佛山：沥青混合料表面层配合比

沥青混合料表面层配合比优化设计实例主讲人：李闯民博士教授长沙理工大学一、材料基本性质1沥青某工程地处规范附录A规定的2-2区，按规范选择沥青标号可以为110或90号沥青，沥青到货后按试验规程要求取样，公路工程质量检测中心进行试验，质量符合我国道路沥青技术A级要求，试验路铺筑用的克拉玛依110号沥青，SBS改性沥青主要技术指标如表1，2。表1110沥青质量试验结果项目单位技术要求（110号，A级）试验结果试验方法规范规定针入度25℃，100g,5sdmm100-120105JTJT0604延度5cm/min,15℃10℃cm100150JTJT0605cm40100JTJT0605针入度指数PI－1.5-+1.0－1.3JTJT0604软化点TR&B℃4344.0JTJT0606溶解度（三氯乙烯）%99.599.84JTJT0607闪点（COC）℃230280JTJT0609密度15℃g/cm3实测1.0049JTJT0603蜡含量%2.22.0JTJT0615TFOT后质量变化%0.8+0.11JTJT0609针入度比25℃%55JTJT0604延度10℃cm10-30JTJT0605表2SBS改性沥青产品性质指标SBS类（I类）试验结果I－AI－BI－CI－D针入度（25℃，100g5s）,0.1mm10080－10060-8040-60111针入度指数PI，不小于－1.2-0.8-0.40-1.0延度（5℃，5cm/min）,cm，不小于5040302093.5软化点，℃，不小于4550556060.0粘度（135℃）Pas，不大于33闪点，℃，不小于230295溶解度，％，不小于9999.6分离（软化点差），℃，不大于2.51.5弹性恢复（25℃），％，不小于5560657595RTFOT后残留物质量变化，％，不大于1.0+0.28针入度比（25℃），％，不小于5055606585.6延度（5℃），cm，不小于30252015702矿料2.1粗集料采用当地产的玄武岩碎石，应选择料场储量丰富，质量稳定，运输方便，可保证施工过程中的材料供应。各种材料的筛分结果如表3。在表中集料粒径符合规范要求。粗集料与使用沥青的粘附性达到4级，基本没有剥落。按规范对碎石质量的检测结果如表4，从表中可见，有些指标必须对不同粒径的碎石分别试验，各项指标均符合规范要求，可以使用。表3各种粗集料的筛分结果材料通过下列筛孔（mm）的百分率（％）191613.29.54.752.361.1810-15mm10010089.929.40.3005-10mm1001001009974.62.80.53-5mm10010010010091.436.210.3表4各种粗集料的质量规格指标单位规范要求碎石规格高速公路10－15mm5-10mm3－5mm压碎值洛杉矶磨耗值磨光值表观密度毛体积密度吸水率针片状含量水洗法0.075mm含量软石含量坚固性％％％g/cm3g/cm3%%%%％2628422.60-2.015131212.8，17.717.55532.7812.792.7622.7572.7112.7620.811.059.111-接近00.9石质良好，经判断可以不做2.2细集料当地粗砂，细度模数3.6属粗砂偏粗。质量及规格如表5、6，符合规范要求，可以使用。表5砂的筛分结果材料通过下列筛孔（mm）的百分率（％）9.54.752.361.180.60.30.150.075当地砂100100855853338.22.7指标单位规范要求试验结果细度模数表观密度砂当量外观0.075mm含量坚固性g/cm3%%粗砂：3.7-3.12.5060-3123.62.6263洁净、坚硬、无杂质2.7砂质良好，经判断可以不做表6－1砂的质量指标表6-2石灰岩石屑质量指标项目单位规范要求试验结果试验方法表观密度，不小于g/cm32.52.692T0328坚固性（0.3mm部分），不小于%128T0340砂当量，不小于%6065T0334含泥量（小于0.075mm），不大于%31T0333棱角性（流动时间），不小于s3038T0345亚甲蓝值，不大于g/kg2520T03492.3填料石灰石矿粉的质量及规格如表7指标单位规范要求石灰石石粉岩石品种及产地表观密度亲水系数含水率通过下列筛孔的百分率0.6mm0.3mm0.15mm0.075mmg/cm3％％％％％石灰石2.5011100-90-10075-100当地石灰石2.7911.00.1510095.083.864.0塑性指数％42.5表7石粉质量指标对粗、细集料，按照《公路集料试验规程》的要求，测定的相对密度如表8材料品种10-15mm5-10mm3－5mm黄砂石屑矿粉表观相对密度：2.7812.792.7622.622.6922.791毛体积相对密度：2.7572.7112.6892.5362.617集料吸水率，％0.311.040.981.261.07表8矿料密度试验结果二、沥青混合料表面层集料工程设计级配的确定确定工程设计级配范围时应特别重视实践经验，通过对条件大体相当的工程的使用情况进行调查研究，证明选择的级配范围符合所设计工程的需要。调整时可遵循下列原则。1.根据公路等级和施工设备的控制水平、面层混合料类型确定的工程设计级配范围上下限差值必须小于规范级配范围的差值，其中4.75mm和2.36mm通过率的范围差值宜小于12％。2.对密级配沥青混合料应首先确定采用粗型(C型)或细型(F型)的混合料。对夏季温度高、高温持续时间长，重载交通多的路段，宜选用粗型密级配沥青混合料(AC-C型)，并取较高的设计空隙率。对冬季温度低、且低温持续时间长的地区，或者重载交通较少的路段，宜选用细型密级配沥青混合料(AC-F型)，并取较低的设计空隙率。调整时可遵循的原则：混合料最大公称直径粗级配细级配37.5mm4.75筛孔通过率〈35%4.75筛孔通过率〉35%25mm4.75筛孔通过率〈40%4.75筛孔通过率〉40%19mm4.75mm，〈45%2.36筛孔通过率〈35%4.75mm，〉45%2.36筛孔通过率〉35%16mm2.36筛孔通过率〈38%2.36筛孔通过率〉38%12.5mm2.36筛孔通过率〈40%2.36筛孔通过率〉40%9.5mm2.36筛孔通过率〈45%2.36筛孔通过率〉45%细、粗型密级配混合料划分3.在我国大部分地区，夏季温度炎热、高温持续时间长，冬季又十分寒冷，年温差特别大，且属于重载路段的工程，应在确保高温抗车辙能力的基础上，兼顾提高低温抗裂性能的需要。设计时宜适当减少公称最大粒径附近的粗集料用量，减少0.6mm以下部分细粉的用量，使中等粒径集料较多，形成S型级配曲线，并取中等或偏高水平的设计空隙率。调整时可遵循的原则：4.确定各层的工程设计级配范围时应考虑不同层位的功能需要，经组合设计的沥青混合料应能兼顾到耐久、稳定、密水、抗滑等要求。表面层应综合考虑满足高温、低温、抗滑的需要。对交通量大、轴载重的道路，对沥青层的中下面层也应重点考虑提高高温抗车辙性能。在多雨潮湿地区，密水和雨天抗滑性能发生矛盾时宜加设抗滑磨耗层。5.沥青混合料的配合比设计应充分考虑施工性能，使沥青混合料容易摊铺和压实，不容易造成严重的离析。调整时可遵循的原则：高速公路的表面层设计采用原规范的AK－13A时，有的工程使用效果尚好，也有的使用效果并不好。效果不好的工程主要是施工级配的空隙率偏大，经常处于原规范要求的上限，即在5％－8％之间，在使用过程中的空隙率大于8％－10％，水分容易渗入路面层内，由于我国沥青面层较薄，大部分集料粒径偏粗，离析较严重，压实不够。路面中下面层很难防止渗水，则水分就会直接渗入到基层结构中去。总之，AK类抗滑层对路面的密水、防止路面早期破坏很不利。而原规范中的AC－13I型，很致密，不透水，但偏细，高温稳定性较差，表面欠粗糙。目前，高速公路表面层，一般都采用的结构：SMA是按照内摩擦角最大的原则，以间断级配的粗集料形成相互嵌挤的矿料骨架，然后按照空隙率较小的原则，以沥青玛蹄脂填充骨架的空隙，形成一种骨架密实结构的混合料。SMA粗集料含量多，形成了骨架嵌挤结构，因此高温性能好。SMA空隙率很小，几乎不透水，而集料和玛蹄脂的粘附性很好，因而SMA具有较好的水稳定性和耐久性。同时，SMA粗集料用量多，路表粗糙，抗滑性能较佳。但是，SMA初期造价较高，一般适用于重交通道路。SUPERPAVE混合料设计方法是美国战略研究计划（SHRP）的研究成果。SUPERPAVE混合料的特点是连续、嵌挤、密实。目前，高速公路表面层，一般都采用的结构：在哈绥高速公路、哈双高速公路、焦新高速公路、北京市京张公路（运煤车干线公路）、曲荷高速公路、大运高速公路表面层配合比设计时，考虑到原规范AC－16I，AC－13I型混合料偏细，高温稳定性较差，而原规范AK－16A，AK－13A型混合料空隙率较大，易离析、渗水，造成沥青路面的早期破坏。因此参照我国其它地区的经验和美国SUPERPAVE的最新成果调整了新的AC－13型级配范围。铺筑时压路机在高温时碾压不拥挤，说明集料有良好的嵌锁作用，且施工结束的路面基本上不透水，构造深度比原AC－13I型的明显要大些，说明在渗水、构造深度及空隙率方面尽可能得到了兼顾。经过5年来的使用，效果比较好。目前，高速公路表面层，一般都采用的结构：沥青表面层重点考虑耐久性和密水、抗裂兼顾抗滑、抗车辙等功能。立足于现有材料、工艺措施的合理组合，借助其它地方的工程实践经验，在规范级配范围内，提出了一种嵌挤骨架密实型的AC－13调整型工程级配带。表1为我国94版规范的AK－13A，AC－13I与新提出的AC－13调整型的工程级配范围。目前，高速公路表面层，一般都采用的结构：表1三种沥青混合料的工程设计级配范围沥青混合料通过下列筛孔（mm）的百分率（％）1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075DAC-13规范级配范围10090－10068－8538－6824－5015－3810－287－205－154－8AK-13A型（94版）10090－10060－8030－5320－4015－3010－237－185－124－8工程设计级配范围(SP-13-1)10090－10070－8042－5328－4015－2510－197－155－104－7AC-13I型（94版）10095－10070－8848－6836－5324－4118－3012－228－164－8三、表面层沥青混合料目标配合比设计3.1.目标配合比优化选择原则1)对高速公路和一级公路，宜在确定的工程设计级配范围内计算1～3组粗细不同的配比，使包括0.075mm、2.36mm、4.75mm筛孔在内的较多筛孔的通过量分别位于工程设计级配范围的上方、中值及下方，但应避免在0.3mm～0.6mm范围内出现驼峰。此计算过程宜通过计算机不断地调整计算，直至满意为止。设计的合成级配应符合工程设计级配范围的要求，且不得有太多的锯齿形交错。当反复调整不能满意时，应更换原材料重新设计级配曲线图2).在级配曲线图上绘制配制的几组设计级配曲线，根据其与最大密度线的接近程度，大体估计各个级配的VMA值。3).根据当地的实践经验选择1个认为适宜的沥青用量，分别制作几组级配的马歇尔试件，测定VMA等体积指标，初选一组接近要求的级配作为设计级配。如果有两个以上的级配符合要求时，则选择关键性筛孔通过率较细的一组为设计级配。4).优选矿料级配设计时宜充分考虑各种材料的成本和供料上的平衡，以降低成本，减少废弃料。3.1.目标配合比优化选择原则3.2选择矿料级配根据沥青混合料选定的工程设计级配范围，我们选择了几个配比，遵循的原则是，以2.36mm为粗细集料的分界点，控制2.36mm和0.075mm筛孔通过率。在满足级配要求的前提下，尽量将2.36mm筛