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德国沥青路面设计方法

第七篇德国沥青路面设计方法

德国高速公路以其历史久远、良好的性能而闻名于世。

今

年上半年笔者作为国家公派的高级访问学者，在德国乌珀塔尔大学进行为期四个月的访问学习。

现将德国高速公路沥青路面的设

计要点以及与我国目前的现状做一下介绍和比较分析。

第一章材料

1.1物集料

⑴沥青路面面层石料

在德国沥青面层矿物集料一般采用辉绿岩。

从使用情况来看，辉绿岩具有良好的抗压、抗击碎、高温稳定和抗磨耗性能。

其主要技术指标如下：

密度

g/cm3

抗压强度N/mm2

磨光值PSV

抗击碎强度

碎石SD10%

石屑/砂砾SZ8/12%

2.75~2.95

180~250

44~60

7-17

9-20

说明：

SD10见德国标准DIN52115；SZ8/12见德国标准DIN52115。

⑵有的高速公路路面面层也使用玄武岩。

玄武岩有一个特点，长期处在高温阳光照射下，其表面会出现斑点和裂纹，最终导致表层剥离。

在德国考虑使用玄武岩时，Sonnenbrand试验（暂译为光照剥离试验）是必须要做的。

其方法是将玄武岩做成标准试块，放在蒸馏水中在规定的时间和温度内进行煮熬（具体见德国试验规程），玄武岩表面可能产生斑点和像头发丝样裂纹。

煮熬后玄武岩剥离部分不超过原试块重量的1%。

同时要对玄武岩的碎石和石屑做强度检验。

对于碎石和石屑在煮熬前后抗击碎试验值SD10、SD8/12两者之差不超过5%，对优质石屑不超过3%。

⑶石料高温稳定性试验

石料在常温下，其各项技术性能指标能满足规定要求，一旦在高温条件下，其性能会发生改变。

在德国热铺沥青路面（温度大于120℃）中的矿物集料都要做高温稳定性试验。

试验方法是把砂砾或石屑放在马弗炉中进行高温加压，试验前后的砂砾或石屑剥离部分增量不超过3%。

同时还要进行抗击碎强度试验，在做高温稳定性试验前后，抗击碎强度值SZ8/12增加值不大于3%。

如果以上两个指标都能满足要求，就证明集料高温稳定性达到要求。

1.2沥青

⑴公路沥青

德国公路沥青标号按温度在25℃时的针入度划分，共分5类，其主要技术指标如下：

试验项目

公路沥青

B200

B80

B65

B45

B25

针入度[1/10mm]

160~210

70~100

50~70

35~50

20~30

软化点[℃]

37~44

44~49

49~54

54~59

59~67

弗拉斯脆点[℃]

≤-15

≤-10

≤-8

≤-6

≤-2

密度[g/cm3]

1.02

1.03

1.04

延度7℃[cm]

—

≥5

　—

13℃[cm]

　—

≥8

　—

25℃[cm]

　—

≥40

≥15

⑵稀释沥青

按德国标准DIN1995用FB500表示。

这种沥青在稀释剂蒸发后

残留下来的物质针入度通常为5001/10mm，残留物的最小针入度100

1/10mm,软化点不小于30℃。

⑶乳化沥青

乳化沥青分为非稳定性和稳定性两大类。

这里介绍的是非稳

定性乳化沥青，也是在高速公路上常用的乳化沥青。

非稳定性乳

化沥青按照德国标准DIN1995分为U60K和U70K两类。

根据含水

量要求，U60K含水量不超过45%，U70K含水量不超过32%。

蒸发

后残留沥青软化点在37℃和49℃之间。

⑷冷铺沥青

按照德国标准DIN1995冷铺沥青用KB表示。

这种沥青允许

最大溶剂不超过30%，冷铺沥青在蒸发后的残留物软化点在27

℃和49℃之间。

⑸聚合物改性沥青

德国采用的聚合物改性沥青分为弹性改性沥青和热塑性改

性沥青。

用PmB开头和后面的数字表示。

弹性改性沥青分为

A、B两类，热塑性改性沥青为C类。

聚合物改性沥青主要技术

B、指标见下表：

试验项目

聚合物改性沥青

PmB80A

PmB80B

PmB65A

PmB65B

PmB65C

PmB45A

PmB45B

PmB45C

针入度[1/10mm]

≥120

≥50

≥20

软化点[℃]

40-48

48-55

55-63

弗拉斯脆点[℃]

≤-20　　

　　　　　　≤-15

　　　　　≤-10

延度7℃[cm]

13℃[cm]

25℃[cm]

≥100　　

≥50

　—

≥100

≥30

≥15

　—

≥40

≥20

≥10

弹性恢复[%]

≥50

—

≥50

—

⑹路面表处的聚合物改性沥青用PmOB表示。

分为：

品种类型

聚合物改性沥青AA1、A2

聚合物改性稀释沥青BB

聚合物改性乳化沥青CC1、C2

聚合物改性稀释乳化沥青DD

C、D两类改性沥青性能相当于非稳定性乳化沥青U60K和U70K。

路面表处的聚合物改性沥青主要技术指标见下表。

试验项目

路面表处聚合物改性沥青

C1*

C2*

针入度[1/10mm]

≥80

≥40

≥200

—

软化点[℃]

≤9.5

≥50

≥25

≤49.5

≥50

≥25

弗拉斯脆点[℃]

≤-15

≤-10

≤-20

≤-15

≤-10

≤-20

弹性恢复[%]

≥50

注：

*表示按照德国标准DINV52041-2乳化沥青中的残留物PmOB。

⑺冷铺法施工中的薄面层所使用的聚合物改性沥青用

PmBE-DSK表示。

这种改性沥青与其它乳化沥青没有本质区别。

PmBE-DSK具有阳离子，其含水量必须严格符合TLPmBE-DSK要求。

乳化聚合物改性沥青回收后的沥青软化点不小于50℃，弗拉斯

脆点不大于-15℃以及弹性恢复不小于50%。

第二章路面结构

德国高速公路沥青路面部分自下而上（不含基层,底基层）分别为承重层、联结层和面层

2.1承重层

承重层由级配的矿物集料与公路沥青拌和而成。

必须具有足够的稳定性和承载能力。

按照德国规范ZTVAsphalt-StB规定承重层施工时分为一层和多层，其沥青混合料共分5个类型AO、A、B、C、CS。

每层压实厚度不小于8cm，多层厚度大于16cm。

承重层除了每层最小碾压厚度外，层数和总厚度取决于公路等级。

在高速公路上采用的是多层结构，通常为二层或三层。

上面所指5种沥青混合料在多层结构中的最下面一层均可使用。

AO和A型结构容易压实成型，因此特别适合于其下面的基层由于路基承载力和稳定性差而难以压实时使用。

对于重交通快车道的公路承重层第一层、第二层均可采用CS型结构；对于I级公路，如果最下面一层采用AO、A型结构，则其上面一层不能使用B型结构。

德国高等级公路承重层的5种结构类型组合见下表：

层次

等级

高速公路

I级公路

一层

B、C、CS

二层

B1）、C、CS

三层

B、C、CS（AO、A）2）

A、B、C、CS

说明:

1）如果第三层采用的AO或A型结构，则不采用。

2）只适用于上面是沥青路面。

沥青承重层要分层施工，施工时的空气温度不低于-3℃，并且下面的基层要求无雪无霜无冰无水膜。

为了保证与基层的粘接力，要求在基层表面喷洒粘结剂。

下面将承重层5个类型沥青混合料的级配与一些检测指标列表如下：

沥青混合料

类型

0/2~0/32

0/16*,0/22,0/32

单位

粒径＞2mm

0~80

0~35

＞35~60

＞60~80

粒径

＜0.09mm

2~20

4~20

3~12

3~10

公称粒径

≥10

最大粒径

筛余量

≤20

≤10

沥青含量

≥3.3

≥.3

≥3.9

≥3.6

马氏稳定度

≥2

≥3

≥4

≥5

≥8

马氏流值

1.5~4.0

1.5~5.0

空隙率

4~20

4~14

4~12

4~10

5~10

VOL.-%

压实度

沥青标号

B65、B80、（B45）

注：

*只作为调平层。

（）仅适合于第三层。

2.2沥青路面联接层

德国高等级公路的沥青路面结构中均设置联接层，位于面层下面，类似于我国的中面层。

它是由级配矿物集料与公路沥青拌和而成，必须有良好的稳定性和承载力，起到调平下面承重层和吸收由于交通荷载而引起的水平剪力功能。

为了达到稳定性和抗剪切效果，在联接层中的用砂要专门加工成优质轧制砂。

在联接层中采用聚合物改性沥青并具有相应的粘度是十分有益的。

联接层施工方法为热铺法，其表面没有保护层，不宜长时间跑车。

联接层的施工厚度按德国规范ZTVAsphalt-StB取决于混合料的最大粒径及碾压条件等因素。

粒径（mm）厚度（mm）

0/164.0～8.5

0/16s5.0～8.5

0/22s7.0～10.0

联接层主要技术指标见下表：

混合料类型

沥青联接层

单位

矿料

优质石屑，优质轧制石屑填料（矿粉）

优质石屑，优质轧制石屑天然砂,填料（矿粉）

0/22S

0/16S

0/16

0/111）

＜0.09mm

4~8

3~9

＞2.0mm

70~80

70~75

60~75

50~70

＞8.0mm

—

≥20

＞11.2mm

—

≥25

≥20

≤10

＞16mm

≥25

≤10

—

＞22.4mm

≤10

—

轧制砂与天然砂比

02）

≥1:

沥青标号

（B65）、B45PmB45

B65、B80

（B45）

B65、B80

沥青含量

4.0~5.0

4.2~5.5

4.0~6.0

4.5~6.5

空隙率（马氏）3）

5.0~7.0

4.0~7.0

3.0~7.0

VOL.-%

压实度

≥97

≥964）

注：

1）仅作为平整层,不适合高速公路及Ⅰ~Ⅲ级公路。

2）在老路改建中,铣刨沥青的添加材料中天然砂不超过5%。

3）在矿物混合料中铁渣或其它炉渣含量大于20%时,必须用吸水率代替空隙率计算。

4）厚度不小于3cm时。

（）只有在特殊情况下使用。

2.3沥青路面面层

在德国高等级公路沥青路面面层通常采用以下三种结构：

（1）热铺沥青混凝土

由级配矿物与公路沥青拌和而成。

施工铺筑厚度按规范ZTVAsphalt-StB中规定的混合料粒径以及碾压条件等因素决定，一般按下列要求进行：

粒径厚度

0/52.0~3.0cm

0/83.0~4.0cm

0/113.5~4.5cm

0/11s4.0~5.0cm

（0/16s）5.0~6.0cm

沥青路面面层厚度按照德国规范RStO一般是4cm。

如果面层3.5cm改为3.0cm,则下面联接层厚度增加0.5cm。

比如联结层7.5cm可以扩大到8.0cm。

热铺沥青混凝土主要技术指标如下：

沥青混凝土

0/16S*

0/11S

0/11

0/8

0/5

单位

矿料

优质石屑，优质轧制石屑,天然砂,石粉

＜0.09mm

6.0~10.0

7.0~13.0

8.0~15.0

＞2.0mm

55~65

50~60

40~60

35~60

30~50

＞5.0mm

—

≥15

≤10

＞8.0mm

25~40

15~30

≥15

≤10

—

＞11.2mm

≥15

≤10

—

＞16.0mm

≤10

—

轧制砂与天然砂比例

≥1:

11）

≥1:

11）

—

沥青标号5）

B65（B80）

B80（B65）

B80（B200）

沥青含量

5.2~6.5

5.9~7.2

6.2~7.5

6.4~7.7

6.8~8.0

空隙率（马氏）2）

3.0~5.0

3.5~5.0

2.0~4.04）

1.0~3.03）

2.0~4.04）

1.0~3.03）

——

1.0~3.03）

VOL.-%

压实度

≥97

≥96

施工时空隙率

≤7.0

≤6.0

VOL.-%

注:

*只适用于特殊情况。

1）适用于Ⅲ级公路。

2）只适用于Ⅴ、Ⅵ级和轻交通的公路。

3）适用Ⅲ、Ⅳ级公路。

4）适用Ⅱ、Ⅲ级公路以及在特殊荷载特殊情况下可以使用具有相应粘度的聚合物改性沥青。

热铺沥青混凝土目前在德国高速公路上作为面层使用不多见。

（2）沥青玛帝脂碎石混合料路面

它是一种间断级配的矿物集料和公路沥青并加入稳定添加剂拌和而成，热铺并压实。

由于碎石含量高，在集料中产生骨架，其空隙用沥青玛碲脂或沥青砂胶等稳定性添加剂填充。

这种间断级配的集料中小于2mm粒径的矿料含量较少，矿物集料表面积也相对较少，因此需要较多的沥青用量，同时要加入稳定添加剂（如聚合物、矿物纤维材料等）。

沥青玛帝脂碎石混合料路面具有良好的抗磨耗和稳定性能，因此在德国高等级公路上作为面层使用很广。

沥青玛帝脂碎石混合料路面摊铺厚度按规范ZTVAsphalt-StB规定的混合料中的最大粒径和碾压条件等因素决定。

一般按下面要求进行：

粒径厚度

0/51.5~3.0

0/82.0~4.0cm

0/8s3.0~4.0cm

0/11s3.5~4.0cm

0/8s和0/11s在高速公路和Ⅰ、Ⅱ级公路面层使用十分普遍。

沥青玛帝脂碎石混合料路面级配组成及技术要求如下：

沥青玛帝脂碎石混合料路面

0/11S

0/8S

0/5S

单位

矿料

优质石屑，优质轧制砂，

矿粉

优质石屑，优质轧制砂，天然砂，矿粉

＜0.09mm

9~13

10~13

8~13

＞2.0mm

75~80

70~80

60~70

＞5.0mm

60~70

≥55

45~70

≤10

＞8.0mm

≥40　　

≤10

—

＞11.2mm

≤10

—

轧制砂与

天然砂比例

≥1:

沥青标号

B65（PmB45）

B80

B80（B200）

沥青含量

≥6.5　

≥7.0

≥7.2

稳定添

加剂

0.3~1.5

马氏空隙率

3.0~4.0

2.0~4.0

VOL.-%

压实温度

135±5

℃

压实度

≥97

（3）浇注式沥青面层

由具有很小的空隙率的级配石料和公路沥青拌和而成。

采用热铺法。

沥青的含量由集料的空隙决定，其空隙被沥青完全填满，并存在少量的多余沥青。

浇注式沥青面层是一种密实型面层，在热状态下能够浇注和涂抹，用普通拌和设备就能生产。

装运过程中要装配电动拌和设备防止离隙。

在200℃～250℃温度下，采用特殊设备或手工浇注，最后在表面撒布石屑，用压路机压实。

为防止气泡形成，碾压设备先用橡胶轮胎进行搓揉，然后在撒布石屑后，再用光轮静压整平。

其表面形象比喻为在玻璃板上撒上石屑，一半压在玻璃板内，一半露在玻璃板上面。

浇注式沥青面层无空隙率，具有很好的防水性能；又因其表面撒布石屑，具有很好的粗糙度，抗滑性能好；同时由于采用浇注方式，整体性能和稳定性能都很好，所以在德国高速公路上使用最广。

摊铺厚度（包含撒布的石屑）按照规范ZTVAsphalt-StB中的混合料最大粒径和摊铺条件决定。

一般要求如下：

粒径厚度

0/52.0~3.0

0/82.5~3.5cm

0/113.5~4.0cm

0/11s3.5~4.0cm

其中0/11和0/11S适合高速公路和Ⅰ、Ⅱ级公路。

浇注式沥青面层技术指标如下：

浇注式沥青面层

0/11S

0/11*

0/8*

0/5*

单位

矿物材料

优质石屑，优质轧制砂，天然砂，矿粉

＜0.09mm

20~30

22~32

24~34

＞2.0mm

45~55

40~50

35~45

＞5.0mm

—

≥15

≤10

＞8.0mm

≥15

≤10

—

＞11.2mm

≤10

22～32

24～34

轧制砂与

天然砂比例

≥1:

—

沥青标号

B45（B25）

B45（B65）

沥青含量

6.5～8.0

7.0～8.5

渗透深度试验2）

30min

1.0～3.5

1.0～5.0

≤10.01）

再增加30min

渗透试验

≤0.4

≤0.6

注：

*、（）适用于特殊情况。

1）适用于自行车道和人行道。

2）渗透深度试验是针对浇注式沥青面层的一种试验方法。

第三章级配设计

一个合理的级配设计是保证沥青路面经久耐用、稳定、耐磨的重要条件。

德国高速公路的沥青路面面层、联结层、承重层根据不同的路面结构类型都有相应的级配设计程序，只要将部分粒径的通过百分率确定下来，并输入已编好的计算程序中去，其它粒径的筛余百分率、通过百分率及级配曲线会自动生成。

在级配设计中，0～2mm粒径是级配设计中的控制粒径。

0～2mm之间又分为四组粒径0～0.09mm，0.09～0.25mm，0.25～0.71mm，0.71～2mm。

这四组粒径的集料是从0～2mm细粒中进行水洗法筛分，得到每种筛子筛余量，允许2mm筛子上有筛余集料。

在做水洗法筛分之前，用旋转分配仪将一定数量的0~2mm集料（具体数量由马歇尔试块决定）分成8等份，从8等份中取出一等份用旋转分配仪再分成8等份，取其中3等份做水洗筛分。

水洗筛分后，将每一份筛分在0～0.09mm，0.09～0.25mm，0.25～0.71mm，0.71～2mm以及2mm筛子上的筛余量，填写到计算机已编制好的计算程序表中，在以上各筛孔上程序自动生成相应的筛余百分率以及通过百分率，并进行累计计算，得出0～2mm（含2mm）各筛孔上最终筛余百分率和通过百分率。

再将0～2mm（含2mm）筛子上最终通过百分率填入到计算机中已编制好的程序中去，则大于2mm粒径组，例如2～5，5～8，8～11等都可以由计算机自动计算出各组孔径筛子上的通过百分率及级配曲线。

这里要介绍一下旋转分配仪的构造和工作原理。

旋转分配仪是一个转动轴、8个瓶子、进料口及支座组成。

进料口位于最上面，在进料口下面围绕着转动轴悬挂8个装料瓶，装料瓶与转动轴一起转动，当进料口有矿料进入时，随着转动轴旋转，会将每一份集料等分成8等份进入装料瓶中。

旋转分配仪最大优点是将细集料0～2mm平均均匀分配，防止人工等分造成的离析不均匀现象。

集料越细越容易离析，并且难以发觉。

第四章总结

我国高速公路沥青路面与德国高速公路沥青路面主要区别有以下几个方面：

4.1石料方面

我国高速公路沥青路面面层通常采用玄武岩，德国一般使用辉绿岩。

玄武岩一个重要试验（Sonnenbrand），我国目前还无法做，这是一个十分重要的技术指标，也是决定玄武岩能否用作面层材料的关键性指标。

4.2沥青

特别是改性沥青，我国主要参照的是美国标准。

4.3路面结构组合设计

我国高速公路绝大部分采用上、中、下三层结构，德国高速公路沥青路面结构分为面层、联接层、承重层。

（1）上面层（德国面层）

我国：

粒径0/13～0/16；厚度4cm。

德国：

粒径0/5～0/11；厚度4cm。

我国上面层绝大部分为沥青混凝土，表面光滑。

德国面层绝大部分使用的是浇注式沥青面层，表面粗糙。

（2）中面层（德国联接层）

我国：

粒径0/20～0/25；厚度6～7cm。

德国：

粒径0/16～0/22；厚度7～8cm。

我国中面层为沥青混凝土。

德国联接层也是沥青混凝土。

（3）下面层（德国承重层）

我国：

粒径0/25；厚度7～8cm。

德国：

粒径0/22~0/32；厚度每层不小于8cm。

我国下面层一层。

德国承重层2～3层，分5种级配形式。

我国高速公路沥青路面部分总厚度在16～18mm（不含基层、底基层）。

德国高速公路沥青路面部分总厚度在26～34mm（不含基层、底基层）。

我国沥青混合料结构型式与德国一样同为沥青混凝土结构。

4.4我国沥青路面下面的水泥稳定碎石或二灰碎石基层通常不做切缝。

德国规定：

（1）当基层抗压强度大于9.0N/mm2。

（2）基层厚度超过20cm。

（3）基层上面的沥青路面厚度小于14cm。

以上三个条件只要有一个成立，则基层必须做横向切缝处理。

4.5底基层

我国底基层大部分采用的是二灰土；德国底基层大部分用的是防水、防冻层。

防水、防冻层厚度跟粒径关系如下：

粒径厚度

0～32mm12cm

0～45mm15cm

0～56mm18cm

0～63mm20cm

材料组成主要是砂砾和碎石，压实厚度是最大粒径的3倍。

4.6级配设计

我国的沥青混合料的级配设计往往靠经验进行反复试验，花费很长时间来确定级配曲线；德国用设计好的程序来确定级配曲线，既准确又省时。

特别对0～2mm粒径进行等份水洗筛分而我国用手工等份，德国用精密仪器等份，其均匀性要好得多。

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