浦南高速公路沥青混合料配合比设计复核研究

 

1　引言

    浦南高速公路路面结构采用32cm水稳底基层，15cm级配碎石基层，16cmATB-25沥青碎石基层、6cmAC-20C下面层、4cmAC-13C上面层。底基层与级配碎石基层间喷洒1cm厚的乳化沥青（慢裂）封层。规范规定对沥青混合料配合比的设计采用三阶段配合比设计法。这三阶段分别为目标配合比设计阶段、生产配合比设计阶段、生产配合比验证阶段（试拌、试铺阶段）。这一方法的目的是为了使设计程序化和深入化，使设计结果更加符合生产实际，以充分起到指导施工的作用。下面就浦南高速公路沥青混合料配合比设计复核研究谈几点体会。

2　目标配合比设计复核

2.1　原材料检测

    要保证工程质量，必须对工程材料进行严格的选择和检验，这也是在沥青混合料配合比设计前必不可少的一个重要环节。组成沥青混合料的原材料主要有：不同规格的粗集料、细集料、填充料（矿粉）、胶结料（沥青）。选择原材料基本原则是：技术性好（满足技术指标要求），经济性好，结合环保就地取材。

2.1.1 沥青

    沥青是沥青混合料的主要组成材料之一，是决定沥青混合料质量的主要因素。因此选择沥青时，除了要注意沥青自身品质的优劣以外，还要注意沥青标号对当地环境、气候的适应性，既要兼顾冬季的抗裂性，又要兼顾到夏季的抗塑变能力。浦南高速公路夏季温度高、高温持续时间长，属重载交通，而且地处山区，坡道、弯道较多，故在沥青碎石基层及下面层选用A级70沥青，上面层选用SBS改性沥青（I-D型）。

2.1.2 集料

    粗、细集料应从源头把关，做到洁净、干燥。粗集料的压碎值、磨光值、磨耗值、粘附性、针片状颗粒含量、吸水率等指标应满足现行规范要求；细集料洁净程度、表观相对密度、坚固性、棱角性等指标均应满足现行规范要求。对已经选定材料来说，在料源变化不大的情况下，由于破碎工艺不同，加上破碎场管理上的问题，针片状颗粒含量、<0.075mm颗粒含量、砂当量等指标会产生较大波动，我试验室对此进行严格把关。在配合比设计复核工作中，碰到最多的是细集料砂当量不合格，要求施工单位整改，主要措施是片石冲洗，破碎场加大除尘。原材料符合要求方可进行配合比试验，并要求监理试验室加强抽检，保证正常施工时原材料质量稳定。

2.1.3 填料

    选择填料时一定要考虑能否满足亲水性和细度要求，能否改善沥青与集料的粘结力。根据集料不同性质选择不同的填料，对于碱性集料，可选择磨细的石粉作填料；对于中性材料，可使用磨细的石灰石粉；另外，根据不同情况还可选用水泥消石灰等作填料。浦南高速公路采用的填料为矿粉掺20%消石灰。

2.2　级配方案选用

    选择合适的沥青混合料级配类型是确保沥青混凝土路面面层质量的前提。沥青混合料面层的设计一般依据《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）。在进行配合比设计时，应尽量使级配曲线在规范中值处圆顺、少折角，通常情况下，合成级配曲线宜尽量接近设计级配中限，尤其应使0.075mm、2.36mm和4.75mm筛孔的通过量尽量接近设计级配范围的中限；对于重交通的高速公路面层，宜偏向级配范围的下（粗）限。

    在对原材料进行多次筛分试验后，确定单档集料级配稳定的情况下，根据本省其他路段已有经验，预估一个适宜的沥青含量进行室内马歇尔试验，初定一个级配做为设计级配。浦南高速公路共设计复核了27个目标合比（其中ATB-25 11个、AC-20C 10个、AC-13C 6个），结合马歇尔所得各项指标结果兼顾所选用集料实际生产比例，选用级配方案参见表1~3，图1~3。： 

2.3 马歇尔试验

    以预估的沥青含量为中值按±0.3%分别成型三组马歇尔试件，测定试件的各项指标，如果试验结果不满足规范要求，则需重新调整级配比例，重新进行马歇尔试验。

    马歇尔试验得到的主要试验结果为空隙率，按省高指施工指南要求，沥青混凝土空隙率宜控制在3%~7%之间。浦南高速公路沥青路面ATB-25碎石基层空隙率一般控制在4.8%~5.3%之间，AC-20C下面层空隙率一般控制在4.5%~5.0%之间，AC-13C上面层空隙率一般控制在4.0%~4.5%之间。 

2.4 沥青含量的确定

    根据浦南高速公路的设计特点，沥青含量在满足规范的要求下，尽量取低值。

2.5 配合比设计检验

    根据我省实践经验，配合比设计检验主要进行旋转压实试验、水稳定性检验和高温稳定性检验。根据验证结果，若达不到相关规定则另选材料、调整级配或采取其他措施重做试验，直到符合要求，确定出较理想的目标配合比。

3　生产配合比设计复核

    目标配合比确定以后，要使实际施工中所采用的沥青混合料拌和设备进行生产配合比设计。生产配合比设计阶段的试验过程基本同目标配合比设计一样，包括原材料的检测，合成级配的计算，马歇尔试件的制作、测试及最佳油石比选定等。

    进行生产配合比设计时最关键的也是级配合成，使之接近目标配合比级配，视拌和楼性能，有时生产配合比的级配合成也要进行多次才能成功。以浦南高速公路AB2标2#拌和楼为例，在进行ATB-25生产配合比设计时，第一次取样，0~3规格集料0.075mm档通过率9.8%，与冷料差不多。可判断其吸尘装置没有起到作用，基本上是将集料加热一下就放出来了。第二次取样，0~3规格集料0.075mm档通过率1.2%，也非常异常，原因是吸尘装置功率开的过大，不符合实际生产情况。直至第三次取样，各档级配情况才正常，通过调整比例使生产配合比级配接近目标级配。

    浦南高速公路共6个合同段，大多合同段有2个拌和楼，拌和楼由于各仓筛孔尺寸设置不一，故同一个目标配合比应用到不同拌和楼都需进行生产配合比设计。浦南高速公路我们共复核了44个生产配合比。在级配控制方面，大部分生产级配关键筛孔可以控制在目标级配通过率的±1%范围内，生产配合比所确定沥青含量能在目标配合比的所确定沥青含量的±2%。个别经反复调整仍达不到要求的生产配合比，则需重新进行目标配合比设计。

4　生产配合比验证(试拌、试铺)

    生产配合比的验证是通过实际施工对预期结果的验证，也是从感性的角度对沥青混合料配合比设计的评估，同时也是对施工单位制定的施工方案的检验，检验拌和、运输、摊铺、碾压工艺等的可行性和设备的匹配情况。这可从混合料的颜色、拌和均匀度、离析情况、碾压后的表面状况等方面做出判断。

    我试验人员对试拌试铺的混合料及时取样，进行沥青含量和马歇尔试验，对碾压段进行钻芯取样等各种检验。若有指标不到规范要求，则查找原因，重新进行试拌和试铺，直至达到设计要求。经试铺成功后的生产配合比确定为生产用标准配合比。

5　工作过程中碰到的几个问题

5.1 取样

    确定一个合理的级配是沥青混合料配合比设计的关键。同样一种集料，不同试验人员在不同时间会得到不同的试验结果。为避免争议，在浦南高速公路配合比设计复核工作中，我们和业主、监理、施工单位四方共同取样，用分样器现场分成四份。这样既解决了争议，又提高了取样的代表性。

5.2 级配

    现行沥青路面施工技术规范的规定的级配小于4.75部分细集料量较多，沥青混合料易出现过密现象，试件空隙偏小，抗车辙能力较小。浦南高速公路沥青面层用沥青混合料级配，小于4.75ｍｍ部分细集料适当减小，在规范中值偏下，以提高混合料嵌挤作用。

5.3　粉胶比

    根据规范要求，对常用的公称最大粒径为13.2～19mm的密级配沥青混合料，粉胶比宜控制在0.8～1.2mm范围内，但因为浦南高速公路配合比级配细料偏粗，相应集料的表面积系数较小，如果为满足粉胶比要求，盲目降低<0.075颗粒含量，则会造成沥青膜厚度过厚，不利于混合料的综合性能。故浦南高速公路中下面层配合比的粉胶比大多在1.3～1.6范围内。

5.4　矿料间隙率

    试验过程中发现，当上面层采用砂岩时，矿料间隙率指标往往达不到规范要求。浦南高速公路CB2标上面层采用沙县青州的砂岩，目标配合比设计时，沥青含量采用4.8%时，空隙率4.8%，按规范要求矿料间隙率应大于14.8%，实际矿料间隙率只有13.9%。我省以往高速公路上面层采用砂岩时亦出现过类似情况，因为砂岩容易击实，使用较低的沥青含量就能达到较为理想的空隙率，而砂岩的密度较灰绿岩小，所以矿料间隙率往往达不到要求。因此，建议规范对砂岩的矿料间隙率指标要求适当放宽。

5.5 车辙试验

    根据规范要求，试验室成型试件的拌和温度为60℃，动稳定度试验应与热拌沥青混合料使用地区的气候有关，如果当地的最高气温只有２５ ℃，规定用６０ ℃的温度进行车辙试验，则要求的温度过高；相反如果当地的最高气温为４０ ℃以上，规定用６０ ℃的温度进行车辙试验，则要求的温度过低。如果规定各地根据当地的最高气温与沥青路面最高温度来进行车辙试验，效果会更好。

5.6 旋转压实试验

    由于马歇尔试验采用的击实方式不可避免地会造成集料破碎，影响试件的最终试验结果，如空隙率和用油量等。更为重要的是马歇尔试验方法无法模拟路面碾压实际情况，不能正确评价沥青混合料的抗剪强度。而剪切旋转压实仪可以近似地模拟荷载在公路上行驶时轮胎与路面的相互作用，通过旋转压实，使试件中沥青混合料的密实度达到汽车轮胎实际作用于路面时所产生的密实度，既模拟荷载在路面上产生的垂直压应力。在试件压实的过程中，剪切旋转压实仪能够通过采集的试件混合料压实数据(空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、压实度及有效沥青含量等)，建立与旋转压实次数的对应关系，根据在一定条件下的Superpave交通水准及路面设计交通荷载情况，确定级配的合理性及沥青混合料最佳用油量。所以我省的配合比设计检验，除了进行水稳定性检验和高温稳定性检验外，还要要求进行旋转压实试验。

6　结束语

    沥青混合料的路用性能非常复杂，国内许多机构和专家进行了长期艰苦的研究和探索，得出了许多有价值的结论，并在工程实践中得到了应用，取得了较好的效果。在具体的实践过程中，要以国家规范作为依据，但又不能拘泥于规范；要努力采用国际上的先进经验，使沥青混合料配合比设计水平得到提高。