新疆沙漠地区路面沥青混凝土配合比设计研究

陈永胜

（中交四航局第一工程有限公司，广东 广州 510000）

1 工程概况

新疆沙漠地区某公路项目穿越塔克拉玛干沙漠东部边缘，现场施工条件恶劣，夏、冬两季的温度极端，夏季高温达43.6℃，冬季极端低温达-30.9℃，不利于道路建设工作的顺利开展。路面以沥青混凝土为材料施工成型，但施工所在区域的沥青碎石地材有限，为突破材料对施工造成的限制性作用，局部路段将加工后的片麻岩作为集料使用。从材料性质分析，片麻岩呈酸性，内含丰富的SiO2，其在与沥青接触后难以形成稳定的黏附关系，随时间的延长易出现严重的水损害问题。因此，在沥青混凝土配合比设计中，如何增强集料与沥青的黏附性成为重点研究内容之一。

2 沥青混合料配合比设计的流程

（1）充分考虑高温抗车辙、低温抗裂两个方面的要求，以免沥青混合料无法正常使用。

（2）严格控制4.75mm 和2.36mm 通过率，基本要求是上下限差值稳定在12%以内。

（3）目标配合比设计阶段，选取3 组粗细不同的配合比，分别组织试验，确定各组混合料的各项性能指标，经过对比分析后，判断各自是否在设计要求的范围内[1]。

（4）根据沥青混合料的公称粒径灵活控制粉胶比，保证各项指标均具有合理性[2]。以AC-25C 沥青混合料为例，当此类材料的公称粒径为26.5mm 时，粉胶比以1.2～1.6为宜。

（5）除前述外，设计中还需考虑沥青膜的有效厚度，该值应在5μm以上。

3 公路沥青混凝土路面配合比设计性能重点

强度、刚度、稳定性以及平整度是公路沥青混凝土路面设计需要重要考虑的内容，只有保证沥青混凝土路面性能良好，才能有效提升公路路面的施工质量，减少路面的损坏概率，提升高速行车的安全性。在沥青混凝土路面设计时，应加强对强度和刚度性能的设计，采用级配适当的结构层材料和路基填料，模拟行车荷载，防止路面出现大的沉降和变形，避免沥青路面出现开裂、沉陷等不良病害。

同时，加强对稳定性和耐久性的设计，确保采用的路面结构层材料和路基填料能够承受温度、湿度等外力因素的作用。在高速公路设计年限范围内保持稳定，耐久使用。最后，关注对路面平整度的设计，路面的平整度与高速公路的行车感受密切相关，并且会对路面的使用寿命产生影响。影响路面平整度的因素较为复杂，受到路面结构层材料和路基填料等施工材料的影响，也受到道路施工与后期维护养护因素的影响。在设计高速公路平整度时，设计人员应充分考虑行车需要，保证路面具有一定的粗糙度，以满足不同天气下车辆的行车需要，提升行车的流畅与安全性。

3.1 底基层

（1）以灰剂量2%的标准，采用不少于5 种方案配置混合料，并对配置好的混合料的最佳含水量与最大干密度进行检验，确定最佳配比方案。

实验采用CuNi2Si材料,其具体化学成分如表1所示。本文实验采用两种热处理工艺，一种是含有预冷变形处理的热处理工艺，具体热处理工艺为：850℃固溶处理+预冷变形处理+时效处理400℃保温2h，室温空冷，该材料加工的试样称为预冷变形试样，简称PCW(Pre-cold worked)试样；另一种是不含预冷变形的热处理工艺，具体热处理工艺为： 850℃固溶处理+时效处理400℃保温2h，室温空冷，该材料加工的试样称为非预冷变形试样，简称Un-PCW试样。

（2）严格执行95%压实标准，开展试件检验，以6 个试件为一组，配置5 组以上的试件组，施作“保湿养护（6d）+浸水（1d）”养护方案，测量试件组的结构性能，计算每一组的无侧限抗压强度，确定抗压强度高、灰剂量也符合标准的混凝土配比方案，将其作为备选方案。值得注意的是，应根据不同的材料调整无侧限抗压强度计算数值。如果计算石灰土和水泥石灰的稳定性，计算数值应为0.8MPa；如果计算二灰土，计算数值应调整为0.5MPa。

3.2 基层

相较于底基层配比方案的设计，路面基层的混合料配比方案更加复杂。

（1）配比人员应对采购的材料实施筛选，并确定级配和绘制级配曲线。

（2）根据绘制好的级配曲线做好级配合成，先大致确定各类原材料的剂量，再做细微调整。

（3）以灰剂量2%的标准，采用不少于5 种方案配置混合料，并对配置好的混合料的最佳含水量与最大干密度进行检验，确定最佳配比方案。

（4）严格执行95%压实标准，开展试件检验，以9个试件为一小组，配置5组以上的试件组，实施浸水7d养护方案，测量试件组的结构性能，计算每一小组的无侧限抗压强度，确定抗压强度高，灰剂量也符合标准的混凝土配比方案，将其作为备选方案。值得注意的是，应根据不同的材料调整无侧限抗压强度计算数值。如果计算水泥碎石的稳定性，计算数值应为3～4MPa；如果计算二灰碎石，计算数值应调整为0.8MPa。

4 各类原材料的选择

各类原材料包括沥青、粗集料、细集料、填料和抗剥落剂。

（1）沥青。南疆沥青的特点在于高沥青质含量，在此条件下衍生出软化点高、针入度及延度低的工程特性，选用此类材料时以轻度改性的方法进行处理。例如掺入芳烃类物质，起到降低软化点、提高针入度及延度的作用。但此方法也存在局限之处，即老化质量异常增加。相比之下，中国石油克拉玛依石化公司的90号A级石油沥青具有更为突出的性能优势。体现在质量可靠、性能稳定等方面，并且已经在塔里木沙漠公路等类似环境的工程中取得应用。因此，将其作为本次施工中的沥青材料。

（2）粗集料。源自项目附近碎石场，要求表面粗糙、洁净、干燥。按规范取样检测，实测结果显示该类材料质量达标，满足工程对粗集料提出的质量要求。

（3）细集料。源自项目附近碎石场，要求洁净、干燥。按照规范取样检测，实测结果显示该类材料质量达标，满足工程对细集料提出的质量要求。

（4）填料。源自项目附近自建矿粉生产厂，以石灰岩石料为基础材料，经过磨细处理后制得。按照规范取样检测，实测结果显示该类材料质量达标，满足工程对填料提出的质量要求。

（5）抗剥落剂。选用LX-6525 沥青抗剥落剂，以改变沥青和石料的化学结构为主要应用方向，以达到提升抗剥落性能的效果。将该类抗剥落剂应用于沥青路面施工中，有效缓解路面水损病害。取用方面，按照沥青质量的0.3%掺入，搅拌处理2h，然后依次对沥青进行老化试验、黏附性试验。实测结果显示，沥青对碎石的黏附性达5级，满足要求。

5 沥青混凝土配合比设计

5.1 初步确定目标级配

考虑偏粗、中线、偏细3 条级配曲线，要求关键筛孔通过率达标，即控制在40%以内。

5.2 偏粗级配目标配合比设计

（1）马歇尔试验。根据沥青黏温曲线展开分析，确定各阶段的温度控制要求，拌和阶段为151～157℃，摊铺为142～146℃，由此组织马歇尔试验，以空隙率、间隙率、饱和度等为项目指标，确定具体的试验结果，马歇尔试验结果汇总见表1。

表1 马歇尔试验结果汇总

（2）最佳油石比确定。以马歇尔试验结果为准，进一步确定合适的油石比，最佳油石比最终确定为3.7%。

（3）最佳油石比试验结果。试验发现，最佳油石比为3.7%。在此基础上，继续组织试验，考虑在不同油石比条件下的试验数据，不同油石比AC-25C 目标配合比试验数据见表2。

表2 不同油石比AC-25C目标配合比试验数据表

5.3 目标配合比的选择

根据气候检测报告的显示，项目所在地四季气候变化明显，多极端天气。因此，在确定配比时选择温度稳定性较高的配比方案，以应对高温与低温气候的影响，保证沥青路面的耐久性与稳定性。试验结果显示，中间曲线对应的数据较为适宜，因此选取该曲线的矿料比例，即：10～25mm∶10～20mm∶5～10mm∶3～5mm∶0～3mm∶矿粉=18%∶29%∶20%∶7%∶23%∶3%，将该结果作为最终目标配合比。

目标配合比的设计是施工的前提，应根据规范要求选择级配恰当的矿物原料，并保证配置的混合料性能稳定，强度、刚度均满足施工要求。基于此，本项目共设计了不同油石比的6 组试件，每一试件的间隔为0.5%，分别开展马歇尔稳定度、孔隙率、最佳沥青用量OAC试验，并评估试验结果，灵活根据试验结果调整用料与配比方案，直至确定目标配合比。

衡量目标配合比的重要指标是混合料空隙率和稳定度，这两个指标反映出的问题存在一定差异。其中，混合料空隙率能够快速反映沥青路面是否存在病害，是反映沥青路面泛油、松散、裂纹等不良病害的主要指标。矿料间隙率能够直接反映沥青路面的稳定度，对沥青混合料的设计与生产具有积极意义。因此，应对混合料空隙率和稳定度的关系进行详细分析，并分析两者表现的多种状态，制定针对性的处治措施。

（1）空隙率低、稳定度低。面对此问题，主要的处治方法有：①根据沥青混合料的实际情况，在设计要求允许范围内提高矿料的级配，适量增加粗集料的数量；②若发现沥青混合料油石比超出正常范围，应根据矿料的吸收情况调整油石比，进而提升矿料的间隙；③更换骨料，调整集料比例，同时增加粗集料和减少细集料，以提高混合料的空隙率，保证稳定度达到设计要求。

（2）空隙率低，稳定度能满足要求。这种沥青混合料的状态极易导致路面泛油和拥包病害，主要的处治方法有：①调整矿料级配方案，适量添加粗集料和减少细集料；②若方案①实施无效，可辅助调整沥青混合料的油石比，以提升矿料的空隙率。

（3）空隙率满足要求，稳定度低。造成该问题的主要原因是矿料的质量不达标，主要的处治方法有：①更换矿料，重新测算空隙率与稳定性；②加入浓稠度较高的沥青原料，调整原混合料状态，改善空隙率与稳定度。

（4）空隙率偏大，稳定度满足要求。该情况会使沥青路面的渗透性过高，沥青性能受到渗透的雨水和空气的影响而衰退，大幅降低沥青路面的使用年限。主要的处治方法有：加入适当细矿粉，改善混合料空隙，提升沥青路面结构的耐久性。

（5）空隙率高，稳定度低。对该问题的处治方法有：①增加沥青比例；②若方案①失灵，则重新进行目标配比试验，确定符合施工需求的配比方案。

5.4 抗剥落剂的检测

掺加一种抗剥落剂能使沥青黏附性能达到5 级，但并不能完全说明水稳定性好，还需根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20－2011）采用目标配合比级配，对掺加与未掺加抗剥落剂的沥青混合料均制作马歇尔试件，进行试验检测。试验数据表明：经长期老化后的掺抗剥落剂沥青混合料，水稳定性、高温性能及低温性能均有显著效果。

6 沥青混凝土路面配合比的应用

6.1 施工准备

（1）验证生产配合比。经过试验与分析后，确定生产配合比。但在正式施工前依然需要进行验证，判断在该配合比下混合料的性能表现；此外，检验施工方案，重点考虑的是拌和、运输、摊铺、碾压等各阶段施工方法的可行性以及彼此间的协调效果。在判断沥青路面质量时，综合考虑平整度、压实度等关键指标，确保投入使用的生产配合比具有合理性[3]。

（2）加强对施工物资的检查。原材料方面，沥青、集料等各类材料均应满足要求，经过检验后，任何不达标的材料均不能使用，否则易由于原材料质量缺陷而影响混合料的工程性能。检查摊铺机、压路机等机械设备的性能，例如运行稳定性、计量精度均要满足要求[4]。

6.2 试铺

正式施工前，选取具有代表性的路段试铺，以实地检验的方法检验施工方案的可行性，及时识别不足之处并做出调整。实验段长度100～200mm，试铺作业严格依据方案有序推进，加强检测与记录，根据实测数据客观分析施工效果。若无误方可进入大面积施工环节，否则需要调整，直至试铺效果达到要求为止。

6.3 正式施工

正式施工中，沥青混合料的拌和、装料及运输、摊铺、碾压均是重要环节，各岗位工作人员应密切沟通，建立层序分明的施工模式[5]，并注重对接缝部位的处理，以免因接缝过于薄弱而影响路面质量。施工期间加强对摊铺速度、摊铺厚度、碾压遍数等参数的检测与控制，若存在问题应及时查明成因，施以正确的方法进行处理，最终建设质量达标的沥青混凝土路面。

7 结语

目标配合比设计是公路路面施工中尤为关键的一项工作，材料类型的选择、矿料及配比的计算、配合比的确定均是重点内容。计算时，为尽可能使试配结果趋于级配范围，有必要确定最佳沥青含量的范围，设计出多种油石比，经过配置后得到多组材料试件，再继续组织试验，得到合适的结果，以满足工程施工要求。