高速公路路面瀝青混合料優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

楊家勇

(貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，貴州　貴陽(yáng)　550001)

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高速公路路面瀝青混合料優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

楊家勇

(貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，貴州貴陽(yáng)550001)

為了解決我國(guó)高速公路瀝青路面出現(xiàn)的車轍等病害，文章以某高速公路瀝青路面為研究對(duì)象，對(duì)瀝青混合料的配合比進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，分別對(duì)瀝青路面上、中、下面層常采用的三種瀝青(ESSO-90改性瀝青、ESSO-90瀝青和SK-90瀝青)進(jìn)行性能分析，并對(duì)三種瀝青混合料AC-13、AC-20和ATB-30進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)檢測(cè)分析其各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)，研究出最佳級(jí)配方案，為高速公路瀝青路面建設(shè)提供相關(guān)理論依據(jù)和技術(shù)支持。

高速公路；路面病害；車轍；瀝青混合料；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0　引言

在高速公路建設(shè)發(fā)展中，瀝青路面一直受到世界各國(guó)設(shè)計(jì)、施工人員的重視和青睞，在很多實(shí)際高速公路建設(shè)工程中被廣泛使用。它是一種無(wú)接縫連續(xù)式路面，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如穩(wěn)定性好、噪音低、力學(xué)強(qiáng)度高、振動(dòng)小、便于維修養(yǎng)護(hù)、行車平穩(wěn)舒適以及適應(yīng)面廣等[1]，在我國(guó)公路(包括高速公路以及普通公路)建設(shè)中的應(yīng)用尤為廣泛。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，瀝青路面在高級(jí)公路路面以及次高級(jí)公路路面中所占的比例非常高，達(dá)80%以上。然而由于世界各國(guó)的社會(huì)發(fā)展工業(yè)化程度不同、

氣候條件不同以及使用的瀝青材料不同等原因，致使各國(guó)的公路瀝青路面形式與結(jié)構(gòu)大相徑庭。為適應(yīng)各國(guó)具體的高速公路建設(shè)發(fā)展應(yīng)用和要求，需對(duì)瀝青混合料的組分及其含量進(jìn)行優(yōu)化，研究出符合技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，為高速公路工程建設(shè)施工提供相關(guān)理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1　優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

1.1優(yōu)化設(shè)計(jì)目的

對(duì)于傳統(tǒng)的瀝青混合料配比的優(yōu)化采用的理論基礎(chǔ)是堆積理論，該方法是依最大密實(shí)度為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)主骨料沒(méi)有按填充原則進(jìn)行配料，重點(diǎn)在于采用較大粒徑的次級(jí)料作為嵌入料，增加瀝青膠漿與細(xì)集料的用量，間斷級(jí)配設(shè)計(jì)采用粒子干涉理論，保證嵌擠與填充，該配比具有較大的嵌擠骨架和密實(shí)度，但是具體到實(shí)際工程中時(shí)，粗集料的嵌擠和細(xì)集料的填充難得到保證。

多級(jí)分級(jí)嵌擠級(jí)配采用綜合堆積理論與粒子干涉理論，進(jìn)行逐級(jí)嵌擠填充，雖然經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析有良好的路用性能，但是由于混合料自身級(jí)配存在差異，波動(dòng)明顯，且技術(shù)工人在試配中也有較大影響，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際級(jí)配與實(shí)驗(yàn)室確定的理論目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)[2]。

本文采用簡(jiǎn)便的瀝青混合料配比優(yōu)化方法，在保證主骨料顆粒達(dá)到充分嵌擠的情況下，同時(shí)保證細(xì)集料和瀝青漿液能填充形成主骨架的空隙，改善各種不同路用性能的矛盾。

1.2優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

嵌擠填充級(jí)配瀝青混合料配比優(yōu)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1　優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

本文提出的優(yōu)化方法的設(shè)計(jì)指標(biāo)與要求符合規(guī)范要求，設(shè)計(jì)指標(biāo)有密度、礦料間隙率VMA、剩余空隙率VV、瀝青飽和度VFA、馬歇爾穩(wěn)定度及流值。

2　優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例

本文將選取某高速公路作為實(shí)體工程進(jìn)行研究，該高速公路按高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為雙向四車道，路基寬度設(shè)計(jì)為24.5 m，行車速度設(shè)計(jì)為100 km/h，路面寬度設(shè)計(jì)為15 m。路面結(jié)構(gòu)采用半剛性基層瀝青路面，瀝青面層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(自下向上)為：土基；二灰土(厚度20 cm)；二灰穩(wěn)定碎石(厚度34 cm)；ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石(厚度10 cm)；AC-20瀝青混凝土(厚度6 cm)；AC-13瀝青混凝土(厚度4 cm)。本文通過(guò)對(duì)AC-13、AC-20和ATB-30三種混合料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究出最佳級(jí)配方案，為高速公路的建設(shè)提供相關(guān)理論依據(jù)。

3　混合料配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文將對(duì)瀝青混合料配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到瀝青混合料最佳瀝青用量，并在新建的高速公路上通過(guò)鋪筑試驗(yàn)路段進(jìn)行研究，下文將對(duì)瀝青混合料配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)。并對(duì)成型的瀝青路面采取鉆芯取樣，對(duì)取樣的試件進(jìn)行性能研究。

3.1瀝青技術(shù)性能

瀝青路面上、中、下面層分別采用ESSO-90改性瀝青、ESSO-90瀝青和SK-90瀝青。三種瀝青各項(xiàng)性能參數(shù)匯集如下頁(yè)表1所示。

研究結(jié)果標(biāo)明，ESSO-90改性瀝青除了殘留針入度比技術(shù)指標(biāo)不滿足要求外，其他的均符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；ESSO-90瀝青所有技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；SK-90瀝青除了含蠟量技術(shù)指標(biāo)不滿足要求外，其他的均符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

3.2AC-13瀝青混合料優(yōu)化設(shè)計(jì)

瀝青混合料級(jí)配優(yōu)化原則是工程中不片面追求道路施工平整度而導(dǎo)致瀝青混合料空隙率偏大發(fā)生早期損壞，目標(biāo)空隙率要求控制在4%左右[3]。級(jí)配設(shè)計(jì)適當(dāng)減少粗集料的含量和細(xì)集料的含量，調(diào)整混合料級(jí)配，最終達(dá)到“骨架密實(shí)”的效果(滲水性小以及高溫穩(wěn)定等)。

初擬級(jí)配如下頁(yè)表2所示。

表1　三種瀝青各項(xiàng)性能參數(shù)表

表2　AC-13初擬級(jí)配表

對(duì)以上五組瀝青混合料級(jí)配方案進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)與貝雷法檢驗(yàn)，測(cè)試其空隙率、穩(wěn)定度等各項(xiàng)指標(biāo)。馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果匯集于表3，切面圖如圖2所示，貝雷法檢驗(yàn)結(jié)果匯集于表4。

表3　馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表

級(jí)配1級(jí)配2級(jí)配3級(jí)配4級(jí)配5

圖2　馬歇爾試件切面圖

研究結(jié)果表面，級(jí)配1的空隙率過(guò)大；級(jí)配2空隙率為4.8%，但骨架大顆粒料與中顆粒料含量偏小，且礦料間隙率也過(guò)??；級(jí)配3與級(jí)配2進(jìn)行比較，明顯穩(wěn)定性不足，故級(jí)配2中的細(xì)集料部分相對(duì)合理；級(jí)配4和級(jí)配5增加了大顆粒(4.76～13.3 mm)的含量，而一定程度地減少了小顆粒(2.36～4.76 mm)的含量，從而很好地改善了骨架的密實(shí)性，但是級(jí)配4的空隙率為5.6%，偏大，且穩(wěn)定度不足。綜合比較，級(jí)配5的骨架結(jié)構(gòu)是最理想的，各項(xiàng)性能參數(shù)均滿足要求。

對(duì)級(jí)配5的各項(xiàng)性能進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)定，匯集于表5。

表5　級(jí)配5的各項(xiàng)性能檢測(cè)結(jié)果表

結(jié)果標(biāo)明，級(jí)配5的瀝青混合料各項(xiàng)性能均滿足要求，綜合性能優(yōu)良。

3.3AC-20瀝青混合料優(yōu)化設(shè)計(jì)

級(jí)配分為A、B、C、D，各參數(shù)如表6所示。級(jí)配組成如表7所示。

表6　各級(jí)配參數(shù)表

馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果匯集于表8，試件切面圖見(jiàn)圖3，貝雷法檢驗(yàn)結(jié)果匯集于表9。

表7　礦料級(jí)配組成表

表8　馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表

圖3　級(jí)配A、B、C、D試件切面圖

級(jí)配類型CAFAfFAcCAFAfFAc級(jí)配A0.680.540.51級(jí)配B0.650.460.51級(jí)配C0.590.440.48級(jí)配D0.490.520.56

分析可知，級(jí)配A、B、C中粒徑在0.3 mm以下的細(xì)集料含量少，導(dǎo)致瀝青混合料的毛體積密度隨之減少且瀝青飽和度也逐漸減少，穩(wěn)定度也變??；另外，級(jí)配A、B、C的FAc與CA性能指標(biāo)均逐漸減小，但是空隙率和礦料間隙率性能指標(biāo)卻逐漸增大。級(jí)配A和級(jí)配B的礦料間隙率無(wú)法滿足規(guī)范要求，且級(jí)配C的穩(wěn)定度低，高溫強(qiáng)度不足[4]。而級(jí)配D的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求。

3.4ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石優(yōu)化設(shè)計(jì)

級(jí)配分為A、B兩組，級(jí)配組成如表10所示。

馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表11和表12，貝雷法檢驗(yàn)結(jié)果如表12所示。試件切面圖如圖4所示。

表11　體積指標(biāo)表

表12　馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果及貝雷法檢驗(yàn)結(jié)果表

(a)級(jí)配A

(b)級(jí)配B

研究結(jié)果表明，第2組即級(jí)配B瀝青穩(wěn)定碎石優(yōu)化設(shè)計(jì)的空隙率等各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求，且各項(xiàng)性能均優(yōu)于級(jí)配A。

4　結(jié)語(yǔ)

本文分別對(duì)瀝青路面的上面層(材料選用ESSO-90改性瀝青)、中面層(材料選用ESSO-90瀝青)和下面層(材料選用SK-90瀝青)進(jìn)行了材料性能指標(biāo)分析。三種材料的各項(xiàng)性能中除個(gè)別指標(biāo)不滿足要求外，主要技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。通過(guò)對(duì)AC-13、AC-20和ATB-30三種混合料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將AC-13瀝青混合料級(jí)配優(yōu)化成骨架密實(shí)的S型，具有滲水性小、空隙率適宜以及高溫穩(wěn)定性好等特點(diǎn)；采用變i法對(duì)AC-20瀝青混合料進(jìn)行優(yōu)化，使其各項(xiàng)性能參數(shù)均滿足要求，尤其是穩(wěn)定度指標(biāo)最為突出，優(yōu)于規(guī)范要求；對(duì)ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，對(duì)其級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化。本文研究分析最佳級(jí)配方案，以期為高速公路的建設(shè)提供相關(guān)理論依據(jù)和技術(shù)支持。

[1]肖川.橡膠瀝青及混合料高溫性能與施工工藝研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2009.

[2]孫己龍.高速公路瀝青混合料配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

[3]蔡旭.瀝青路面抗車轍性能評(píng)價(jià)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.

[4]楊延新.津汕高速公路小泊頭段瀝青混合料的設(shè)計(jì)及施工工藝控制[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，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

楊家勇(1981—)，工程師，研究方向：公路橋梁施工。