高速公路路面沥青混合料优化设计探讨

杨家勇

(贵州桥梁建设集团有限公司，贵州　贵阳　550001)



高速公路路面沥青混合料优化设计探讨

杨家勇

(贵州桥梁建设集团有限公司，贵州贵阳550001)

为了解决我国高速公路沥青路面出现的车辙等病害，文章以某高速公路沥青路面为研究对象，对沥青混合料的配合比进行系统的优化设计研究，分别对沥青路面上、中、下面层常采用的三种沥青(ESSO-90改性沥青、ESSO-90沥青和SK-90沥青)进行性能分析，并对三种沥青混合料AC-13、AC-20和ATB-30进行优化设计，通过检测分析其各项性能指标参数，研究出最佳级配方案，为高速公路沥青路面建设提供相关理论依据和技术支持。

高速公路；路面病害；车辙；沥青混合料；优化设计

0　引言

在高速公路建设发展中，沥青路面一直受到世界各国设计、施工人员的重视和青睐，在很多实际高速公路建设工程中被广泛使用。它是一种无接缝连续式路面，具有诸多优点，如稳定性好、噪音低、力学强度高、振动小、便于维修养护、行车平稳舒适以及适应面广等[1]，在我国公路(包括高速公路以及普通公路)建设中的应用尤为广泛。据资料统计，沥青路面在高级公路路面以及次高级公路路面中所占的比例非常高，达80%以上。然而由于世界各国的社会发展工业化程度不同、

气候条件不同以及使用的沥青材料不同等原因，致使各国的公路沥青路面形式与结构大相径庭。为适应各国具体的高速公路建设发展应用和要求，需对沥青混合料的组分及其含量进行优化，研究出符合技术经济要求的最优设计方案，为高速公路工程建设施工提供相关理论依据和技术支持。

1　优化设计方法

1.1优化设计目的

对于传统的沥青混合料配比的优化采用的理论基础是堆积理论，该方法是依最大密实度为出发点，对主骨料没有按填充原则进行配料，重点在于采用较大粒径的次级料作为嵌入料，增加沥青胶浆与细集料的用量，间断级配设计采用粒子干涉理论，保证嵌挤与填充，该配比具有较大的嵌挤骨架和密实度，但是具体到实际工程中时，粗集料的嵌挤和细集料的填充难得到保证。

多级分级嵌挤级配采用综合堆积理论与粒子干涉理论，进行逐级嵌挤填充，虽然经过试验分析有良好的路用性能，但是由于混合料自身级配存在差异，波动明显，且技术工人在试配中也有较大影响，导致现场的实际级配与实验室确定的理论目标相差甚远[2]。

本文采用简便的沥青混合料配比优化方法，在保证主骨料颗粒达到充分嵌挤的情况下，同时保证细集料和沥青浆液能填充形成主骨架的空隙，改善各种不同路用性能的矛盾。

1.2优化设计步骤

嵌挤填充级配沥青混合料配比优化设计方法设计流程如图1所示。

图1　优化设计流程图

本文提出的优化方法的设计指标与要求符合规范要求，设计指标有密度、矿料间隙率VMA、剩余空隙率VV、沥青饱和度VFA、马歇尔稳定度及流值。

2　优化设计实例

本文将选取某高速公路作为实体工程进行研究，该高速公路按高速公路技术标准设计为双向四车道，路基宽度设计为24.5 m，行车速度设计为100 km/h，路面宽度设计为15 m。路面结构采用半刚性基层沥青路面，沥青面层结构设计(自下向上)为：土基；二灰土(厚度20 cm)；二灰稳定碎石(厚度34 cm)；ATB-30沥青稳定碎石(厚度10 cm)；AC-20沥青混凝土(厚度6 cm)；AC-13沥青混凝土(厚度4 cm)。本文通过对AC-13、AC-20和ATB-30三种混合料进行优化设计，研究出最佳级配方案，为高速公路的建设提供相关理论依据。

3　混合料配合比优化设计

本文将对沥青混合料配合比进行设计，得到沥青混合料最佳沥青用量，并在新建的高速公路上通过铺筑试验路段进行研究，下文将对沥青混合料配合比进行设计。并对成型的沥青路面采取钻芯取样，对取样的试件进行性能研究。

3.1沥青技术性能

沥青路面上、中、下面层分别采用ESSO-90改性沥青、ESSO-90沥青和SK-90沥青。三种沥青各项性能参数汇集如下页表1所示。

研究结果标明，ESSO-90改性沥青除了残留针入度比技术指标不满足要求外，其他的均符合规范标准；ESSO-90沥青所有技术指标均符合规范标准；SK-90沥青除了含蜡量技术指标不满足要求外，其他的均符合规范标准。

3.2AC-13沥青混合料优化设计

沥青混合料级配优化原则是工程中不片面追求道路施工平整度而导致沥青混合料空隙率偏大发生早期损坏，目标空隙率要求控制在4%左右[3]。级配设计适当减少粗集料的含量和细集料的含量，调整混合料级配，最终达到“骨架密实”的效果(渗水性小以及高温稳定等)。

初拟级配如下页表2所示。

表1　三种沥青各项性能参数表

表2　AC-13初拟级配表

对以上五组沥青混合料级配方案进行马歇尔试验与贝雷法检验，测试其空隙率、稳定度等各项指标。马歇尔试验结果汇集于表3，切面图如图2所示，贝雷法检验结果汇集于表4。

表3　马歇尔试验结果表

级配1级配2级配3级配4级配5

图2　马歇尔试件切面图

研究结果表面，级配1的空隙率过大；级配2空隙率为4.8%，但骨架大颗粒料与中颗粒料含量偏小，且矿料间隙率也过小；级配3与级配2进行比较，明显稳定性不足，故级配2中的细集料部分相对合理；级配4和级配5增加了大颗粒(4.76～13.3 mm)的含量，而一定程度地减少了小颗粒(2.36～4.76 mm)的含量，从而很好地改善了骨架的密实性，但是级配4的空隙率为5.6%，偏大，且稳定度不足。综合比较，级配5的骨架结构是最理想的，各项性能参数均满足要求。

对级配5的各项性能进行进一步测定，汇集于表5。

表5　级配5的各项性能检测结果表

结果标明，级配5的沥青混合料各项性能均满足要求，综合性能优良。

3.3AC-20沥青混合料优化设计

级配分为A、B、C、D，各参数如表6所示。级配组成如表7所示。

表6　各级配参数表

马歇尔试验结果汇集于表8，试件切面图见图3，贝雷法检验结果汇集于表9。

表7　矿料级配组成表

表8　马歇尔试验结果表

图3　级配A、B、C、D试件切面图

级配类型CAFAfFAcCAFAfFAc级配A0.680.540.51级配B0.650.460.51级配C0.590.440.48级配D0.490.520.56

分析可知，级配A、B、C中粒径在0.3 mm以下的细集料含量少，导致沥青混合料的毛体积密度随之减少且沥青饱和度也逐渐减少，稳定度也变小；另外，级配A、B、C的FAc与CA性能指标均逐渐减小，但是空隙率和矿料间隙率性能指标却逐渐增大。级配A和级配B的矿料间隙率无法满足规范要求，且级配C的稳定度低，高温强度不足[4]。而级配D的各项性能指标均满足要求。

3.4ATB-30沥青稳定碎石优化设计

级配分为A、B两组，级配组成如表10所示。

马歇尔试验结果如表11和表12，贝雷法检验结果如表12所示。试件切面图如图4所示。

表11　体积指标表

表12　马歇尔试验结果及贝雷法检验结果表

(a)级配A

(b)级配B

研究结果表明，第2组即级配B沥青稳定碎石优化设计的空隙率等各项性能指标均满足要求，且各项性能均优于级配A。

4　结语

本文分别对沥青路面的上面层(材料选用ESSO-90改性沥青)、中面层(材料选用ESSO-90沥青)和下面层(材料选用SK-90沥青)进行了材料性能指标分析。三种材料的各项性能中除个别指标不满足要求外，主要技术参数及性能指标均满足规范要求。通过对AC-13、AC-20和ATB-30三种混合料进行优化设计，将AC-13沥青混合料级配优化成骨架密实的S型，具有渗水性小、空隙率适宜以及高温稳定性好等特点；采用变i法对AC-20沥青混合料进行优化，使其各项性能参数均满足要求，尤其是稳定度指标最为突出，优于规范要求；对ATB-30沥青稳定碎石进行马歇尔试验，对其级配进行优化。本文研究分析最佳级配方案，以期为高速公路的建设提供相关理论依据和技术支持。

[1]肖川.橡胶沥青及混合料高温性能与施工工艺研究[D].重庆：重庆交通大学，2009.

[2]孙己龙.高速公路沥青混合料配合比优化设计方法研究[D].西安：长安大学，2010.

[3]蔡旭.沥青路面抗车辙性能评价及结构优化[D].广州：华南理工大学，2013.

[4]杨延新.津汕高速公路小泊头段沥青混合料的设计及施工工艺控制[D].长春：吉林大学，2007.

Discussions on Optimization Design of Expressway Pavement Asphalt Mixtures

YANG Jia-yong

(Guizhou Bridge Construction Group Co.，Ltd.，Guiyang，Guizhou，550001)

In order to solve the rutting and other emerging diseases of expressway asphalt pavement in China，with an expressway asphalt pavement as the research object，this article conducted the systematical optimization design study on mix ratio of asphalt mixtures，with performance analysis respectively on three kinds of asphalt(ESSO-90 modified asphalt，ESSO-90 asphalt and SK-90 asphalt)often used in upper，middle and lower surface layers of asphalt pavement，and conducted the optimization design for three kinds of asphalt mixtures AC-13，AC-20 and ATB-30，analyzed their all performance parameters through the inspection，and came up with the best grading program，thereby providing the relevant theoretical basis and technical support for the construction of expressway asphalt pavement.

Expressway；Pavement diseases；Rut；Asphalt mixtures；Optimization design

U414

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.009

1673-4874(2016)08-0034-04

2016-06-15

杨家勇(1981—)，工程师，研究方向：公路桥梁施工。