1、沥青混合料配合比设计 沥青混合料包括沥青混凝土混合料(AC)和沥青碎石混合料(AM) 沥青混合料的组成材料包括沥青和矿料,矿料包括粗集料,细集料和填料等.1矿质混合料的配合比设计 1. 矿质混合料的级配理论 各种不同粒径的集料按一定比例搭配可达到较小的空隙率或较大的内摩擦力.在连续级配和间断级配. 级配理论主要有最大密度理论和粒子干涉理论,常用的是最大密度理论. (1)富勒理论 富 勒是通过提出一种理想曲线,他认为级配曲线越接近抛物线则堆积密度越大,当矿质混合料的级配抛物线时具有最大密度. 最大密度理想曲线可以用矿料颗粒粒径d 和通过率P 来表示,P ,d可以用下面经验公式计算: P2=K d
2、 P- 各级颗粒粒径集料的通过量(%) d- 矿质混合料各级颗粒粒径(mm) k- 常数 当粒径 d等于最大粒径D时,集料的通过率等于100%,即可由: 1002=K D K=100/D 代入式P2=K d 得P=100(d/D)0.5 (2)泰波理论 泰波认为富勒曲线是一种理想曲线,实际集料的级配应该允许在一定范围内波动. 将富勒曲线用一般通式表示为泰波公式: P=100(d/D)n D -最大粒径; n-实验指数 实际研究认为,在沥青混合料中应用,当n=0.45时堆积密度最大,当n=0.250.45时工作性能最好. 通常使用的矿料的级配范围n幂常在0.30.7之间,因此,在实际应用时,矿料
3、的级配曲线允许在一定范围内波动,即n=0.30.7,不同n幂公式的各粒径的通过量见下表:分级顺序n12345678910粒径比D/2n-1DD/2D/4D/8D/16D/32D/64D/128D/256D/516理论粒径40 201052.5 1.250.630.3150.160.08最大密度级配曲线通过量(%)n=0.510070.7150.0035.3625.0017.6812.558.876.324.47级配范围曲线通过量(%)n=0.310081.2365.9853.5943.5335.3628.7923.3819.0815.50n=0.710061.5637.8923.3314.36
4、8.345.473.372.101.29 按级配理论计算出各级集料在矿质混合料的通过百分率，以通过百分率为纵坐标绘制成曲线，即为理论级配曲线。但由于矿料在轧制过程中的不均匀性以及混合料配制时的误差等影响，使所配制的混合料往往不可能与理论级配完全相符合。因此，必须允许配料时的合成级配在适当的范围内波动，这就是“级配范围”，绘制曲线时通常用半对数坐标，即横坐标(即筛孔尺寸乘10或乘别的数,让取对数后为正数)采用对数坐标，而纵坐标用常坐标。我国现行国标(GB 5009296) 规定，沥青路面集料的粒径选择和筛分以方孔筛为准。 沥青路面用矿质混合料级配范围曲线沥青路面用矿质混合料级配范围曲线2.矿料的
5、组成设计方法 天然或人工轧制的一种集料的级配是无法达到某一级配范围要求的,要想获得满足一定级配范围要求的矿质混合料,则必须采用两种或两种以上的集料进行组配,目前矿质混合料的组成设计方法主要有数解法(试算法和正规方程法)和图解法,组成设计的任务就是确定组成混合料的各种集料的比例. 图解法比较直观,下面我们主要介绍图解法: 试算法 1. 试算法的基本原理 首先假设混合料中某种粒径的颗粒，是由对这一粒径占优势的一种集料组成，其他集料不含这一粒径。据此分别试探各种级料的大致比例，不合适再进行调整，逐步接近，最终达到符合要求的集料的配合比。 2. 步骤及方法 将A、B、C三种集料配成M级配的矿料：(表9
6、.6.1) 图解法: (适用于多种集料组成的矿料配合比设计)。 目前采用的图解法以解决多种集料配合组成比例的平衡面积法为主.该法是采用一条直线来代替集料的级配曲线,这条直线使其左右两边的面积平衡,这样简化了曲线的复杂性.这一方法后经话多研究者的修正,故又称现行的图解法为修正平衡面积法,简称图解法.(1)基本原理 通常级配曲线图采用半对数坐标绘制,所绘出的级配范围中值为一曲线. 图解法中,为使要求级配中值呈一直线,采用纵坐标的通过量(P)仍为算术坐标,而横坐标的粒径采用(d/D)n表示,则所绘出的级配曲线中值为直线,(2)计算步骤 绘制级配曲线坐标图. 依据上述原理,按规定尺寸绘一方形图框. 通
7、常纵坐标通过量取10cm,横坐标筛孔尺寸(或粒径)取15cm.连接对角线oo作为要求级配曲线中值. 纵坐标按算术标尺,标出通过量(0100%). 依据要求级配中值的各筛孔通过量标于纵坐标上, 则从纵坐标引水平线与对角线相交,再从交点作垂 线与横坐标相交, 其交点即为各相应筛孔尺寸的位置.确定各种集料用量 将各种集料的通过量绘于级配曲线坐标图上.实际集料的相邻级配曲线可能有下列三种情况, 根据各集料之间的关系,按下述方法确定各种集料的用量比例.A. 两相邻级配曲线重叠(http:/ 如集料A级配曲线的下部与集料B级配曲线上部搭接时,称为两相邻级配曲线重叠. 应在两级配曲线之间引一条垂直于横坐标的
8、直线AA(即a=a)与对角线oo交于点M,通过M作一水平线与纵坐标交于P点. OP即为集料A的用量.B. 两相邻级配曲线相接: 如集料B的级配曲线末端与集料C的级配曲线首端,正好在一垂直线上时,称为两相邻级配曲线相接. 此时,将前一集料曲线末端与后一集料曲线首端作垂线连接,垂线BB与对角线OO相交于点N. 通过N作一水平线与纵坐标交于Q点. PQ即为集料B的用量.C. 两相邻级配曲线相离: 如集料C的级配曲线末端与集料D的级配曲线首端,在水平方向彼此离开一段距离时,称为两相邻级配曲线相离. 此种情况,应作一垂直平分相离距离的垂线CC(即兴b=b的平分垂线),与对角线OO相交于点R点,通过R作一
9、水平线与纵坐标交于S点. QS即为集料C的用量. 剩余ST即为集料D的用量. 校核 按图解所得的各种集料用量,校核计算所得合成级配是否符合要求,如不能符合要求,即超出级配范围,应调整各集料的用量各组成材料和要求混合料级配图 3. 沥青混合料配合比设计沥青混合料配合比设计 现行沥青混合料配合比设计方法主要采用马歇尔现行沥青混合料配合比设计方法主要采用马歇尔试验法试验法.我国自我国自1970年以来一直延用至今年以来一直延用至今,并纳入了有并纳入了有关规范关规范. 沥青混合料配合比设计包括目标配合比设计、生沥青混合料配合比设计包括目标配合比设计、生产配合比设计和生产配合比验证三个阶段。产配合比设计和
10、生产配合比验证三个阶段。 (1)目标配合比设计阶段目标配合比设计阶段 矿质混合料的配合组成设计矿质混合料配合给成设计的目的上选配一个具有足够密实度, 并且有较高内摩擦阴力的矿质混合料, 具体步骤如下: A.确定沥青混合料类型沥青混合料的类型，根据道路等级、路面类型、所处的结构层位，按下表选定。结构层次高速公路、一级公路城市快速路、主干路其他等级公路一般城市道路及其他道路工程三层式沥青混凝土路面两层式沥青混凝土路面沥青混凝土路面沥青碎石路面沥青混凝土路面沥青碎石路面上面层AC13AC16AC20AC13AC16AC13AC16AM13AC5AC10AC13AM5AM10中面层AC20AC25下面
11、层AC25AC30AC20AC25AC30AC20AC25AC30AM25AM30AM25AM30AC20AC25AM25AM30AM25AM30AM40B.确定矿质混合料的级配范围根据已确定的沥青混合料类型，查阅规范推荐的沥青混合料级配及沥青用量范围表 (沥青混合料级配范围及参考沥青用量表) 即可确定所需的级配范围。 C.矿质混合料配合比例计算1) 组成材料地原始数据测定组成材料地原始数据测定根据现场取样，对粗集料、细集料和矿粉进行筛析试验，按筛析结构分别绘出各组成材料的筛分曲线。同时并测出各组成材料的相对密度，以供计算沥青混合料物理常数备用。2) 计算组成材料的配合比计算组成材料的配合比根
12、据各组成材料的筛析试验资料，采用图解法或计算法，求出符合要求级配范围的各组成材料用量比例。3) 调整配合比计算得的合成级配应根据要求作必调整配合比计算得的合成级配应根据要求作必要的配合比调整要的配合比调整a. 通常情况下，合成级配曲线宜尽量接近设计级配中限，尤其应使0.075 mm、2.36 mm和4.75 mm筛孔的通过量尽量接近设计级配范围中限。b. 对高速公路、一级公路、城市快速路和主干路等交通量大、车辆载重大的道路，宜偏向级配范围的下（粗）限；对一般道路、中小交通量和人行道路等宜偏向级配范围的上（细）限。c. 合成级配曲线应接近连续或有合理的间断级配，不得有过多的犬牙交错。当经过再三调
13、整，仍有两个以上的筛孔超过级配范围时，必须对原材料进行调整或更换原材料重新设计。 确定沥青混合料的最佳沥青用量 由于实际材料性质的差异,沥青混合料的最佳沥青用量( optimum asphalt content,简称OAC),目前主要通过马歇尔试验的方法确定. 马歇尔试验方法确定最佳沥青用量步骤如下:1) 制备试件: A. 接确定的矿质混合料配合比,计算各种矿质材料的用量. B. 根据表(沥青混合料级配范围及参考沥青用量表),选择适宜的沥青掺量. C. 以0.5%的沥青用量间隔制备一组马歇尔试件(不少于5组) 2) 测定物理指标: 为确定沥青混合料的沥青最佳用量,需要测定各组试件的表观密度,
14、空隙率, 矿料间隙率和饱和度等物理指标. 3) 测定力学指标: 采用马歇尔稳定度仪, 测定沥青混合料的力学指标,即测定马歇尔稳定度和流值.4) 试验结果分析: A. 绘制沥青用量与物理力学指标关系图. 以沥青用量为横坐标, 以表观密度, 空隙率, 饱和度, 稳定度, 和流值为纵坐标, 绘制试验结果的关系曲线,如下图:B. 确定最佳沥青用量初始值(OAC1).从上图关系曲线中, 取相应于密度最大值的沥青用量a1, 相应于稳定度最大值的沥青用量a2和相应于规定空隙率范围中值的沥青用量a3, 求取三者的平均作为最佳沥青用量的初始值OAC1,即 OAC1=(a1+a2+a3)/3C. 确定最佳沥青用量
15、初始值(OAC2), 根据热拌沥青混合料的技术标准,确定符合各项技术指标要求的沥青用量范围OACminOACmax, 求取最佳沥青用量初始值OAC2, 即 OAC2=(OACmin+OACmax)/2D. 根据OAC1和OAC2综合确定最佳沥青用量(OAC). 按最佳沥青用量的初始值OAC1在图中求取相应的各项指标值,检查其是否符合相应的马歇尔试验技术标准(下表:热拌沥青混合料马歇尔热拌沥青混合料马歇尔试验技术指标试验技术指标 ). 同时检验VMA(间隙率)是否符合要求,如能符合,由OAC1和OAC2综合确定最佳沥青用量OAC. 如不能符合,应调整级配,重新进行配合比设计及马歇尔试验,直至各项
16、指标均能符合要求为止. 试验项目沥青混合料类型高速公路、一级公路、城市快速路、主干路其它等级公路与城市道路行人道路击实次数/次沥青混凝土沥青碎石、抗滑表层两面各75两面各50两面各50两面各50 两面各35两面各35稳定度/kN型沥青混凝土型沥青混凝土、抗滑表层7.55.0 5.04.0 3.0流值/0.1mm型沥青混凝土型沥青混凝土、抗滑表层20402040 204520452050 空隙率/型沥青混凝土型沥青混凝土、抗滑表层沥青碎石 3641010 3641010 25沥青饱和度/型沥青混凝土型沥青混凝土、抗滑表层沥青碎石 708560754060 708560754060 7590 残留
17、稳定度/型沥青混凝土型沥青混凝土、抗滑表层7570 7570 75热拌沥青混合料马歇尔试验技术指标热拌沥青混合料马歇尔试验技术指标 由OAC1和OAC2综合确定最佳沥青用量(OAC)时,宜根据实践经验和道路等级,气候条件按下列步骤进行: a. 一般情况,取OAC1和OAC2的中值作为最佳沥青用量(OAC),即 OAC= (OAC1+OAC2)/2 b. 对热区道路以及车辆渠化交通的高速公路, 一级公路, 城市快速路, 主干路, 预计有可能造成较大车辙的情况时, 可以在OAC2与下限值OACmin范围内确定,但一般不小于OAC2的0.5%. C. 对寒冷区道路以一般道路,最佳沥青用量可以在OAC
18、2与上限值OACmax范围内确定,但一般不大于OAC2的0.3%. 5) 检验最佳沥青用量(OAC) A. 水稳定性检验. 按最佳沥青用量OAC制作马歇尔试件进行浸水马歇尔试验(或真空马歇尔试验), 检验其残留马歇尔稳定(MS0)是否合格. 如果最佳沥青用量OAC与两个初始值OAC1,或OAC2 相差甚大时,宜将OAC与OAC1或OAC2分别制作试件,进行残留稳定度试验. 如不符合要求,应重新进行配合比设计, 亦可采用掺加抗剥剂的方法来提高水稳定性. B. 抗车辙能力检验. 按最佳沥青用量OAC制作车辙试验试件,在60度条件下,采用车辙试验仪检验最佳沥青用量混合料的动稳定度是否符合要求 (2)
19、 生产配合比设计阶段生产配合比设计阶段反复调整冷料仓进料比例以达到供料均衡，并取目标配合比设计的最佳沥青用量、及其0.3三个沥青用量进行马歇尔试验，确定生产配合比的最佳沥青用量。3) 生产配合比验证阶段生产配合比验证阶段采用拌和机进行生产配合比试拌，铺筑试验段，并对拌和机中抽取的沥青混合料及路上钻取的芯样进行马歇尔试验检验，根据检验结果确定生产用的标准配合比。 例1:矿质混合料配合组成计算例题（图解法） 试用图解法设计某高速公路用细沥青混凝土矿质混合料试用图解法设计某高速公路用细沥青混凝土矿质混合料的配合比。的配合比。【原始资料】(1) 现有碎石、石屑、砂和矿粉四种矿料，筛析试验得到各粒径通过
20、百分率列于表1。 材料名称通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率（）16.013.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075碎 石 100 93 17 0 石 屑 100 100 100 8414 8 40砂 100 100 100 100 92 82 42 21 114矿 粉 100 100 100 100 100 100 100 100 96 87表表1 原有矿质集料级配表原有矿质集料级配表 级配名称通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率（）16.013.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075上面细粒式(AC-
21、13 I)(GB50092-96)级配范围100 95100 7088 4868 3653 2441 1830 1222 816 48级配中值100 98 79 58 4533 24 17 1262) 设计级配范围按沥青路面施工及验收规范（GB 5009296）细粒式沥青混凝土混合料要求，其级配范围和中值列于表2。 表表2 矿质混合料要求级配范围和中值表矿质混合料要求级配范围和中值表 【计算要求】(1) 图解法要求级配中值呈一直线，因此纵坐标的通过量(P)仍为算术坐标，而横坐标的粒径采用(d/D)n表示，则级配曲线中值呈直线。根据规范的级配中值（表2）绘出该直线。(2) 将各原有矿质材料筛析结
22、果（如表1）在图上绘出级配曲线。按图解法求出各种材料在混合料中的用量。(3) 按图解法求得的各种材料用量计算合成级配，并校核其是否符合技术规程的要求，如不符合应调整级配重新计算。【计算步骤】(1) 绘制级配曲线图（如图1），在纵坐标上按算术坐标绘出通过量百分率。图1 各组成材料和要求混合料级配图 (2) 连对角线OO,表示规范要求的级配中值。在纵坐标上标出规范（GB 50092-96）规定的细粒式混合料（AC-13 I）各筛孔的要求通过百分率，作水平线与对角线OO相交，再从各交点作垂线交于横坐标上，确定各筛孔在横坐标上的位置。(3) 将碎石、石屑、砂和矿粉的级配曲线绘于图1上。(4) 在碎石和
23、石屑级配曲线相重叠部分作一垂直线AA，使垂线截取二级配曲线的纵坐标值相等（即a=a）。自垂线AA与对角线交点M引一水平线，与纵坐标交于P点，OP的长度X=31，即为碎石的用量。 同理，求出石屑的用量Y=30，砂的用量Z=31，则矿粉用量W=8。 表3 矿质混合料组合计算表 材料名称通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率（）16.013.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075原材料级配碎 石100100 93 17 0 -石 屑100 100 100 100 8414 8 40-砂 100100 100 100 100 92 82 42 21 114矿
24、粉100 100 100 100 100 100 100 100 100 96 87各种矿料在混合料中的级配碎 石31(31)31.0(31.0) 28.8(28.8) 5.3(5.3) 0(0)-石 屑30(26) 30.0(26.0) 30.0(26.0) 30.0(30.0) 25.2(21.8) 4.2(3.6) 2.4(2.1) 1.2(1.1) 0(0)-砂 31(37)31.0(37.0) 31.0(37.0) 31.0(37.0) 31.0(31.0) 28.5(34.0) 25.4(30.3) 13.0(15.5) 6.5(7.8) 3.4(4.1) 1.2(1.5)矿 粉8
25、(6) 8.0(6.0) 8.0(6.0) 8.0(6.0) 8.0(6.0) 8.0(6.0) 8.0(6.0) 8.0(6.0) 8.0(6.0) 7.9(5.8) 7.0(5.2)合 成 级 配 100(100) 97.8(97.8) 74.3(74.3) 58.8(64.2) 40.7(43.6) 35.8(38.4) 22.2(22.6) 14.5(13.8) 11.3(9.9) 8.2(6.7)GB 50092-96要求AC-13 I级配范围 100 95100 7088 4868365324411830122281648调整配合比计算得的合成级配应根据要求作必要调整配合比计算得的
26、合成级配应根据要求作必要的配合比调整的配合比调整a. 通常情况下，合成级配曲线宜尽量接近设计级配中限，尤其应使0.075 mm、2.36 mm和4.75 mm筛孔的通过量尽量接近设计级配范围中限。b. 对高速公路、一级公路、城市快速路和主干路等交通量大、车辆载重大的道路，宜偏向级配范围的下（粗）限；对一般道路、中小交通量和人行道路等宜偏向级配范围的上（细）限。c. 合成级配曲线应接近连续或有合理的间断级配，不得有过多的犬牙交错。当经过再三调整，仍有两个以上的筛孔超过级配范围时，必须对原材料进行调整或更换原材料重新设计。 从表3可以看出，按碎石：石屑：砂：矿粉31：30：31：8计算结果，合成级
27、配中筛孔0.3mm和0.6mm的通过量偏低，筛孔0.075mm的通过量偏高，且曲线呈锯齿状。(6) 由于图解法的各种材料用量比例是根据部分筛孔确定的，所以不能控制所有筛孔。通常需要调整修正，才能达到满意的结果。通过试算现采用减少粗石屑的用量、增加砂的用量和减少矿粉用量的方法来调整配合比。经调整后的配合比为：碎石用量X=31；石屑用量Y=26；砂的用量Z=37；则矿粉用量W=6。按此配合比计算如表6-11中括号内数值。(7) 将表6-13计算得到合成级配通过百分率，绘于规范要求级配曲线中，如图6-5。从图中可以看出，合成级配曲线在规范要求的级配范围之内，并且接近中值，呈一光滑平顺的曲线。确定矿质
28、混合料配合比为碎石：石屑：砂：矿粉31：26：37：6。图2 要求级配曲线和合成级配曲线 例2:最佳沥青用量的设计最佳沥青用量的设计 广东某地需铺筑高速公路，用I型沥青混凝土。已选用AH-70 沥青。并知沥青用量于5.07.0，按0.5间隔递增，拌和均匀，制成了马歇尔试件；根据集料吸水率大小和沥青混合料的类型，测出试件的实测密度，并计算出空隙率、饱和率；再作马歇尔试验，测定稳定度和流值两个力学指针。 上述指针与沥青用量的关系曲线见图1至图5。请参与下述马歇尔试验结果分析，并确定最佳沥青用量。 (1) 从图1、2、3求出第一个最佳沥青用量初始值OAC1图1中沥青混合料密度最大值的沥青用量为a1:
29、6.30；图2中沥青混合料稳定度最大值的沥青用量为a2:6.20；I 型沥青混凝土的热拌沥青混合料空隙率范围规定为36.0（见表热拌沥青混合热拌沥青混合料马歇尔试验技术指标料马歇尔试验技术指标），请利用图3求沥青混合料空隙率的中值对应的沥青用量a3=5.6%。 以a1、a2、a3的平均值作最佳沥青用量的初始值。 OAC1=(a1+a2+a3)/3=6.00 (2) 请求出第二个最佳沥青用量初始值OAC2由图2至图5各指标于表(热拌沥青混合料热拌沥青混合料马歇尔试验技术指标马歇尔试验技术指标)对照符合沥青混合料技术指标的沥青用量范围：稳定度：7.5 KN空隙率：3.006.00饱和度：7085流
30、值：2040从上述四个范围找出其沥青用量共同范围为(图6所示)： OACmin=5.40OACmax=6.40中限值OAC2=(OACmin+OACmax)/2=5.90%3) 综合确定最佳沥青用量OAC由OAC1、OAC2、OACmin及OACmax确定最佳沥青用量OAC。有下列三种情况 : A.一般情况下，取OAC1和OAC2的中值作为最佳沥青用量（OAC）。 B.对热区公路以及车辆渠华交通的高速公路、一级公路、城市快速路、主干路，预计有可能造成较大车辙的情况下，可在OAC2与下限OACmin范围内决定，但不宜小于OAC2的0.5。 C.对寒区道路以及其它等级公路与城市道路，最佳沥青用量可
31、以在OAC2与上限值OACmax范围内确定，但不宜大于OAC2的0.3。 综合确定最佳沥青用量(OAC), 按沥青最佳用量初始值OAC1=6.0%检查各项指标均能符合要求.由OAC1和OAC2综合确定最佳沥青用量OAC=5.95%.由于气候属于高温区,并考虑高速公路渠化交通,预计可能出现较大车辙,再选择OAC2下限与OACmin之间选取一个最佳沥青用量OAC=5.65%例3、现有马歇尔试验结果汇总表如下，请绘制曲线，确定最佳沥青用量。试件组号油石比/%技 术 指 标密度s /gcm-3空隙率VV/%矿料间隙率VMA/%沥青饱和度VFA/%稳定性MS/kN流值FL/mm123455.05.56.
32、06.57.02.3282.3462.3542.3532.3485.84.73.62.92.517.917.617.417.718.462.569.877.580.283.58.79.710.310.29.82.12.32.52.83.7技术标准36不小于13657581.54人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
