5．2 面层类型与材料 5．2．1 近年来各地都进行了沥青混合料的研究与工程实践，出现了很多新的混合料设计方法，并根据工程实践总结了一些适合不同条件的级配类型，虽然有的级配名称不同，但基本原理相似。因此，为了区分各种沥青混合料的特点，首先按空隙率大小将沥青混合料分为密级配、半开级配、开级配三大类。密级配，又可分粗型(AC-C)和细型(AC-F)。不同级配类型适用于不同条件。 AC型混合料以及骨架型混合料SMA均属于密级配混合料，设计空隙率在3％～5％。在AC型混合料中，F型是细集料含量多于粗集料的一种连续级配；C型混合料以粗集料为主，具有构造深度较大、抗车辙变形的性能好等特点，适用于多雨炎热、交通量较大地区的表面层。中、下面层也可用C型沥青混合料，以增强抗车辙能力，但施工时应注意加强压实。F型混合料因细集料较多，施工和易性较好，水稳定性、低温抗裂性及抗疲劳开裂性能较好。但是其表面致密，构造深度较小，可用于抗疲劳结构层或干旱少雨、交通量较少、气候严寒地区的道路。 热拌沥青碎石(AM)是一种半开级配混合料，设计空隙率在8％～15％，由于它的空隙率大，渗水严重，应设密级配上封层。当采用单层式沥青路面时，应适当增加细集料，控制空隙率不大于10％。若拌合设备条件允许，应尽量选用密级配沥青混合料。 开级配磨耗层(OGFC)是开级配沥青混合料，在欧美多称开级配抗滑磨耗层OGFC，在日本称为排水路面。混合料的设计空隙率宜为18％～24％，用作沥青路面表层具有排水、减少水膜厚度、防止水漂及抗滑功能，又可降低噪声作为减噪表面层。 5．2．2 沥青混合料类型选择与配合比设计是保证沥青路面质量和使用功能的关键。 2 在我国，热拌沥青混合料配合比设计主要采用马歇尔试验方法，AC混合料、SMA混合料以及OGFC混合料均可参照《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40进行配合比设计。目前，我国在一些重大工程引进美国Superpave方法和GTM法等方法进行密级配沥青混合料的配合比设计，使用效果较好，因此在有条件的地方也可以使用这些方法，同时需要马歇尔试验进行验证。 根据工程实践经验推出各种沥青混合料级配表(见附录B表B．1)，其中AC混合料的级配范围较宽，应结合当地具体情况和使用经验选择级配曲线和范围。最好选择2条～3条级配曲线，通过混合料配合比试验，结合各地经验确定油石比，并对混合料进行路用性能检验；根据各项技术指标，综合当地实际情况，择优选定沥青混合料级配。更重要的是通过试拌试铺，检验配合比设计的合理性，经业主、设计、监理、施工共同确认质量合格才能正式摊铺。 3 在进行沥青混合料配合比设计后，应根据气候条件和交通荷载特征对混合料的高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性进行检测。 (1)沥青混合料高温稳定性的评价方法，目前在国际上尚无统一的、公认的评价方法和指标体系，试验设备也不同。我国在“七五”科技攻关时引进了日本轮迹试验设备和动稳定度评价指标。本次编写中仍用车辙试验所获得的动稳定度反映沥青混合料的高温稳定性。 在《公路沥青路面施工技术规范》 JTG F40中，采用车辙试验的动稳定度指标评价沥青混合料的抗永久变形性能，并根据沥青混合料类型、沥青类型和沥青路面气候分区，给出沥青混合料车辙试验评价指标的技术要求，见表1。 该体系对相同气候分区下的普通沥青混合料、改性沥青混合料以及SMA混合料提出不同的技术要求。这与特定的使用条件对路面材料性能的唯一性要求不一致，例如，对于位于1-1分区中特定交通条件下的路段，如果普通沥青混合料动稳定度DS=800次／mm能够满足要求，没有理由要求改性沥青混合料或SMA混合料的动稳定度必须达到2400次／mm或3000次／mm。 该评价体系中的另一个关键问题在于强调了对不同材料的性能要求，忽略了不同交通荷载对性能的不同需求。在高温性能方面，当前相关规范并没有告知材料设计究竟应该选择普通材料、改性材料还是SMA混合料，也缺少不同交通量对材料高温性能的不同需求。道路交通量不仅是路面结构设计的关键参数，也是材料设计的重要依据。在相同的气候条件下，能够满足轻交通量道路使用的材料未必能够满足重交通量道路的要求。如果在车辙试验评价标准中不引入交通量参数，无法较好的指导材料设计，势必造成结构设计与构料设计相互脱节，可能导致材料性能设计标准的选择具有一定随意性。日本道路公团的技术标准就体现了交通量对材料高温性能的差别性要求，见表2。 在2005年～2008年交通部科技项目“沥青路面设计指标和参数研究”中，对沥青混合料和沥青面层抗永久变形进行了研究，基于车辙试验提出了与道路交通等级、沥青路面气候分区、结构层次等相关联的沥青混合料车辙试验评价体系。在这个体系中对于高速公路和一级公路，取路表容许车辙深度为15mm。在年等效温度下对路面结构进行力学分析后，得出表5．2．2-3中的技术指标要求。在分析过程中所考虑的主要因素如下： ① 交通等级：《公路沥青路面设计规范》JTG D50根据设计基准期内的累计当量轴次将交通划分为4个等级：轻交通小于3×106ESAL（累计标准轴次），中交通小于1．2×107ESAL，重交通小于2．5×107ESAL，特重交通不小于2．5×107ESAL。随着我国基年交通量的剧增以及年增长率的提高，设计基准期15年的重交通及其以上交通等级的高等级公路大、中修一般发生在8年～10年。工程实践表明：中、上沥青面层的实际寿命一般无法达到路面结构的设计基准期，因此材料性能设计的交通分级不完全等同于结构设计的交通分级，其分级上限主要受主抗车辙区既定温度条件下材料的承载极限制约。在某些苛刻条件下，材料性能设计的适用交通等级上限将低于结构设计上限。对于此种情形，当路面结构未达到设计寿命时，允许对面层的主抗车辙区进行铣刨重铺，保持下面层尤其是基层与地基的继续使用。 ② 气候分区：在《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40中，采用30年间的年最热月平均日最高气温的平均值作为气候分区的高温指标，以高温指标作为一级区划指标，将全国划分为三个区；以低温指标作为二级区划指标，将全国分为4个区。选择不同气候分区中的代表地区，见表5．2．2-3，其中：1-1、1-2区选择吐鲁番，1-3区选择武汉，1-4区选择海口和福州，2-1区选择富蕴，2-2区选择沈阳，2-3区选择大连，2-4区选择武都，3-2区选择西宁。在选择不同气候分区的代表地区时，需要比较各个代表地区的月平均气温以及车辙等效温度，通过对车辙等效温度计算以及月平均温度比较，将西宁和拉萨由2-2区和2-3区移至3-2区。代表地区的温度分区见表3。与海口环境相近地区主要有吐鲁番、广州与南宁等少数特殊地域。 ③ 沥青混合料类型：沥青路面材料设计，究竟该选取普通沥青混合料、改性沥青混合料、SMA混合料或新开发的沥青类材料，取决于哪类材料能够满足沥青层抗车辙性能要求。由于特定的交通和气候条件对沥青混合料的抗力需求是一致的，因此，性能合格的材料都是备选方案，而不分改性沥青混合料与普通沥青混合料，此时性价比优越的材料才是设计方案。 ④ 面层结构层：沥青面层一般是由不同材料组成的2层或者3层的复合体系。根据外力在结构内的扩散效应，不同层位将贡献不同的变形。2002年夏天，全国普遍出现持续高温，无论在南方或在北方部分省份，在爬坡路段，重车、超载车多的路段，沿车行道轮迹带上，出现了不同程度的车辙，有的路段出现较严重推移流动和变形。据现场调查，沥青混合料的推移、变形主要是产生在中面层，少数下面层也产生流动。 ⑤ 车速：在长大纵坡上车速较慢，可以简化为提高一个交通等级进行设计。 沥青混合料高温性能需求计算方法：通过大量室内车辙试验以及现场ALF加速加载试验的标定建立了包含高温性能经验评价参数的沥青层永久变形；同时由该永久变形公式和容许车辙深度以及分层容许永久变形分配方法可以推出沥青混合料高温性能需求计算方法，见式(1)。 根据沥青混合料动稳定度和相对变形的回归关系式(2)，由永久变形抗力参数PRD值可以推导出动稳定度评价指标的计算值，并参照《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40中沥青混合料车辙试验动稳定度技术要求进行适当调整，给出动稳定度评价指标的建议值。 由于实际应用主要针对城市快速干道，因此参照高速公路标准，即按180mm沥青层厚度进行考虑。对于两层式城市道路沥青面层结构，主要适用于0～100mm内标准。 (2)评价沥青路面水稳定性除采用沥青与集料间的粘附性指标外，还采用了浸水马歇尔残留稳定度及冻融劈裂强度比指标。根据“八五”攻关成果的建议，冻融劈裂试验仅限于在年最低气温低于-21．5℃的寒冷地区使用。但是，通过近年来的工程实践，该方法是以严酷试验条件评价沥青混凝土的水稳定性，南方多雨地区都采用该指标评价沥青混凝土的水稳定性，取得良好效果。因此，将冻融劈裂试验作为评价混合料水稳定性的必要指标，以保证沥青混合料具备良好的水稳定性，防止路面出现早期水损害现象。 若沥青混合料的水稳定性指标不能满足表5．2．2-4的要求，应采取措施改善沥青混合料的水稳定性，如掺入消石灰或水泥，或其它抗剥落材料。一般可在沥青混合料中掺入占总质量1．5％～2％的消石灰或2％～2．5％的水泥代替矿粉，但由于各地所用集料的材质不同，具体掺入剂量应由试验确定，不宜照搬。 (3)沥青混凝土路面的低温抗裂性能，受到广泛的重视。根据国内科研成果和近年来的试验研究成果，提出了沥青混合料低温弯曲试验破坏应变作为评价指标。该指标仅用于评价沥青混凝土路面的低温抗裂性能，对夏凉区、寒冷地区是一个参考性指标。 5．2．4 稀浆罩面分为微表处和稀浆封层，可用于新建道路的磨耗层或保护层，也可作下封层，这在我国已有了成功的经验，尤其是对于缺乏优质石料作抗滑层的地区，可以节省造价。稀浆罩面的混合料中乳化沥青及改性乳化沥青的用量应通过配合比设计确定。混合料的质量应符合有关规范的技术要求。 稀浆罩面应选择坚硬、粗糙、耐磨、洁净的集料，不得含有泥土、杂物。粗集料应满足热拌沥青混合料所使用的粗集料质量技术要求，表观相对密度、压碎值、磨耗值等指标可使用较粗的集料或原石料进行试验。当采用与结合料黏附性达不到4级以上的酸性石料时必须掺加消石灰或抗剥离剂。细集料宜采用洁净的优质碱性石料生产的机制砂、石屑，小于4．75mm部分细集料的砂当量应符合有关规范的要求，且不得使用天然砂。如发现集料中有超规格的大粒径颗粒时，必须在运往摊铺机前将集料过筛，混合料各筛孔的通过率必须在设计标准级配的允许波动范围内波动，所得级配曲线应尽量避免出现锯齿形。有实际工程证明，使用的级配能够满足稀浆罩面使用要求，并具有足够的耐久性时，经过专家论证，得到主管部门认可，也可使用。 MS-3型微表处采用彩色结合料时，可用于城市广场、停车场、人行道、商业街、文化街。 5．2．5 路用材料质量是保证沥青混合料质量的关键，应根据工程所在地的料源、气候条件、工程性质、交通量情况等进行综合论证后确认。 1 沥青标号和沥青技术指标的选择与工程所在地的气候、道路交通量、结构类型与层位密切相关。 沥青标号可按气候分区并结合工程实践经验选择，气候分区划为夏炎热区，对夏季持续高温较长、重载车较多的道路，纵坡大、长坡路段可选用稠度高、60℃黏度大的沥青、改性沥青等。交通量大、重载车较多的路段应选择较硬的沥青。改性沥青的基质沥青、表面处治和贯入式碎石宜选稠度较低的沥青。 由于沥青的气候分区是以最热月份每天最高气温的平均值表示，但该值往往低于最热月份连续7d的最高气温平均值，而车辙则是最容易发生在这最热的几天，因此有的地区在选择沥青标号和沥青技术指标时，参考了美国Superpave沥青胶结料规范中沥青PG分级方法，用历年最高月气温中连续7d高温的平均值和98％保证率，并考虑气温与路面温度的相关关系，计算路面最高温度，以此选择沥青高温等级。以历年极限最低气温选择沥青低温等级。这个方法已经在部分省份的工程实践中得以应用。 以下情况可采用改性沥青，以改善沥青混合料的路用性能。 1）当拌制的沥青混合料的高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性能达不到技术指标要求时，可采用改性沥青； 2）对特重交通、重交通或重要道路，大桥、特大桥桥面铺装等的沥青表面层应选用改性沥青，并视具体情况，中面层也可选用改性沥青或稠度更高的沥青等； 3）温差变化较大、高温或低温持续时间较长的严酷气候条件的道路可采用改性沥青； 4）铺筑SMA混合料、超薄罩面层、开级配抗滑面层、彩色路面等特殊结构时可采用改性沥青； 5）路线线形处于连续长纵坡、陡坡及半径较小匝道，制动、启动频繁，停车场等路段以及有特殊要求的道路可采用改性沥青。 目前，国内各种改性剂或改性沥青品种较多，同一改性剂因剂量不同或添加剂不同，获得的改性沥青的质量也有差异，应通过掺配试验和混合料性能试验进行技术经济论证和比选，选择施工方便、质量稳定、改性效果好的改性剂。加强质量检测工作，严格控制改性沥青的生产质量。 2 常用的石料有玄武岩、安山岩、片麻岩、辉绿岩、砂岩、花岗岩、闪长岩、硅质石灰岩以及经轧制破碎的砾石等。 (1)路面的行驶安全性取决于路表的横向力系数，而横向力系数与沥青混合料的石料品质、构造深度及集料的级配密切相关。因此，应认真调查沥青路面表面层所用粗集料，选择强度较高、磨光值大、耐磨耗、符合石料磨光值PSV要求的碎石。次干路及以下道路所用的粗集料，可掺入一定量的石灰岩碎石或其他磨光值较小的碎石。 (2)为提高沥青与集料的粘附性，可在沥青中采取掺入耐高温、耐水性持久的抗剥离剂或采用改性沥青等措施；同时为提高沥青混合料的水稳定性，应掺入一定的消石灰或水泥代替矿粉。并检验沥青混合料的水稳定性，使其达到本规范第5．2．2条中有关水稳定性指标的要求。沥青与集料的粘附性试验及分级标准参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20中的相关规定。 5 在SMA混合料中掺入木质素纤维、聚酯纤维、矿物纤维等稳定剂，已广泛地应用于工程实践。近年来有些特大桥梁或交通量繁重的公路的中面层，采用SBS改性沥青混凝土中掺入合成纤维如聚丙烯腈纤维、聚酯纤维或矿物纤维等，取得较好的路用效果，明显提高了动稳定度。选择纤维稳定剂应考虑使用要求和技术经济比较，宜选择性价比高的材料。纤维质量宜符合交通部发布《路桥用材料标准九项》(JT／T 531～538、589)中有关木质素纤维、沥青路面用聚合物纤维的技术要求，掺配剂量应通过试验确定，一般为0．25％～0．40％。