Superpave沥青混合料的配合比设计与应用

Superpave沥青混合料的配合比设计与应用

于2000年，我国的京珠高速公路湖北段首次引进了Superpave试验路，同年，在江苏省内的淮江公路淮阴连接线也进行了7km的Superpave沥青路面的施工。之后的连徐、宁宿徐和宁靖盐等高速公路也进行了Superpave上、中、下面层的试验路。Superpave技术在江苏省内的应用逐步得以推广。2004年通启高速公路共线段沥青中、下面层设计分别采用了Superpave20和Superpave25的结构。虽然该路段为六车道，路幅较宽，但两台摊铺机摊铺后的混合料表面均匀，基本无离析，且基本不渗水。至2008年在如东S334沥青路面中我又再遇Superpave沥青砼，现结合多条道路施工经验，浅析Superpave沥青混合料的设计与应用。

一、Superpave设计原理

我们在进行沥青混合料配合比设计时，通常做法是千方百计调整

级配尽可能符合规范规定的中值，特别强调“应使包括0.075mm、2.36mm和4.75mm的筛孔在内的较多的通过量接近设计级配范围的中值”。在0.45次级配图上，我们可以发现大多数级配中值点接近最大密度线。也就是说，使沥青混合料能最大限度的密实是沥青混合料设计的原理。

而Superpave设计则认为随着交通量的增长，轴载的增加，我们需要更多的粗集料形成骨架，有足够的矿料间隙率和足够的沥青保持耐久性，并具有一定的空隙率使沥青能够自由迁移，这就是Superpave的设计概念。

二、级配确定

根据Superpave设计原理，Superpave的集料级配控制就完全不同于我国沥青路面技术规范的级配范围，主要采用控制点和限制区来初选级配，总体要求就是尽可能使较大的粗集料通过量多一些，而较小的粗集料通过量少一些，同时要求细集料一端不能通过规定的限制区，一般曲线均走限制区的下方，也就是限制混合料中细集料的含量。

下面我就将普通AC-25Ⅰ、AC-20Ⅰ型沥青混合料与Sup25和Sup20级配绘图进行对比。如图1、图2所示。其中改进型AC-25Ⅰ、AC-20Ⅰ型沥青混合料级配为宁靖盐UV21标中下面层合成级配，Sup25和Sup20型沥青混合料级配为如东S334公路下面层合成级配。从中可以看出AC-25Ⅰ、AC-20Ⅰ的规范中值级配曲线穿越了禁区范围，同时接近最大理论密度线；Sup合成曲线则与最大理论密度线形成较大S型交叉，完全避开禁区范围；而改进型AC-25Ⅰ、AC-20Ⅰ型沥青混合料级配界于两者之间。

三、沥青用量

Sup沥青用量是根据集料的性质即密度和吸水率计算出最初始

的用油量，然后用初始用油量及初定级配（粗、中、细）分别设计成型试件，确定级配。设计级配确定后，将设计旋转压实条件下空隙率为4%的沥青用量作为设计沥青用量。与我国普通沥青混合料沥青用量确定方法有很大的区别。

四、击实方法

根据Sup设计原理，试件成型时的旋转压实取代了马歇尔的垂直

击实。旋转压实是通过揉搓作用达到击实的目的，有效的模仿了现场碾压的状况。同时，根据交通量大小来选择初始压实次数、设计压实次数和最大压实次数。最大压实度要求是一个非常重要的指标，用于检测混合料抵抗永久变形能力。普通沥青混合料在最大压实次数压实下，空隙率均小于1%，有时几乎为零，而Sup混合料在要求最大压实次数下，压实度≤98%。提高了路面的稳定性，增强了抗变形能力。

如东S334公路Sup20和Sup25的配合比设计中采用的击实方法和压实度情

况如下表所示：

试验结果

五、设计空隙率

Sup规定沥青混合料在设计旋转压实次数时，空隙率为4%对应

的沥青用量为最佳沥青用量，这是根据实践和经验得出的。因为一个沥青混合料目标配合比设计空隙率为4%，在路面压实密度保证不低于室内压实密度的97%时，一般均能保证路面的实际空隙率小于7%，同时实际施工中路面的空隙率一般都能保证大于3%，因此确定设计空隙率为4%是合理可行的。

设计空隙率指在设计寿命末期的状态，如果寿命末期空隙率小于

3%，则沥青路面会出现车辙和推挤。有人认为空隙率越小，江苏地区的多雨水天气下，将来水损害的危险就越小，其实这并不完全正确。尤其是目前经济的发展，交通量增大，单车荷载增大，应该让设计空隙率放大一些，让集料骨架来承受荷载。这也正是Sup的设计精华所在。

空隙率如果过大，设计大于5%，路面初始空隙率大于8%，会

导致混合料较脆、水损害、早期开裂、松散等。因此Sup设计空隙率提出在旋转压实情况下最佳范围为3.5%-4.5%，允许为4%±1%。

六、粉胶比

美国最初版Sup技术标准中，沥青混合料粉胶比应控制在0.6-1.2

之间，经过几年后修改为0.8-1.6。根据江苏现场情况，粉胶比太小，混合料难以压实，于是规定当级配曲线通过禁区下方时，粉胶比可调整为0.8-1.6。本身Sup已规定了禁区，严格控制粉料的通过量，中间集料较多，施工中不易离析，粉料能均匀地分布到粗集料之间填充空隙。如果粉料太少，即使空隙率小于7%，路面仍会有较大的渗水性，易造成路面早期水损害，因此Sup中一般控制粉胶比为1.2左右。如东S334公路Sup25粉胶比为1.47。Sup20设计粉胶比为1.37，均偏大，但Sup25 和Sup20的级配曲线均沉于禁区的底部，这是满足新规定的。

规范中仅提出矿粉和沥青用量应在1.0-1.2之间，但未曾提出有效沥青的概念，目前的Sup设计就是采用的有效沥青，同时粉料也指的是矿粉及石料的0.075mm通过量之和。有效避免了矿粉太多，胶水不够，胶浆的粘结力差，造成沥青混合料松散、耐久性差、寿命短等问题。

七、生产级配控制

Sup设计要求生产配合比时的级配尽可能接近目标配合比级配，

而在正常生产时的抽提试验中，则以生产配合比级配为准。去除了生产级配必须控制在规范要求的范围之内的做法，大大增加了施工单位的可操作性。

八、对冷、热料均衡性的控制

在配合比设计中，往往设计者只考虑自己的级配是否满足要求，

拌和后的混合料各项指标控制能否满足要求。而忽略了一个冷料料源本身比例与生产配合比时的各种材料比例的协调性。根据江苏情况，沥青料一般分为1#~4#料四种，对于25料来说，材料生产产家的生产比例一般为1#料：2#：3#：4#=30：35：12：22，如东S334公路sup25料的目标配合比为1#料：2#：3#：4#=30：35：12：22，基本一致。但20料材料生产产家的生产比例一般为1#料：2#：3#：4#=24：34：7：36，如东S334公路sup20料目标配合比为1#料：2#：3#：4#=25：35：18：22，与生产产家的比例在3#料和4#料比例存在较大出入，造成4#料多，3#料严重短缺的现象，给材料的组织和生产带来较大困难。因此到厂家、跑山头集中组织3#、4#料就成了我们实施如东S334公路的一项重要任务。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。