沥青混合料配合比设计方法.doc

嘉兴市春秋建设工程检测中心有限责任公司 CQ/Q040530-2003

沥青混合料配合比设计方法

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2003年11月1日批准　　 　 2003年11月25日实施
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沥青混合料配合比设计方法
1.沥青混合料配合比设计基本原则
1.1对于高速公路和 一级公路沥青路面的上面和中面层的沥青混凝土混合料进行配合比设计时，应通过车辙试验机对抗车辙能力进行检验。在温度60℃、轮压0.7Mpa条件下进行车辙试验的动稳定度，对高速公路不小于800次/㎜，对一级公路应不小于600次/㎜
1.2沥青碎石混合料的配合比设计应根据实践经验和马歇尔试验的结果，经过试拌试铺论证确定。
1.3高速公路和一级公路的热拌沥青混合料的配合比设计应遵照下列步骤进行：
1.3.1目标配合比设计阶段。用工程实际使用的材料计算各种才来的用量比例，配合成符合表1规定的矿料级配，进行马歇尔试验，确定最佳沥青用量。以此矿料级配及沥青用量作为目标配合比，供拌和机确定各冷料仓的供料比例、进料速度及试拌使用。
1.3.2生产配合比设计阶段。对间歇式拌和机，必须从二次筛分后进人各热料仓的材料取样进行筛分，以确定各热料仓的材料比例，供拌和机控制室使用。同时反复调整冷料仓进料比例以达到供料均衡，并取目标配合比设计的最佳沥青用量、最佳沥青用量±0.3%等三个沥青用量进行马歇尔试验，确定生产配合比的最佳沥青用量。
1.3.3生产配合比验证阶段。拌和机采用生产配合比进行试拌、铺筑试验段，并用拌和的沥青混合料及路上钻取的芯样进行马歇尔试验检验，由此确定生产用的标准配合比。标准配合比作为生产上控制的依据和质量检验的标准。标准配合比的矿料级配至少包括0.075㎜、2.36㎜、4.75㎜（圆孔筛0.074㎜、2.5㎜、5㎜）三档的筛孔通过率接近要求级配的中值。
1.3.4经设计确定的标准配合比在施工过程中不得随意改变，生产过程中如遇到进场材料发生变化并经检测沥青混合料的矿料级配、马歇尔技术指标不符和要求时，应及时调整配合比，使沥青混合料质量符合要求并保持稳定，必要时重新进行配合比设计。
2.矿质混合料的配合组成设计
矿质混合料配合组成设计的目的，是选配一个具有足够密实度、并且有较高内摩阻力的矿质混合料。可以根据级配理论，计算出需要的矿质混合料的级配范围；但是为了应用已有的研究成果和实践经验，通常是采用规范推荐的矿质混合料级配范围来确定。按现行规范《沥青路面施工及验收规范》（GB500092—96）中规定，按下列步骤进行；
2.1确定沥青混合料类型
沥青混合料的类型，根据道路等级、路面类型及所处的结构层位，按表2选定。
2.2确定矿质混合料的级配范围
根据已确定的沥青混合料类型，查阅规范推荐的矿质混合料级配范围表即可确定所需的级配范围。
2.3矿质混合料配合比计算
2.3.1组成材料的原始数据测定 根据现场取样，对粗集料和矿粉进行筛析试验，按筛析结果分别绘出各组成材料的筛分曲线。同时并测出各组成材料的相对密度，以供计算物理常数备用。
沥青混合料类型 表2
结 构
层 次
高速公路、一级公路、城市快速路、主干路
其它等级公路
一般城市道路及其它道路工程
三层式沥青
混凝土路面
两层式沥青
混凝土路面
沥青混凝土
路面
沥青碎石
路面
沥青混凝土
路面
沥青碎石
路面
上面层
AC-13
AC-16
AC-20
AC-13
AC-16
AC-13
AC-16
AC-13
AC-5
AC-10
AC-13
AM-5
AM-10
中面层
AC-20
AC-25
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
下面层
AC-25
AC-30
AC-20
AC-25
AC-30
AC-20
AC-25
AC-30
AM-25
AM-30
AM-25
AM-30
AC-20
AM-25
AM-25
AM-30
AC-20
AM-30
AM-40
2.3.2计算组成材料的配合比
根据各组成材料的筛析试验资料，采用图解或试算（电算）法，计算符合要求级配范围的各组成材料用量比例。
2.3.3调整配合比
计算得的合成级配应根据下列要求作必要的配合比调整。
a) 通常情况下，合成级配曲线宜尽量接近设计级配中限，尤其应使0.075㎜、2.36㎜和4.75㎜筛孔的通过量尽量接近设计级配防卫的中限；
b) 对高速公路、一级公路、城市快速路、主干路等交通量大、轴载重的道路，宜偏向级配范围的下（粗）限。对一般道路、中小交通量或人行道路等宜宜偏向级配范围的上（粗）限；
c) 合成级配曲线应接近连续的或合理的间断级配，但不应过多的犬牙交错。当经过再三调整，仍有两个以上的筛孔超过级配范围时，必须对原材料进行调整或更换原材料重新试验。
3.沥青混合料最佳沥青用量确定
沥青混合料的最佳沥青用量（简称QAC），可以通过各种理论计算的方法求得。但是由于实际材料性质的差异，按理论公式计算得到的最佳沥青用量，仍然要通过试验方法修正，因此理论法只能得到一个供试验的参考数据。采用试验的方法确定沥青用量最佳用量，目前最常用的有：维姆当量法和马歇尔法。
我国现行国标《沥青路面施工及验收规范》（GB50092—96）中规定的方法，实在马歇尔法和美国沥青学会方法的基础上，结合我国多年研究成果和生产实践总结发展起来更为完善的方法。该法确定沥青最佳用量按下列步骤：
3.1制备试样
3.1.1按确定地矿质混合料配合比，计算各种矿质材料的用量。
3.1.2根据表1推荐沥青用量范围（或经验的沥青用量范围），估计适宜的沥青用量（或油石比）。
3.2测定物理指标
为确定沥青混合料的沥青最佳用量，需测定沥青混合料的下列物理指标。
3.2.1视密度 沥青混合料的压实试件的视密度，可以采用水中重法、表干法、体积或封蜡法等方法测定。对于密级配沥青混合料，通常采用水中重法，按下式计算。
m
ρm= ρw
m - m1

或 m
ρm =
ρww
m2 - m3 - m2 - m3

dp
式中ρm——试件实测质量密度（g/cm3）；
m ——试件在空气中质量（g）；
m1——试件在水中质量（g）；
m2——封蜡后试件在空气中质量（g）；
m3——封蜡后试件在水中质量（g）；
dp——蜡的相对密度；
ρw——常温水的质量密度（1g/cm3）。
3.2.2理论密度 沥青混合料试件的理论密度，是指压实力清混合料试件全部为矿料(包括矿料内部孔隙)和沥青组成（空隙率为零）的最大密度。理论密度可按下式计算。
按油石比（即沥青与矿料的质量比）计算时：

100 + Pa
ρt=
ρww
W1 W2 Wn Wa
d1 + d2 + …… dn + da

按沥青含量（沥青质量占混合料质量的百分率）计算时：
100
ρt=
ρww
W10 W20 Wn0 Wa0
d1 + d2 + …… dn + da

式中ρt——试件理论质量密度（g/cm3）；
W1……Wn——各种矿料配合比（%）矿料总和为100%；
d1……dn——各种矿料相对密度；
ρww——常温水的密度（g/cm3）；
Pa ——沥青的用量，以干矿料的百分率计（%）；
da ——沥青的相对密度。
3.2.3空隙率 压实沥青混合料试件的空隙率根据其视密度和理论按下式计算：
VV = ρt － ρm ×100%

ρt
式中 VV——试件空隙率（%）；
ρm—实测质量密度（g/㎜3）
ρt—理论质量密度（g/㎜3）
3.2.4沥青体积百分率 压实沥青混合料试件中，沥青的体积与试件总体积的百分率称为沥青体积百分率（简称V/A），按下式计算：
VA= Pb ρs
γbρw
或 VA= Pb ρs
(100+ Pa)γbρw
式中：VA——沥青混合料试件的沥青体积百分率（%）；
Pa、Pb、、γb——意义同前。
3.2.5矿料间隙率 压实沥青混合料试件内矿料部以外体积占总体积的百分率，称为矿料间隙率（简称VMA）。亦即试件空隙率与沥青体积百分率之和，按下式计算：
VMA=VA+VV
式中：VMA——矿料间隙（%）；
VA、VV——意义同前。
3.2.6沥青饱和度 压实沥青混合料中，沥青部分体积占矿料骨架以外的空隙率部分体积的百分率，称为沥青填隙率（简称VFA）亦称沥青饱和度。按下式计算：
VFA = VA ×100
VA+VV
式中：VFA——沥青混合料中的沥青饱和度（%）；
VMA、VA、VV——意义同前。
或 VFA=VA/VMA ×100
4.测定力学指标
为确定沥青混合料的沥青最佳用量，应测定沥青混合料的下列指标。
4.1马歇尔稳定度 按标准方法制备的试件，在60℃的条件下，保温30～40min，然后将试件放置于马歇尔稳定度仪，如图2—1—5a)，以（50±5）mm/min的变形速度加荷，直至试件破坏时最大荷载（以KN计）称为马歇尔稳定度（简称MS）。
4.2流值 在测定稳定度的同时，测定试件的流动变形，当达到最大荷载的瞬间，试件所产生的垂直流动变形值（以0.1mm计）称为流值（简称FL）。
在有X—Y记录仪的马歇尔稳定度上，可自动汇出荷载（P）与变形（F）的关系曲线如图

荷载（KN）
稳定度

Pm
o F1
o1 F2 变形(mm)
Fm
马歇尔稳定度仪及测定曲线
在图2—1—5)中曲线峰值（Pm）即为马歇尔稳定度MS。二流值可；可以有三种不同的计算方法，如图2—1—5)曲线中：F1为直线流值；FX为中间值和；Fm为总流值，通常采用FX作为测定流值。
4.3马歇尔模数 通常用马歇尔稳定度（MS）与流值（FL）之比值表示沥青混合料的视劲度，称为马歇尔模数，如下式；
T=10MS/FL
式中：T——马歇尔模数（KN/㎜）；
MS——马歇尔稳定度（KN）；
FL——流值（1.0㎜）。
4.3.1马歇尔试验结果分析
4.3.1.1绘制沥青用量与物理力学指标关系图 以沥青用量为横坐标，以视密度、空效率、饱和度、稳定度和流值为纵坐标，将试验结果绘制成沥青用量与各项指标的关系曲线如图2—1—6。
4.3.1.2根据稳定度、密度和空隙率确定最佳沥青用量初始值1（OAC1） 从图中取相应于稳定度最大的沥青用量α1，相应于密度的最大值的沥青用量α2，和相应于规定空隙率范围的中值沥青用量α3，求取三者的平均值作为最佳沥青用量的初始值OAC1，即
OAC1=（α1＋α2＋α3）/3 （2—1—11）
4.3.1.3根据符合各项技术指标的沥青用量范围确定最佳用量初始值2（OAC2） 按图2—1—6求出指标符合沥青混合料技术指标（表2—1—2）的沥青用量OACmin～OACmax其中值为OAC2。即
OAC2=（OACmin+OACmax）/2 （2—1—12）

4.1.3.4根据OAC1和OAC2综合确定沥青最佳用量（OAC） 按最佳沥青用量的初始值OAC1在图中求取相应的各项指标值，检查其是否符合（表2—1—2）规定的马歇尔设计配合比技术标准。同时检查CMA是否符合要求，如能符合时，由OAC1及OAC2综合决定最佳沥青用量OAC如不能符合，应调整级配，重新进行配合比设计马歇尔试验，直至各项指标均能符合要求为止。
4.4根据气候条件和交通特性调整最佳沥青用量 由OAC1和OAC2总合决定最佳沥青用量OAC时，还应根据实践经验和道路等级、气候条件考虑下属情况及进行调整：
4.4.1对热区道路以及车辆渠化交通的高速公路、一级公路、城市快速路、主干路、预计有可能造成较大车辙的 情况时，可以在中限值OAC2与OACmin下限范围内决定，但一般不宜小于中限值OAC2的0.5%。
4.4.2对寒区道路以及一般道路，最佳沥青用量可以在中限值OAC2与上限值OACmin范围内决定，但一般不宜大于中限OAC2的0.3%。
5.水稳定性检验
按最佳沥青用量OAC制作马歇尔试件，进行浸水马歇尔试验（或真空饱和水马歇尔试验）检验其残留稳定度是否合格。
如当最佳沥青用量OAC与两个初始值OAC1、OAC2相差甚大时，宜将OAC与OAC1或OAC2分别制作试件，进行残留稳定度试验。如不符合要求，应重新进行配合比设计。
5.1残留稳定度试验 残留稳定度试验方法是标准试件在规定温度下浸水48h（或真空饱水后，再浸水48h），测定其浸水残留稳定度。按下式计算：
MS0=100MS1/MS

式中：MSO——试件浸水（或真空饱水）残留稳定度（%）；
MS1—— 试件浸水48h（或真空饱水后浸水48h）后的稳定度（KN）。
5.2水稳定度（残留稳定度）校验 水稳定度性试验的残留稳定度，按我国现行规范《沥青路面施工及验收规范》（GB 500092—96）中规定，Ⅰ型沥青混凝土不低于755；Ⅱ型沥青混凝土不低于70%。如较核不符合要求，应重新进行配合比设计。
水稳定性检验如不符合要求，亦可以采用掺加抗剥落剂的方法来提高水稳定性。
6.抗车辙能力检验
按最佳沥青用量OAC制作车辙试验实践，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052—2000；T0719—2000）方法，在60℃条件下用车辙试验机对设计的沥青用量检验其动稳定度。
当最佳沥青用量OAC与两个初始值OAC1和OAC2相差甚大时，应将OAC与OAC1或OAC2分别制作试件进行车辙试验。根据试验结果对OAC作适当调整，如不符合要求，应重新进行配合比设计。
抗车辙能力试验，按我国现行规范《沥青路面施工及验收规范》（GB50092—96）中规定，用于上面层、中面层的沥青混合料，在60℃时车辙试验的动稳定度，对高速公路、城市快速路宜不小于800次/㎜；对一级公路及城市主干路宜不小于600次/㎜。如不符合上述要求，应对矿料级配或沥青用量进行调整，重新进行配合比设计。
决定矿料级配和沥青用量，经反复调整及综合以上试验结果，并参考以往工程实践试验，综合决定矿料级配和最佳沥青用量。
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