沥青混合料路用性能影响因素

广西南友公路沥青混合料路用性能的影响
因素与试验分析
二航局四公司汪继平
摘要：据南友高速公路沿线的气候、水文地质等情况分析影响沥青混合料路用性能的主要因素，根据矿料级配试验研究的成果，提出采取的级配范围。

关键词：沥青混合料路用性能影响因素改善措施级配试验
1工程概况
国道主干线衡阳-昆明公路支线南宁至友谊关公路主线全长179.19km，联线长41.848km，为广西首条采用全沥青路面的高速公路，工程于2003年底开工，要求2005年10月1日前竣工通车。

南友公路位于北回归线以南，属亚热带季风气候，年平均降雨量1400mm以上，年平均日照1700h以上，年平均气温21~22.1℃，年无霜期352d，年平均蒸发量1350mm。

根据沿线的气象条件，按文献[1]，南友路属于东南湿热区中的华南沿海台风区（VI7）；按照文献[2]附录A的沥青路面施工气候分区，广西属于热区，最低月平均气温＞0℃，另外根据广西南宁地区的降雨量＞1000mm，属于多雨潮湿地区。

根据文献[3]的沥青路用性能气候分区，广西南宁地区属夏炎热冬温区1-4区。

在这样的气候条件下，高温、降雨以及重车渠化等将是影响沥青混合料路用性能的主要因素，沥青混合料需着重考虑高温稳定性、水稳性、耐久性以及面层的抗滑性能。

下面就影响沥青混合料路用性能的主要因素结合南友公路的特点作出级配的试验研究，并提出一些建议和改善措施，为沥青面层的施工提供参考。

2 沥青混合料路用性能的影响因素
2.1沥青混合料
沥青混合料是用具有一定粘度和适当用量的沥青材料与一定级配的矿质集料经过充分拌和而形成的混合物。

其路用性能主要有：高温稳定性、水稳定性、抗疲劳性能、耐久性、低温抗开裂性能、表面特性。

影响沥青混合料路用性能的因素是多方面的，其中矿料的级配组成较为关键，从使用性能上来说，骨架密实结构是最理想的级配组成。

2.2.影响沥青混合料路用性能的主要因素
2.2.1集料级配
沥青混合料高温稳定性的形成机理来源于沥青结合料的高温粘性和矿料级配的嵌挤作用，提高矿料的嵌挤作用是改善沥青混合料高温稳定性的主要途径。

综合集料级配对沥青混合料高温稳定性、水稳性、耐久性、抗疲劳性的影响，从而找出适
合南友公路的合适级配，南友公路与长沙理工大学对几种级配进行了试验研究，现将各种矿料的级配列表如表1。

沥青混合料矿料级配范围表1 孔径
(m m)31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075
表面层上限1001007540312420171510
S A C-13下限1009560302216121086
表面层上限100100856850382820158
D A C-13下限906838241510754
中面层上限1001009281664935221714118
A C-20J下限100958068513623149654
中面层上限1001009077603428232016129
S A C-20下限9578654725181310765
下面层上限10010093817059402718141197
A C-25J下限10095816958473019116543
下面层上限100100837667553729231815129
S A C-25下限907063554427191410754试验在同一原材料下进行的对比试验,采用茂名产道路重交通沥青AH-70和SBS改性沥青（I-D），中下面层采用C4合同段加工生产的石灰质矿料，表面层采用业主生产的英安岩矿料，矿粉则采用湖南长沙生产的石灰石矿粉。

通过对表1各种级配的试验确定南友公路沥青混合料的矿料级配范围，同时研究在各种级配情况下混合料的其它性能是否满足南友公路的建设要求，级配的试验研究针对了南友公路的气候条件、交通渠化等不利因素重点考虑了混合料的热稳定性和水稳定性，以满足该两项指标的级配做为南友公路沥青混合料的设计级配。

下面将沥青混合料马歇尔试件试验结果列表说明。

（1）表面层试验研究结果见下表2～5。

SBS试件指标测试汇总表（SAC-13上限）表2
体积指标
油石比（%）
4.0 4.3 4.6 4.9
矿料全体的相对密度r m 2.485 2.485 2.485 2.485 试件的理论最大相对密度r t 2.357 2.348 2.340 2.331 试件的毛体积密度r sp，g/cm3 2.185 2.190 2.202 2.220 矿料间隙率（VMA）（%）15.4 15.5 15.3 14.8
试件的空隙率V a（%）7.3 8.8 5.9 4.8
沥青体积率V b（%）8.2 8. 8 9.4 10.1 沥青饱和度VFA(%) 52.8 56.5 61.4 67.8 SBS试件指标测试汇总表（SAC-13下限）表3
体积指标
油石比（%）
4.0 4.3 4.6 4.9
矿料全体的相对密度r m 2.524 2.524 2.524 2.524 试件的理论最大相对密度r t 2.391 .382 2.373 2.364 试件的毛体积密度r s p，g/cm3 2.157 2.162 2.170 2.181 矿料间隙率（VMA）（%）17.8 17.9 17.8 17.7 试件的空隙率V a（%）9.8 9.2 8.5 7.8 沥青体积率V b（%）8.1 8. 7 9.3 9.9 沥青饱和度VFA(%) 45.2 48.4 52.1 56 SBS试件指标测试汇总表（SAC-13中值）表4 体积指标油石比（%）
4.0 4.3 4.6 4.9 矿料全体的相对密度r m 2.503 2.503 2.503 2.503 试件的理论最大相对密度r t 2.373 2.364 2.355 2.347 试件的毛体积密度r s p，g/cm3 2.183 2.193 2.174 2.184 矿料间隙率（VMA）（%）16.2 16.0 17.0 16.9 试件的空隙率V a（%）8.0 7.2 7.7 7.0 沥青体积率V b（%）8.2 8. 8 9.3 9.9 沥青饱和度VFA(%) 50.4 54.8 54.8 58.8 SBS试件指标测试汇总表（DAC-13下限）表5
体积指标
油石比（%）
4.3 4.6 4.9
5.2
矿料全体的相对密度r m 2.487 2.487 2.487 2.487
试件的理论最大相对密度r t 2.350 2.342 2.333 2.325
试件的毛体积密度r s p，g/cm3 2.224 2.223 2.239 2.249
矿料间隙率（VMA）（%）14.3 14.6 14.2 14.1
试件的空隙率V a（%） 5.4 5.1 4.0 3.3
沥青体积率V b（%）8.9 9.5 10.2 10.8
沥青饱和度VFA(%) 62.4 65.2 71.5 76.8
马歇尔稳定度（KN）11.97 11.87 11.90 10.90
马歇尔流值（0.1mm）41.87 35.03 40.07 41.17
马歇尔试验试件体积指标试验结果表明：SAC-13三条级配曲线在可接受的油石比条件下，试件的空隙率明显偏大，不能满足密级配混合料4%的空隙率要求，只有DAC-13级配范围下限沥青混合料马歇尔试件体积指标在可接受的油石比条件下满足设计要求，最佳油石比4.9%，设计空隙率4%，混合料毛体积密度为2.239g/cm3。

根据马歇尔试验结果所确定的油石比对DAC-13级配范围下限的沥青混合料按文献[4]检验其高温稳定性，DAC-13下限沥青混合料车辙试验结果见表6。

表面层试验确定的DAC-13级配下限的水稳性检验列表如表7，试验采用美国ASTM T283 LOTTMAN冻融劈裂试验，按7%试件空隙率的击实次数成型冻融劈裂试件。

DAC-13下限车辙试验结果表6
高温指标动稳定度 1500次变形量 3000次变形量
（次/mm）（mm）（mm）
改性沥青表面层
＞3000次/mm 4728 1.267 1.587
DAC-13下限冻融劈裂试验结果表7
技术指标冻融劈裂强度未冻融劈裂强度
（MPa）（MPa）
冻融劈裂强度比
（%）
改性沥青面层
≥80% 0.468 0.521 93
试验结果表明,DAC-13级配下限的沥青混合料高温稳定性与水稳性均能满足规范要求，矿料由业主统一加工生产，试验具有一定的代表性，因此建议南友公路沥青表面层采用DAC-13级配的下限进行混合料配合比设计。

（2）中面层试验研究结果见表8～13。

AH-70试件指标测试汇总表（SAC-20上限）表8
体积指标
油石比（%）
4.3 4.6 4.9
5.2 5.5
矿料全体的相对密度r m 2.787 2.787 2.787 2.787 2.787
试件的理论最大相对密度r t 2.604 2.593 2.582 2.571 2.560
试件的毛体积密度r sp，g/cm3 2.465 2.487 2.480 2.490 2.492
矿料间隙率（VMA）（%）15.2 14.7 15.2 15.1 15.3
试件的空隙率V a（%） 5.3 4.1 4.0 3.1 2.6
沥青体积率V b（%）9.9 10.6 11.2 12.0 12.7
沥青饱和度VFA(%) 64.8 72.2 73.9 79.2 82.6
马歇尔稳定度（KN）14.39 14.71 11.58 10.79 9.89
马歇尔流值（0.1mm）42.50 48.00 35.03 45.07 54.93
SAC-20上限设计空隙率4%，最佳油石比4.9%，毛体积密度2.480g/cm3。

AH-70试件指标测试汇总表（SAC-20中值）表9
体积指标
油石比（%）
4.0 4.3 4.6 4.9
5.2
矿料全体的相对密度r m 2.754 2.754 2.754 2.754 2.754
试件的理论最大相对密度r t 2.588 2.577 2.566 2.555 2.544
试件的毛体积密度r sp，g/cm3 2.455 2.476 2.485 2.498 2.477
矿料间隙率（VMA）（%）14.3 13.8 13.7 13.5 14.5
试件的空隙率V a（%） 5.2 3.9 3.0 2.1 2.5
沥青体积率V b（%）9.1 9.9 10.3 11.0 11.5
沥青饱和度VFA(%) 64.0 71.6 77.1 83.5 81.7
马歇尔稳定度（KN）15.75 12.79 9.97 11.35 8.88
马歇尔流值（0.1mm）31.6 40.2 46.00 45.37 36.03
SAC-20中值设计空隙率4%，最佳油石比4.3%，毛体积密度2.476g/cm3。

AH-70试件指标测试汇总表（SAC-20下限）表10
体积指标
油石比（%）
4.0 4.3 4.6 4.9
5.2
矿料全体的相对密度r m 2.770 2.770 2.770 2.770 2.770
试件的理论最大相对密度r t 2.601 2.590 2.579 2.568 2.557
试件的毛体积密度r sp，g/cm3 2.428 2.466 2.480 2.462 2.476
矿料间隙率（VMA）（%）15.2 14.6 14.4 15.3 15.0
试件的空隙率V a（%） 6.6 4.8 3.8 4.1 3.2
沥青体积率V b（%）8.6 9.8 10.6 11.2 11.8
沥青饱和度VFA(%) 59.0 67.3 73.4 73.0 78.8
马歇尔稳定度（KN）10.83 10.82 10.74 10.88 9.44
马歇尔流值（0.1mm）43.57 37.83 37.93 50.23 40.20
SAC-20下限设计空隙率4%，最佳油石比4.5%，毛体积密度2.476g/cm3。

SAC-20中面层车辙试验结果表11
级配类型动稳定度1500次变形量3000次变形量
（次/mm）（mm）（mm）
SAC-20上限1453 2.566 3.599
SAC-20中值2367 1.990 2.674
SAC-20下限2137 1.969 2.676
技术指标（60℃0.7MPa）：≮1200次/mm
中面层SAC-20冻融劈裂试验结果表12
级配类型冻融劈裂强度未冻融劈裂强度TSR
（MPa）（MPa）
SAC-20中值0.529 0.696 76%
技术指标：TSR不低于70%
根据马歇尔试验结果所确定的油石比和毛体积密度，按文献[4]分别对SAC-20级配的上中下限进行动稳定度检验，检验结果见表11。

通过马歇尔试验与动稳定度检验，可以判断中面层SAC-20的级配中值有较小的沥青含量、较高的强度与动稳定度，优先选用级配中值进行水稳性检验，采用美国ASTM T283 LOTTMAN 冻融劈裂试验，按7%试件空隙率的击实次数成型冻融劈裂试件。

试验结果见表12。

南友公路在2003年委托长沙理工大学就表1中的中面层AC-20J建议级配做了沥青混合料的性能试验，试验用料基本同以上业主提供的沥青和矿料，现将结果列表与SAC-20级配试验结果对比，以便施工参考使用。

级配混合料性能试验对比表13
物理力学指标SAC-20级配中值AC-20J级配中值
试件毛体积密度（g/cm3） 2.476 2.426
空隙率（%） 3.9 3.98
最佳油石比（%） 4.3 4.6
矿料间隙率（%）13.8 13.8
沥青饱和度（%）71.6 71.1
稳定度（KN）12.79 10.34
流值（0.1mm）40.2 36.8
动稳定度（次/mm）2367 1292
冻融劈猎强度比（%）76 86.1
对比试验结果可以分析， AC-20J的动稳定度仅为1292次/mm，而SAC-20级配则有较高的动稳定度和较合适的油石比。

AC-20J级配虽有较高的粗集料通过量，但没有相应限制细集料的含量，结构组成上仍是密实悬浮结构。

通过对比，建议南友公路的中面层采用SAC-20的矿料级配作为实际控制级配，以获取较好的热稳定性和耐久性。

（3）下面层试验研究结果见表14～19。

AH-70试件指标测试汇总表（SAC-25上限）表14
体积指标
油石比（%）
4.0 4.3 4.6 4.9
5.2
矿料全体的相对密度r m 2.776 2.776 2.776 2.776 2.776
试件的理论最大相对密度r t 2.606 2.595 2.584 2.572 2.562
试件的毛体积密度r sp，g/cm3 2.444 2.483 2.491 2.486 2.474
矿料间隙率（VMA）（%）15.3 14.2 14.2 14.6 15.3
试件的空隙率V a（%） 6.2 4.3 3.6 3.4 3.4
沥青体积率V b（%）9.1 9.9 10.6 11.2 11.9
沥青饱和度VFA(%) 59.5 69.8 74.6 77.1 77.5
马歇尔稳定度（KN）11.85 12.73 10.92 10.01 10.58
马歇尔流值（0.1mm）50.5 33.3 41.50 48.7 52.1
SAC-25上限设计空隙率4.0%，最佳油石比4.5%，毛体积密度2.487g/cm3。

AH-70试件指标测试汇总表（SAC-25中值）表15
体积指标
油石比（%）
4.0 4.3 4.6 4.9
5.2
矿料全体的相对密度r m 2.770 2.770 2.770 2.770 2.770 试件的理论最大相对密度r t 2.602 2.590 2.579 2.568 2.557 试件的毛体积密度r sp ，g/cm 3
2.439 2.467 2.495 2.495 2.483 矿料间隙率（VMA ）（%） 15.4 14.6 1
3.9 1
4.1 14.8 试件的空隙率V a （%） 6.3 4.7 3.3 2.9 2.9 沥青体积率V b （%） 9.5 9.8 10.2 11.8 12.5 沥青饱和度VFA(%) 59.1 67.5 76.5 79.8 80.4 马歇尔稳定度（KN ） 11.37 11.26 9.56 10.55 9.67 马歇尔流值（0.1mm ） 32.57 41.4 38.83 51.77 43.57
SAC-25中值设计空隙率3.8%，最佳油石比4.5%，毛体积密度2.485g/cm 3。

AH-70试件指标测试汇总表（SAC-25下限）表16
体积指标
油石比（%）
4.0 4.3 4.6 4.9
5.2
矿料全体的相对密度r m 2.772 2.772 2.772 2.772 2.772 试件的理论最大相对密度r t 2.601 2.590 2.578 2.567 2.557 试件的毛体积密度r sp ，g/cm 3
2.431 2.486 2.497 2.490 2.482 矿料间隙率（VMA ）（%） 15.6 1
3.9 13.8 1
4.3 14.8 试件的空隙率V a （%） 6.5 4.0 3.6 3.0 2.9 沥青体积率V b （%） 9.1 9.9 10.2 11.3 11.9 沥青饱和度VFA(%) 58.2 71.3 74.9 79.1 80.3 马歇尔稳定度（KN ） 9.63 13.05 10.92 9.96 8.30 马歇尔流值（0.1mm ） 57.60 47.87 4
5.07 44.80 39.07
SAC-25下限设计空隙率4.0%，最佳油石比4.3%，毛体积密度2.486g/cm 3。

SAC-25 下面层车辙试验结果 表17
级配类型 动稳定度 1500次变形量 3000次变形量
（次/mm ） （mm ） （mm ）
SAC-25上限 2423 2.137 2.903 SAC-25中值 1875 2.548 3.365 SAC-25下限 3012 1.554 2.055 技术指标（60℃0.7MPa ）：≮1200次/mm
根据马歇尔试验结果所确定的油石比和毛体积密度，按文献[4]分别对SAC-25级配的上中下限进行动稳定度检验，检验结果见表17。

通过马歇尔试验与动稳定度检验，可以判断下面层SAC-25的级配上限有较高的稳定度与相对较小流值，优先选用级配上限进行水稳性检验，按7%试件空隙率的击实次数成型冻融劈裂试件。

试验结果见表18。

SAC-25下面层冻融劈裂试验结果表18
采用美国ASTM T283 LOTTMAN 冻融劈裂试验方法。

级配混合料性能试验对比表19
物理力学指标 SAC-25级配上限 AC-25J 级配中值
级配类型 冻融劈裂强度 未冻融劈裂强度 TSR
（MPa ） （MPa ）
SAC-25 上限 0.512 0.684 75%
技术指标：TSR 不低于70%
试件毛体积密度（g/cm3） 2.487 2.410
空隙率（%） 4.0 4.17
最佳油石比（%） 4.5 4.5
矿料间隙率（%） 14.3 14.33
沥青饱和度（%） 72.5 70.9
稳定度（KN） 11.35 9.16
流值（0.1mm） 39.5 36.8
动稳定度（次/mm） 2423 1225
冻融劈猎强度比（%） 75 81.7
现将下面层SAC-25级配与AC-25J建议级配的沥青混合料性能试验结果列表如表19，对比分析适合南友公路建设情况的合适级配，供施工时参考使用。

对比试验说明，在同样的油石比条件下，SAC-25级配较AC-25J建议级配有着较高的动稳定度和稳定度，同中面层试验结果有着相似的地方，推荐在实际施工时，下面层按SAC-25级配进行配合比设计和控制。

影响沥青混合料热稳定性的其它因素还有：集料的颗粒形状、沥青的品种、混合料空隙率、环境因素。

2.2.2水稳定性
影响沥青混合料水稳定性的因素有：集料性质的影响、沥青性质的影响、混合料类型的影响、施工碾压的影响、离析和不均匀的影响、路面排水的影响。

2.2.3疲劳性
影响沥青混合料疲劳性能的因素主要有：荷载条件、材料性质、环境条件。

这些影响因素与混合料的疲劳性能和劲度关系如表20所示。

影响沥青混合料劲度和疲劳性能的因素表20
疲劳寿命
因素因素的改变劲度控制应力控制应变
从表中可以看出，影响沥青混合料疲劳寿命的因素是多方面的，应综合考虑。

2.2.4耐久性
耐久性即沥青混合料的抗老化性能。

沥青路面在铺筑时受加热作用，建成后受自然因素和交通荷载的作用，沥青的技术性质发生不可逆的变化即沥青的老化，受沥青老化的影响，路面沥青混合料的物理力学性能随着时间的推移逐年降低，直至满足不了交通荷载的要求而发生劣化。

2.2.5表面特性
沥青路面铺筑后所应具有的抗滑性能、吸收噪声的能力和反光特性构成了沥青混合料的表面特性。

而影响这些特性的因素主要是混合料的组成结构所构成的表面宏观构造。

3 结束语
针对影响沥青混合料的性质结合南友公路的实际情况和矿料级配的试验研究成果，建议南友公路沥青路面应采用的混合料级配类型。

尤其针对南友公路的高温、多雨的情况，应重点提高混合料的热稳定性和水稳定性。

结合南友公路的情况，施工应从以下几方面控制，供参考。

（1）择优质的重交通道路沥青材料，薄膜加热试验是模仿沥青在施工中短期老化较方便的试验方法，其试验指标应满足文献[2]中重交通道路石油沥青技术要求，SBS改性沥青应满足文献[3]中的聚合物改性沥青技术要求。

（2）合理地进行混合料设计，采用密实式沥青混合料，降低空隙率，减轻沥青的氧化和剥落。

在保证沥青混合料具有足够热稳定性的条件下，适当增加沥青用量，增厚集料颗粒表面的沥青膜厚度，能提高混合料的耐久性。

（3）使用适当的外掺剂，在沥青中掺加橡胶、碳黑或消石灰粉可以提高沥青混合料的耐久性。

建议南友公路在混合料中填加不超过矿料总量2%的消石粉，既可以提高水稳定性，也能提高耐久性。

（4）提高施工质量，加强路面养护。

混合料拌和过程中严格控制沥青的加热温度，最高不得超过170℃，混合料在储存仓中不能存放时间过长，改性沥青应随拌随用，另外必须保证足够的压实。

（5）提高路面宏观构造的效能要求集料的性质必须有足够的耐冲击性和耐磨性，现行规范[2]对集料的磨耗损失和冲击值的要求偏低，结合南友公路的建设情况和交通量的日益增长，建议提高石料的洛杉矶磨耗值和冲击值，要求应不大于20%（表面层）。

（6）变密级配为开级配提高骨料的骨架作用，增大空隙率至15%~20%。

但这种设计在强度和耐久性上不如密级配混合料，影响沥青路面的使用寿命。

南友公路的表面层为SBS改性沥青AK-13A型混合料，设计目标空隙率4%，级配试验研究是在该级配基础上做了一点调整，采用表1中DAC-13级配，提高了粗集料的用量，增加骨料的骨架作用，但仍为连续密级配型混合料，宏观构造提高程度不是非常理想，其表面特性有待考证。

建议采用SMA沥青玛蹄脂碎石路面，SMA采用间断级配设计，粗集料颗粒石-石接触，形成骨架结构，由沥青矿粉和纤维组成的玛蹄脂填充其空隙，成为一种密实结构的沥青混合料。

其具有优良的高温稳定性、良好的耐久性、表面特性和良好的低温抗开裂能力。

但造价较高，需要充分权衡考虑其经济效益和利用价值。

（7）作为密级配沥青混合料，减少沥青含量和增大空隙率与沥青混合料耐久性和水稳定性是自相矛盾的，AK-13A型混合料即存在这种矛盾性质。

所以建议采用SMA碎石路面，综合考虑到混合料各方面的路用性能，加铺碎石磨耗层可以提前铺筑试验路段，以检验其效果和验证其实用价值。

（8）控制和减少离析。

途径主要有：使用合格均质的集料；集料堆放场地必须硬化，细集料应加盖雨棚；每一次卸料运料车都要跟着移动位置，必须覆盖严实，途中不得停留休息；控制摊铺宽度，建议不超过8m，采用两台摊铺机梯队作业；加强压实，用几台压路机均匀压实，初压紧跟摊铺机碾压。

参考文献：
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[2] JTJ032-94，公路沥青路面施工技术规范[S].
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[6] 吕伟民. 沥青混合料设计原理与方法[M].上海：同济大学出版社，2001.
[7] 广西南友公路沥青混合料直道试验报告. 长沙理工大学，2004。