Superpave沥青混合料设计方法探讨
摘要：Superpave沥青混合料设计方法是一种新型的混合料设计方法，从目前国内的应用来看，它较传统的马歇尔设计方法沥青混合料性能有较大的改善，有效的防止了沥青路面早期损害的发生。本文以试验为基础，依据Superpave沥青混合料设计实例对其探讨，以求指导路面设计与施工。
关键词：Superpave 青混合料设计 期损害 计实例
前言
1987年美国公路战略研究计划(SHRP)进行一项为期五年耗资5000万美元的沥青课题研究，旨在制定一个新的沥青和沥青混合料规范、试验、设计方法和评价体系。SHRP沥青课题的最终研究成果称为Superpave，即高性能沥青路面，包括胶结料规范、混合料设计体系和混合料性能分析方法。美国联邦公路局（FHWA）负责推广Superpave，并得到了AASHTO的全力支持。至1998年，除加州和内华达州，在其余各州新的胶结料性能规范已全面取代了针入度规范和粘度规范，美国有近40个州采用Superpave混合料设计方法取代马歇尔混合料设计方法。
目前我国的Superpave技术的引进和应用较为普遍，国内许多单位都纷纷购买购买和采用Superpave体系的设备和仪器，Superpave沥青胶结料规范和混合料设计规范在许多项目中已被应用。从实际路面运营的效果来看，其展现出比传统的AC类沥青混合料很多性能上的优势，有效的防止了沥青路面早期损害的发生。
本文基于已有的研究，以试验为基础，依据Sup20改性沥青混合料配合比设计实例对Superpave混合料设计方法进行探讨。
1 Sup20改性沥青混合料设计实例
1.1 集料技术性质试验
试验选用石料为石灰岩石料、沥青为科氏161SBS改性沥青，依据Superpave 设计要求，进行了集料技术性质试验，结果如下表所示：
表1-1 集料技术性质试验结果汇总表
试验项目 | 试验值 | 设计标准 | Superpave技术标准 | |
集料 认同特性 | 粗集料棱角性（%） | 100 | / | ≥100% |
细集料棱角（%） | 46.0 | / | >45% | |
扁平颗粒（％） | 5.6 | ≤15 | <10% | |
砂当量（％） | 85.6 | ≥70 | >60% | |
集料 料源特性 | 坚固性（％） | 17.5 | ≤30 | <35～45% |
安定性（％） | 3.3 | ≤12 | <10～20% | |
注：对于集料的料源特性，Superpave技术标准无具体要求，表中列出的标准为推荐值。
1.2 设计集料结构的选择
1）初选级配
依据Superpave设计的一般方法，在选择集料结构时，首先调试选出粗、中、细三个级配，根据集料的性质（密度和吸水率）出三个级配的初始用油量。然后用初始用油量成型试件。根据试验结果，计算出这三个级配的沥青混合料在空隙率为4%时所需的沥青用量及相应的沥青混合料性质，如矿料间隙率（VMA）、饱和度（VFA）、矿粉与有效沥青之比（F/A）、初始旋转次数的压实度（%Gmmat in）等。图1-1为三种初选级配的曲线图，表1-2为估算沥青用量汇总表。
图1-1 三种初选级配曲线图
表1-2 估算沥青用量汇总表
试验级配 | Gsb (g/cm3) | Gsa (g/cm3) | Gse (g/cm3) | Vba | Vbe | Ws | Pbi （%） |
1 | 2.669 | 2.720 | 2.710 | 0.0134 | 0.0897 | 2.3443 | 4.33 |
2 | 2.671 | 2.721 | 2.711 | 0.0129 | 0.0897 | 2.3450 | 4.31 |
3 | 2.673 | 2.721 | 2.712 | 0.0126 | 0.0897 | 2.3455 | 4.29 |
表中：Gsb––––级配集料毛体积密度；
Gsa––––级配集料表观密度；
Gse––––级配集料有效密度；
Vba––––集料吸收的沥青胶结料体积；
Vbe––––有效沥青胶结料的体积；
Ws––––每立方厘米混合料中集料质量；
Pbi––––估算沥青用量。
2）三种试验级配评价
根据各个级配的估算沥青用量和设计经验，拟用4.3％的沥青用量采用旋转压实仪成型试件，旋转压实仪设定的单位压力为0.6MPa。根据量数据并考虑到工程施工实际的压实条件，选择压实次数N最初=8次，N设计=100次，N最大=160次。根据Superpave 的设计标准，在进行估算用油量成型试件时，将旋转压实次数设定在N设计，本次试验为N设计=100次，估算沥青用量下各级配旋转压实试验结果汇总于表1-3。
表1-3 三种级配估算沥青用量试验结果评价表
级配 | 4%空隙率 沥青用量（％） | VMA（％） （设计次数） | VFA（％） （设计次数） | 粉胶比 | 初始次数 压实度（％） |
1 | 4.37 | 13.0 | 69.3 | 1.26 | 83.9 |
2 | 4.59 | 13.5 | 70.3 | 1.14 | 83.8 |
3 | 4.89 | 14.1 | 71.6 | 0.92 | 84.6 |
Superpave标准 | 不小于13.0 | 65～75 | 0.6～1.2* | ≤89.0 | |
注：*表示当级配通过禁区下方，粉胶比可增加到0.8～1.6。
由上表数据可知级配1、级配2和级配3均满足Superpave 设计要求，考虑到压实特性和工程实际的沥青用量，本次设计选择级配1为设计级配。
3）选择设计级配的沥青用量
设计级配确定后由表1-3并根据设计经验，取Pb为4.3%，四个沥青用量分别为：3.8%、4.3%、4.8%、5.3%。在进行确定选择级配沥青用量的试验时，压实次数应设定在N设计，本次N设计=100次。试验结果如表1-4所示：
表1-4 四种沥青用量沥青混合料体积性质
沥青用量 （％） | 在压实次数时 | 矿粉/有效沥青比例 | 初始压实度（%） | ||
压实度（％） （设计次数） | VMA（％） | VFA（％） | |||
3.8 | 94.2 | 13.4 | 57.0 | 1.48 | 82.6 |
4.3 | 95.9 | 13.1 | 68.5 | 1.28 | 83.7 |
4.8 | 97.0 | 13.1 | 77.2 | 1.13 | 86.0 |
5.3 | 98.0 | 13.2 | 84.9 | 1.01 | 87.1 |
4.34 | 96.0 | 13.1 | 69.1 | 1.27 | 83.9 |
Superpave 标准 | 96.0 | ≥13 | 65～75 | 0.8～1.60 | ≤89 |
根据四个沥青用量混合料的体积性质，通过图表插值法可以得到设计沥青用量为4.34%及其对应的体积性质。
4）设计沥青用量混合料体积性质验证
经以上分析设计结果取沥青用量为4.34%，采用沥青用量4.3%成型试件，验证 4.3% 的沥青用量在压实次数设定在N最大时对应的体积性质指标（N最大=160次），试验结果见表1-5：
表1-5 设计沥青用量验证试验结果表
沥青用量（％） | 在压实次数时 | F/A | 初始压实度（%） | 最大压实度（％） | ||
压实度（％） （设计次数） | VMA（％） | VFA（％） | ||||
4.3 | 96.0 | 13.1 | 69.2 | 1.27 | 84.1 | 97.3 |
Superpave标准 | 96.0 | ≥13 | 65～75 | 0.6～1.2* | ≤89 | ≤98 |
注：*表示当级配通过禁区下方，粉胶比可增加到0.8～1.6。
通过以上四个部分的试验和分析，我们即可确定级配1为设计级配，配合比为1#：2#：3#：4#：矿粉=21：36.5：14：25：3.5，设计沥青用量为4.3%，设计沥青用量下沥青混合料各项体积指标均满足设计要求。
2 结语
自Superpave沥青混合料设计方法在我国实践以来，可以说对道路界是一场新思想的变革，Superpave沥青混合料结构经实践证明较我们传统的密实悬浮类混合料的抗车辙性能有了明显的改善，这一设计方法的最大亮点即为引用了混合料的体积性质作为设计的关键标准，同时旋转压实的成型工艺也较传统的马歇尔击实的成型方法更能模拟实际路面车轮的搓揉作用。但作为一种新的设计方法，我们要用一分为二的观点来看问题，这一设计方法还有许多方面需要我们去研究探讨，例如：在混合料配合比设计中只是单一的以体积指标为标准，并没有引入力学性能指标这是否合适，此外由于Superpave混合料采用的级配较粗，从目前国内已修筑的Superpave路面来看渗水系数过大的路段较多。Superpave混合料级配设计中的限制区对于我国现有的石料性质还需要进一步的试验验证。相信通过大量的研究，我们会对Superpave有更加深层次的认识和改进，从而有利于提高沥青混合料质量，为公路事业做出贡献。
[1] 余叔藩译，《Superpave水准I沥青混合料设计》，部重庆公路研究所，1997.12
[2] 中华人民共和国行业标准，《公路工程沥青和沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000），人民交通出版社，2000
