高模量沥青混合料马歇尔法配合比设计指标研究

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高模量沥青混合料马歇尔法配合比设计指标研究

为了推广应用高模量沥青混合料EME技术，选择3种来源集料、4种沥青结合料，设计了9种沥青混合料，同时进行法标综合性能和我国马歇尔法试验对比研究。分析认为法标设计体系与我国相差较大，其EME沥青混合料技术无法直接应用于我国工程。通过马歇尔试验表明，马歇尔试件空隙率为1.3%~3.5%；关于EME沥青混合料矿料间隙率VMA，对于EME-14为12.7%~13.7%，对于EME-20为12.9%~14.3%；沥青饱和度为74.5%~89.9%；马歇尔稳定度为15.9kN~23.2kN；流值为2.2mm~3.2mm。通过数据分析，提出了基于马歇尔法的高模量沥青混合料配合比设计指标，并经法标综合验证，采用马歇尔法进行高模量沥青混合料配合比设计是可行的，技术指标是合理的。

关键词：道路工程 | 沥青混合料 | EME | 配合比设计 | 马歇尔法

高模量沥青混合料EME(EnroｂéｓàModuleElevｖé)，是由法国研究提出，并在法国得到大量成功应用。其混合料采用较硬的沥青，如10/20、15/25低标号道路石油沥青，或20/30、30/45低标号道路石油沥青掺加添加剂(聚烯烃高模量剂或天然沥青)，混合料级配为悬浮型密级配，同时沥青用量高，一般为5.2%~6.2%。该混合料具有空隙率低、动态模量高的特点，同时兼具良好的抗疲劳性能、抗高温性能。高模量沥青混合料EME在英国、比利时、瑞士、波兰、澳大利亚等国家(地区)得到应用，并制定了相关标准。

法国进行高模量沥青混合料EME设计时，首先根据经验确定一个级配和油石比，也可按照表1确定一个级配，根据级配和丰度系数K按式(1)计算*小油石比。然后按照表2进行空隙率、水敏感性、车辙性能、动态模量及疲劳性能检验。法国高模量沥青混合料根据不同交通荷载等级对性能的要求分为EME1和EME2。其中用于轻交通的EME1由于油石比低、疲劳性能不佳，已经取消，因此表2中仅列出EME2混合料。

式中：TLexT为*小油石比，%；K为丰度系数，对于EME要求K≥3.4；G为大于6.3mm以上颗粒的含量，%；S为0.315mm~6.3mm之间颗粒的含量，%；s为0.08mm~0.315mm之间颗粒的含量，%；f为0.08mm以下颗粒的含量，%；Gs为矿料合成有效相对密度。

自2000年以来，我国开始关注高模量沥青混合料EME技术。但由表2可以看出，法标设计体系与我国设计体系存在较大差异，其高模量沥青混合料EME技术无法在我国直接应用。为此，我国开展了大量应用研究工作，并铺筑了实体工程，其中一些单位还购置了全套法标试验装置进行深入研究。这些研究主要解决两个问题：一个是如何将法标体系转化为我国现行设计体系；另一个是如何结合我国国情进行EME技术性能验证和混合料优化。近几年我国还在法标规范基础上，编写了《公路高模量沥青路面施工技术指南》(T/CHTS10004-2018)[2]与《道路用高模量抗疲劳沥青混合料》(GB/T36143-2018)[3]。此两项标准为我国应用高模量沥青混合料EME技术提供了很好的借鉴作用。但是，该两项标准中采用了0.82°内旋转角的旋转压实法设计，同时仅要求空隙率不大于4%，其EME混合料配合比设计指标单一，且与目前我国马歇尔法体系不一致，不便于推广应用。

目前，EME沥青混合料配合比设计方法有旋转压实法，如法国、英国等国家(地区)；也有马歇尔法，如瑞士与波兰。为了便于指导EME技术在我国的应用，适应我国现行沥青混合料配合比设计体系，进行EME沥青混合料的马歇尔配合比设计指标研究意义重大。

试验研究方法

沥青混合料类型

选择北京市、河南省和山西省的典型中面层沥青混合料，用3种集料，采用4种沥青结合料，共设计9种沥青混合料，见表3。其中EME-20共7种，EME-14共2种。

对于沥青混合料级配，采用法标筛孔，其9种级配见表4。

沥青结合料

20号和35号低标号道路石油沥青检测结果见表5。可见，20号和35号低标号道路石油沥青满足法国标准NFEN13924-1-2016[4]与NFEN12591-2009[5]的技术要求，同时也满足我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的技术要求。

聚烯烃类高模量剂采用法国PRModule高模量剂。其检测结果见表6，满足《沥青混合料改性添加剂第8部分：高模量剂》(JT/T860.8报批稿)中的技术要求。高模量剂采用干法添加，其掺量为沥青混合料总质量的0.6%。

天然沥青采用微粒化成品天然沥青改性沥青，型号为HWB-W。其先将天然岩沥青材料经物理研磨等工艺加工，得到平均粒径小于5μm的粉状改性材料，然后与70号道路石油沥青混合、剪切得到均匀的成品改性沥青。其试验结果见表7，可见该材料满足《沥青混合料改性添加剂第8部分：高模量剂》(JT/T860.8报批稿)中的技术要求。

试验方法

对于混合料1号~6号，首先采用法标体系进行配合比设计。采用进口的全套法标设备进行试验，试验方法和试验条件见表2。然后在法标设计的级配和*佳油石比条件下，采用我国马歇尔法进行试验，真空法实测25℃沥青混合料理论*大相对密度；双面击实75次成型马歇尔试件，表干法实测25℃马歇尔试件毛体积相对密度；并测定马歇尔试件60℃稳定度和流值。对于20号低标号道路石油沥青，根据黏温曲线确定沥青混合料拌和温度为170~183℃，成型温度为167~173℃。35号沥青掺加高模量添加剂后，根据厂家建议沥青混合料拌和温度为163~171℃，成型温度为158~166℃；天然沥青改性沥青根据厂家建议，沥青混合料拌和温度为180~190℃，成型温度为175~185℃。

对于混合料7号~9号，首先按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[6]附录B进行配合比设计，确定级配和*佳油石比，试验方法和试验条件同前。然后在设计的级配和*佳油石比条件下，采用进口的全套法标设备进行试验，试验方法和试验条件见表2。

高模量沥青混合料EME试验结果

高模量沥青混合料1号~6号试验结果

按表4中1号~6号混合料级配，按式(1)计算各沥青混合料的沥青用量，在此基础上进行EME混合料配合比设计和性能验证，试验结果见表8。

由表8可见，设计的6个EME沥青混合料*佳油石比为 5.2％~6.0％，其符合法国5.2％~6.2％经验油石比范围。同时空隙率、水敏感性、高温性能、动态模量和疲劳性能均满足法标技术要求。

在法标配合比设计验证合格基础上，采用其配合比设计的*佳油石比，按照我国马歇尔法进行相关试验，试验结果见表9。

表9中6种EME沥青混合料表干法测定的马歇尔试件空隙率为1.3％~3.5％，表8中体积法测定的旋转压实试件空隙率为3.0％~5.6％，可见两种方法测定空隙率有差异。我国方法测定空隙率要低于法标体积法测定空隙率，两者之差平均值为2％。瑞士技术规范中EME沥青混合料的空隙率标准为1％~4％，以上6种EME沥青混合料空隙率均满足该要求。根据以上试验结果，借鉴瑞士技术规范，建议我国EME沥青混合料的马歇尔法空隙率指标为1.0%~4.0%。

关于EME沥青混合料矿料间隙率VMA，对于EME-14为12.7%~13.7%，对于EME-20为12.9%~14.3%，均满足我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中AC-16和AC-20相应的ＶＭＡ标准。且与JTG F40-2004中AC类沥青混合料相应标准相比，EME混合料VMA指标大小增加值为0.7%~3.0%。这是由于EME沥青混合料油石比高于相应粒径下的AC类混合料油石比所致。根据以上数据，建议EME沥青混合料VMA指标在JTG F40-2004中AC类沥青混合料VMA标准基础上做出相应增加，增加值为0.5%。

EME沥青混合料沥青饱和度VFA在74.5%~89.9%之间，这明显高于我国JTG F40-2004中AC-16和AC-20相应的VFA标准(65%~75%)。这是由于EME沥青混合料油石比高于相应粒径下的AC类混合料油石比所致，说明EME沥青混合料具有更好的耐久性。根据以上数据，建议EME沥青混合料VFA指标取整为75%~90%。

EME沥青混合料马歇尔稳定度为15.9kN~23.2kN，流值为2.2mm~3.2mm。由于EME混合料采用的沥青结合料黏度较高，同时为连续密级配，马歇尔试件的稳定度较高，远大于我国JTG F40-2004中AC类沥青混合料稳定度8kN的要求；EME沥青混合料流值相对较大，但是符合我国SBS改性AC类沥青混合料流值技术要求。根据以上数据，建议EME沥青混合料取≥15kN作为60℃马歇尔稳定度控制标准，相应流值技术指标要求为1.5mm~4.5mm。

根据以上分析，提出EME沥青混合料马歇尔配合比设计技术要求，见表10和表11。

高模量沥青混合料7号~9号试验结果

为了验证表10、表11中技术标准的可靠性，按照马歇尔法设计了3种EME沥青混合料。马歇尔配合比设计结果见表12。

通过表12可见，设计的油石比为5.3%~6.0%，空隙率、VMA、VFA、稳定度和流值均满足相关指标要求。

根据马歇尔法设计的级配和*佳油石比，按照法标体系进行性能试验，试验结果汇总如表13所示。

从表13试验结果可见，采用马歇尔法设计的EME沥青混合料经法标试验检验，各项性能均满足相应技术要求，且浸水无侧限抗压强度比、抗车辙性能、抗疲劳性能均具有一定的富裕，可见按照表10、表11中马歇尔法进行EME混合料配合比设计是可行的，技术指标具有较高的可靠性。

结语

本文通过3种来源集料、4种沥青结合料，设计了9种沥青混合料，同时进行法标综合性能和我国马歇尔法试验研究，主要结论如下：

(1)EME沥青混合料空隙率较低，表干法测定的马歇尔试件空隙率为1.3%~3.5%，建议我国EME沥青混合料的马歇尔法空隙率指标为1.0%~4.0%。

(2)关于EME沥青混合料矿料间隙率VMA，对于EME-14为12.7%~13.7%，对于EME-20为12.9%~14.3%，与我国JTG F40-2004中AC类沥青混合料相应标准相比，EME混合料的VMA指标大小增加值为0.7%~3.0%，建议EME沥青混合料VMA指标在JTG F40-2004中AC类沥青混合料VMA标准基础上做出相应增加，增加值为0.5%。