沥青混合料设计配合比调整浅析

左希宾+翟兆娜

【摘 要】沥青混合料路用性能与配比设计密切相关。本文针对沥青混凝土马歇尔设计方法存在的问题进行了分析，提出了改进意见，进而提出了施工配合比调整原则。

【关键词】公路；沥青路面；配合比设计；马歇尔设计法

【Abstract】Road asphalt concrete is closely related with proportioning design. In this paper， aiming at the existing problem of asphalt concrete Marshall design method are analyzed， and improvement measures were put forward， and the principle of proportion of construction adjustment.

【Key words】Highway；Asphalt pavement；Mixture ratio design；Marshall design method

1. 沥青混合料设计任务及路用性能要求

沥青混合料设计任务主要是根据工程项目的实际需要，选择合适的沥青结合料及集料，并用合理的设计方法把这些材料组合起来，使完工的沥青路面满足交通流及当地气候需要。沥青混凝土设计一般是体积设计法和体积分析法。热拌沥青混合料设计的目标，应该达到如下路用性能：

1.1 耐久性。要求沥青混合料含有足够的沥青结合料，保证集料颗粒周围有足够的沥青薄膜，减少沥青混合料运行周期内的老化。经严格压实的沥青混合料不应该有较高的空隙率，高孔隙率会加速老化，难以达到使用寿命周期。

1.2 抗疲劳开裂能力。正常情况下的疲劳开裂（龟裂）是路面承受设计荷载的标志，是沥青路面结构设计的一项主要指标。沥青路面在设计寿命周期末才出现疲劳开裂，毫无疑问，这个设计配比是成功的；如果疲劳开裂出现比较早，刨去压实不密实和交通量远远大于预期等因素，那就是沥青混凝土配合比设计有问题。克服疲劳开裂的途径：路基边沟严格按照图纸施工并保持排水通畅，路基没有用不透水性材料包裹透水性材料，路基压实度确实达到设计压实度（不是试验检测弄虚作假），充分考虑远景交通量迅猛提高，采用较厚的路面结构（路面基层水泥稳定碎石配比适当养生充分没有裂纹）。

1.3 抵抗永久变形的能力。在路面交通荷载的反复作用下，沥青混合料内部结构不应被破坏。现在渠化交通普遍，车辙等病害普遍发生，这就要求沥青混合料级配设计精准。沥青混合料抗变形能力不足，通常要在级配组成、沥青等级及用量、孔隙率等方面找原因。事实证明，采用骨架嵌挤型级配和改性沥青，可最大程度上解决路面车辙病害。

1.4 水损害抗力。沥青混合料受到自然水浸泡的影响时，会导致集料表面和沥青结合料失去粘结力。此时应考虑掺加抗剥落剂。

1.5 低温开裂抗力。在北方寒冷季节，路用沥青混合料能够不开裂，将会大大延长路面使用寿命。这时就应该采用柔韧性好的沥青结合料。

1.6 抗滑性。这是对应路面上面层骨料设计问题。如果感觉到上面层骨料用石灰岩碎石满足不了实际抗滑需要，就要采用硬度高、抗滑性能好得多的玄武岩碎石。

2. 马歇尔设计方法存在的问题

2.1 采用接近最大密度线的配比。事实上，最接近最大密度线时，路面使用性能不一定是最好的，也就是说，用级配中值设计的配合比不一定是最好的。

2.2 关于体积计算体系。计算压实沥青混合料的方法一般用水重法，，测量的是视密度，这样可能导致计算出的空隙率偏小。另外，没有充分考虑集料空隙吸收沥青结合料，导致最终配比沥青结合料含量偏低，直接导致路面结构层耐久性差。

2.3 沥青老化因素。研究表明，即使是吸水率低于2%的集料，老化2h后吸收沥青的数量可达到0.5～1.0%，因此，不管集料吸水率是否小于2%，都应当考虑集料空隙吸收沥青的数量。

3. 马歇尔设计方法的改进

为了进一步提高沥青混合料设计质量，我国在现行马歇尔设计理念基础上，结合美国Superpave设计思想，引进集料有效比重概念及混合料短期老化的办法，对马歇尔设计方法最佳集料级配选择，从程序上和计算方法上进行改进和补充。

3.1 根据拟设计的混合料类型，与各种集料及填料的颗粒組成，按试配组合成三种试验级配，一组级配位于规定范围的中值附近，另外两组级配接近级配范围的上、下限。按关键筛孔2.36mm、4.75mm与0.075mm的通过率进行控制。

3.2 选择混合料初始沥青含量，初始沥青含量应接近最佳沥青含量。用下式计算：

Pbt=1.18+0.982（VMA-Va）/Gsb；式中：

Pbt——初始沥青含量，按混合料质量百分率计，%；

VMA——压实混合料集料间隙率，可先用规定的最小值+0.5%估算，后按试验结果校正；

Va——压实混合料孔隙率，可取设计孔隙率4%；

Gab——混合料集料组合体积毛重。

3.3 将拌和好的试样放入烘箱，在拟定的压实温度平均值保持2h进行短期老化，然后进行制件。

3.4 制件被压实冷却后，将其脱模，测定试件毛体积重Mmb，并计算压实混合料的空隙率Va、VMA和VFA等体积指标，随后，根据试验结果计算组合集料的有效比重Gse，根据确定的Gse计算集料吸收沥青百分率Pba，进而获得有效沥青含量Pbe和粉油比DP。

3.5 试验结果分析。对三种试验级配混合料进行评价：其中VMA、VFA、粉油比、马歇尔稳定度与流值均符合设计要求，孔隙率又接近4%设计值的一种级配，被确定为最佳级配或设计级配。

4. 工程级配调整

4.1 《沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）在沥青混合料矿料级配选择与调整方面，根据“沥青混合料矿料级配和配合比设计方法的修订”课题研究成果，借鉴美、日等国的方法，提出工程设计级配的概念，对最常用的密级配沥青混合料分为粗型和细型，它与原规范根据孔隙率分为Ⅰ型和Ⅱ型的性质不同，粗型和细型都属于密级配，孔隙率都在3%～6%之间，之所以分成这两种型号，主要是供不同的气候条件和交通条件选择级配时作参考，并要求设计单位和业主单位针对所建设工程的气候条件、交通条件、公路等级以及所处层位确定和调整工程设计级配。相比原规范直接为工程确定一个级配范围，配合比设计尽可能接近中值有了很大改进。现行规范给出了几种类型沥青混合料与沥青碎石混合料矿料级配。

4.2 规范规定级配范围较宽，这样同一级配的上限和下限所拌混合料会有较大的差别。所以，在设计时可根据需要将目标级配线靠上一些，使混合料总的偏细一些，即成所谓的细型密级配（AC-F）；或将目标级配线靠下一些，使混合料总的偏粗一些，即成所谓的粗型密级配（AC-C）。在这种情况下，给施工单位的生产级配范围做必要的调整，而不能将规范原来的级配给施工单位。在级配设计时，尤其要注意控制几个关键筛孔的通过率，即4.75mm和2.36mm两个筛孔。规范给出了粗型和细型密级配沥青混合料的关键性筛孔通过率。

4.3 沥青混合料的设计级配应处于规范规定的级配范围内，根据气候条件、交通条件、公路等级、材料品种，通过条件大体相当的工程使用情况进行调查研究后调整确定，必要时允许超过规范的级配范围。工程设计级配范围应遵循以下原则：

4.3.1 首先按规范确定采用粗型（C型）或细型（F型）的混合料，对夏季温度高、高温持续时间长、重载交通量大的路段，宜采用粗型密级配沥青混合料（AC-C型），并取较高的设计空隙率。對冬季温度低、且低温持续时间长的地区，或者重载交通量小的路段，宜采用细型密级配沥青混合料（AC-F型），并取较低的设计空隙率。

4.3.2 为确保高温抗车辙能力，同时兼顾低温抗裂性能要求，配合比设计时宜适当减少公称最大粒径附近的粗集料用量，减少0.6mm以下部分细粉的用量，使中等粒径较多，形成S型级配曲线，并取中等偏高水平的设计空隙率。

4.3.3 确定各层的工程设计级配范围时应考虑不同层位的功能需要，经组合设计的沥青路面应能满足耐久、稳定、密水、抗滑的要求。

4.3.4 根据公路等级和施工设备的控制水平，确定的工程设计级配范围应比规范级配范围要窄，其中4.75mm和2.36mm通过率的上下限差值宜小于12%。

4.3.5 沥青混合料的配合比设计应当充分考虑施工性能，使沥青混合料容易摊铺和压实，避免造成不必要的离析。

4.3.6 在多雨潮湿地区，重交通或渠化交通情况下，一般多采用粗型密级配并配置成S型级配曲线。同时，尽量避免级配曲线穿越级配禁区（0.3～2.36间的三角区）。

5. 结束语

沥青混合料配合比设计合理，可以大幅提高路面使用寿命，使社会效益最大化。