论文沥青混凝土AC16.docx
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论文沥青混凝土AC16
定魏工程AC-16I型沥青混合料
目标配合比设计
一、引言
（一）问题的提出及研究意义
随着我国的国民经济的高速发展，不管是高速还是普通公路对沥青混合料的要求都有很大的提高，所以对沥青混合料性能如何满足路面使用性能等都有很大的研究价值。
沥青混合料路面作为一种路面结构形式，以其行车舒适、噪声低、易于维护等优点，被广泛应用于公路建设中。
但是国内的沥青路面普遍存在工程的耐久性和早期损坏两大突出问题。
造成这种情况有各个方面的原因，其中很重要的一个原因就是沥青混合料的配合比设计不合理。
而作为面层，它是为行车提供安全、经济、舒适的服务，并直接承受汽车荷载作用和自然因素的影响，因此在沥青面层施工中非常重要的一个环节是搞好混合料的组成设计，要综合考虑其高温稳定性、低温抗裂性、耐久性、抗滑性、抗疲劳性、及施工的难易程度等问题。
具体表现如下：
（1）强度高，沥青混合料在路面中，直接承受车辆荷载的作用，因此
应具有一定力学强度；
（2）高温稳定性好，沥青混合料是种典型的流变材料，它的强度和劲度模
量随温度的升高的降低，所以在夏季高温时，在重交通重复作用下，由于交通的渠化，在轮迹带逐渐形成变形下凹、两侧鼓起的所谓“车辙”，这是现代高等级沥青路面最常见的病害；
（3）低温抗裂性好，沥青混合料不仅应具备高温稳定性，同时还要具有低温抗裂性，以保证路面在冬季低温时不产生裂缝；
（4）耐久性好，沥青混合料在路面中，长期承受自然因素的作用，为保证路面具有较长的使用年限，必须具有较好的耐久性；
（5）抗滑性好，即应具有良好的微观粗糙度和宏观粗糙度，以保证在路面潮湿时，车辆能高速安全行驶，并且在外界因素的作用下其抗滑能力不致很快降低；
（6）施工和易性好，要保证室内配料在现场施工条件下顺利的实现，沥青混合料除了应具备前述的技术要求外，还应具备施工和易性。
[1]
沥青混合料是由适当比例的粗集料、细集料及填料组成的符合规定级配矿料与石油沥青加温拌和而成的,其具有良好密实结构,强度稳定性主要取决于混合料的粘聚力和内摩阻力,沥青混凝土路面的沥青混合料按标准压实后的剩余空隙可分为两种,一种为剩余空隙率为3%~6%,为I型密实式沥青混凝土混合料,另一种剩余空隙率为4%~10%,为Ⅱ型半密实式沥青混凝土混合料。
当空隙率较大时,雨水容易渗入,使粘结力降低导致沥青矿料表面剥落,促进老化,缩短寿命,但因其细集料含量较少时,可以增加高温抗变形能力,热温性较好；当其空隙率较小时,雨水不易渗入,沥青路面具有较高的耐久性,使用年限较长。
[2]
沥青混合料通常有以下三种结构：
悬浮－密实结构、骨架－空隙结构、骨架－密实结构。
骨架密实型沥青混合料由于不仅具有较高的粘聚力，而且有较高的摩阻角，所以从理论上认为该种结构类型的沥青混合料具有最优的力学性能，而SMA混合料便是典型的骨架密实结构，但是由于它的造价过高，未能在路面施工上普遍应用。
AC结构的沥青混凝土为我国最常用的沥青砼类型，我国90%的沥青路面为AC结构的沥青混凝土。
AC结构的沥青砼为连续密级配的，其中4.75mm以上的粗集料一般占30%~50%比起SMA的70~80%少的多，而细集料比SMA多很多。
沥青用量比SMA的少。
结构为悬浮密实结构，粗集料在混合料中呈悬浮状态，易离析，施工时易于压实，AC-I型也属于此结构,具有是密水性好的优点。
而且AC沥青混凝土的施工工艺和技术在我国经过多年的应用已经十分成熟并形成了严格的技术规范。
AC沥青混凝土路面造价较低施工工艺简单对设备和机械要求不高，施工工艺和技术成熟完善。
但是该结构高温稳定性欠佳，在高温，重载交通，渠化交通的作用下路面出现车辙的几率较大，水稳定性等方面较差，比较容易损坏。
[3]
鉴于我国还处于社会主义初级阶段，人民的生活水平与日俱增，我国的人均拥车数量也在不断上升，社会对道路的也有更高的路用要求，所以，如何做好沥青混合料配合比设计，特别是对集料组成设计进行必要的改进，从而使连续级配AC类混合料也具备较强的骨架密实特性，使沥青混合料的抗车辙、抗滑、抗渗等性能得到兼顾，避免早期损坏的发生，对人民的财产安全，更重要的对我国今后的道路发展是相当的重要。
（二）国内外研究现状
沥青路面在现代公路国内外交通中的地位日益突出，成为当前应用最广泛、使用里程最长的高级路面形式,它是用沥青材料作为结合料和不同组成的矿质集料（即沥青混合料）铺筑面层的路面的总称，具有强度高、行车平稳、无扬尘、无振动和噪音小等优点，适合用于各种交通量的道路。
沥青混合料是沥青混凝土和沥青碎石混合料的总称。
目前沥青混合料的种类繁多，按结合料分类分为石油沥青和煤沥青混合料；按矿料级配类型分为连续级配和间断级配沥青混合料；按最大粒径分类可分为粗粒式、中粒式、细粒式和砂粒式沥青混合料；按沥青混合料拌制和摊铺温度分为热拌热铺和常温沥青混合料，最常用的是热拌沥青混合料，它是经人工组配的矿质混合料与粘滞沥青在专门设备中加热拌和而成，用保温运输工具运送到施工现场，并在热态下进行摊铺压实的混合料。
热拌沥青混合料是沥青混合料中最典型的品种，其他各种沥青混合料均为由其发展而来的亚种。
随着当前经济的高速发展，带来的交通量迅速增长，车辆轴载也是显著增加，局部地区超载现象依然不断，给沥青路面带来了严重的早期质量破坏,主要体现两个方面一个是裂缝，另一个是车辙。
因此，这给沥青路面的使用品质提出了愈来愈高的要求，如何做好沥青混合料配合比设计成为摆在国内外技术人员面前亟待解决的一项重要课题。
（三）主要内容及研究思路
沥青混合料马歇尔目标配合比设计分为矿料配合比设计和沥青最佳用量确定两部分，第一步，根据道路等级、路面类型、所处的结构层位和规范确定沥青混合料的类型和矿料的级配类型，然后进行现场取样对粗集料、细集料和矿粉进行筛析试验并分别绘出各组成材料的筛分曲线，同时测定各组成部分的相对密度，最后根据筛分试验资料计算和调整矿料配合比；
第二步，为了确定沥青混合料的最佳沥青用量，先制作五个或五个以上试样，对它们测定物理指标：
毛体积密度、理论最大密度、空隙率、沥青体积百分比、矿料百分率、矿料间隙率沥青饱和度,然后测定力学指标：
稳定度、流值和马歇尔模数。
最后对马歇尔试验结果进行分析，进行水稳定性和抗车辙能力检验。
根据验证结果，若达不到相关规定则另选材料、调整级配或采取其他措施重做试验，直到符合要求，确定出较理想的目标配合比。
二、原材料的标准与选择
要保证工程质量，必须对工程材料进行严格的选择和检验，这也是在沥青混合料配合比设计前必不可少的一个重要环节。
选择、确定原材料应根据设计文件对路面结构和使用品质的要求，按照《规范》的相关规定，结合地材的供应情况，按照相关试验规程的要求进行检验，然后择优选材，使材料的各项技术指标都符合规定的技术要求。
[4]
矿料的级配组成是影响沥青混合料高温稳定性的主要因素之一，国内外研究资料表明，沥青混合料的高温抗车辙能力有60%依赖于矿料级配的嵌挤作用，沥青混合料的粘结性能只有40%的贡献。
因此，通过目标配合比设计优选矿料的合理级配，确定最佳沥青用量至关重要。
[5]
（一）沥青的选择
沥青混凝土中的沥青结合料应有较高的粘度,以保证有足够的高温稳定性和低温韧性,因此应选用有良好粘结性能和感温性能的重交通道路石油沥青或改性沥青作为沥青混凝土的沥青结合料。
[6]本项目考虑到邯郸地区邯郸的气候概况是：
四季分明，温度适中，光照充足，雨热同季，降水集中，灾害性天气常有发生，春旱、夏涝、秋爽、冬干，选用东营供应的A级70#道路石油沥青，AH-70#广泛应用于路面表层的道路施工中，对提高沥青路面的品质有极大提高。
试验结果见表1。
表1A级70#石油沥青试验结果
项目
单位
技术要求
试验结果
试验方法
针入度25oC
1/10mm
60-80
72
T0604
延度15oC
cm
>100
>100
T0605
软化点
0C
>46
46
T0606
密度25oC
g/cm3
实测记录
1.006
T0603
表注：
1、使用仪器设备：
ZR-2自动针入度仪、HS-B超级水域、2X-0.5真空泵、SYD-0615含蜡量测定仪、DT分析天平、SYD-0620沥青动力粘
度试验器、SYD-3536闪点仪；
2、本样品所检指标符合定魏工程（北）路面工程施工招标文件所规定的70号A级道路石油沥青的技术施工要求.
１．沥青三大指标试验注意事项
.针入度：
在规定温度25℃下，以规定质量100g的标准针，在规定时间5s内贯入沥青试样中的的深度（1/10mm为一度）表示。
针入度越大，表示沥青越软，粘度越小。
延度：
采用延度仪测定，把沥青试样制成8字形标准试模，在规定的拉伸速度（5cm/min）和规定温度（25℃）下拉断时的伸长长度，以cm表示。
延度值越大，表示塑性越好。
软化点：
采用环球法测定，把沥青试样装入规定尺寸（直径16mm，高6mm）的铜环内，试样上放置一标准钢球，浸入水中以规定的速度升温加热（5℃/min），使沥青软化下垂。
当下垂量达到25.4mm时的温度即为软化点。
软化点越高，表示耐热性越好。
２．沥青蜡含量对沥青指标影响
降低石油沥青的粘结性和塑性，同时对温度特别敏感（即温度稳定性差）
蜡对沥青路面使用性能有极大影响。
现有研究认为沥青中蜡的存在，在高温时会使沥青容易发软，导致沥青路面高温稳定性降低，出现车辙。
同样，在低温时会使沥青变得脆硬，导致路面低温抗裂性降低，出现裂痕，此外，蜡会使沥青与石料的粘附性降低，在有水的条件下，会使路面石子产生剥落现象，造成路面破坏，更严重的是，含蜡沥青会使沥青路面的抗滑性降低，影响路面的行车安全
3．沥青针入度软换点延伸之间的相互关系
针入度和软化点都是沥青粘度的测定方法。
针入度是沥青稠度的指标。
针入度越大，沥青越软，即稠度越小。
软化点是沥青达到规定条件粘度时候的温度。
针入度是规定温度下测定沥青的条件粘度。
所以，软化点是反映沥青材料热稳定性的一个指标，也是沥青条件粘度的一个量度。
延性的指标是延度。
延度是沥青受到外力拉伸作用是，所能承受的变形能力，是沥青内聚力的衡量。
他们三者之间没有明显的联系。
各司其职。
因为他们的试验温度都不同。
针入度为15，25，30，35℃。
软化点通常都大于40℃。
延度是5℃、10℃、15℃。
（二）集料的选择
组成沥青混凝土的原材料主要有：
不同规格的粗集料、细集料、填充料（矿粉）、胶结料（沥青）。
选择原材料按以下原则：
技术性好（满足技术指标要求），经济性好，结合环保就地取材。
1.粗集料的选择
粗集料在沥青混凝土面层中的作用是通过颗粒间的嵌锁作用提供稳定性，通过其摩擦作用抵抗位移。
其形状和表面纹理都影响沥青混凝土的稳定性，所以选择粗集料时，要严格按照粗集料的技术要求选择。
即压碎值、磨光值、吸水率、粘附性针偏状颗粒含量等均符合要求。
[4]确定石料来自武安石料，该地石料具有石质坚硬、强度高、表面纹理粗糙、耐久性好、易开采等优点。
集料采用规格10-20mm、5-15mm、3-5mm、0-5mm石灰岩碎石。
集料筛分试验结果以水筛法为准，检验集料的技术指标均符合《规范》要求。
下面即为规格10-20的针、片状颗粒含量（表2）和集料压碎值（表3）试验记录表。
表2沥青混合料粗集料针、片状颗粒含量试验
试样重（g）
针状颗粒重（g）
片状颗粒重（g）
针状颗粒含量（%）
片状颗粒含量（%）
总含量（%）
3000
153
156
5.1
5.2
10.3
3000
155
152
5.2
5.1
10.2
3000.0
154.0
154.0
5.1
5.1
10.3
表3集料压碎值试验记录表
试验次数（n）
1
2
3
试样质量（g）
2826
2826
2826
留在2.36（2.5）mm筛上的
试样质量（g）
2306
2326
2306
试验后试样损失质量（g）
520
500
520
试样压碎指标值（%）
18.4
17.7
18.4
试样平均压碎指标值（%）
18.2
备注
表注：
本样品所检指标符合定魏工程（北）路面工程施工招标文件所规定的粗集料质量技术要求.
２．细集料试验
细集料采用来自沙河的优质中砂。
细集料对粗集料形成骨架起嵌挤填充作用,同时受沥青粘结性能影响很大。
因此,应严格控制集料的含泥量、无风化、无杂质,保证干燥、洁净。
[6]下表（表4）即为对中砂的含泥量的试验记录表。
表4含泥量试验
试验次数
1
2
试验前烘干试样的质量（g）
500
500
试验后烘干试验的质量（g）
489
490
试样的含泥质量（g）
11
10
含泥量（%）
2.2
2.0
平均含泥量（%）
2.1
备注
表注：
本样品所检指标符合定魏工程（北）路面工程施工招标文件所规定的细集料质量技术要求.
沥青路面的细集料包括天然砂、机制砂、石屑。
细集料必须由具有生产许可证的采石场、采砂场生产。
细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质，并有适当的颗粒级配，其质量应符合下表的规定。
细集料的洁净程度，天然砂应以小于0.075mm含量的百分数表示，石屑和机制砂以砂当量（适用于0-4.75mm）或亚甲蓝值（适用于0-2.36mm或0-0.15mm）表示。
项目
单位
高速公路、一级公路
其他等级公路
试验方法
表观相对密度，不小于
-
2.50
2.45
T0328
坚固性（＞0.3mm部分），不大于
％
12
-
T0340
含泥量（小于0.075mm的含量），不大于
％
3
5
T0333
砂当量，不小于
％
60
50
T0334
亚甲蓝值，不大于
g/kg
25
-
T0349
棱角性（流动时间），不小于
s
30
-
T0345
注：
坚固性试验可根据需要进行。
3.填料的选择
沥青混合料中必须采用石灰岩或岩浆中的强基性岩石等增水性石料需磨细得到的矿粉,原石料中的泥土杂质应除净,矿粉应干燥洁净能自由地从矿粉仓流出,其质量应符合表1的要求
表1沥青混合料用矿粉质量要求
项目
单位
高速公路、一级公路
其他等级公路
试验方法
表观密度，不小于
t/m³
2.50
2.45
T0352
含水量，不大于
％
1
1
T0103烘干法
粒度范围＜0.6mm
＜0.15mm
＜0.075mm
％
100、90-100、75-100
100、90-100、70-100
T0351
外观
-
无团粒结块
-
亲水系数
-
＜1
T0353
塑性指数
％
＜4
T0354
加热安定性
-
实测记录
T0355
拌和机的粉尘可作为矿粉的一部分回收使用。
但每盘用量不得超过填料总量的25%，掺有粉尘填料的塑性指数不得大于4%。
粉煤灰作为填料使用时，用量不得超过填料总量的50%，粉煤灰的烧失量应小于12%，与矿粉混合后的塑性指数应小于4%,其余质量要求与矿粉相同。
高速公路、一级公路的沥青面层不宜采用粉煤灰作填料。
（三）、本章小结
本试验所用的材料均符合招标文件及规范要求。
三、AC16-1沥青混合料配合比设计
（一）矿料级配组成
选择合适的沥青混合料级配类型是确保沥青凝土路面面层质量的前提。
沥青混凝土面层设计的一般依据是《公路沥青路面施工技术规范》（JTJ032-94）（以下简称《规范》）、《公路沥青路面设计规范》（JTJ014-97）和《公路工程集试验规程》（JTJ058-2000）。
我国现行规范规定，上面层沥青混合料的最大粒径不宜超过该层厚的1/2，中面层沥青混合料的集料最大粒径不宜超过该层厚的2/3；沥青路面结构层混合料的集料最大公称尺寸不宜超过该层厚的1/3，对于粗的混合料，这个比例还应减小。
由此分析，厚度一定的沥青面层，若按《公路沥青路面施工技术规范》最低要求选择级配类型，则沥青混合料集料的粒径普遍偏大，何况还有0～5%的颗粒超过最大粒径，这样势必对沥青混凝土路面的施工带来难以解决的施工难度，如摊铺机的熨平板易拉动大粒径的骨料，尤其比最大粒径大0～5%的超粒径骨料；若采用细料弥补，易破坏沥青混凝土混合料的级配，使局部部位的面层压实度难以控制，或使沥青混凝土面层空隙率偏大，渗水严重等。
这使我们在选材上有了很大的局限性，要实现这一配合比的合理选择，必须通过两种渠道来把关：
一是尽量多地考察集料资源；二是拌和机的振动筛一定要根据不同级配类型要求的筛孔专门定做。
[4]通过试验确定矿料的最佳级配为10～20mm为25%，5～15mm为28%,3～5mm为25%，0-5mm为12%，中砂为10%，矿粉为0。
[7]
沥青混合料矿料级配计算表见下图1-1、级配曲线图见图1-2
图1-1沥青混合料矿料级配计算表
图1-2级配曲线
（二）马歇尔试验
沥青混合料的最佳沥青用量（Optimumasphaltcontent简称OAC），可以通过理论计算方法作为粗略的估计。
由于实际材料性质的差异，按理论公式计算得到的最佳沥青用量，仍然要通过实验方法修正，因此理论法只能得到一个供实验参考的数据。
[8][9]采用实验的方法确定沥青最佳用量，目前最常用的方法有：
马歇尔法、F.N.维姆煤油当量法和三轴试验等。
[1]
我国现行国标规定的方法，是在马歇尔法和美国沥青学会方法的基础上，结合我国多年研究成果和生产实践总结发展起来的方法。
确定步骤如下：
1．制备试样
（1）按确定的矿质混合料配合比，计算各种矿质材料的用量。
（2）根据规范推荐的沥青用量范围（或经验的沥青用量范围），估计适宜的沥青用量。
（3）以估计的沥青用量为中值，按0.3%间隔变化，取五个不同的沥青用量，用小型拌合机与矿料拌合，按规范规定的击实次数成型马歇尔试件;按沥青混合料马歇尔实验的试验方法，测定物理指标和力学指标。
[9]
2测定物理指标
未确定沥青混合料的沥青最佳用量，需测定沥青混合料下列物理指标
（1）毛体积密度
沥青混合料的压实试件的视密度，可以采用水中重法、表干法、体积法或封蜡法等方法测定。
对于密实的I型沥青混合料试件，通常采用水中重法，按下式计算
=
——试件的视密度（g/cm3）
——干燥试件的空中质量（g）
——试件的水中质量（g）
——常温水的密度，约等于1g/cm3
（2）理论密度
沥青混合料试件的理论密度，是指压实沥青混合料试件全部为矿料（包括矿料内部孔隙）和沥青所组成（空隙率为零）的最大密度。
理论密度可用下式计算
=
——理论密度（g/cm3）
…
——各种矿料的配合比
…
——各种矿料的相对密度
——沥青含量（沥青质量占沥青混合料中质量的百分率）（%）
——沥青的相对密度（25/25℃）
（3）空隙率
压实沥青混合料试件的空隙率根据其视密度和理论密度按下式计算
=
——试件空隙率（%）
——试件视密度（g/cm3）
——试件理论密度（g/cm3）
（4）沥青体积百分率压实沥青混合料试件中，沥青的体积与试件总体积的百分率为沥青体积百分率按下式计算
=
——沥青混合料试件的沥青体积百分率（%）
其他符号与前面意义相同
（5）矿料间隙率压实沥青混合料试件内矿料部分以外体积占试件总体积的百分率，称为矿料间隙率。
即试件空隙率与沥青体积百分率之和。
按下式计算
=
——矿料间隙（%）
——意义同前式
（6）沥青饱和度压实沥青混合料中，沥青部分体积占矿料骨架以外的空隙部分体积的百分率，称为沥青填隙率，亦称沥青饱和度。
按下式计算：
=
——沥青混合料中的沥青饱和度（%）
——意义同前
3．测定力学指标
为确定沥青混合料的沥青最佳用量，应测定下列力学指标
（1）马歇尔稳定度
按标准方法制备的试，在60℃的条件下，保温45min，然后将试件放置于马歇尔稳定度仪上，以50±5mm/min的形变速度加荷，直至试件破坏时的最大荷载（以kN计）称为马歇尔稳定度（简称MS）。
（2）流值
在测定稳定度的同时，测定试件的流动变形，当达到最大荷载的瞬时，试件所产生的垂直流动变形值（以0.1mm计）称为流值（简称FL）
（3）马歇尔模数
通常用马歇尔稳定度（MS）与流值（FL）之比表示沥青混合料的视劲度，称为马歇尔模数（Marshallmodulus）如式：
=
——马歇尔模数（kN/mm）;
——马歇尔稳定度（kN）;
——流值，0.1mm。
4．马歇尔实验结果分析
（1）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，以视密度、空隙率、饱和度、稳定度和流值为纵坐标，将试验结果绘制成沥青用量与各项指标的关系曲线图1-3。
（2）根据稳定度、密度和空隙率确定最佳沥青用量初始值（OAC1）从图中取相应于稳定度最大值的沥青用量a1，相应于密度最大值得沥青用量a2,，和相应于规定空隙率范围的种植的沥青用量a3，求取三者的平均值作为最佳沥青用量的初始值OAC1。
即
OAC1=（a1+a2+a3）/3
（3）根据符合各项技术指标的沥青用量范围确定最佳沥青用量初始值2（OAC2）按图1-3中求出各指标负荷沥青混混合料技术标准的沥青用量范围OACmin～OACmax，其中值为OAC2。
即
OAC2=（OACmin+OACmax）/2
（4）根据OAC1和OAC2综合确定沥青最佳用量（OAC）按最佳沥青用量的初始值OAC1在图中求出相应的各项指标值，检查其是否符合规定的马歇尔设计配合比技术标准。
同时检验VMA是否符合要求，如能符合要求，由OAC1和OAC2综合决定最佳沥青用量OAC。
如不能符合，应调整级配，重新进行配合比设计马歇尔实验，直至各项指标符合要求为止。
（5）根据气候条件和交通特性调整最佳沥青用量由OAC1和OAC2综合决定最佳沥青用量OAC时，还宜根据实践经验和道路等级、气候条件，考虑从下属情况进行调整：
①一般可取OAC1和OAC2的中值作为沥青最佳用量OAC。
②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，可在中限值OAC2与下限OACmin范围内决定，但一般不宜小于中限值OAC2的0.5%。
③对于寒区道路以及一般道路，最佳沥青用量可以在中限值OAC2与上限值OACmax范围内决定，但一般不宜大于中限值OAC2的0.3%。
图1-3沥青用量与物理-力学指标关系图
（三）本章小结
1、由上图1-3OAC1及OAC2的中值作为计算的最佳沥青用量，调整后的最佳沥青用量为4.5%。
2、按最佳沥青用量验证沥青混合料各项技术指标为：
毛体积相对密度2.473g/cm3，稳定度9.30KN，流值3.1mm，，空隙率4.3%，沥青饱和度%，矿料间隙率%，各项指标符合JGTF40-2004《沥青路面施工技术规范》要求。
3、根据以上试验结果，AC-20型沥青混合料目标配比马歇尔试验最终结果为：
（１）集料级配比例
表9集料级配比例
矿料种类
10-20mm
5-15mm
3-5mm
0-5mm
中砂
掺配比例（%）
25
28
25
10
12
（２）确定的最佳沥青用量4.50%，沥青用量范围4.02%～4.98%，相应的毛体积相
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