5、沥青混合料配合比设计的理论基础

沥青混合料配合比设计张宜洛国际沥青混合料发展史上的三个里程碑：40年代提出的马歇尔试验法，长期的技术标准和试验方法60年代，美国AASHTO试验路的铺筑和研究；沥青路面的设计、施工、结构和材料发生根本变化90年代初，美国战略公路研究计划（SHRP）及研究项目的进行，“沥青结合料路用性能规范及沥青混合料性能设计”我国沥青路面研究发展：“六五”：普通沥青混合料及改性沥青研究；高温方面：车辙预估、开裂温度判断、丁苯橡胶改性“七五”：对比沥青我国沥青路用性能；高温：车辙试验、蠕变试验、环道试验、加速加载试验；低温：应力松弛试验、路面温度应力试验；橡胶改性沥青推广“八五”：借助SHRP对比国产沥青、提出自然区划；沥青混合料技术指标和相应的试验方法；改性沥青研究“九五”：SHRP成果应用及推广、SMA研究及推广、长寿命路面的研究我国沥青路面研究方向：验证和完善沥青及沥青混合料的性能指标，使其与路用性能符合研究改善沥青与沥青混合料性能的新型改性剂与改性工艺研究新型沥青结构与铺筑工艺改进与完善沥青混合料的设计方法研究沥青路面性能的评价和预测方法混合料设计依据：交通条件、自然条件设计思路：合理选择与组合材料施工时的现场质量控制总结面层质量的经验和教训为路面设计理论提供必要的参数混合料设计原则：设计施工足够的高温稳定性√良好的低温抗裂性√良好的耐久性良好的水稳性√足够的抗滑能力？良好的防渗能力？良好的施工性能？1．沿革无侧抗压强度试验＝h＝5（7、10）cm1920Hubbard-Field法2in，h1in修正的Habbard-Field法6in，h3in交通荷载增大，碎石加粗）40年代初，BruceMarshall提出马歇尔稳定度试验方法以及初期的马歇尔稳定度标准。随后又陆续出现维姆法、单轴压缩试验法、三轴压缩试验法、以及GTM法和Superpave法等。2．沥青混合料的结构（1）结构的概念结构特点：矿料的大小及不同粒径的分布；颗粒的相互位置；沥青在沥青混合料中的分布特征和矿物颗粒上沥青层的性质；空隙量及其分布；闭合空隙量与连通空隙量的比值等。沥青混合料结构是这种材料单一结构和相互联系结构的概念的总和。其中包括：沥青结构、矿料骨架结构及沥青—矿粉分散系统结构等。（2）空间结构沥青混合料属分散系统中的“胶凝”结构。其特点是结构单元（固体颗粒）通过液相的薄层而粘结在一起，其强度决定于结构单元间的粘结力，具有力学破坏后结构触变性复原的特点。（晶体/凝聚结构由细小的晶体结合而成，形成坚固的空间结构，使结构单元无限接近，结构单元之间发生化学键，因此具有很高的强度。受力破坏后不能恢复。）结构强度取决于：矿物骨架的结构，沥青的结构、矿料与沥青相互作用的特点及沥青混合料的密实度。（3）矿物骨架结构悬浮密实结构如AC；骨架空隙结构如OGFC；骨架密实结构如SMA；a)悬浮密实结构b)骨架空隙结构c)骨架密实结构3．沥青与矿料的相互作用（1）吸附过程①物理吸附（图2）·吸附剂与被吸附物之间仅有分子作用力，可能有几个分子层的厚度。·被吸附的沥青为结构沥青，结构沥青的粘结强度大于自由沥青，越靠近矿料表面其粘结强度越高。·碱性矿料单位面积上吸附的沥青多于酸性矿料。图2矿料与沥青的关系②化学吸附·沥青与矿料表面产生化学反应，形成新生物（化学键）—粘结牢固、不溶于水。·化学吸附仅触及被吸附物质的一层分子。·矿料表面的化学性质是形成化学吸附的关键。③选择性吸附（吸收）·当采用多孔矿料时，可能发生沥青的某些组分渗入矿料的深处。·矿料表面上吸附沥青质；矿料表面的细孔中吸收树脂；油分则沿毛细管渗入到深处；从而大大改善沥青与矿料之间相互作用的条件。（2）吸附过程的改善①掺加表面活性物质（沥青中），以改善物理吸附与化学吸附过程。②活化矿料表面，为化学吸附创造条件。③矿料初生表面的利用——提供力学化学过程。·新表面的化学活性增大——初生表面带电，初生表面出现自由基（机械破坏作用使化学键断开）。·受机械破坏而形成的颗粒表面层的结构发生变化。阿尔姆斯特朗格观测到：磨碎石英颗粒表面的非晶形性，深度达50～100m，从而提高了反应能力和吸附能力。还观察到当石英或花岗石与沥青混合一起磨碎时，发生了化学键。实践证明：矿料在磨碎过程中活化可提高活化效果。4．矿料级配（1）级配设计原则①粗集料形成稳定的骨架；②提供沥青的填充空间；③使各种性能得到理想的平衡；④减少离析⑤不产生碾压推拥（1）级配设计原则＜0.6mm过多，则不稳定0.15～2.36mm过低，则VV大，低温性能差。最大筛孔附近平缓，则粗集料相对较细，表面均匀，易于修整（中间档次集料增多）S型级配是在富勒级配图上得出一种嵌挤良好的级配，具有适宜的VMA和VV，沥青量也不多，且施工性能也好。010203040506070809010019.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075筛孔(mm)通过率(%)下限上限级配线（2）级配理论1）富勒最大密度级配曲线方程1901年～1907年美国富勒（W.B.Fuller）与汤姆逊（Thompson）根据实验提出了矿料的理想级配，认为颗粒级配曲线愈接近抛物线则其密实度就愈大，提出了理想最大密度连续级配组成的计算公式：%100%1005.0DdDdPn=0.52）n法，泰波（A.N.Talbot）级配理论泰波认为：富勒公式是一种理想的级配曲线，实际上要获得最大密度会有一定的波动范围，于是将富勒公式改变为如下一般表达式：n=0.3～0.5时有较大密实度。通常使用范围：n=0.3～0.7。实际：n=0.45密度最大—Superpaven法为无限级数，无法控制0.075mm含量。%100nDdP3）i法，同济大学提出的方法同济大学林绣贤于1970年提出如下级配计算方法，即直接以通过百分率的递减率为参数的计算公式：此法和n法本质相同，即i＝0.5。林氏认为：当i＞0.8，则混合料中细料太多，影响沥青混合料的高温稳定性；i＜0.7，则细料太少，空隙率较大，路面容易渗水；i＝0.75，则为最佳级配，i＝0.7～0.8是级配的合理范围，相当于泰波：n＝0.3～0.5。xxiP1004）K法，前苏联依万诺夫修正级配理论我国在20世纪50年代采用苏联H.H.依万诺夫的级配理论，它在奥浩钦（В.В.ОoaHB）理论基础上提出了“用颗粒分级重量递减系数k为参数”的矿料级配曲线（简称k法）奥氏发现，当矿质混合料中粗细颗粒粒径按1/16递减，次一级粒料重量为上一级的43％时，则可使混合料获得最高的密实度。当颗粒重量递减系数变动于25％～50％范围时，混合料仍可保持较高的密实度。%)1/()1(1100nxxkkP4）K法，前苏联依万诺夫修正级配理论我国在20世纪50年代采用苏联H.H.依万诺夫的级配理论，它在奥浩钦（В.В.ОoaHB）理论基础上提出了“用颗粒分级重量递减系数k为参数”的矿料级配曲线（简称k法）奥氏发现，当矿质混合料中粗细颗粒粒径按1/16递减，次一级粒料重量为上一级的43％时，则可使混合料获得最高的密实度。当颗粒重量递减系数变动于25％～50％范围时，混合料仍可保持较高的密实度。虽然粒级比为16时，具有最大的密实度，但属间断级配，在施工中易离析。建议采用连续级配，粒径按比值2的顺序递减，同时，相邻粒级的重量比为0.6～0.9；级配曲线方程：%100)1(12nkkka式中：a—最大粒径的重量；k—递减系数；n—粒级数。1)1(100nkka中间粒级的重量，按下式计算11)1(100xnxkkka5)粒子干涉理论（根据G、A、G.Wegmouth）为达到最大密度，前一级颗粒之间的空隙应由次一级颗粒所填充，其余空隙又由再次小颗粒所填充，但填隙的颗粒粒径不得大于其间隙之距离。适用于骨架型，也适用于密实型。从临界干涉情况下可导出前一级颗粒间距应为:Dta]1)[(3/10当处于临界状态时，t=d，则30)1(Dda式中：t—前粒级的间隙距离；d—次粒级粒径；D—前粒级粒径；0—次粒级的理论实积率（即堆积密度与表观密度之比）；a—次粒级的实用实积率。6）间断级配·最早引自水泥混凝土研究（用砾石∶砂=3∶1配制的混凝土强度最高）。·间断级配的优点：有足够数量的粗集料形成骨架，又有一定数量的细料填充粒集料的空隙形成较高的密实度—骨架密实结构。7）多级嵌挤级配理论。我国沥青混合料的设计程序热拌沥青混合料的配合比设计的三阶段：目标配合比设计生产配合比设计生产配合比验证设计内容：确定材料品种及配比、矿料级配、最佳沥青用量。采用马歇尔试验配合比设计方法。如采用其他方法设计沥青混合料时，应按马歇尔试验及各项配合比设计检验材料选择、取样材料试验其他材料，外掺剂等粗集料、细集料、矿粉沥青或改性沥青结合料确定试验温度在工程设计级配范围内设计供优选用的1～3组不同的矿料级配对选择的设计级配，初选5组沥青用量，拌和混合料，分别制作马歇尔试件测定试件毛体积相对密度计算VV、VMA、VFA等体积指标技术经济分析确定1组设计级配及最佳沥青用量进行马歇尔试验，与马歇尔设计标准比较完成配合比设计，提交材料品种、矿料级配、标准配合比、最佳沥青用量等按规定进行各种配合比设计检验，确认配合比设计是否合理合格不合格不合格合格确定工程设计级配范围确定理论最大相对密度沥青混合料的类型规范规定的矿料级配范围普通沥青用真空法改性沥青用计算法或普通沥青混合料设计步骤：1）确定工程设计级配范围级配范围由工程设计文件、招标文件或规范规定根据公路等级、工程性质、气候条件、交通条件、材料品种，通过对条件大体相当的工程的使用情况进行调查研究后调整确定，必要时允许超出规范级配范围。普通沥青混合料设计步骤：1）确定工程设计级配范围调整工程设计级配范围的原则：首先按规范确定采用粗型(C型)或细型(F型)的混合料。夏季温度高、高温时间长，重载路段——粗型(AC-C型)冬季温度低、低温时间长，重载少——细型(AC-F型)。配合比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——形成S型根据公路等级和施工设备水平，确定的工程设计级配范围，其中4.75mm和2.36mm通过率的上下限差值宜小于12％。配合比设计应考虑施工性能，易摊铺和压实，避免离析。2）材料选择与准备各种矿料必须按现行《公路工程集料试验规程》规定的方法，从工程实际使用的材料中取代表性样品。进行生产配合比设计时，取样至少应在干拌5次以后进行。配合比设计所用的各种材料必须符合气候和交通条件的需要。当单一规格的集料某项指标不合格，但不同粒径规格的材料按级配组成的集料混合料指标能符合规范要求时，允许使用。2）材料选择与准备各种矿料必须按现行《公路工程集料试验规程》规定的方法试验，从工程实际使用的材料中取代表性样品。配合比设计所用的各种材料必须符合气候和交通条件的需要。5．空隙率（1）概念·空隙率是沥青混合料配合比体积设计法的主要控制指标。·包括：①VCA—矿料骨架空隙率；②VMA—矿料混合料空隙率；③VFA—沥青填充率；④VV—剩余空隙率。（2）意义及控制①VCA骨架的粗集料一般指大于4.75mm（或2.36mm）的集料。只有粗集料在混合料中的含量达到或超过70%，才能形成骨架。但粗集料过多会影响作为填充料的细料及胶浆数量的不足，而残留较大的空隙。在同样粗集料含量情况下，VCA越小，对混合料的配比和性能越有利。用捣实法测得了VCA要比震实法测得的VCA大3～4个百分点。松装（VCA下限）粗集料43～48%，细集料35～50%。干捣（VCA上限）粗集料37～42%细集料30～40%设计VCA≯二者的均值。②VMAB%=(VMA-VV)/γ0式中：B--沥青用量（%）0--压实后矿料混合料的容重VMA的大小要适当。过小