密断级配沥青混合料配合比设计探索

谭兴友

(柳州高速公路运营有限公司，广西 柳州 545005)



密断级配沥青混合料配合比设计探索

谭兴友

(柳州高速公路运营有限公司，广西 柳州 545005)

沥青混合料配合比设计，包括油石比与矿料级配设计两方面。文章针对当前密断级配沥青混合料配合比设计存在的问题，探索沥青混合料油石比和矿料级配的最佳理论计算与设计方法，并以实际工程AC20C沥青混合料配合比为例，对所提出的理论原理和设计方法进行了试验论证。

沥青混合料；油石比计算式；粗集料通过率计算式；幂级配公式；级配优化

0 引言

沥青混凝土结构强度由沥青粘聚力强度与矿料级配结构强度组成。沥青粘聚力强度由沥青粘聚力提供，除沥青质量还与沥青用量有关，沥青用量过少，沥青提供的粘聚力不足，沥青路面易发生早期水损、坑洞、网裂；沥青用量过多，自由沥青多，在高温下沥青粘结力下降，沥青路面易发生车辙、拥包，因此应注重沥青混合料油石比设计，如技术规范对沥青质量、空隙率与间隙率等相关技术要求。矿料级配结构强度由矿料级配结构承担，如果矿料级配失当结构强度弱，沥青路面易发生早期水损、坑洞、网裂、车辙、拥包，因此应注重沥青混合料矿料级配设计。为兼顾二者，现在许多沥青路面工程都采用密断级配沥青混合料，主要是其具有好的抗车辙、抗水损、抗裂等良好路用性能。但是，对于密断级配有人认为：(1)沥青混凝土粗集料骨架间隙率小于其粗集料松装间隙率即为密断级配；(2)沥青混凝土粗集料骨架间隙率小于其粗集料捣实间隙率才为密断级配，没有明确标准。现行技术规范对最佳油石比的设计、试验及评判有很详细的要求，对矿料级配是根据工程所处地区环境凭经验确定，路用性能检验符合要求即可，没有强调对矿料级配进行优化设计，而路用性能好坏主要受矿料级配影响，因此，有必要对如何设计性能优良的密断级配沥青混合料配合比进行探索性试验研究。

1 密断级配沥青混合料配合比设计理论原理及试验方法分析

由于沥青混凝土各材料组合遵循体积填充理论，体积填充理论认为沥青混凝土的体积等于粗细集料、填料、沥青及空隙体积之和。沥青混合料配合比设计包含最佳油石比与矿料级配设计。

关于沥青混合料最佳油石比，可通过体积填充理论、马歇尔空隙率与矿料间隙率技术要求、粗细集料、填料和沥青密度、合成矿料吸水率导出最佳油石比计算式1，由计算式计算而得。由于计算式充分考虑了各矿料和沥青的密度、矿料吸水率及技术要求，其计算结果必然满足规范对空隙率、矿料间隙率及沥青饱和度的技术要求。对于同种沥青混合料的有效沥青体积百分率(马歇尔矿料间隙率与空隙率之差)技术要求是一个定值，矿料合成级配在一个相对小的范围波动时，其合成矿料的密度、吸水率变化很小，因此油石比也基本是一个定值。

最佳油石比计算式：

Pb=(VMA-VV)/[(100-VMA)×γsb]×γb×100+wx

(1)

Pb——沥青混合料油石比(%)；

VMA——设计的马歇尔矿料间隙率(%)；

VV——设计的马歇尔空隙率(%)；

γsb——合成矿料毛体积相对密度；

γb——沥青相对密度；

wx——合成矿料吸水率(%)。

关于密断级配沥青混合料最佳矿料级配。首先密断级配沥青混凝土强调沥青混合料的粗集料骨架结构，即注重矿料最佳级配设计，又由于矿料级配是由多档粗集料、细集料和填料组合而成，在设计矿料级配规定区间内有相当多种组合方式，要获得最佳级配，设计试验工作量大难以操作，为此有必要采取科学的方法，减少试验工作量，提高其可操作性。为此，通过体积填充理论、马歇尔矿料间隙率技术要求、粗细集料密度、填料密度、粗集料堆积密度可导出粗集料4.75 mm筛通过率计算式2。通过测定粗集料松装捣实密度，采用粗集料通过率计算公式确定粗集料通过率区间，通过幂函数式3设计5个粗细不同的矿料理论级配，从而科学地减少试验工作量，提高了可操作性。

粗集料松装、捣实试验及粗集料4.75 mm筛孔通过率计算式：

P=[(VCADRC-VMA)×PSb细]/[(100-VMA)×PSb]×100

(2)

P——4.75 mm筛通过率；

VCADRC——粗集料松装、捣实骨架间隙率；

VMA——沥青混合料目标矿料间隙率；

PSb细——矿料中合成细集料毛体积相对密度；

PSb——矿料中合成矿料毛体积相对密度。

理论级配幂函数计算式：

y=axb

(3)

y——各筛孔通过率；

x——筛孔孔径；

a、b——回归系数。

由于5个矿料理论级配粗细程度不同，级配由细变粗，其粗集料骨架结构必然由骨架结构松散状态到骨架结构紧密状态再到骨架结构失稳状态，其马歇尔、路用性能试验结果必然成规律性变化，从而可得各参数最大值或最佳值所对应的4.75 mm筛孔最佳通过率，再根据工程所处地区环境、通行量与重载车流量对不同参数设置不同权重，粗集料4.75 mm筛最佳通过率取各参数的加权平均值，用公式(3)设计最佳理论标准级配。如工程处在高温地区可调高动稳定度与车辙变形量权值；如工程处在低温地区可调高抗弯拉强度与抗弯拉应变、调低目标空隙率权值；如工程处在高温湿热地区、通行量与重载车流量大，沥青路面的高温抗车辙、抗水损等能力应均衡设置权值，等等。根据最佳油石比及最佳理论标准级配进行生产配合比设计和检验，进而可设计出马歇尔试验结果符合技术要求、粗集料骨架结构优良、路用性能更优的生产配合比。

他“啪”地放下电话,从墙上摘下铁路信号灯,把与铁路服配套的蓝帽子按在头上,开门出去,大狼狗溜溜地跟着。

本文以实际工程AC20C沥青混合料配合比为例，对前述理论原理和方法加以论证。

2 原材料

2.1 原材料筛分、初步级配合成及密度试验

集料筛分、初步级配合成、密度试验结果见表1。

表1 各档集料水筛分、级配合成及密度表

2.2 粗集料松装、捣实试验及粗集料4.75 mm筛通过率计算

取上述合成级配粗集料做松装、捣实密度试验，按式(2)进行粗集料4.75 mm筛孔通过率计算，其马歇尔目标矿料间隙率取13.0%，结果见表2。

表2 粗集料松装、捣实密度及粗集料4.75 mm筛通过率数值表

3 沥青混合料矿料理论级配与最佳油石比计算

工程采用SBS(I-D)改性沥青，25℃相对密度1.031。目标矿料间隙率取13.0%，则相应的目标空隙率为4.0%。考虑拌合楼除尘因素，矿粉用量均用5.0%。最佳油石比、理论级配采用式(1)与式(3)设计，设计计算结果见表3，各级配密度及吸水率差异很小，最佳油石比均为4.3%。

表3 各级配各粒级用量、合成相对密度、吸水率及油石比表

3.3 各级配沥青混合料马歇尔、动稳定度及弯拉试验

工程用沥青针入度<55(0.1 mm)，软化点>75 ℃，采用标准马歇尔试件，故击实温度采用165 ℃～170 ℃，为使车辙试件与实际路面厚度相同，试件尺寸采用60×300×300(mm)；为检验各级配整体厚度抗弯拉应变能力和减少表面构造影响，试件尺寸采用50×50×250(mm)。试验结果见表4及图1～9。

表4 马歇尔、车辙及弯拉试验表

图1 级配与马歇尔密度关系图

图2 级配与马歇尔空隙率关系图

图3 级配与饱和度关系图

图4 级配与马歇尔稳定度关系图

图5 级配与流值关系图

图6 级配与动稳定度关系图

图7 级配与车辙变形量关系图

图8 级配与弯拉强度关系图

图9 级配与弯拉应变关系图

3.4 沥青混合料矿料最佳理论标准级配与最佳油石比

由表4及图1可知，级配由细变粗马歇尔密度由大变小、空隙率由小变大、沥青饱和度由大变小、稳定度与流值由小变大再变小；级配由细变粗、动稳定度由小变大再变小、车辙变形量由大变小再变大、抗弯拉强度由小变大再变小、弯拉应变由小变大再变小，证明其粗集料骨架结构经历了由骨架结构松散状态到骨架结构紧密状态再到骨架结构失稳状态，通过这些参数的规律性变化可求得各参数最大值或最佳值对应的4.75 mm筛最佳通过率，结果见表5。由于本工程地处高温湿热地区、通行量与重载车流量大，沥青路面高温抗车辙抗水损等能力应均衡考量，故各权值均取1，由此得4.75 mm筛孔最佳通过率为27.3%，结果见表5。采用式(3)与式(1)设计最佳理论标准级配和最佳油石比，结果见表6。

表5 4.75 mm筛孔最佳通过率(%)选择表

表6 沥青混合料矿料最佳理论标准级配与最佳油石比表

4 生产配合比设计与验证

4.1 生产配合比级配设计

热料筛分、矿料合成级配设计情况见表7。

表7 热料筛分、矿料合成级配设计表

4.2 生产配合比马歇尔、路用性能验证试验

生产配合比马歇尔试验情况见表8；生产配合比路用性能试验情况见表9。

表8 生产配合比马歇尔试验

表9 生产配合比路用性能验证试验表

由表8～9可见马歇尔试验结果均满足相关技术要求，路用性能试验结果相当优良，生产配合比最佳油石比4.3%，生产级配见表7。

5 结论

密断级配沥青混合料最佳油石比设计：根据沥青混凝土体积填充理论推导出最佳油石比计算公式、通过原材料的密度试验结果、马歇尔空隙率及矿料间隙率技术要求，由公式计算而得。

密断级配沥青混合料最佳矿料级配设计：根据沥青混凝土体积填充理论推导出粗集料4.75 mm筛孔通过率计算公式，通过粗集料松装捣实密度试验科学的缩小试验级配区间，减少试验工作量；根据矿料间隙率技术要求、理论幂级配公式设计5个理论标准级配；根据各理论级配马歇尔、路用性能试验结果分析与粗集料骨架结构分析以及考量工程所处地区环境、通行量及重载车流量等因素，优化设计矿料最佳理论标准级配。

本方法科学地简化了最佳油石比获取方式，强化了矿料级配设计。沥青混合料马歇尔、路用性能试验结果不再是单纯的检验性指标，增加作为级配择优选择性指标使用，把工程所处地区环境、通行量及重载车流量作为级配设计的重要考量因素，从而更好地优化矿料级配，设计的生产配合比路用性能更加优良，适应性更好。

6 结语

沥青混合料最佳油石比可由Pb=(VMA-VV)/((100-VMA)×γsb)×γb×100+wx公式计算而得。

根据粗集料松装捣实密度，由P=[(VCADRC-VMA)×PSb细]/[(100-VMA)×PSb]×100公式缩小试验级配区间，减少试验工作量。利用幂函数式y=axb设计出粗细不同的5个矿料标准级配，通过5个矿料标准级配的马歇尔、动稳定度及弯拉等试验结果分析，结合环境因素考量，设计最佳理论标准级配，进而设计出路用性能更加优良、适应性好的生产配合比。

本成果由密断级配沥青混合料(AC)配合比设计试验所得。密级配沥青稳定碎石混合料(ATB)、沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)，同样以马歇尔力学体积、路用性能为控制指标，亦可借鉴本方法加以应用。

[1]JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[2]JTJ052-2000，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[3]JTG D50-2004，沥青路面设计技术规范[S].

[4]JTG E42-2005，公路工程集料试验规程[S].

[5]热拌密级配沥青混合料油石比设计计算法研究[J].西部交通科技，2014(8)：19-23.

Discussions on Mixing Ratio Design of Dense-gap Graded Asphalt Mixture

TAN Xing-you

(Liuzhou Expressway Operations Co.，Ltd.，Liuzhou，Guangxi，545005)

The mixing ratio design of asphalt mixtures includes the asphalt-aggregate ratio and aggregate gradation design.Aiming at the problems in current mixing ratio design of dense-gap graded asphalt mixtures，this article discussed the best theoretical calculation and design method for asphalt-aggregate ratio and aggregate gradation of asphalt mixtures，and with the mixing ratio of AC20C asphalt mixture in actual project as the example，it conducted the experimental demonstration on the proposed theoretical principles and design methods.

Asphalt mixture；Asphalt-aggregate ratio formula；Coarse aggregate passing-rate calculation formula；Power grading formula；Gradation optimization

U416.217

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.09.006

1673-4874(2016)09-0021-06

2016-08-02

谭兴友(1963—)，从事高速公路建设及养护管理工作。