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浅谈Superpave沥青混合料体积设计法
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内容提示：1 现行马歇尔沥青混合料设计方法的局限性 该法由密西西比州公路局布鲁斯·马歇尔（Bruce Marshall）提出，其特点是注意到沥青混合料的稳定度流值，密实度孔隙率特性。进行这样的分析以产生HMA混合料耐久性所适合的空隙比例。但是，马歇尔击实方式不可避免的会造成集料破碎，影响试件的最终试验结果，如空隙率和用油量。
1 现行马歇尔沥青混合料设计方法的局限性
该法由密西西比州公路局布鲁斯·马歇尔（Bruce Marshall）提出，其特点是注意到沥青混合料的稳定度/流值，密实度/孔隙率特性。进行这样的分析以产生HMA混合料耐久性所适合的空隙比例。但是，马歇尔击实方式不可避免的会造成集料破碎，影响试件的最终试验结果，如空隙率和用油量。（参考《建筑中文网》）
现行的马歇尔设计的一套指标主要是针对密级配常规沥青混合料制定开发的，对某一些聚合物改性沥青，例如SBS改性沥青，流值超过40仍然能用，虽然新版规范的技术指标作了一些改进，但仍需进行深入研究。
根据众多学者的研究，马氏冲击压实没有模拟实际路面形成的混合料压密特性。产生的指标，如稳定度，流值等不能反映热拌沥青混合料（HMA）的抗剪强度。从而与路面的破坏，如车辙、疲劳和低温开裂并不相关，也就不能预防路面早期破坏。因此，这个带有经验性质的方法逐渐显示出局限性。
为了克服现行沥青混合料设计方法存在的一些缺点，建立沥青混合料性能与沥青路面使用性质的直接关系，美国经过1987~1993年6年的努力，提出了一套全新的沥青混合料设计方法——Superpave沥青混合料体积设计法。Superpave混合料设计系统根据项目所在地的气候和设计交通量，把材料选择与混合料设计都集中在方法中，该方法要求在设计沥青路面时，充分考虑在服务期内温度对路面的影响，要求沥青路面在最高设计温度时能满足高温性能的要求，不产生过量的车辙；在路面最低设计温度时，能满足低温性能的要求，避免或减少低温开裂；在常温范围内控制疲劳开裂。对于沥青胶结料，采用旋转薄膜烘箱试验来模拟沥青混合料在拌和站与摊铺过程中的老化；采用压力老化容器模拟沥青在路面使用过程中的老化。对于集料，在进行沥青混合料集料级配设计时，采用控制点与限制区的概念来限定、优选试验级配设计。对于沥青混合料试件采用旋转压实仪制备。在试件压实过程中，记录旋转压实次数与试件高度的关系，从而对沥青混合料的体积特性进行评价。
3 我国的SAC沙庆林院士曾经撰文（《公路》2003.8第6期）详细介绍了当前密实式热拌混合料矿料级配的发展方向是粗集料断级配。SAC系列就是我国自主研究开发成功的粗集料断级配沥青混凝土。它从1988年11月底初完成的正定试验路，至今经过16年的不懈努力，潜心研究，已在2000Km以上的高速公路上得到应用。
4 Superpave与SAC的比较 Superpave与SAC两个最显著的区别：一是仪器设备的不同Superpave使用旋转压实仪，SAC主要还是马氏击实仪；二是矿料级配，Superpave虽然提出最大密实度线，但级配的确定依赖于经验，没有建立与结构行为有关的级配设计方法，SAC则不然。
Superpeave的主要内容之一是提供矿料级配组成的方法和具体的矿料级配。Superpave虽然不再直接使用Fuller公式来计算级配曲线，但仍按此公式画一条最大密度线后，以此为基础，在此线的上下设置7个控制点和一个限制区作为设计矿料级配或矿料颗粒组成曲线的依据。如图-1 0.45次方级配曲线
Superpeave并不主张用类似图上对角线的连续级配，它要求级配曲线既通过图上的7个控制点之间，又不要进入限制区（后来同济大学的一些试验证明通过限制区的矿料级配，其沥青混凝土的性质甚至还优于不通过限制区矿料级配沥青混凝土的性质。实际上，在美国早就不用限制区）。这样的级配曲线不再是连续级配，在美国通常要求级曲线处限制区的下面，并称其为粗集料级配。Superpeave矿料级配组成的发表，实际上等于在美国放弃了使用近百年的传统连续级配，应该说，Superpave矿料级配设计方法没有明确的原则，属于经验性的。
SAC矿料级配的设计原则是用粗集料形成骨架，用细集料填充骨架中的孔隙，使设计的沥青混凝土，既密实空气率小使水不容易透入，又具有较高的高温抗永久形变能力。SAC矿集料级配分三部分，粗细集料的分界统一为4.75mm，即大于4.75mm为粗集料，4.75~0.075mm为细集料，小于0.075mm为填料。通常使用三个控制点，第一个控制点是标称最大粒径的通过量，如95%，97.5%或100%，第二个控制点是4.75mm筛孔的通过量如30%，35%或40%，第三个控制点是0.075mm筛孔的通过量，如4~10%之间的某一个值，必要时也可以在4.75mm和0.075mm之间再设一个控制点，如1.18mm。对于矿料能配不再像以前的那样，对粗细级配给出一个较宽的级范围，而是通过计算公式确定一根矿料级配曲线。基本计算公式如下：
Pdi=A(di/Dmax)B
式中：Pdi-----------筛孔尺寸di的通过量；
Dmax --------各部分矿料的最大粒径（mm）；
di -----------某筛孔尺寸（mm）；
A 、B------系数；
SAC矿料级配设计还有一个显著特点是在矿料级配确定后，还要利用粗集料的干捣实空隙率VCADRC和沥青混凝土中粗集料的空隙率VCAAC进行检验。以期建立与结构行为有关的级配设计方法。
VCADRC方法是对矿料级配的原材料(含沥青)进行矿料级配检验。调整以及重新取得符合要求的配合比和相应的矿料级配，供做目标配合比应用。其基本原理是以风干粗集料的不同密度（如干捣密度，一般密度和疏松密度）时的孔隙率VCADR为基础，将其减去预留空隙率Va，即VCADR-Va后的可用孔隙率（用VCADRU表示）为标准，对于骨架密实结构，细集料，填料和沥青的体积率之和（可简称沥青胶砂体积，并用VOLma,B表示）恰好填满VCADRU。
VCAAC方法是用于对制成的沥青混凝土试件进行矿料级配检验，调整以及最终取得符合要求的配合比和相应的矿料级配，供做生产使用。其基本原理是，对于骨架密实结构沥青混凝土中粗集料骨架间的孔隙率，恰好被细集料，填料和沥青的体积率之和（可简称沥青胶砂体积，并用VOLma,B表示）以及预留空隙率Va所填满。通过检测建立与结构行为有关的矿料级配设计方法，使粗集料真正实现嵌挤作用。这是SAC设计的一个突破。
既然SAC与Superpave各有其优缺点，那么能否实现二者的完美统一，譬如：使用SAC的体积法级配设计理念，Superpave的旋转压实仪、胶结料PG分级及混合料性能评估、材料选择方法等。
综上所述，提出一种新的混合料设计方法设想，笔者称之为中国式Superpave,混合料设计过程如下：
1 材料选择
根据工程所在地的气温条件选择沥青胶结料，依据交通量标准选定集料。
2 集料级配选择
按照SAC矿料级配设计方法选择集料级配，对级配组成的控制仍然使用FHWA0.45次幂图。
3 确定沥青用量
按估算的初始沥青用量；初始沥青用量的±0.5%和±1.0%用SGC成型试件，按Superpave水准Ⅰ选择沥青用量。
4 对选定的混合料进行体积性质和水敏感性验证
按我国《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）要求进行车辙试验和水损害试验。混合料老化根据PP2短期老化试验，水敏感性根据T283（或可根据我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTJ052-2000,T0729-2000方法进行，但空隙率应与T283相同，Va=7%）。
以上是笔者在总结前辈科研成果的基础上，提出的一种沥青混合料体积法设计的新思路，正确与否还有待实践检验，譬如：VCADRC与VCAAC成型状态的前后一致性，体积测定的准确性等，在试验体系尚存在许多方面可导致的系统误差；且无论级配类型，集料级配都以0.45mm为粗细临界尺寸，欠妥；级配曲线在0.45次方图上是走S形还是V形，还需进一步研究。
参考文献：
1 沥青路面工程手册张登良 人民交通出版社 2004.1
2 多碎石沥青混凝土SAC系列的设计与施工 沙庆林 人民交通出版社 2005.7
3 《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004 人民交通出版社 2004.11
4 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTJ052-2000人民交通出版社 2000.8
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200603/8498.htm
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