热拌薄层沥青混合料AC-5由于使用寿命长，寿命周期费用低，能提供很平整的行车路表，延长路面使用寿命，改善行驶质量，修正路表缺陷，提高行车安全性，对原路面的结构也有一定补强作用，近年来在路面维修和养护中越来越受到重视^{[1, 2, 3, 4]}。当前Superpave沥青混合料设计体系标准都是针对最大公称粒径9.5~37.5 mm的沥青混合料^[5]。我国沥青混合料设计体系有针对砂粒式AC-5沥青混合料的相关指标，但国内对AC-5薄层罩面的研究、应用都很少,我国AC-5沥青混合料体积参数设计标准没有经过实体工程的应用检验。此外我国现行试验规程方法计算的沥青混合料VMA偏大，VV偏小，VFA偏大，计算体积参数时经常出现矛盾^[6]，我国规范也没有规定AC-5沥青混合料粗细集料分界筛孔。本文通过总结国内外应用AC-5的级配，结合我国规范级配提出了AC-5试验级配范围。采用Superpave理论在实验室设计AC-5沥青混合料，并将应用有效沥青含量计算得到的混合料体积参数与我国规范AC-5沥青混合料体积参数标准进行分析比较，同时对设计得到的混合料进行APA车辙试验。结果表明很多具备优异高温抗车辙性能的AC-5 沥青混合料体积参数不符合我国规范AC-5沥青混合料体积参数标准，同时考虑到我国规范对于AC-5 沥青混合料体积参数标准不完善的缺点，在APA车辙试验基础上^[7]结合国外应用AC-5经验^[8]对我国现行AC-5沥青混合料体积参数标准适用性进行分析，并提出了修正的AC-5沥青混合料体积参数标准。 1 AC-5沥青混合料配合比设计

研究中选用两种普遍应用的集料：花岗岩和石灰岩石料，在进行混合料配合比设计时对两种集料的性质进行试验比对,具体结果见表 1。从表 1中可以看出两种集料吸水性能相似，石灰岩密度较大，花岗岩棱角性较高。两种石料的筛分结果见表 2。国内外热拌薄层罩面沥青混合料配合比设计时粗细集料分界筛孔选择主要依据贝雷法中第一控制筛孔尺寸的确定方法^{[9, 10]}，即根据混合料集料的公称最大粒径尺寸的0.22倍所对应的相近尺寸作为粗细集料的分界点^[11]。我国规范没有规定AC-5沥青混合料粗细集料分界筛孔，因此文中根据文献^[11]的确定方法，AC-5沥青混合料粗细集料分界筛孔采用1.18 mm筛孔。总结国内外的研究经验并结合我国砂粒式密集配沥青混合料设计标准(具体见表 3)，确定AC-5合成级配控制筛孔推荐通过率范围，见表 4。

配合比设计时每种AC-5沥青混合料都采用Superpave沥青混合料设计体系中的粗型、中型和细型3种级配，每种级配类型选取不同的P_0.075：6%,9%,12%。考虑到美国NCHRP(9-14)研究建议不再保留禁区概念^[15]以及近年来业内对Superpave级配禁区的争论，本次试验研究合成级配时不再考虑禁区。根据马里兰州和乔治亚州的研究结果，AC-5沥青混合料在Superpave沥青混合料4%设计空隙率标准上提高设计空隙率，仍然可以得到良好路用性能的混合料。AC-5热拌沥青混合料设计空隙率在4%到7%都表现出较好的稳定性与耐久性。此外考虑到AC-5沥青混合料P_0.075、细集料含量比一般混合料要高很多，我国规范针对砂粒式密级配沥青混合料的设计空隙率还是按照不同气候分区笼统采用2%~6%^[14]的范围显然太大。综合考虑混合料经济性能与高温性能同时保证合理的沥青含量，在设计AC-5沥青混合料时，设计空隙率选择4%，6%。本次试验具体的合成级配图见图 1。

图 1 本文研究中选用的合成级配图 Fig. 1Synthetic gradation curves used in this study

图选项

研究中选用PG67-22沥青，设计旋转次数75次，这与当前Superpave沥青混合料设计体系里单轴荷载范围0.3×10⁶~3×10⁶ESAL次一致，通过压实得到高115 mm圆柱形混合料标准试件。通过选用2种集料类型、3种级配类型、3种P_0.075、2种设计空隙率互相组合设计得到36种不同的沥青混合料。

表 5、表 6是36种混合料配合比设计的结果，表中具体体现了AC-5沥青混合料的最佳沥青含量、VMA、VFA、%Gmm@Nini(设计旋转次数对应的压实度)、粉胶比以及沥青膜厚度。

结合表 5、表 6设计混合料体积参数结果与2.3中我国规范对于AC-5沥青混合料体积参数标准，可以看出在设计空隙率4%、6%下设计的36种混合料VMA、VFA值有一半以上不符合我国规范对于AC-5沥青混合料在设计空隙率4%、6%时相应的标准。仔细观察表 7我国规范AC-5沥青混合料体积参数标准，我国规范VMA最小标准值随着集料公称最大粒径逐级减小而增大，这与美国等国外规范、Superpave体系VMA标准值随集料的公称最大粒径递减而递增相似。Superpave体系公称最大粒径减小一级VMA标准值增大1%，但是我国规范在相同空隙率下当集料公称最大粒径从9.5 mm减小到4.75 mm时VMA标准值增大2%。同时从表 8可以看出我国规范并没有明确规定AC-5沥青混合料关键性筛孔尺寸。我国对AC-5沥青混合料的应用研究较少，我国现行规范针对AC-5沥青混合料的体积参数标准也缺乏实体工程应用检验。针对设计混合料的体积参数与我国规范不符这一矛盾，必须对设计得到的混合料进行性能试验来检验设计得到的混合料的性能，并结合混合料性能试验结果检验提出的推荐级配的适用性并分析我们AC-5沥青混合料体积参数标准的适用性。

由于AC-5沥青混合料从一开始只被考虑用到城市道路小面积维修和低交通量路面中，国内外对混合料耐久性、抗车辙等路用性能测试数据比较少。本文在国内外已有AC-5沥青混合料研究应用经验基础上通过36种不同混合料的APA车辙试验分析了我国AC-5沥青混合料体积参数标准的适用性。在此基础上运用控制关键车辙深度方法^[16]提出修正的AC-5沥青混合料体积参数建议指标值。 3.1 36种AC-5沥青混合料APA车辙试验结果分析

依据NCHRP第二阶段9-17研究中提出的APA车辙试验的关键控制车辙深度概念^[12]，文中单轴荷载3×10⁶ESAL次对应的关键控制车辙深度为9.5 mm。从表 9混合料APA车辙深度结果可以看出36种混合料中只有11种混合料APA车辙深度大于9.5 mm，有些混合料甚至表现出相当优异的高温抗车辙性能。但是这些具备良好高温抗车辙性能的混合料体积参数VMA、VFA大部分不符合我国规范AC-5沥青混合料体积参数标准，我国规范AC-5沥青混合料体积参数标准对文中设计混合料适用性不强。鉴于此对文中36种AC-5沥青混合料车辙深度进行变异性分析，表 10分析结果表明混合料设计时4种不同因素(集料类型、级配类型、P_0.075、设计空隙率)对混合料车辙深度影响显著，因此可以在APA车辙深度基础上结合国内外研究经验运用控制关键车辙深度方法修正AC-5沥青混合料的体积参数指标。

在Superpave沥青混合料设计体系中，混合料的耐久性主要由VMA和粉胶比控制，但是AC-5沥青混合料从一开始只被考虑用到城市道路小面积维修和低交通量路面中，因此对混合料耐久性、抗车辙等路用性能测试数据比较少。马里兰州和乔治亚州在选定的最大0.075 mm筛孔通过率与最低限的沥青含量这一特定条件下研究沥青混合料的耐久性。马里兰州、乔治亚州通过特定的AC-5混合料设计标准(表 3)计算最大限度的粉胶比分别为2.0和2.4，最大粉胶比的平均值为2.2与本次设计得到的不同混合料的粉胶比平均值2.0很接近。文中对设计得到的混合料VMA、沥青膜厚度和粉胶比之间的相关性进行了分析。图 2具体说明了本文试验得到的VMA、沥青膜厚度和粉胶比之间的关系。36种沥青混合料的VMA和沥青膜厚度都在图 2中反映了出来，从图中我们可以看到VMA、沥青膜厚度和粉胶比之间都呈现出合理的比较高的相关系数，两者相关系数R²都大于0.7，数据统计表明AC-5 沥青混合料的VMA、沥青膜厚度和粉胶比之间的相关性很高。

图 2 不同保证混合料耐久性指标之间的关系 Fig. 2Relation among different indexes for ensuring durability of mixture

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从图 2可以看到运用关键APA车辙深度控制方法得到的最小粉胶比为1.2是合理的。但是如果最小粉胶比确定为1.2，图 3中APA车辙深度数据相关性不强，有7种混合料的粉胶比介于0.95与1.2之间，同时这7种混合料都能表现出良好的抗车辙能力，其中有3种混合料的抗车辙能力特别突出。此外AASHTO MP2-01关于粉胶比允许变化范围是0.6~1.2，当级配曲线通过禁区下方时粉胶比允许变化范围是0.8~1.6。我国规范规定粉胶比宜符合0.8~1.6的要求。马里兰州、乔治亚州研究得到的最大粉胶比的平均值为2.2，而最大粉胶比2.2与本次试验设计得到不同混合料的粉胶比平均值2.0很接近。通过以上分析同时综合考虑混合料耐久性与AC-5沥青混合料较高的P_0.075，粉胶比标准值范围确定为0.9~2.2是合理的。

图 3 APA车辙深度与粉胶比之间的关系 Fig. 3Relationship between APA rut depth and filler-bitumen ratio

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如前所述，文中设计得到的混合料VMA与粉胶比之间相关性很高，在确定了AC-5沥青混合料粉胶比标准的前提下，可以依据图 4中VMA与粉胶比的关系来确定VMA的最小标准值。依据粉胶比最大值2.2得到的最小VMA标准值16%，与表 11当前Superpave沥青混合料设计体系里的VMA随最大公称粒径逐级递减而递增1%相吻合。同时文中设计的36种混合料VMA值也能很好地满足VMA最小标准值16%。综合分析表明AC-5沥青混合料VMA最小标准值定为16%是合理的。

图 4 VMA、沥青膜厚度与粉胶比之间的关系 Fig. 4Relationship of VMA with asphalt film thickness and filler-bitumen ratio

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图 5具体体现了VMA与APA车辙深度的具体关系拟合趋势线，从图中看出虽然VMA与APA车辙深度的相关性不强(R²=0.37)，但是相关性确是显著的(概率为0.002)，因此通过控制最大VMA标准值来提高混合料抗车辙能力是可行的。关键控制车辙深度为9.5 mm，此时最大VMA为18%，前面分析中确定的VMA最小值为16%，这样VMA实质上只有2%的变化范围，而把VMA变化范围控制在2%以内是WesTrack足尺试验环道为了保证混合料高温抗车辙性能所推荐的。因此VMA最大标准值可以取18%来保证混合料高温抗车辙性能。

图 5 APA车辙深度与VMA之间的关系 Fig. 5Relationship between APA rut depth and VMA

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VFA的本质是控制沥青混合料合理的沥青含量与VMA。图 6具体体现了两种不同设计空隙率对应的VFA与车辙深度的关系，在确定的VMA标准基础上结合图 6的数据可以看到在设计空隙率4%时VFA变化范围为75%~78%。当设计空隙率从4%变化到6%时VFA可以接受的变化范围为63%~78%，该范围与我国规范对于夏热、夏凉区中轻、重载交通65%~75%的变化范围很接近，比其他等级公路70%~85%的变化范围更严格。鉴于AC-5近年来在国外越来越多地应用于高速、一级公路的养护维修中，并且表现出理想的路用性能，当设计空隙率为4%~6%时VFA可变范围取63%~78%可更好地保证混合料性能。

图 6 APA车辙深度与VFA之间的关系 Fig. 6Relationship between APA rut depth and VFA

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(1)设计空隙率在Superpave 4%的基础上增大到6%，关键控制筛孔、粗细集料分界筛孔选择1.18，0.075 mm，关键筛孔1.18，0.075 mm推荐通过率范围为30%~54%、6%~12%时在实验室能成功得到良好高温抗车辙性能的AC-5沥青混合料。

(2)设计的36种AC-5沥青混合料APA车辙试验结果表明,大部分具备良好高温抗车辙性能的混合料体积参数VMA和VFA不符合我国规范AC-5沥青混合料体积参数标准，同时我国规范针对AC-5沥青混合料体积参数标准尚有不完善的地方，我国规范针对AC-5沥青混合料体积参数标准也未经实体工程应用检验，我国规范AC-5沥青混合料体积参数标准对文中设计混合料适用性不强。

(3)结合国内外研究成果并在AC-5沥青混合料APA车辙试验基础上，运用控制关键车辙深度方法，提出了修正的AC-5沥青混合料体积参数标准建议值，混合料设计空隙率变化范围为4%~6%时对应的粉胶比、VMA、VFA变化范围为0.9~2.2、16%~18%、63%~78%，与我国现行AC-5沥青混合料体积参数相比，此标准建议值可更全面、严格地控制AC-5沥青混合料性能。

(4)文中提出的AC-5沥青混合料体积参数修正标准还需经实体工程应用检验，以评价其普遍适用性。