热拌沥青混合料配合比设计最佳沥青用量范围估算

第1讲热拌沥青混合料配合比设计热拌沥青混合料配合比设计最佳沥青用量问题研究最佳沥青用量问题研究0问题的提出♥最佳沥青用量确定是沥青混合料配合比设计的♥最佳沥青用量确定是沥青混合料配合比设计的核心内容之一♥马歇尔试验法需要拟定5个沥青用量进行击实♥马歇尔试验法需要拟定5个沥青用量进行击实试验，试验工作量既大，试验周期又长。如何减少马歇尔试验工作量而又不影响最佳♥如何减少马歇尔试验工作量，而又不影响最佳油石比的确定应是积极探索的问题。♥估算法确定最佳沥青用量范围或最佳沥青用量一马氏设计方法简要回顾、马氏设计方法简要回顾¾矿料级配设计z对高速公路和一级公路宜在工程设计z对高速公路和级公路，宜在工程设计级配范围内计算1~3组粗细不同的配合比，绘制设计级配曲线分别位于工程设计绘制设计级配曲线，分别位于工程设计级配范围的上方、中值及下方。根据当地的实践经验选择适宜的沥青用z根据当地的实践经验选择适宜的沥青用量，分别制作几组级配的马歇尔试件，测定VMA初选组满足或接近设计要测定VMA，初选一组满足或接近设计要求的级配作为设计级配。‹最佳沥青用量的确定‹最佳沥青用量的确定4二、估算法确定最佳油石比范围的技术思路技术思路♥考虑到最佳油石比不过是上述较大沥青♥考虑到最佳油石比不过是上述较大沥青含量范围内的一个点值，所以，在进行了各种集料的毛体积相对密度表观相了各种集料的毛体积相对密度、表观相对密度的测试与矿料级配设计后，先不进行马歇尔试验而是依据空隙率矿进行马歇尔试验，而是依据空隙率、矿料间隙率及沥青饱和度等技术标准的要求通过相关公式的推演计算来寻求，通过相关公式的推演、计算，来寻求最佳油石比的范围，认为同时符合上述体积指标要求的油石比构成最佳油石述体积指标要求的油石比构成最佳油石比范围。♥然后在此较小的范围内再进行马歇尔试然后在此较小的范围内再进行马歇尔试验进一步确定最佳油石比，只要这个范围较小那么进一步的试验量就将大为围较小，那么进步的试验量就将大为减少，估算法就显示出其意义。三、估算法分析计算过程1体积指标计算公式及其变换1、体积指标计算公式及其变换空隙率计算公式及其变换•空隙率计算公式及其变换⎞⎛γ1001×⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=γγfVVmm⎠⎝γ100bsPPγ+=mmasγγe后式代入前式整理得到后式代入前式整理得到：VVPPbb−100)100(VVγγγfabsb−=⋅+100)(e矿料间隙率计算公式及其变换•矿料间隙率计算公式及其变换fPγVMA⋅−=100ssbPγVMA=100VMAγPfb−=⋅−100)100(VMAγPsbb100)100(•沥青饱和度计算公式100×=VAVFA100×+=VVVAVFA100×−=VMAVVVMAVFAVMA2估算最佳油石比/最佳沥青含量2、估算最佳油石比/最佳沥青含量在VVVMA技术标准已知的情况下如•在VV、VMA技术标准已知的情况下，如果把前式中的沥青含量和毛体积相对密度看作未知量那么有方程组度看作未知量，那么有方程组：⎧PP100⎪⎪⎧−=⋅+−VVγγPγPfbb100)100(⎪⎪⎨=VMAγPγγfas100)100(e⎪⎪⎩−=⋅−VMAγPsbb100)100(•解方程组得：⎪⎧⋅−⋅−=aaγ)AVV(P11100100⎪⎪⎪⎨asesbaVVγ)γγ-VMA(100100⎪⎪⎨+−−=bbfPPVVγ100100⎪⎪⎩+aseγγ•方程组解的讨论方程解的讨aVMAVVPγ⋅−⋅−=)11100100(aasesbVMAγγγ−)100(a（1）如果认为集料完全不吸收沥青，则sbseγγ=，上式变为：VVVMAPγ−1'asbVMAPγγ⋅⋅−=100'a——实质为有效油石比式相减得(2)两式相减得：sbsePγγγγ×−=×=Δ)11(asbseasesbaPγγγγγγ××=×−=Δ)(——实质为吸收的油石比3估算时所需输入量3、估算时所需输入量空率值•空隙率的取值范围：例如3%～5%，但为减少计算工作量，可取范围中值。减计算作取范围中值•矿料间隙率的取值范围：规范往往给定最小值的要求但VMA距最小值不宜太近小值的要求，但VMA距最小值不宜太近（不小于0.6%），也不宜过大，对于粗级配混合料般不大于最小值加%配混合料一般不大于最小值加2%。•沥青饱和度的取值范围：例如60%～75%沥青饱和度的取值范围：例如60%75%4、估算法举例•矿料级配为AK系列，空隙率技术标准为4%10%集料最大粒径为160㎜据前4%～10%，集料最大粒径为16.0㎜。据前述，矿料间隙率取值范围宜为15.1%～16.5%。沥青饱和度的技术标准60%～75%，沥青的相对密度为1.034，矿料的合成毛体沥青的相对密度为，矿料的合成毛体积相对密度、表观相对密度和有效相对密度分别为28032884和2868；计算时取空分别为2.803、2.884和2.868；计算时取空隙率范围中值VV=7%。把各计算参数代入方程组求解根据计算的沥青饱和度及其标方程组求解，根据计算的沥青饱和度及其标准要求，表1列出了部分沥青含量的计算结果。表1估算法确定最佳沥青含量范围体积指标集料吸收沥青时计算结果集料不吸收沥青时体积指标技术标准计算结果吸收沥青时计算结果空隙率/%矿料间隙率/%饱和度/%沥青含量/%有效沥青含量饱和度/%沥青含量/%饱和度/%/%/%/%/%含量/%/%/%7.07.07.015.515.715.960～7560～7560～754.34.44.53.53.63.759.860.260.73.63.73.854.855.456.07.07.07.016.116.316.560～7560～7560～754.64.74.83.83.94.061.161.561.93.83.94.056.557.157.6•由表可见，同时满足空隙率、矿料间隙率及沥青饱和度等体积指标标准的沥青含量范围是4.4%～4.8%，而马歇尔试验确定的最佳沥青含量为4.5%，处于该范围之间，表明估算法找到了最佳沥青含量所在的较小范围。•为了比较，表中也列出了根据Superpave方法计算的有效沥青含量。另外由表知，认为法计算的有效沥青含量。另外由表知，认为集料不吸收沥青时所得沥青含量明显偏小，从而造成沥青饱和度均不合格，因此得不出从而造成沥青饱和度均不合格，因此得不出最佳沥青含量范围。表明不考虑集料吸收沥青时找不出最佳沥青含量的有效范围估算青时找不出最佳沥青含量的有效范围。估算时必须按集料吸收沥青的情况予以考虑。•为了对估算法确定最佳沥青含量范围的有效性与可信性探个究竟，又利用了另有效性与可信性探个究竟，又利用了另外一些沥青混合料组成设计的工程实例，现将其估算与试验的结果连同上例共5现将其估算与试验的结果连同例共项一并汇于表2。其中前两项所用集料相同，但级配曲线不同，不过均属我国相同，但级配曲线不同，不过均属我国AK系列，其最佳沥青含量为马歇尔试验结果，为笔者的实际试验；后三项的最结果，为笔者的实际试验；后三项的最佳沥青含量是美国Superpave体系的设计结果，为林绣贤先生的实际试验。计结果，为林绣贤先生的实际试验。•有效沥青含量的确定可按下式计算：abe)VVVMA(Pγγ⋅−=fγ表2估算法确定最佳沥青含量范围工程实例矿料相对密度沥青最佳沥青含量范围估算值/%最佳沥青含量实测值/%工程实例沥青相对密度毛体积相对密度表观相对密度有效相对密度我国AK级配Superp马歇尔Superpave相对密度相对密度相对密度AK级配-pave级配尔法-pave122.80328132.88429012.86828831.03410344.4～4.844～484.54722.8132.9012.8831.0344.4～4.84.73285128982889102945～53463452.8512.8752.6582.8982.9192.7002.8892.9102.6921.0291.0291.0394.5～5.34.4～5.35.1～5.74.64.85.2•由表2可见，不论是针对哪种方法的设计结果估算法得到的最佳沥青含量范围结果，估算法得到的最佳沥青含量范围全部包含了实际试验确定的最佳沥青含量而且这个范围较小说明估算法能量，而且这个范围较小，说明估算法能十分有效地搜索到最佳沥青含量所在的局部小区域，进而表明该法确有参考实用价值。用价值。四讨论及结论四、讨论及结论所举工程实例的最佳沥青含量全部落在了估算的最佳沥青含量范围之内，这是偶然现象还是必然事实？沥青含量范围之内，这是偶然现象还是必然事实？♥事实上，这是一种必然的情形，因为：1、油石比的求解过程可逆1、油石比的求解过程可逆2、估算法确定最佳沥青含量范围时，依据的是空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度三个体积指标的技率、矿料间隙率和沥青饱和度三个体积指标的技术标准范围，这就决定了所估算的最佳沥青含量范围是一个理论上的范围，只有在此范围内的沥青用量才能保证沥青混合料的体积指标满足规范的要求。3因此也必须考虑体积指标标准的实际试验确3、因此，也必须考虑体积指标标准的实际试验确定的最佳沥青含量处于估算的范围之内就成为必然的事实，否则，说明确定的最佳沥青含量必然的事实，否则，说明确定的最佳沥青含量是不准确的；即由于估算法与实际试验法具有相同的体积指标标准依据，其结果基于的是同样因素或约束因而具有必然的致性样因素或约束，因而具有必然的一致性。4、从此意义上讲，估算法得到的最佳沥青含量范围是衡量实际试验确定的最佳沥青含量是否正围是衡量实际试验确定的最佳沥青含量是否正确的一把标尺。5、只要是体积设计法，上述估算法就能必然地确5、只要是体积设计法，上述估算法就能必然地确定出最佳沥青用量的小范围。♥由表2最佳沥青含量范围估算结果看，估算法的原理解释了实际工程中为什么各种各样的级的原理解释了实际工程中为什么各种各样的级配经试验确定的最佳沥青含量却往往都在5%左右的现象。右的现象♥可见，估算法能必然地寻找到最佳油石比或最佳沥青含量所在的局部小范围，然后在此小范佳沥青含量所在的局部小范围，然后在此小范围内以中值、中值+0.5%和中值-0.5%三个沥青用量，再分别进行马歇尔试验，以确定最佳青此作大减减沥青用量，显然此时工作量已大为减少（减少40%）。五最佳油石比的理论估计五、最佳油石比的理论估计应用背景•计算输入值VV取中间值，VMA取比最计算输入值VV取中间值，VMA取比最小值大0.6%～0.7%的值；注意的标准值•注意VFA的标准值；•考虑粉胶比的标准考虑粉胶比的标准•考虑沥青膜的厚度问题