高速公路沥青路面的沥青混凝土配合比设计理论浅析

王晓辉

（新疆维吾尔自治区有色地质勘查局七0四队,新疆 哈密 839000）

0 引言

沥青路面在高速公路较为常见，但是根据各地区高速公路运营、保养现状来看，沥青混合料的路面结构容易破坏。造成这一现象的主要原因可能与材料自身抗剪强度不足、塑性变形值偏高有关。为进一步提升沥青混凝土路面稳定性，该文将通过试验分析的方法，对沥青混凝土配合比展开设计，最终提出一套完整的沥青混凝土配合比方案，希望对类似高速公路混凝土项目有一定的借鉴与指导作用。

1 沥青混凝土配合比设计理论研究

1.1 基本理论要求

为解决高速公路出现的沥青混凝土路面剪切破坏问题，我国在相关规定中明确提出，在沥青路面面层破裂面上所产生的剪应力τa应小于等于沥青混合料许用剪应力τR，而τR与沥青混合料的抗剪强度τ之间存在密切关系[1]。在配合比设计中，τ可通过三轴试验方法计算，其计算方法如公式（1）所示。

式中，τ——混合料抗剪强度（MPa）；c——混合料粘结力（MPa）；σ——正应力（MPa）；ψ——混合料内摩擦角（rad）。

根据公式（1）可以判断抗剪强度与摩擦角、粘结力之间存在相关性。在当前高速公路沥青混凝土路面设计中，通过优化沥青品种以及沥青用量有助于提升混合料粘结力与高温稳定性；优化矿量级配与密度则有助于改善内摩擦角性能。

在高速公路沥青路面材料配合比设计中应考虑以下因素影响：一是粗集料。沥青混凝土材料常用于铺装下层，对粗集料的性能未提出严格规范，目前常见的规格标准包括3~5 mm、5~10 mm、10~15 mm等。二是细集料。细集料在沥青混凝土中的占比高，根据现有高速公路工程项目的性能标准，细集料关键性能指标应满足以下标准：含泥量≤3%；坚固性（＞0.3 mm部分）≤12%；毛体积密度≥2.5 g/cm3；表观相对密度≥2.5 g/cm3。三是矿粉。属于研磨的天然矿粉，理想的矿粉应做到粒径大小均匀并且杂质少、具有理想的塑性指数。四是沥青材料。这是一种弹塑性粘性材料，因而具有一定的高温稳定性和低温抗裂性，不需要设置伸缩缝，路面平整且有弹性，行车较舒适。

1.2 几种常见的沥青混凝土矿料级配种类

根据目前我国高速公路项目的施工经验，目前常见的沥青路面的沥青混凝土矿料级配种类主要包括以下几种：

（1）悬浮密实结构。采用连续型密集配矿质混合料与沥青组成的混合料时，为避免次级集料影响前级集料密排效果，需确保前级集料间留出更大空隙，以满足次级集料正常排布的需求。因此与常规结构相比，悬浮密实结构具有更强的密实度，但是因为各级集料均被次级集料分隔，决定了集料间无法有效靠拢并形成骨架。在我国相关规范中，ACI型结构采用了此架构，实践结果证明该结构的抗渗性能良好，但是热稳定性、抗滑性能不理想。

（2）骨架空隙结构。使用连续型级配矿质混合料与沥青组成的混合料时，因为此类混合料具有递减系数大的特征，导致粗集料占比高，在粗集料相互作用下会形成较大且稳定的骨架；相比之下，细集料因数量少无法充分填满粗骨料的空隙，最终会在骨架中形成大小不一的空隙[2]。在现行规定中所介绍的AM型沥青混凝土矿料级配采用了该结构，实践证明骨架空隙结构具有粘结力低、内摩擦角大的特征。

1.3 沥青混凝土粘结力

沥青混凝土粘结力与沥青种类、沥青用量存在密切关系，在高速公路沥青混凝土结构层施工阶段，所使用的碾压设备压强越大、初始温度越高，施工后沥青混凝土油膜厚度越薄，粘结力越大。这就是GTM机旋转柔压理论的基础，因此可认为碾压设备、油石比与碾压温度三者之间的相关性。同时，目前我国高速公路路面施工中所使用设备的轮胎压强普遍大于等于1.0 MPa，所以在GTM试验机中可使用1.0 MPa压力做旋转柔压，设定试验温度为130 ℃，初压时采用大吨位轮胎压路机即可。

同时针对沥青种类对黏附力的影响，目前市面上出现了不用类型的改性沥青，此类材料具有良好的抗裂性与高温稳定。在施工前先处理酸性、中性硬质矿料也是提升沥青混凝土粘附性的合理方法，例如在施工前可向原材料中掺加生石灰粉或者低标号水泥。

1.4 沥青混凝土混合料级配要求

（1）绝对空隙率影响路面渗透率。高速公路沥青路面渗透率对行车安全、使用年限有重要影响，大量高速公路项目的实践经验证明，当路面绝对空隙率小于7%时可以有效避免路面渗水问题发生。但需要注意的是，绝对空隙率偏低会导致混凝土路面泛油，并导致结构热稳性异常。而在高温夏季，随着天气温度增加会造成沥青膨胀，若沥青混凝土结构中没有足够空隙则会导致沥青上行并造成泛油问题。因此在配合比设计中沥青混凝土的绝对空隙率应控制在4%~5%之间。

（2）混合料级配与集料内摩擦角之间存在相关性，这是因为集料中存在大小不一的空隙，该空隙会被更低级的集料填充，直至级配满足沥青路面质量标准。在级配设计中，随着内摩擦角增加会提升粘结力，导致粗集料间隙无法被低一级集料填充，最终导致骨架空隙结构。

（3）沥青混凝土路面应具有良好的温度稳定性与承载性，避免沥青混凝土结构在高温状态下硬度下降或低温状态下出现表层结构开裂等质量问题，通常会使用改性沥青或者在沥青混凝土中掺加博尼维等方法来提升路面的耐久性与温度稳定性等。而针对路面易破损等问题，也可以在混凝土材料中掺加硬质岩等。

2 沥青混凝土配合比设计思路

2.1 原材料的选择

2.1.1 沥青材料

沥青材料性能直接影响高速公路路面质量，而根据路面结构损坏原因调查结果来看，沥青自身品质质量问题与路面使用年限之间存在密切关系。例如沥青材料中的含蜡量偏高会导致路面后期出现横向裂缝，为避免此类问题发生，配合比设计中应将沥青含蜡量含量控制在3%以下。合理选择沥青种类也是减少路面病害的合理手段，例如选择温度敏感度低以及稠度低的沥青材料可以有效避免路面开裂，而高粘度沥青可生产出有更高劲度的混合料，此类材料也有助于强化路面的抗车辙能力。因此可以认为在目前沥青材料选择中，使用少石蜡、高树脂的石油是正确选择。

同时考虑到气候变化对路面使用年限的影响，所使用的沥青应具有良好的温度适应能力，如低温时的形变能力以及高温时的感温性等。为满足上述技术规范，可选择溶凝胶型结构的环烷基稠油直馏沥青。该沥青的针入度指数为-2~+2之间，沥青质含量15%~25%。

最后为提升沥青材料整体性能，在考虑未来一段时间内高速公路车辆数量变化的情况下，可考虑采购性能更优异的沥青材料，如SK或者壳牌公司的AH-50、AH-70等材料。

2.1.2 集料

粗集料粒径是影响混合料抗车辙能力与抗疲劳强度的重要因素。根据现有研究发现，当混合料厚度与粒径的比率接近2.0时，沥青路面的抗车辙与抗滑性能处于最佳状态，并且也可以有效减少路面平整度衰减等质量问题发生。

碎石与沥青材料的粘附性也是影响路面耐久性、强度的重要因素。为确保二者具有良好的结合能力，材料配比设计中一般不使用酸性材料，并且碎石粘附性大于等于4级。目前理想的碎石材料为无杂质、无风化且表面粗糙干净、针片状颗粒少的材料，并且其压碎值、冲击值等均应该满足技术规范[3]。

2.1.3 填料

理想的沥青混凝土填料为石灰岩、强基性岩石等，上述材料研磨加工后获得的矿粉。为满足不同材料级配要求，碎石填料的规格通常为＜3 mm、3~5 mm、5~10 mm等若干规格。同时，为避免待料以及溢料等问题，在设计中应尽量控制超大粒径含量，最大规格应控制在3%以下。

2.2 确定矿质混合料比重

正常情况下合成级配曲线应尽量靠近限值，因此可通过不同规格筛孔过量，使其接近级配中限。而考虑到未来一段时间内高速公路交通量的增加，在混合料比重设计中可考虑调整级配范围下限，其级配曲线应有正常的波动范围，但是要避免出现犬牙交错等问题。

2.3 确定最佳油石比

在现行规定中，确定最佳的沥青用量是找出马歇尔指标均符合要求的共同范围，相关人员可参考既往经验确定估算值，并以估计值为中值，以0.5上下变化沥青用量，取5个不同的沥青用量制备马歇尔试验的试件，当马歇尔试验检测合格后，评估混凝土材料的密度、空隙率、饱和度及矿料间隙率，最终确定配合比的最佳沥青用量。

3 性能检测结果

为判断上文提出的沥青混凝土配合比设计方案的合理性，可通过性能试验的方法综合评估配合比设计方案的合理性，包括车辙试验以及低温抗裂性试验等。

3.1 车辙试验

3.1.1 试验设计方案

考虑到气温因素对高速公路沥青路面性能指标的影响，该文以我国夏季平均气温为参照标准，设定混凝土路面的温度环境为30 ℃，在高温环境下需充分评估高温环境对沥青混凝土材料性能的影响，通过车辙试验综合评价路面的性能指标，其中在车辙深度检测中可利用汉堡车辙试验方法做综合评价[4]。

试验检测方法为：根据沥青混凝土材料的质量标准，采用的标准车辙试验件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，使用意大利汉堡车辙仪，控制软件为DWT，环境温度波动为“±1 ℃”，试验构件以“42.0±1.0”次/min速率控制试件运动。试验中连续对路面进行加载（或者试件极限变形值大于等于20 mm）后即可终止试验。

3.1.2 试验结果评估

根据该文试验结果可知车辙深度与试验轮加载次数之间存在相关性，其位移均值达到了4.48 mm，这一结果可证明TLA改性沥青具有良好的抗高温性能，其性能指标满意。

3.2 低温抗裂性试验

3.2.1 试验设计

在高速公路沥青路面沥青混凝土配合比设计中，抗低温设计是技术人员必须考虑的技术性能指标，由于需要保证浇注式沥青混凝土各项路用性能之间的平衡，所以在提高温稳定性的同时还要改善其低温抗裂性及抗疲劳性[5]。

在该次试验中根据相关试验规范制定车辙板，使用标准尺寸对车辙板用切割板将其加工成250 mm×30 mm×35 mm的小试块，加载速率为50 mm/min，试验温度最低值为-20 ℃。

低温抗裂性检测中采用MTS系统对试件性能指标进行检测，该设备可以获得高精度的采集数据以及位移数据，方便判断试件性能指标。

3.2.2 试验结果

根据该次试验结果可知，浇筑式沥青混凝土材料的抗弯拉强度与温度变化之间存在相关性，其中温度越低材料的最大弯拉应变的变化越小。这一结果也证明，在低温环境下该文设计的沥青混凝土配合比对低温环境敏感度更低。因此，可以认为该配合比设计方案对于低温环境有良好的适应性，该沥青混凝土配合比的性能指标更令人满意。

3.3 空隙率试验

3.3.1 计算方法

空隙率一直是沥青混凝土材料配合比设计中的关键技术指标，该性能标准与材料的流动性等存在相关性。在数据计算中可根据最大理论相对密度判断材料性能，其计算方法如公式（2）所示。

式中，γ——沥青相对密度值（g/cm3）；Pa——混合料油石比（%）；P1、P2、Pn——不同档位集料的百分比（%）；y1、y2、yn——不同集料表观相对密度（g/cm3）。

3.3.2 试验结果

根据该次试验结果可知，当级配相同时随着沥青用量的增加，沥青混凝土材料的最大理论密度呈现出线性变化趋势，并且假设沥青用量相同，不同级配混合料的相对密度值递减。而在实际上，通过增加细集料与矿粉的比重有助于降低沥青混凝土结构中的空隙率；同时随着沥青用量的增加，混凝土材料空隙率在矿粉与级配作用的影响下，交互作用下降，沥青用量增加，使空隙被沥青材料填充，因此空隙率会明显下降。

4 结语

在高速公路沥青路面的沥青混凝土配合比设计中，沥青材料、集料与填料的性能参数都是沥青混凝土配合比设计中不容忽视的问题，严格执行质量规范对于提升沥青路面性能的意义重大。而在未来为了可以进一步拓展沥青混凝土配合比方案的应用范围，相关人员还需要探索复合改性沥青等材料在工程项目中应用的新方向，未来还需要深入探索专用浇注式改性沥青的开发与研究，找到其在高、低温性能、施工和易性之间的最佳平衡点。