Superpave配合比设计

摘要：简述了Superpav概况，结合湖南省桂阳至临武高速公路工程实例，介绍了高性能沥青路面原材料的试验及选取，理论配合比及施工配合比的设计以及验证混合料配合比优化设计。实践证明，达到了指导施工和验证、反馈、修正的效果，对类似工程具有积极的借鉴意义。

关键词：Superpave混合料；原材料试验；理论配合比；施工配合比

中图分类号:U416.217 文献标识码:A

1 工程概况

湖南省桂阳至临武高速公路是湖南省规划的“五纵七横”高速公路网的第三纵岳阳（湘鄂界）至临武（湘粤界）高速公路的南段，全长107.807km。路面结构形式：低剂量水泥稳定碎石20cm底基层+水泥稳定碎石40cm基层+Superpave-25高性能沥青混凝土8cm下面层+SBS改性沥青Superpave-20高性能沥青混凝土6cm中面层+SMA-13SBS改性沥青马蹄脂碎石5cm上面层。级配良好的Sup可以抵抗较大的塑性和剪切的变形，承受重载交通的作用，具有较好的抗车辙能力，提高了沥青路面的高温稳定性和低温抗裂性，设计合理的Sup是解决重载交通下高温车辙问题最经济有效的根本途径之一。

2Superpave结构特点

Superpave的中文意思就是“高性能沥青路面”,简称“Sup”。Sup级配特点：均匀、嵌挤、密实；中间集料多，粗、细集料少；难压实，应增大压实功；用旋转压实仪成型。

2.1 Sup混合料设计方法

Sup混合料采用旋转压实仪模拟沥青路面在运行时搓、揉、压的受力特征成型试件，依据沥青混合料初始、设计和最大旋转压实次数时的密度以及在设计压实次数时的空隙率、矿料间隙率、沥青填隙率、填料与有效沥青之比进行沥青混合料的组成设计。

2.2 Sup 技术与我国现行马歇尔设计方法的比较

马歇尔设计方法中混合料室内试验是通过冲击进行的，很明显，旋转搓揉后的混合料体积状况和力学性能更接近路用真实情况。以湖南省桂武高速公路LM32标SBS改性沥青Sup-20中面层施工为例来说明Sup混合料配合比优化设计与施工技术质量控制，从而反映Sup技术与通常沥青混合料配合比设计的不同之处，领会Sup混合料配合比优化设计的全新理念。

3 Sup混合料配合比设计

3.1 Sup目标配合比设计

3.1.1 Sup目标配合比设计流程与步骤

Sup目标配合比按图3-1设计流程及步骤进行。

不合格

合格

不合格

不合格

图3-1Sup目标配合比设计流程图

3.1.2原材料选择与性质试验

集料的生产工艺采用二级破碎加工，一级破碎采用鄂式破碎机破碎至100mm以下，二级破碎采用反击破或整形机加工，二级除尘装置，根据中面层Sup-20矿料级配通过率范围，我们确定选取石灰岩石料，集料规格分别为13.2～19mm（1号料）、4.75～13.2mm（2料）、2.36～4.75mm（3料）、0～2.36mm（4料）。按照该破碎工艺所生产的集料具有针片状含量少，颗粒形状近似立方体，粉尘含量低，级配变异性小等特点。

3.1.2.1 粗集料

Sup的粗集料是指在Sup混合料中形成嵌挤起到骨架作用的集料部分，对于Sup-20、Sup-25是指粒径2.36mm的集料，Sup的高温稳定性是基于含量多达68%～73%的粗集料之间的嵌挤作用，在很大程度上取决于集料石质的坚韧性、颗粒形状和棱角性，粗集料的这些性质是Sup成败与否的关键，所以在选择原材料时一定要选取压碎值小、磨耗值小、针片状含量少，有一定棱角性的集料，同时要经过水洗洁净并搭棚防雨。

3.1.2.2 细集料

对于Sup-20，Sup-25粒径2.36mm的集料称为细集料，用于填充Sup的粗集料骨架的间隙，增强路面的抗渗能力，同时起到粘结作用，要选取表面粗糙、洁净、棱角性能好、有嵌挤能力和松散状态下空隙率≮45%的机制砂，要搭棚覆盖以防受潮。

3.1.2.3 填料

填料采用由石灰石等碱性岩石经磨细而得的矿粉，矿粉的主要作用是和沥青组成一种粘结剂，提高沥青混合料的粘结力及稳定性。

3.1.2.4沥青胶结料

沥青胶结料的性质对沥青路面使用性能有多方面的影响，在选取沥青品种时主要考虑高温抗车辙能力和低温抗裂能力，这两个方面在沥青品种选择时趋向相反，沥青是决定混合料质量的关键，应综合平衡考虑。桂武高速公路中面层Sup-20混合料选取中石油“高富”牌SBS改性沥青。

依据Sup设计要求进行了相关的试验检测，集料的性质试验、密度试验和沥青密度试验结果，分别见表3-1、表3-2、表3-3。

表 3-1 集料性质试验结果汇总表

试验项目 试验结果 Sup技术要求

集 料

认同特性 粗集料棱角性（%） 100 100

细集料棱角性（S） 46.0 ≥30

粗集料针片状（%） 9.2 ≤12

细集料砂当量（%） 72.0 ≥65

集 料

料源特性 石料压碎值（%） 21.8 ≤24

石料高温压碎值（%） 25.9 180℃ ，≤28.0

洛杉矶磨耗值（%） 25.2 ≤28

坚固性（%） 3.0 ≤12

软石含量（%） 2.0 ≤3.0

对沥青的粘附性（级） 5 ≥5

表 3-2 集料密度试验结果汇总表

矿料名称 表观相对密度 毛体积相对密度 吸水率（%）

1料 2.726 2.709 0.23

2料 2.733 2.708 0.32

3料 2.746 2.693 0.72

4料 2.731 2.646 0.84

矿粉 2.688（表观密度g/cm3） 2.693 /

表3-3 SBS改性沥青密度试验结果

材料名称 相对密度

SBS改性沥青 1.031

3.1.3 设计集料级配的选择

3.1.3.1 矿料的级配范围、限制区控制点界限

中面层Sup-20集料级配通过率范围见表3-1。

表3-1 中面层Sup-20集料级配通过率范围

注：表中数字下有横杠者为严格控制值。

Sup-20 混合料矿料级配限制区界限见表3-2，级配控制点见表3-3。

表3-2Sup-20 设计集料级配限制区界限

表3-3 Sup-20 设计集料级配控制点界限

3.1.3.2 初选级配

依据Sup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，计算出这三种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（FA）、初始旋转次数的压实度（%Gmmatin）。表3-4为各种集料的筛分试验结果，三种初试级配各档料比例以及三种试验级配各筛孔尺寸矿料通过率明细表，表3-5为估算沥青用量汇总表。

表3-4 三种初始级配各档矿料比例及合成级配

图3-1三种试验级配曲线

表3-5 估算沥青用量汇总表

3.1.3.3试验级配的评价

根据各个级配的估算沥青用量，并结合设计经验拟用4.2%的沥青用量成型试件，沥青混合料的拌和温度和压实温度依据沥青试验中的粘温曲线，采用旋转压实仪成型试件，设定旋转压实仪的单位压力0.6MPa。选择压实次数为N最初=8次，N设计=100次，N最大=160次。根据Sup的最新设计标准，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=100次，估算沥青用量下各级配旋转压实试验结果汇总见表3-6。

表3-6 三种试验级配旋转压实试验结果汇总表

表 3-7三种级配估算沥青用算试验结果评价表

表3-7为三种级配在4.0%空隙率时估算沥青用量试验结果评价表。依据表3-7的评价指标，可以得出级配1和级配2均满足Sup-20技术要求，考虑到路面的耐久性，本次选择级配2（1料：2料：3料：4料：矿粉=27:31:15:25:2）为设计级配。

3.1.3.4选择设计级配的沥青用量

设计级配确定后，根据Superpave设计方法，一般选择四种沥青用量，具体为Pb、Pb+0.5%、Pb+1%。由表3-7取Pb为4.2%，根据实际设计经验，四种沥青用量分别为：3.7%、4.2%、4.7%、5.2%。在进行确定选择级配沥青用量的试验时，压实次数设定在N设计=100次。试验结果见表3-8。

表3-8 设计级配四种沥青用量试验结果汇总表

图3-2 体积指标与沥青用量关系曲线

根据表3-8中，3.7%、4.2%、4.7%、5.2%四种沥青用量的体积性质，通过图表插值法得到设计沥青用量为4.2%及其对应的体积性质，汇总表3-9。

表3-9 四种沥青用量沥青混合料体积性质

3.1.3.5最佳沥青用量体积指标验证

依据第3.4节中得到的设计沥青用量4.2%，采用沥青用量4.2%成型试件，验证采用4.2%的沥青用量在压实次数设定在N最大时（本次N最大=160次）对应的体积性质指标，验证试验结果汇总于表3-10。

表3-10设计沥青用量验证试验结果表

3.1.3.6设计结果

通过以上试验和分析，级配2为设计级配，配合比为1＃料：2＃料：3＃料：4＃料：矿粉=27:31:15:25:2。其对应的混合料特性如表3-11。

表3-11混合料体积性质表

3.1.4 马歇尔试验

依据Sup设计方法得到的沥青混合料，采用马歇尔试验方法成型试件，得到对应的马歇尔指标，试验结果汇总于表3-12。

表3-12Sup-20 马歇尔试验技术指标表

3.1.5 高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性试验

为了检验Sup-20混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性，按照有关规范进行了60℃车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、-10℃小梁弯曲试验，试验结果汇总于表3-13、3-14、3-15、3-16。

表3-13 车辙试验结果汇总表

表3-14冻融劈裂试验结果

表3-15浸水马歇尔稳定度试验结果

表3-16-10℃小梁弯曲试验结果

3.1.6 目标配合比设计结论

根据所用的集料、矿粉、SBS改性沥青等原材料，按照美国Sup-20设计标准进行室内配合比设计，得到的目标配合比为1＃料：2＃料：3＃料：4＃料：矿粉=27:31:15:25:2，最佳沥青用量为4.2%（油石比为4.4%）。通过车辙试 验可知该级配配制的沥青混合料抗高温性能良好，通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验可知该级配配制的沥青混合料抗水损害性能良好，通过-10℃小梁弯曲试验可知该级配配制的沥青混合料低温抗裂性能良好，所检指标均满足设计要求，因此我们就作为工地生产配合比设计依据。

3.2 生产配合比设计

在完成目标配合比设计工作后，拌和站应根据施工组织设计的安排适时转入拌和楼的调试工作，如供料系统的运行、导热油系统的检查、热料振动筛网的配备、拌和部分的操作训练以及计量系统的校准等，这一切都要达到良好的工作状态。

3.2.1 冷料斗配料流量试验

根据Sup-20的级配特点，采用四档集料（矿粉另设有储存罐）配制。供料系统使用四个冷料斗，各料斗按目标配合比的比例向拌和机供料，要求每个冷料斗必须保持各自的稳定流量，这样才能满足矿料级配和拌和机生产能力的要求，力求使冷料与热料供给平衡，避免或减少溢料和待料的现象。

3.2.2冷料流量的计算

如拌和机的生产能力为320t/h，油石比为4.4%，1＃碎石的比例为27%，确定该种集料流量方法如下：1＃碎石料斗固定流量为320×0.27×0.956=82.6t/h，1＃碎石堆积密度为1.504，则得82.6/1.504=54.9m³/h；以此类推便可分别计算出其它集料的流量。

3.2.3热料筛分试验

通过冷料流量试验就应该相对固定各个冷料斗的斗门开启度，全面启动拌和机运转系统，为下一步的热料试验做好准备。冷料经皮带输送到滚筒加热烘干后，被提升到拌和机上部进行二次筛分分档，每一档分别流入各自的热料仓。我们根据混合料的结构类型配备符合要求的6层筛网，筛网尺寸分别为3×3mm、6×6mm、12×12mm、16×16mm、22×22mm、31×31mm，这样分档能有效地增加筛面面积，提高筛分效率，尽管如此仍有部分集料未被充分筛分，因此必须从热料仓分别取出集料再次进行室内筛分试验和密度试验等，根据筛分结果通过人工或计算机计算及反复的调试与目标配合比确定的合成级配曲线比较，使矿质混合料的级配接近目标配合比，以确定各热料仓矿料和矿粉的用料比例，供拌和机控制室使用。

确定最佳沥青用量。取目标配合比设计的最佳沥青用量OAC和OAC±0.3%，取以上计算的矿质混合料，用试验室的小型拌和机拌制沥青混合料进行旋转压实试验和马歇尔试验，检验沥青混合料体积性质，确定生产配合比最佳沥青用量。

残留稳定度检验。按以上生产配合比，用室内小型拌和机拌制沥青混合料，做浸水48小时马歇尔试验，检验残留稳定度。

3.3生产配合比验证

用生产配合比进行试拌，沥青混合料的体积指标满足Sup技术要求后铺筑试铺段。取试铺段用的沥青混合料进行旋转压实试验，马歇尔试验，检测沥青含量和级配，检验标准配合比矿料合成级配中，至少包括0.075mm、2.36mm、4.75mm及公称最大粒径筛孔的通过率接近目标配合比级配值，并避免在0.3～0.6mm处出现驼峰。由此确定正常生产用的标准配合比。

在主线外匝道上做200m试铺段，在试铺过程中，对生产的沥青混合料按照Sup标准进行检测，发现沥青混合料的空隙率偏小，针对这个问题我们就适当增加集料中的中间料，另外对沥青用量也作了少量的调整，这样便达到了预期目的。

4 试验和检测

4.1 试验

Sup混合料的质量控制重点是检测混合料的油石比、级配、试件的密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度等指标，应使其保持一定的稳定性，由于Sup混合料对级配和油石比要求非常严格，可能级配和油石比发生小的波动就会导致以上指标不合格，造成施工质量大的波动，在取混合料时特别小心，注意样品的代表性，燃烧炉要经常进行标定，特别注意其燃烧是否充分，以免使油石比结果失真，只有试验结果真实可靠，才能有效地指导施工。

4.2 检测

Sup路面在我国起步较晚，还没有形成一套完整理论，所以主要还要看路面的使用效果，因而要加强施工过程检测，综合起来看成型路面的各项指标是否满足要求，在检测过程中既要保证正常的检测频率又要加强对薄弱环节的检测控制，发现问题及时反馈。利用在刚碾压成型的路面上做渗水试验来检查，初步判断路面的压实质量，这样现场跟班作业的技术人员也能随时掌握施工质量，随时根据情况进行调整，并把信息及时反馈到试验室和拌和楼。

5 结语

Sup结构经实践证明较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成型方法更能模拟实际路面车轮的搓揉压作用，其集料级配更趋于嵌挤、密实，在设计过程中充分考虑到了气候环境条件和交通量的影响，在施工确保合适空隙率的前提下，抗水害性能和抗疲劳性能也较好。

参考文献：

[1]公路沥青路面施工技术规范 （JTGF40-2004）.

[2]湖南省高速公路Superpave沥青路面施工指南.2012.

作者简介：刘慧兰（1974―），女，工程师。2011年1月毕业于东北财经大学工程管理专业，现任中铁十四局集团第一工程发展有限公司工程部副部长。