Sup20沥青混合料VMA指标的重要意义

王涛

（中交第三航务工程局有限公司江苏分公司）

VMA 定义为压实沥青混合料的矿料间隙率，即试件全部矿料部分以外的体积占试件总体积的百分率[1]。反过来说，VMA 就是沥青体积和空隙体积之和占压实试件总体积的百分率，即VMA 指标在沥青配合比设计阶段，对于沥青用量的选取、空隙率的范围、骨架结构的设计是很有指导意义的，很多试验人员在配合比设计阶段往往对于这个指标理解不深，往往导致在同样结构层配合比设计的时候，配合比设计结果千差万别，最终影响沥青路面铺筑的质量和耐久性。本文从Sup20 沥青混合料设计VMA 指标的调整方法，详细阐述VMA 指标对于沥青混合料配合比设计的重要指导意义。

目前对于Sup 系列结构全国各省已经有了多年的应用经验，最早是由江苏省交通科学研究院贾渝等人从美国引进的技术，它的设计体系要求根据工程所在地的气候和交通条件进行材料的选择和混合料设计，提出了全新的混合料级配概念和级配设计范围，采用旋转压实方法作为混合料设计手段，更加接近现场的压实工艺，试验和现场结果相关性较强，起到有效的施工指导意义[2]。目前常规结构主要有Sup25、Sup20、Sup13，三种结构的体积指标如表1所示。

表1 Superpave混合料马歇尔技术指标

从表1可以看到，随着结构层由下往上，VMA指标是逐层增加的，但Superpave 混合料设计的空隙率是4%，也就是随着结构层由下往上沥青含量是要逐层增加的，才能满足VMA 指标要求。这个里面好多配合比设计人员就有很多疑问，比如Sup20 和Sup25 就一个公称最大粒径的差别，VMA 指标却要相差1 个点，Sup25 混合料VMA 指标很容易满足设计要求，但Sup20 混合料VMA 指标满足设计要求却很困难，自认为不应该用这么多沥青用量，就江苏地区常用石灰岩应用而言，Sup25 沥青用量3.9%左右，而Sup20 如果要满足VMA 指标要求，沥青用量需要4.2%左右，沥青用量相差较大[3]，一段时间好多试验人员和学者也会有这样的想法，认为Sup20 混合料VMA 控制指标有问题，不应该那么大。其实有这种想法的人对Sup20 理解不够深刻，目前在公路行业经常看到所谓的Sup20 混合料，实际上很多是易于压实假性Sup20，并没有达到结构真正的意义。下面从混合料设计和应用的角度去分析Sup20混合料VMA指标的意义。

1 VMA设计指标现状

Sup20 沥青混合料主要应用于道路的中下面层，在高速公路上主要应用于中面层，中面层的功能不仅要求提供较强的抗车辙能力，还要提供较强的低温抗裂性能[4]。抗车辙性能主要有矿料骨架和沥青胶结料共同作用，低温抗裂性能主要来源于沥青膜的厚度，厚度越大低温抗裂性能越强、路面耐久性越强[5]。根据美国SHRP 计划研究成果，Sup20 混合料VMA 技术要求≥13[6]。这个指标往往让初学者感到疑惑，因为在混合料配合比设计过程中很难达到，而Sup25 和Sup13 混合料VMA 技术指标很容易满足设计要求。本文汇总了江苏地区部分高速公路和地方道路VMA指标设计结果，如表2所示。

表2 江苏地区部分高速公路和地方道路Sup20混合料VMA设计结果

从上述数据可以看出，高速公路的设计沥青用量是明显高于国省干线的沥青用量，VMA 指标高速公路基本满足目前设计要求，国省干线Sup20 对于这个指标是明显不足的，并没有达到真正的设计意图。

2 设计指标的调整方法

很多初次接触Sup20的试验人员对于VMA技术指标的调整很是迷惑，认为是本身指标的问题，并不影响施工质量，而且目前按照较低的沥青用量、较低的VMA 指标施工，现场也没有明显的病害发生，既省钱也能确保施工质量，这种情况有过一段漫长的时间段，甚至最后都很少有人关心技术指标的问题，这也是目前行业最大的问题，只关注眼前的质量，不关注远期耐久性问题和设计真正的目的。行业很少关注真正的Sup20 结构到底是一种什么结构。本文针对VMA 列举某典型的配合比设计存在的问题，如某Sup20 配合比设计中，根据目标配合比设计确定的最佳油石比，本次生产配合比采用最佳油石比为4.3%，分别进行了最佳油石比、最佳油石比±0.3%条件下设计次数下的旋转压实试验（N 设计=100）。即采用4.0%、4.3%、4.6%三种油石比进行旋转压实试验，矿料合成表观相对密度为2.766，矿料合成毛体积相对密度为2.691，矿料合成有效相对密度为2.741，混合料试验结果如表3、表4、表5所示，设计级配如图1所示。

图1 混合料设计级配

表3 不同油石比旋转压实试验结果

表4 最大次数下体积指标试验结果

表5 生产配合比马歇尔稳定度试验结果

根据以上数据可知，该生产配合比除了旋转压实VMA指标不满足现行大于13的标准要求，其它指标均满足技术规范要求。那么究竟应该如何调整才能保证VMA 技术指标满足设计要求。首先验证矿料密度。因为在计算VMA 的过程中，矿料合成毛体积相对密度是参与公式计算的，它的准确性至关重要，直接影响级配选择和混合料数据准确性[7]，以往在很多配合比设计中也发现，矿料密度明显是不符合实际情况的，很多重要数据存在明显问题，直接影响后续级配的选择和数据的合理性，这样是设计不出一个优秀的配合比。其次调整矿料合成级配，上述生产比例在油石比4.3%的情况下压实情况较好，空隙率接近4.0%，对于Sup20 这种结构就要及时调整矿料比例，传统思维是将矿料级配调整成容易压实的级配[8]，而针对该种情况，要将级配调整成难以压实的级配，原4.3%油石比旋转压实空隙率将高于4.0%，再不断上调沥青用量，直到合适的沥青用量下VMA 和空隙率满足技术指标要求。在调整级配的过程中，可以选择多个矿料级配，直到选择合适的矿料级配。这个级配调整是一些初学者很少尝试的方法，因为每种级配都包含着大量的混合料试验，工作量是较大的。

3 应用效果

根据江苏地区建成Sup20 道路使用效果的总结分析，高速公路由于借助多方管理和技术服务，对于Sup20 的使用关键点的控制还是非常精准，真正用到了该结构的精髓，既有较强的抗车辙效果，又有良好的低温抗裂性能，在已建成的高速公路中，大部分高速公路使用寿命已超过20 年，路面病害依旧非常少，这和过程中质量严格控制是分不开的。

地方国省干线在施工过程中，技术指标控制没有高速那么严格，关注的重点还是偏向于事后检测质量的合格率情况，对于前期配合比设计并没有开展针对性专题会议或总结，大部分施工或管理单位，对于Sup20 这种结构关键点的把控不是很到位，致使在国省干线中施工的Sup20 介于真正的Sup20 和AC20 之间。在这里，我们不得不提的一个现象，也是存在很长一段时间的误区，就是渗水系数和外观问题。一些理解不深的管理者总是愿意用自己想法去控制施工质量和外观，总认为不渗水是好的、外观细一点是好的，这种认知是错误的，这也间接导致了我们施工的Sup20 越来越细，甚至有些地方能将Sup20 做成AC20F 型结构，这是不可取的。随着使用年限的增加，高速公路依旧保持这较好的运营状态，反观地方国省干线，好多道路已经出现了严重的车辙型病害，这当然和国省干线重载车辆多、频繁刹车剪切密切相关，抛开该种因素，Sup20 结构偏细、VMA 技术指标不合格有很大的影响。

4 总结

在Sup20 结构配合比设计中，我们曾经走过很多弯路，对于指标的理解也是由浅入深，一个优秀的配合比设计，表面上是控制空隙率，实则是控制VMA 技术指标，它是混合料设计关键性指标，该指标必须满足技术要求才能做好“原汁原味的Sup20”，对于该种结构“难于压实”方能成就长寿命沥青路面。希望本文能够帮助较多的初学者尽快领悟Sup20 的设计精髓，最大程度发挥该种结构带来的优秀效果。