浅析高性能沥青路面沥青混合料设计方法

【摘要】高性能沥青路面沥青混合料设计方法是一种新型的混合料设计方法，从目前国内的应用来看，它较传统的马歇尔设计方法沥青混合料性能有较大的改善，有效的防止了沥青路面早期损害的发生。本文以试验为基础，依据高性能沥青路面沥青混合料设计实例对其探讨，以求指导路面设计与施工。

【关键词】高性能沥青路面沥青混合料设计；损害；实例

1987年美国公路战略研究计划（SHRP）进行一项为期五年耗资5000万美元的沥青课题研究，旨在制定一个新的沥青和沥青混合料规范、试验、设计方法和评价体系。SHRP沥青课题的最终研究成果称为Superpave，即高性能沥青路面，包括胶结料规范、混合料设计体系和混合料性能分析方法。本文基于已有的研究，以试验为基础，依据高性能20改性沥青混合料配合比设计实例对高性能沥青混合料设计方法进行探讨。

一、Superpave设计原理

我们在进行沥青混合料配合比设计时，通常做法是千方百计调整

级配尽可能符合规范规定的中值，特别强调“应使包括0.075mm、2.36mm和4.75mm的筛孔在内的较多的通过量接近设计级配范围的中值”。在0.45次级配图上，我们可以发现大多数级配中值点接近最大密度线。也就是说，使沥青混合料能最大限度的密实是沥青混合料设计的原理。

而Superpave设计则认为随着交通量的增长，轴载的增加，我们需要更多的粗集料形成骨架，有足够的矿料间隙率和足够的沥青保持耐久性，并具有一定的空隙率使沥青能够自由迁移，这就是Superpave的设计概念。

二、级配确定

根据Superpave设计原理，Superpave的集料级配控制就完全不同于我国沥青路面技术规范的级配范围，主要采用控制点和限制区来初选级配，总体要求就是尽可能使较大的粗集料通过量多一些，而较小的粗集料通过量少一些，同时要求细集料一端不能通过规定的限制区，一般曲线均走限制区的下方，也就是限制混合料中细集料的含量。

下面我就将普通AC-25Ⅰ、AC-20Ⅰ型沥青混合料与Sup25和Sup20级配绘图进行对比。如图1、图2所示。其中改进型AC-25Ⅰ、AC-20Ⅰ型沥青混合料级配为宁靖盐UV21标中下面层合成级配，Sup25和Sup20型沥青混合料级配为如东S334公路下面层合成级配。从中可以看出AC-25Ⅰ、AC-20Ⅰ的规范中值级配曲线穿越了范围，同时接近最大理论密度线；Sup合成曲线则与最大理论密度线形成较大S型交叉，完全避开范围；而改进型AC-25Ⅰ、AC-20Ⅰ型沥青混合料级配界于两者之间。

三、沥青用量

Sup沥青用量是根据集料的性质即密度和吸水率计算出最初始

的用油量，然后用初始用油量及初定级配（粗、中、细）分别设计成型试件，确定级配。设计级配确定后，将设计旋转压实条件下空隙率为4%的沥青用量作为设计沥青用量。与我国普通沥青混合料沥青用量确定方法有很大的区别。

四、击实方法

根据Sup设计原理，试件成型时的旋转压实取代了马歇尔的垂直

击实。旋转压实是通过揉搓作用达到击实的目的，有效的模仿了现场碾压的状况。同时，根据交通量大小来选择初始压实次数、设计压实次数和最大压实次数。最大压实度要求是一个非常重要的指标，用于检测混合料抵抗永久变形能力。普通沥青混合料在最大压实次数压实下，空隙率均小于1%，有时几乎为零，而Sup混合料在要求最大压实次数下，压实度≤98%。提高了路面的稳定性，增强了抗变形能力。

高性能20改性沥青混合料设计实例

（一）集料技术性质试验

试验选用石料为石灰岩石料、沥青为161SBS改性沥青，依据高性能沥青路面设计要求，进行了集料技术性质试验，结果如下表所示：

表1-1 集料技术性质试验结果汇总表

试验项目 试验值 设计标准 高性能沥青路面混合料设计技术标准

集料认同特性 粗集料棱角性（%） 100 / ≥100%

细集料棱角（%） 46.0 / >45%

扁平颗粒（%） 5.6 ≤15

砂当量（%） 85.6 ≥70 >60%

集料料源特性 坚固性（%） 17.5 ≤30

安定性（%） 3.3 ≤12

注：对于集料的料源特性，高性能技术标准无具体要求，表中列出的标准为推荐值。

沥青混合料中集料的几何特性包括形状和纹理两方面。集料的形状和表面纹理显著影响沥青混合料的路用性能，直接关系到沥青混合料的耐久性、工作和易性、抗剪切强度、抗弯拉强度、疲劳性能等。为了能够设计出具有长寿命的沥青混凝土路面，集料必须具有合理的形状和纹理特征。

（二）设计集料结构的选择

1、初选级配

依据Superpave设计的一般方法，在选择集料结构时，首先调试选出粗、中、细三个级配，根据集料的性质（密度和吸水率）计算出三个级配的初始用油量。然后用初始用油量成型试件。根据试验结果，计算出这三个级配的沥青混合料在空隙率为4%时所需的沥青用量及相应的沥青混合料性质，如矿料间隙率（VMA）、饱和度（VFA）、矿粉与有效沥青之比（F/A）、初始旋转次数的压实度（%Gmmat in）等。图1-1为三种初选级配的曲线图，表1-2为估算沥青用量汇总表。

表1-2 估算沥青用量汇总表

试验级配 Gsb

（g/cm3） Gsa

（g/cm3） Gse

（g/cm3） Vba Vbe Ws Pbi（%）

1 2.669 2.720 2.710 0.0134 0.0897 2.3443 4.33

2 2.671 2.721 2.711 0.0129 0.0897 2.3450 4.31

3 2.673 2.721 2.712 0.0126 0.0897 2.3455 4.29

表中：Gsb—级配集料毛体积密度；Gsa—级配集料表观密度；Gse—级配集料有效密度；Vba—集料吸收的沥青胶结料体积；Vbe—有效沥青胶结料的体积；Ws—每立方厘米混合料中集料质量；Pbi—估算沥青用量。

2、三种试验级配评价

根据各个级配的估算沥青用量和设计经验，拟用4.3%的沥青用量采用旋转压实仪成型试件，旋转压实仪设定的单位压力为0.6MPa。根据交通量数据并考虑到工程施工实际的压实条件，选择压实次数N最初=8次，N设计=100次，N最大=160次。根据Superpave 的设计标准，在进行估算用油量成型试件时，将旋转压实次数设定在N设计，本次试验为N设计=100次，估算沥青用量下各级配旋转压实试验结果汇总于表1-3。

由上表数据可知级配1、级配2和级配3均满足Superpave 设计要求，考虑到压实特性和工程实际的沥青用量，本次设计选择级配1为设计级配。

3、选择设计级配的沥青用量

设计级配确定后由表1-3并根据设计经验，取Pb为4.3%，四个沥青用量分别为：3.8%、4.3%、4.8%、5.3%。在进行确定选择级配沥青用量的试验时，压实次数应设定在N设计，本次N设计=100次。试验结果如表1-4所示：

根据四个沥青用量混合料的体积性质，通过图表插值法可以得到设计沥青用量为4.34%及其对应的体积性质。

4、设计沥青用量混合料体积性质验证

经以上分析设计结果取沥青用量为4.34%，采用沥青用量4.3%成型试件，验证4.3%的沥青用量在压实次数设定在N最大时对应的体积性质指标（N最大=160次），试验结果见表1-5：

通过以上四个部分的试验和分析，我们即可确定级配1为设计级配，配合比为1#：2#：3#：4#：矿粉=21：36.5：14：25：3.5，设计沥青用量为4.3%，设计沥青用量下沥青混合料各项体积指标均满足设计要求。

自Superpave沥青混合料设计方法在我国实践以来，可以说对道路界是一场新思想的变革，Superpave沥青混合料结构经实践证明较我们传统的密实悬浮类混合料的抗车辙性能有了明显的改善，这一设计方法的最大亮点即为引用了混合料的体积性质作为设计的关键标准，同时旋转压实的成型工艺也较传统的马歇尔击实的成型方法更能模拟实际路面车轮的搓揉作用。但作为一种新的设计方法，我们要用一分为二的观点来看问题，这一设计方法还有许多方面需要我们去研究探讨，例如：在混合料配合比设计中只是单一的以体积指标为标准，并没有引入力学性能指标这是否合适，此外由于Superpave混合料采用的级配较粗，从目前国内已修筑的Superpave路面来看渗水系数过大的路段较多。Superpave混合料级配设计中的限制区对于我国现有的石料性质还需要进一步的试验验证。相信通过大量的研究，我们会对Superpave有更加深层次的认识和改进，从而有利于提高沥青混合料质量，为公路事业做出贡献。