路用性能对应关系的基础上，将影响混合料使用性能的因素抽象为各种设计参数，在混合料配合比设计过程中进行定量分析，实现混合料配合比设计真正意义上的突破，亦是基于路面性能设计方法的重要基础。

迄今为止，有两种较有代表性的沥青混合料配合比设计思想。其一是一定级配的混合料在一定的压实条件下，得到最佳体积状态的最佳沥青用量；该设计思想假定混合料体积指标与混合料路用性能建立了对应关系，属于经验性的体积法，如马歇尔设计法和Superpave法。另一沥青混合料配合比设计思想，认为沥青混合料为一定级配集料和胶结料组成的混合料；该设计思想强调压实条件同交通荷载条件的关系，设计荷载为轮胎与路面的最大压强，并由此得到室内试件的压实条件，其典型代表是GTM法。据有关研究表明，集料的密度对混合料体积指标影响甚大，相同级配可能由于集料密度的差异而导致相同沥青用量混合料空隙率差别明显，见表3。

由表3可知，在级配相同及油石比不变的情况下，随着集料密度的增大，混合料空隙率逐渐减小。基于体积指标的设计方法尚无法全面考虑集料密度变化对混合料空隙率造成影响的情况，当前解决上述问题的最佳选择就是采用GTM法设计沥青混合料，从宏观角度把握该问题。

鉴于当前混合料体积指标与混合料路用性能的对应关系仍不明晰，那种把通过实体工程路面体积指标的调查结论奉为设计标准的作法值得商榷。低应力条件下压实的沥青混合料承受高应力条件得到的体积指标与对应高应力条件压实的沥青混合料在同等交通及气候条件的路面体积指标显然是没有可比性的。

当前路面结构性能衰变规律仍不得而知，显然由实体工程路面体积指标作为混合料设计体积指标缺乏必然的逻辑关系，同时由于沥青结合料品种及性能干变万化也使基于体积指标的设计方法陷入尴尬的局面，基于性能的设计方法仍是十分经验性的。

回顾马歇尔设计方法，试件成型击实次数从双面50次增加到75次以适应交通量增加及轴载增重的实际情况，确定的最佳沥青用量也随之减少；由此可知，混合料组成设计方法中试件压实条件均以最大限度模拟实际路面受荷状况为原则，而GTM法正是遵循这一基本原则，仅因其以路面可能承受的最大压强为试件压实条件，可能得到偏保守的稳定混合料；当前宜以模拟实际路面最大荷载条件下室内配合比设计方法，从宏观的角度得到满足使用要求稳定的混合料，即GTM法设计沥青混合料。

对GTM法最大的担忧就是混合料的疲劳寿命可能缩短及抗水损害能力下降。而采用GTM法设计沥青混合料，其空隙率值均较低，因而有利于混合料抗疲劳，可见该法设计的沥青混合料并不必然导致疲劳寿命较低；另外也可从路面结构设计角度出发，通过加强路面整体刚度降低沥青混合料的弯拉应力水平。对于抗水损坏能力下降的忧虑则没有充分的依据，因为出现水损坏的客观条件是混合料空隙率过高处于透水状态、多雨的气候条件、高速重载的交通条件，显然采用该法设计的混合料空隙率均处于不透水状态，水损坏最基本的客观条件不存在；但高温、多雨、重载条件下，采用GTM法设计的磨耗层沥青混合料可能存在出现松散病害的危险，宜在级配优化方面尽量抑制沥青用量的过度减少。基于当前沥青混合料配合比设计方法的研究现状，高速公路沥青路面可考虑采用GTM法进行沥青混合料配合比设计，但因压实功的提高应注意进一步提高集料质量，并总结与设计方法对应的施工工艺。

3 结论

（1）在以马歇尔密度控制施工压实的情况下，混合料的S型曲线，不能完全遵守Superpave限制区的规定；

（2）Superpave、FAC和GAC三类混合料动稳定度没有必然的高低次序；通过强化集料骨架作用而导致增大压实能量的Superpave混合料可能是不尽合理的；

（3）改进型混合料级配經实践检验具有良好的路用性能；

（4）广东省沥青路面设计，推荐采用GTM设计方法。

参考文献：

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