基于性能平衡原则的岩沥青混合料设计

董英运，潘艳珠，王振忠，曾卫平

(1.佛山市公路工程质量检测有限责任公司，广东 佛山 528313；2.广东交通职业技术学院，广州 510630)

0 概述

截至2020年底，广东省通车公路总里程已达22.4万km[1]，其中大部分为国省公路和农村公路。低成本养护，是道路行业面临的一个重要挑战。另一方面，厚度小于等于4cm的沥青薄加铺层是公路沥青路面预防性养护和功能恢复的主要手段。不同于新建道路的沥青面层，由于已有旧沥青路面存在裂缝，因此要求沥青加铺层混合料不仅能够抵抗车辙，而且应具备抗裂的能力，抵抗反射裂缝。

Mark Blow[2]解释了沥青混合料平衡设计理念提出的背景，认为自Superpave提出以来，沥青混合料设计取得了长足进步，同时也由于广泛使用改性沥青，沥青路面的车辙问题已经不具备普遍性，而裂缝的问题依然没有解决，用于长寿命路面的沥青混合料设计必须同时考虑车辙和裂缝问题。Fujie Zhou[3]等开发了一种兼顾车辙和反射裂缝要求的沥青加铺层设计方法,该研究采用汉堡车辙仪( Hamburg Wheel Tracking Test，HWTT)和加铺层检测仪(Overlay Tester，OT)分别评价了不同沥青混合料的抗车辙和抗裂性能,结果表明，按Superpave方法设计的密级配沥青混合料具有良好的抗车辙性能，但一般不具有抗裂性,然而和密级配沥青混合料相比较，评价的三种SMA混合料均表现出良好的抗车辙和抗裂性;检测结果统计分析表明，沥青胶结料的PG等级、有效沥青体积含量(VBE)、沥青膜厚度(FT)和集料比表面积(SA)对混合料的抗裂性有显著影响;对沥青混合料抗车辙性能有显著影响的因素为：沥青胶结料的PG等级、矿料间隙率(VMA)、沥青膜厚度(FT)、集料比表面积(SA)和空隙率(Va)等。邹桂莲[4]等针对旧水泥混凝土路面加铺沥青层的反射裂缝问题，提出富沥青含量沥青混合料的概念(FAC)和设计方法(CAVF)，体现出沥青混合料平衡设计的思想，并取得良好的技术经济效果。石立万[5]等通过离散元数值分析的方法，分析了沥青混合料骨架构成的原则、设计与评价方法，可以有效提高沥青混合料抗车辙的能力。梁何浩[6]通过虚拟试验及室内试验,发现粗集料含量和集料颗粒的比表面积是影响沥青混合料抗裂性能的主要因素之一，并提出了抗裂功能型沥青混合料的概念及其设计方法。

本文试图通过性能平衡的原则，尝试设计一种成本相对低廉的沥青加铺层混合料，用于国省公路和农村公路沥青路面的预防性养护，以及路面功能的恢复、改善和提升。混合料平衡设计的基本策略框架为：(1)纯岩沥青价格基本与基质沥青相当，掺配岩沥青的混合料不会大幅增加成本，通过不同掺量的岩沥青调正沥青胶结料的PG等级，以满足混合料使用环境的气温和交通量要求[7]；(2)采用不同粒径的集料分级掺配的方法设计适宜的骨架级配和VMA[4，8]；(3)采用马歇尔方法确定最佳沥青用量(双面各击实50次)；(4)采用车辙试验评价混合料的抗车辙性能、浸水马歇尔或冻融劈裂试验评价混合料的水稳定性、小梁四点弯曲试验和断裂韧性指标评价混合料抵抗反射裂缝的能力[9-10]。框架中，(1)和(2)基于抵抗车辙的考虑、(3)倾向于抗裂的考虑。根据上述混合料的特征，本文将混合料命名为“RAC”，其中R代表岩沥青和高沥青含量。

1 配合比设计

1.1 试验用原材料

本文试验用的基质沥青为茂名石化70#沥青，相关技术指标满足规范要求[11]。岩沥青为广东某公司提供的布敦岩沥青(Buton Rock Asphalt，BRA)，技术指标见表1。粗集料(粒径10～15mm和5～10mm)和细集料(3～5mm)为广东清远产的花岗岩，细集料(0～3mm)为广西产的辉绿岩，矿粉为广东地产的石灰岩矿粉。粗细集料和矿粉的相关技术指标满足规范要求。

表1 布敦岩沥青技术指标

按文献[7]推荐的方法确定岩沥青改性沥青中岩沥青的掺加比例为25%(提纯岩沥青质量比)，对应的PG分级等级为PG76-10。

1.2 沥青混合料级配

本文以分级掺配方法确定沥青混合料骨架型级配的基本步骤为：

(1)检测No1集料(粒径10～15mm)的毛体积密度，计算空隙率。

(2)按一定的掺配比例间隔(10%、20%、30%等)将No2集料(粒径5～10mm)掺入No1集料中，分别检测不同掺配比例混合集料的毛体积密度和空隙率，以空隙率最小值对应的掺配比例作为适宜掺配比例。

(3)按步骤(2)相同的方法确定No3集料(3～5mm)和No4集料(0～3mm)的适宜掺配比例。

(4)按一定的掺配比例间隔(10%、20%、30%等)将No3和No4混合集料掺入No1、No2的混合集料中，分别检测不同掺配比例混合料的毛体积密度和空隙率。

(5)确定No3、No4混合料(细集料)掺入No1、No2混合料(粗集料)的合适比例。

确定粗集料和细集料合适的掺配比例遵循两个原则：(1)骨架原则，可通过式(1)验算；(2)满足最小VMA的要求(例如VMAAC-13>14%)，可通过掺配比例和空隙率关系曲线得到。

(1)

式中：qC和qf分别为粗集料和细集料的掺配比例(%)；ρsc和ρtf分别为粗集料和细集料的密度；Vc为粗集料的空隙率。

由上述步骤确定的沥青混合料(AC-13)设计级配见表2。

表2 沥青混合料(AC-13)设计级配(通过百分率%)

1.3 确定沥青混合料最佳油石比

本文采用马歇尔方法确定沥青混合料的最佳油石比，相关技术要求见表3[11]。

表3 沥青混合料AC-13技术要求

由文献[7]可知，70#基质沥青+25%岩沥青(提纯)的改性沥青胶结料对应的路面温度为80℃，PG高温等级指标为76℃，基本可以涵盖广东省沥青路面的极端高温。因此，可以认为是一个通用掺配比例。根据AC-13型沥青混合料配比设计经验，选择5个油石比：4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%进行马歇尔试验，以确定所选择级配对应的最佳沥青用量。马歇尔试验结果见表4。

表4 基质沥青+25%岩沥青混合料AC-13马歇尔试验结果

根据表4马歇尔试验结果绘制密度、空隙率、稳定度、流值、矿料间隙率、饱和度与油石比的关系曲线，并根据规范推荐的最佳油石比计算公式，计算出最佳油石比为5.5%。

2 沥青混合料路用性能评价

2.1 水稳定性

针对广东的湿热环境，本文进行了浸水马歇尔试验，用于评价沥青混合料的水稳定性，试验结果见表5。作为对比，表5中同时列出了基质沥青和SBS改性沥青混合料AC-13的试验结果。

表5 沥青混合料AC-13浸水马歇尔试验结果

从表5可以看出，岩沥青混合料的水稳定性明显优于基质沥青混合料，与SBS改性沥青混合料的水稳定性基本相当。

2.2 高温稳定性

沥青混合料的高温稳定性采用车辙试验进行评价，试验结果见表6。虽然规范对低交通量道路沥青混合料的高温稳定性没有硬性规定[10]，作为对比，表6中同时列出了基质沥青和SBS改性沥青混合料AC-13的试验结果。

表6 沥青混合料AC-13车辙试验结果

从表6可以看出，岩沥青混合料的高温稳定性优于基质沥青混合料，适当增加压实功的话，其高温稳定性可以接近SBS改性沥青混合料。

2.3 中温抗裂性能

我国现行公路沥青路面施工规范采用小梁弯曲试验(-10℃，破坏强度、破坏应变、破坏劲度模量)综合评价沥青混合料的低温抗裂性能[11],然而对于广东的沥青路面来说，几乎没有负温度的工作状态。研究表明，沥青混合料在中温范围(5℃～20℃)所表现出的抗裂性能与低温条件完全不同[9]，因此，评价沥青混合料中温抗裂性对于实现沥青混合料的平衡设计可能是有意义的。Hamza Alkuime认为，完整描述沥青混合料开裂和发展的全过程对于评价沥青混合料的中温抗裂性是重要的，并推荐采用基于断裂能的评价指标[9]。沥青混合料的断裂能可通过图1来示意，图中阴影面积定义为断裂功(Wf)，单位断裂面积对应的断裂功定义为断裂能。由于沥青混合料含有空隙，如何确定“有效的断裂面积”，目前还没有统一的方法。鉴于此，本文尝试采用断裂功(Wf)来评价沥青混合料的抗裂性能，断裂功(Wf)越大，表明沥青混合料的抗裂性能越好。

图1 由载荷-位移曲线定义的开裂功[10]

对于沥青混合料断裂能试验，通常可以采用半圆弯曲试验、小梁弯曲试验和间接拉伸(劈裂)试验。考虑到圆形试件现有的试验方法均采用旋转压实成型，而多数工地试验室缺少旋转压实设备，故本文采用小梁弯曲试验检测不同沥青混合料的断裂能。根据马歇尔试验确定的体积指标和油石比，制作车辙板，并切割成小梁试件，在5℃、10℃和15℃三个温度下，以及加载速率 500mm/min 的条件下进行弯曲试验，试验结果见表7。

表7 沥青混合料在不同温度下的开裂功(Wf)

从表7可见，所有沥青混合料的断裂功均随着试验温度的降低而减小，抗裂性能变差；岩沥青混合料的抗裂性能明显优于基质沥青混合料，且接近SBS改性沥青混合料，可以理解为主要源于高沥青含量的作用。

3 结语

针对国省公路和农村公路养护的需求，以及薄加铺层沥青混合料对抗车辙和抗裂缝的双重要求，本文遵循性能平衡的原则，采用岩沥青+分级掺配骨架结构+高沥青胶结料含量的策略框架，探讨设计一种低成本薄沥青加铺层混合料(RAC)用于低交通道路。经性能检测，RAC性能良好，基本实现了设计意图。