王小華， 馬進

(1.柳州高速公路運營有限公司， 廣西 柳州 545005；2.廣西交投科技有限公司)

1 前言

桂(林)柳(州)高速公路為水泥混凝土路面，自1997年通車以來，由于交通流量較大、超載重載車輛比例高、又地處桂北山區(qū)，水泥路面損壞嚴重。為了改善路況，桂柳高速公路于2015年開始實施水泥路面加鋪瀝青面層的舊路改造工作。針對桂柳高速公路沿線夏季炎熱、高溫多雨，交通量大、荷載重，長大縱坡較多等工程特點，經(jīng)過多方論證，瀝青加鋪結(jié)構(gòu)的表面層最終設(shè)計為SMA13瀝青混凝土。

目前，國內(nèi)外研究人員針對SMA路面開展了大量的試驗研究和工程應(yīng)用，JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》也對其如何設(shè)計做出了相應(yīng)的規(guī)定。既有研究中，SMA在進行材料組成設(shè)計時，通常使用50次馬歇爾擊實試驗結(jié)果來確定最佳油石比，并據(jù)此進行路用性能評價。這種設(shè)計思想對于中、輕交通等級的道路具有一定的合理性，但對于桂柳高速公路這種重載交通、長大縱坡路段多的山區(qū)道路而言，由于擊實次數(shù)偏低、擊實功較小，不能很好地模擬重載交通的實際情況，碾壓完成后SMA瀝青混凝土路面的現(xiàn)場實際空隙率會明顯小于設(shè)計值，導(dǎo)致壓實度超100%的現(xiàn)象十分普遍，相應(yīng)地，路用性能也會與設(shè)計結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。由于桂柳高速公路地處華南濕熱山區(qū)，夏季氣溫高，加上重載交通嚴重，長大縱坡處貨車車速低、行駛緩慢，對瀝青加鋪層的材料組成設(shè)計也提出了更高的要求。

此外，由于原材料生產(chǎn)加工時不可避免地存在變異性，當原材料級配的變異水平過大時，會引起合成級配曲線發(fā)生明顯波動，瀝青混合料的材料組成會受到較大影響，從而導(dǎo)致路用性能降低。如果能在材料組成設(shè)計時對原材料的級配波動給予充分重視，并考慮到這一波動對路用性能所產(chǎn)生的不利影響，對于施工質(zhì)量控制而言，具有重要意義。

針對上述問題，該文依托廣西桂柳高速公路水泥路面改造工程，提出在材料組成設(shè)計中提高SMA13瀝青混合料的擊實功并充分考慮原材料級配波動范圍對路用性能產(chǎn)生影響的技術(shù)思路，對SMA13瀝青混合料的設(shè)計方法進行優(yōu)化，得到改進型SMA13瀝青混凝土路面，通過在桂柳高速公路中的應(yīng)用，以檢驗其路用性能。

2 原材料

改進型SMA13瀝青混合料，瀝青使用SBS改性瀝青I-D，其性能指標如表1所示。粗集料使用輝綠巖，規(guī)格為10～15、5～10 mm，其物理力學(xué)性能指標如表2、3所示。細集料使用石灰?guī)r機制砂，規(guī)格為0～3 mm，其性能指標如表4所示。礦粉為普通礦粉，纖維使用德國進口顆粒狀木質(zhì)素纖維，其性能指標如表5、6所示。由表1～6可以看出：使用的原材料均符合相關(guān)技術(shù)要求。

表1 瀝青性能檢測結(jié)果

表2 粒徑10～15 mm輝綠巖粗集料性能檢測結(jié)果

表3 粒徑5～10 mm輝綠巖粗集料性能檢測結(jié)果

表4 石灰?guī)r機制砂性能檢測結(jié)果

表5 礦粉性能檢測結(jié)果

表6 纖維性能檢測結(jié)果

3 改進型SMA瀝青混合料的優(yōu)化設(shè)計方法

3.1 設(shè)計參數(shù)優(yōu)化

桂柳高速公路水泥路面改造工程地處夏炎熱區(qū)，交通荷載為特重交通等級。通過前面的調(diào)研可知，目前SMA13通常使用50次馬歇爾擊實試驗結(jié)果來確定最佳油石比，這對于特重交通等級、長大縱坡路段多的桂柳高速公路而言，由于擊實功較小，不能很好地模擬實際交通狀況。為此，將擊實功提高：由SMA13室內(nèi)配合比試驗時的50次馬歇爾擊實提高至75次，使得室內(nèi)試驗的擊實功與現(xiàn)場的壓實水平、交通荷載水平更加匹配。此外，考慮到桂柳高速公路地處夏炎熱區(qū)，瀝青路面的高溫性能十分關(guān)鍵，為此將車轍試驗溫度由60 ℃提高為70 ℃，并引入相對變形指標，綜合保證SMA13瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。同時，瀝青混合料的部分設(shè)計參數(shù)也根據(jù)規(guī)范要求進行了相應(yīng)調(diào)整，將礦料間隙率(VMA)要求調(diào)整為不小于16.5%、空隙率(VV)范圍調(diào)整為3.0%～4.5%，調(diào)整后的SMA13材料組成設(shè)計及路用性能技術(shù)要求見表7。

表7 改進型SMA13材料組成設(shè)計及路用性能技術(shù)要求

3.2 目標配合比設(shè)計優(yōu)化思路

目前目標配合比設(shè)計中瀝青混合料的合成級配曲線，主要根據(jù)各檔原材料礦料級配篩分結(jié)果的平均值進行合成后而獲得，在設(shè)計階段最終只以某一條單一的級配曲線進行體積指標及路用性能驗證，如果原材料礦料級配的變異性過高，在各檔冷料比例不變的情況下，會引起合成級配曲線發(fā)生顯著波動，從而影響到瀝青混合料的級配組成，并最終導(dǎo)致路用性能的降低，這將直接導(dǎo)致施工質(zhì)量控制難度增大。而如果能在目標配合比設(shè)計階段，對原材料級配波動所引起的路用性能變化給予充分重視，使得變異性導(dǎo)致的性能降低在可控的范圍之內(nèi)，對于保證工程質(zhì)量具有重要意義。為此，在借鑒柳(州)南(寧)高速公路路面改造工程成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出桂柳高速公路表面層SMA13設(shè)計的改進思路，即：在目標配合比設(shè)計階段，充分考慮礦料級配變異對合成級配曲線和路用性能產(chǎn)生的影響，并通過對均值合成級配、上控制線合成級配和下控制線合成級配的性能驗證，評價原材料變異性的可接受程度，當無法接受時，需要進一步控制原材料的加工質(zhì)量，以保證混合料的耐久性。采用這一思路進行改進后的SMA13目標配合比優(yōu)化設(shè)計方法簡述如下。

(1) 對原材料中的各檔礦料進行多次取樣篩分，獲得各檔礦料篩分結(jié)果的平均值、變異系數(shù)、標準差等統(tǒng)計參數(shù)。

(2) 按照各檔礦料篩分結(jié)果的平均值加k倍標準差，獲得各檔礦料篩分結(jié)果的上波動線；按照各檔礦料篩分結(jié)果的平均值減k倍標準差，獲得各檔礦料篩分結(jié)果的下波動線；由上、下波動線組成各檔礦料篩分結(jié)果的波動范圍，用于反映原材料的變異性。

(3) 根據(jù)各檔礦料篩分結(jié)果的平均值，參考設(shè)計級配要求，確定各檔礦料的合理比例，得到基于篩分結(jié)果平均值的合成級配曲線，稱為均值合成級配，據(jù)此開展配合比設(shè)計工作，確定最佳油石比以及路用性能驗證結(jié)果。

(4) 根據(jù)各檔礦料篩分結(jié)果的上、下波動線，采用(3)中確定的各檔礦料比例，進行級配合成，得到的兩條級配曲線分別稱為：上控制線合成級配、下控制線合成級配，開展配合比設(shè)計工作，確定兩條級配曲線的最佳油石比和路用性能驗證結(jié)果。

(5) 當均值合成級配、上控制線合成級配和下控制線合成級配的路用性能均滿足要求時，可選擇均值合成級配曲線作為目標配合比設(shè)計的最終結(jié)果，用于指導(dǎo)生產(chǎn)。否則，說明原材料變異性過大，應(yīng)調(diào)整礦料的生產(chǎn)加工工藝，提高質(zhì)量控制水平，降低變異性。

4 桂柳高速公路改進型SMA13瀝青混合料的優(yōu)化設(shè)計

4.1 目標配合比設(shè)計優(yōu)化

桂柳高速公路路面改造工程路面1標使用的SMA13設(shè)計級配要求如表8所示。根據(jù)工程特點，SMA13由10～15、5～10 mm輝綠巖粗集料、0～3 mm石灰?guī)r機制砂、石灰?guī)r礦粉共4檔礦料組成，目標配合比優(yōu)化設(shè)計流程按照下述幾個步驟進行。

表8 SMA13瀝青混凝土設(shè)計級配

(1) 獲取4檔礦料的級配變異性統(tǒng)計參數(shù)

對4檔礦料進行多次取樣，開展20次以上的平行篩分試驗，計算4檔礦料篩分結(jié)果的平均值、變異系數(shù)、標準差等統(tǒng)計參數(shù)，結(jié)果如表9所示。

表9 4檔礦料篩分試驗結(jié)果統(tǒng)計

(2) 獲取4檔礦料的級配變異區(qū)間

按照4檔礦料篩分結(jié)果的平均值加、減兩倍標準差，獲得每檔礦料篩分結(jié)果的上、下波動線，得到4檔礦料篩分結(jié)果的級配變異區(qū)間，用于反映原材料的變異性，結(jié)果如表10所示。

表10 4檔礦料的級配變異區(qū)間

(3) 確定基于均值合成級配的4檔礦料合理比例

根據(jù)4檔礦料篩分結(jié)果的平均值，參考表8設(shè)計級配要求，確定4檔礦料的合理比例，得到均值合成級配。經(jīng)試配，桂柳高速公路路面改造工程路面1標使用的SMA13礦料的合理比例如表11所示。

表11 均值合成級配的礦料比例及級配

(4) 開展基于均值合成級配的材料組成設(shè)計和路用性能驗證

采用表11中的級配開展配合比設(shè)計工作，確定最佳油石比，驗證路用性能。根據(jù)3.1節(jié)的設(shè)計參數(shù)優(yōu)化思路，試驗時將SMA13的擊實功提高，由室內(nèi)配合比試驗時的50次馬歇爾擊實提高至75次，將車轍試驗溫度由60 ℃提高為70 ℃，并引入相對變形指標。同時，瀝青混合料礦料間隙率(VMA)要求調(diào)整為不小于16.5%、空隙率(VV)范圍調(diào)整為3.0%～4.5%。SMA13材料組成設(shè)計結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)圖1的試驗結(jié)果，結(jié)合表7中的設(shè)計參數(shù)要求，可確定最佳油石比為5.6%。開展最佳油石比下的相關(guān)路用性能驗證，結(jié)果如表12所示。

圖1 SMA13材料組成設(shè)計結(jié)果

表12 SMA13路用性能驗證

由表12可知：均值合成級配下混合料的路用性能優(yōu)異，滿足技術(shù)指標要求，不用對4檔礦料比例做出調(diào)整。

(5) 上、下控制線合成級配的性能驗證

根據(jù)4檔礦料篩分結(jié)果的上、下波動線，采用(4)中確定的各檔礦料比例，進行級配合成，得到上控制線合成級配、下控制線合成級配，結(jié)果如表13所示。

從表13可以看出：受礦料級配變異性的作用，上、下控制線的一些篩孔，與表8中的設(shè)計級配要求相比，存在一定偏差，會給材料組成帶來較大影響。

采用表13中的級配開展配合比設(shè)計和路用性能驗證工作，主要試驗結(jié)果如表14所示。

表13 上、下控制線合成級配組成

表14 上、下控制線配合比設(shè)計及性能驗證結(jié)果

由表14可知：雖然上、下控制線合成級配的路用性能符合技術(shù)指標要求，但總體上二者的性能都不如均值合成級配，由原材料級配變異性所引起的瀝青混合料路用性能的降低還是比較顯著。所以，為了保證工程質(zhì)量，對于原材料的級配控制一定要給予充分重視，使其處于較低的變異水平，將合成級配曲線控制在上、下控制線之間。

通過上述試驗研究發(fā)現(xiàn)，對于桂柳高速公路路面改造工程路面1標而言，均值合成級配、上控制線合成級配和下控制線合成級配3條級配曲線的路用性能均可通過驗證，最終可以選擇均值合成級配所確定的4檔礦料比例作為最終的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。

4.2 設(shè)計結(jié)果

綜合上述試驗結(jié)果，可以確定用于該工程的SMA13瀝青混合料的目標配合比冷料比例為(10～15 mm)∶(5～10 mm)∶(0～3 mm)∶礦粉=39%∶35%∶17%∶9%，最佳油石比為5.6%。

5 工程應(yīng)用效果

改進型SMA13在桂柳高速公路路面改造工程中共鋪筑96.025 km，施工過程中對其進行了大樣本量的路用性能抽檢試驗，路面1標的抽檢試驗結(jié)果如表15所示。

表15 桂柳高速公路路面改造工程路面1標

從表15可以看出：① 改進型SMA13瀝青混合料路用性能的變異性較低，油石比、礦料級配、壓實度和路用性能等均處于較低的變異水平，工程質(zhì)量控制良好；② 改進后SMA13的70 ℃車轍試驗動穩(wěn)定度抽檢結(jié)果可達6 354次/mm，高溫性能十分優(yōu)異，對于地處夏炎熱區(qū)、交通荷載重的桂柳高速公路而言，有利于保證路面的高溫耐久性，工程應(yīng)用效果良好。

根據(jù)前面的試驗研究和工程應(yīng)用可知：桂柳高速公路使用的改進型SMA13之所以具有較低的施工變異性，是由于在目標配合比設(shè)計階段充分考慮了礦料級配變異對合成級配曲線和路用性能所產(chǎn)生的影響，并通過對均值合成級配、上控制線合成級配和下控制線合成級配的性能驗證，評價原材料變異性的可接受程度，以保證混合料的耐久性，對施工質(zhì)量控制而言更加有利。

6 結(jié)語

為了保證SMA13瀝青混凝土路面能夠更好地模擬實際交通情況和自然環(huán)境，減少原材料變異性所引起的路用性能降低，依托桂柳高速公路路面改造工程，提出了一種改進型SMA13瀝青混凝土設(shè)計思想，利用提高馬歇爾擊實功的方法模擬車輛荷載對壓實混合料的實際作用，通過在目標配合比設(shè)計中考慮原材料級配波動的影響保證瀝青混合料處于較低的變異水平。所設(shè)計的改進型SMA13瀝青混凝土在桂柳高速公路中實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用，抽檢得到的油石比、礦料級配、壓實度和路用性能等均處于較低的變異水平，路用性能優(yōu)異，取得了較好的工程應(yīng)用效果。研究成果可為同類工程提供一定的借鑒和參考。