1沥青混合料配合比设计

沥青混合料配合比设计马士杰博士/研究员山东省交通科学研究院ShandongTransportationInstitute介绍的主要内容级配设计历史与理论；沥青混合料设计；生产配合比设计。混合料级配设计历史“配方”混合料设计200磅细砂300磅粗砂400磅破碎砾石50磅针入度沥青在300F混合料和摊铺在路上“配方”微调级配沥青含量确定有缺陷的试验方法公式加里福尼亚公路局P=0.015a+0.03b+0.17ca=+#10b=-#10,+#200c=-#200混合料级配设计历史1920年代需要新的方法工程师经验设计局限性设计方法局限于当地卡车交通增加车辙和推移体积比例试件相对密度压实混合料空隙压实矿料间隙率马歇尔混合料设计B.Marshall，密西西比运输部美国陆军工程师兵团公路部门采用级配理论一、最大密实曲线理论(1)W.B.FULLER提出的FULLER曲线(2)A.N.TABOL曲线，即所谓的N法(3)苏联伊万诺夫提出用颗粒分级重量递减系数k为参数的连续级配密实理论（简称k法)5.0)(100DdpnpDd)(100mkxkxp1111100级配理论二、粒子干涉理论粒子干涉理论是由C.A.G.Weymouth提出的，认为颗粒之间的空隙应由次小一级的颗粒所填充，其余空隙由再次小一级的颗粒所填充，填隙颗粒直径不应大于间隙之间的距离，否则，颗粒之间势必发生粒子的干涉。从临界状态即填隙颗粒直径等于间隙之间的距离关系可以得出计算公式：t—前粒级的间隙距离（等于次一级的颗粒直径）；D—前粒级的粒径；D0—次一级的理论密实率（集料松装与表观密度之比）；Da—次一级的使用密实率。DaDDtd13/10级配理论SUPERPAVE级配1000筛孔尺寸.075.32.364.759.512.519.0通过率控制点限制区最大理论密度线最大粒径最大公称尺寸级配理论贝雷法设计（多级嵌挤理论）由伊里诺州DOT的RobertD.Bailey先生开发的一套确定沥青混合料级配的方法；具有15年多的使用该法的经验；粗骨料的嵌挤，细集料的填充什么是最好的?0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%筛孔尺寸,mm%通过率12.59.52.360.075如果两种级配都是4%空隙率，我选择哪一个?集料的填充取决于:压实功（类型与数量）颗粒形状颗粒表面纹理尺寸分布集料填充集料颗粒空隙在每一体积中需要装填多少集料才是合适的呢?粗集料形成骨架粗集料细集料有多少空间给细集料?Ok!粗集料没形成骨架粗集料细集料NO!问题与设想现行混合料设计方法缺乏一些指导：设计集料结构的选择集料结构和混合料体积性质的关系综合提高表面层沥青混合料性能的方法是使用骨架密实级配结构沥青玛蹄脂碎石混合料SMA是一种平衡这些性能较理想的结构，SMA——单粒径骨架密实结构。提出连续嵌挤密实结构的设想，连续嵌挤密实——多级嵌挤密级配沥青混合料。SUPERPAVE级配设计方法级配设计过程Superpave混合料体积设计包括四个步骤1.材料选择；2.设计集料结构的选择；3.设计沥青用量的选择；4.水敏感性评价。几个概念最大公称尺寸：比10%的筛余量大的第一个筛孔尺寸；最大尺寸：大于最大公称尺寸的筛孔尺寸；最大理论密度线：在0.45次方级配曲线图上，从原点到最大尺寸所对的右上角的联线；控制点：级配必须通过的区间控制范围。控制点位于最大工程尺寸、中等尺寸和最小尺寸；限制区：沿最大理论密度线，在中等尺寸与0.3mm尺寸之间级配不得通过的区域。Superpave级配曲线图1000筛孔尺寸.075.32.364.759.512.519.0通过率控制点限制区最大理论密度线最大粒径最大公称尺寸Superpave认为沥青混合料的级配曲线在0.45次方级配曲线图上越靠近最大理论密度线，混合料的密度越大。通过SHRPA-408项目的研究，认为天然砂含量过高，级配曲线在中值筛孔与0.3mm之间靠近最大理论密度线容易产生软弱混合料（tender）使得混合料难以压实成型，随着沥青含量的少许变化都使得混合料的性质产生较大的变化。Superpave混合料级配类型Superpave混合料Superpave混合料的名称最大工程尺寸mm最大尺寸mm37.5mm37.55025mm2537.519mm192512.5mm12.5199.5mm9.512.5Superpave级配Superpave针对每种不同类型的混合料给出了个控制点与禁区的范围；根据最新研究认为禁区可以取消，根据我国同济大学林绣贤教授研究，禁区可以取消但部分限制点要保留，而且其控制点个有作用。贝雷法设计级配及发展研究Bailey法平面模型粗细集料的分界Bailey法以大于最大公称尺寸的0.22倍的集料作为粗集料。0.020.040.060.080.0100.0%通过率主要控制尺寸=0.22倍最大颗粒尺寸细集料粗集料多级嵌挤的三级填充细集料FACCS(0.22xPCS)FAFCS(0.22xFAC)粗集料部分半值筛孔PCS(0.22xNMPS)0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.0100.0%通过率PCSNMPS/2PFA粗粗粗细细细三级填充设计级配控制参数选定)2/(%)100()()2/(NMPSPPPCSPNMPSPCA比PCSFACCPPFA比FACFAFFPPFA比确定级配对路面离析、细集料的填充、体积指标影响等情况的级配控制参数嵌挤骨架结构的形式和体积状态的控制松散状态捣实状态密级配选择细集料的体积状态选择范围级配参数的影响当CA比增加，混合料的空隙将增加(比值范围～0.4-0.8)当FAC比增加，混合料的空隙将减少(比值应0.5)当FAF比增加，混合料的空隙将减少(比值应0.5)FAC比对VMA影响最大Bailey法的控制要点四个筛子表征级配曲线主要控制筛子一半筛子细集料分界筛子细集料二次分界筛子3个比值定义级配曲线的装填粗集料比细集料粗比值细集料细比值集料模型的发展根据研究认为在不形成填充的状态下，空隙率的大小主要取决于粒料的排列方式而与粒径无关，因此可以把集料作为小球来排列，在不发生干涉的情况下其模型与填充小球直径可以计算。级配控制参数的修正)'(%)100()'()2/'(PCSPPPCSPNMPSPCA比'''PCSFACCPPFA比'''FACFAFFPPFA比级配控制参数的修正对混合料级配曲线分段分析，分段方法同Bailey法相同，但是参数计算不是采用相近各标准试验筛孔所对应的值，而是将级配曲线看作连续曲线，不是标准筛孔，采用各筛孔的0.45次方与对应通过率内差法进行计算。将整个级配曲线分成90%通过率对应尺寸（NMPS’）、一级嵌挤形成点（PCS’）,即NMPS’×嵌挤系数、NMPS’半值筛孔（NMPS’/2）、二级嵌挤形成点（FAc’）、三级嵌挤形成点（FAf’）和填充料分界点0.075㎜。根据对参数的修正研究，提出以下几个级配控制参数，即：CA比、FAC比、FAF比和NMPS与NMPS’/2之间的集料布度，这些参数的约定与贝雷法设计约定有所不同。级配参数要求级配控制参数要求范围备注CA比0.4-0.8表层0.4-0.6FAC比0.25-0.5FAF比0.25-0.5NMPS与NMPS’/2分布度1.1-1.6PCS’至NMPS’/2分布度1.1-1.6表层0.8-1.3注：表层要求为了提高表面纹理构造级配对混合料性能的影响性能影响主要从几个方面考虑：(1)通过级配中粗细集料的分布，使混合料粗集料形成稳定的骨架结构；(2)通过良好的级配组成，使得混合料具有良好的体积性质；(3)对级配中粗集料部分的合理组成进行分析，减少混合料施工过程中的离析现象；(4)对级配在生产过程中对施工过程产生的影响，主要是指压实的稳定性等问题。级配对混合料性能的影响Hveem对级配和性能的影响关系作了定性的研究分析，给出了可能发生问题的区域提示。良好的级配是混合料性能的保证，必须根据混合料层位要求进行严格配合比设计，同时在施工中严格级配控制，这是保证混合料性能的重要步骤。介绍的主要内容级配设计历史与理论；沥青混合料设计；生产配合比设计试验准备原材料试验：首先应当进行原材料试验，检验原材料是否满足技术要求，为配合比设计提供基础数据，原材料试验主要包括以下内容：集料各种密度性能指标筛分试验沥青试验，确定试验温度。级配设计《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)将密级配沥青混合料类型分为粗型(C)和细型(F)。粗型密级配细型密级配混合料类型公称最大粒径（mm）用以分类的关键性筛孔名称关键性筛孔通过率（%）名称关键性筛孔通过率（%）AC-2526.54.75AC-25C40AC-25F40AC-20194.75AC-20C45AC-20F45AC-16162.36AC-16C38AC-16F38AC-1313.22.36AC-13C40AC-13F40AC-109.52.36AC-10C45AC-10F45级配设计《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)将级配范围分为三个范围：1、规范规定的级配范围；2、工程设计级配范围；3、施工质量检验时允许波动的级配范围。注意规范规定的级配范围适用于全国，不同道路等级、不同气候条件、不同交通条件、不同层次，范围很宽。它是不能直接采用的！它不适用于施工单位与监理单位！级配设计我们应当采用的是：工程设计级配范围。工程设计级配范围应当由设计单位根据道路所处的地理位置、交通等级、气候条件等，并结合当地经验通过试验研究确定的，可以供施工单位与建立单位采用。工程设计级配范围在必要时可以超出规范规定的级配范围。级配设计级配曲线图应采用0.45次方级配曲线图级配设计级配设计步骤1、首先确定工程级配范围；2、在工程级配范围内设计3组不同的矿料级配供优选采用；3、对3组级配采用预估最佳沥青用量进行试验，并确定最佳级配；4、选用最佳级配5个沥青含量进行试验。级配设计预估最佳沥青用量sbsbaaPP11sb级配设计我国规范中对混合料级配设计采用级配范围法，也就是说根据给定的工程设计级配范围选取合理的级配曲线进行试验。工程设计级配范围的调整与确定是一个比较复杂的过程，需要兼顾交通、气候、层位要求、性能要求、施工要求等多方面的因素，这个过程需要专业的机构来完成。级配设计与设计级配是截然不同的两个概念！混合料设计1、马歇尔法设计我国常用马歇尔法进行设计，已有多年使用经验，但其存在固有的缺陷。2、Superpave旋转压实仪法Superpave沥青混合料体积设计核心之一是采用Superpave旋转压实仪(SGC)成型混合料试件，进而进行相关的体积分析。其更能符合现场实际。混合料设计马歇尔法成型为击实过程，与现场压路机的压实过程不能吻合，而且在击实过程中容易造成集料的破碎；进行双面75次击实，其击实功与现场压路机压实功相差很远；对任何层位、交通等级道路混合料都采用相同的击实标准。混合料设计Superpave旋转压实仪法（SGC）反力架旋转底盘加载压头控制和数据输出免办面板试模混合料设计沥青混合料的密度随着压实次数的增大而增大，和其它设计方法一样，混合料的设计建立在一定的压实功能水平上，压实功的大小取决于交通量的大小。设计压实过程分成三个压实次数，即初始压实次数Nini、设计压实次数Ndes和最大压实次数Nmax。初始压实次数用于评估混合料的压实特性，最大压实次数用来限制所设计的混合料在交通量作用后的软弱形状，不致于密实到空隙率过小而产生车辙和泛油。各压实次数之间的关系Log10Nmax=1.10Log10NdesLog10Nini=0.45Log10Ndes美国Superpave旋转压实表设计交通量ESAL(百万)压实次数典型道路的应用N