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热拌沥青混合料配合比设计方法

1、前言
《公路沥青路面施工技术规范》（JTJ032－94）对热拌沥青混合料的配合比设计方法作了重大修改。规范发布后，各施工单位对此十分重视，努力执行新规范的三阶段配合比设计方法，不少单位取得了成功的经验，认为新方法对提高沥青混合料的质量非常重要。然而，据笔者在一些工程调查中了解，发现有一些单位对新方法并不理解，仍然按老方法操作，或者嫌麻烦，碰到一些指标不合格或试验有困难就放弃了。
应该严肃指出，国家颁布的规范具有法规性质，它不同于一般的学术著作，规范具有其严肃性，各单位应该认真执行。不理解或不明确的地方应该积极咨问，对规范的规定或条文有意见可以向交通部或主编单位提出，以便使规范迅速贯彻并不断改进。
为推广执行新规范，本文以某高速公路工程中面采用 AC—25型密级配沥青混凝土的配合比设计过程作为一个实例，详细说明新方法的具体步骤和做法，帮助理解新方法，每一步都按照规范附录 B规定的方法进行。各单位可以参照本文介绍的方法步骤，进行热拌沥青混合料的配合比设计。
2、材料选择和原材料试验
对任何一个工程，在配合比设计之前，材料选择和原料试验是不可缺少的步骤，只有所有指标都符合规范第4章要求的材料才允许使用。
2.1 沥青
本工程地处规范附录A规定的温区，按规定选择℃沥青标号为 AH—90。进口沥青到货后按试验规程要求取样，并委托交通部公路工程质量检测中心进行要求，其主要技术指标如表1。表中工程招标合同对规范规定的要求作了一些调整，10℃延度是参照“八五”攻关成提出的，只要不降低规范要求，是允许的。
表1沥青质量试验结果
项 目
单位
技术要求(AH-90)
试验 结果
试验方法
规范规定
招标合同要求
针入度25℃,100g,5g
0.1mm
80~100
80~100
83
JTJ T0604
延度5cm/min
15℃
cm
＞100
＞150
＞150
JTJ T0605
10℃
cm
--
＞30
＞150
JTJ T0605
软化点T
℃
42~52
42~52
44.7
JTJ T0606
溶解度(三氯乙烯)
%
＞99.0
＞99.0
99.87
JTJ T0607
闪点(COC)
℃
＞230
＞230
342
JTJ T0611
密度15℃
g/cm3
实测
实测
1.033
JTJ T0603
腊含量
%
＜3
＜2
0.64
JTJ T0615
粘度
60℃
Pas
实测
实测
126.5
JTJ T0620
135℃
mm2/s
实测
实测
323.3
JTJ T0619
TFOT后
质量损失
%
＜1.0
＜0.5
+0.11
JTJ T0609
针入度比
%
＞50
＞70
79.5
JTJ T0604
延度
25℃
cm
＞75
＞100
＞150
JTJ T0605
15℃
cm
实测
＞90
＞150
JTJ T0605
10℃
cm
--
＞10
22
JTJ T0605

2.2矿料
2.2.1粗集料
采用某石场的石灰岩碎石，各种材料筛分结果如表2。在采石场采集的样品中，名义为S7号碎石（方孔筛10～30mm）规格的样品实际上是S6号碎石，其中小于26.5mm部分仅78.1％，不适于配制AC-25沥青混凝土，试验时必须将大于26.5mm部分筛除后使用，以符合生产时的实际情况（大于26.5mm料作为超粒径料排出）。10～20mm碎石符合规范S9规格。5～10mm符合S12规格，3～5mm石屑与S14规格相比，大与4.75mm部分偏多，但不妨碍使用，按规范对碎石质量的检测结果如表3，从表中可见，有些指标必须对不同粒径分别试验，各项指标均符合规范要求，可以使用。
表2各种粗集料的筛分结果
材料
通过下列筛孔(mm)的百分率(%)
31.5
26.5
19
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
10~30mm
(S7碎石规范要求)
(S6碎石规范要求)
100
90~100
90~100
78.1
-
-
30.7
-
-
9.4
-
-
0
-
-

0~15
-

0~5
0~5

10~20mm
(S9碎石规范要求)

100
100
95~100
96.5
-
75.8
-
26.4
0~15
0
0~5

5~10mm
(S12碎石规范要求)

100
100
99.2
95~100
4.9
0~10
0
0~5

3~5mm
(S14碎石规范要求)

100
100
74.8
85~100
8.3
0~25
0
0~5

表3各种粗集料的质量规格
指标
单位
规范要求(高速公路)
碎石规格(mm)
10~30
10~20
5~10
压碎值
%
＜28
15.0
洛山矶磨耗率
%
＜30
19.2
磨光值
%
中面层
不需要
----
视密度
g/cm3
＞2.25
2.8181
2.8364
2.8275
表干密度
g/cm3
--
2.8018
2.7970
2.7878
吸水率
%
＜2.0
0.35
针片状含量
%
＜15
9.1
5.7
----
含泥量
%
＜1
接近0
软石含量
%
＜5
未发现
风化颗粒含量
%

未发现
坚固性
%
＜12
石质良好,经判断可以不做

2.2.2细集料
采用某地河沙。细度模数3.02，属中砂偏粗，缺少0.3mm以下部分，不妨碍使用。规格及质量如表4和5，符合规范要求，可以使用。
表4 砂的质量指标
指 标
规 范 要 求
试 验 结 果
细度模数
粗砂:3.7~3.1
中砂:3.0~2.3
3.02
表观密度(g/cm3)
＞2.50
2.6227
砂 当 量
＞60
64
外 观
--
洁净、坚硬、无杂质
＜0.075mm含量(%)
＜3
0.15
坚固性 (%)
＜12
砂质良好,经判断可以不做

表5 砂的筛分结果
材料
通过下列筛孔(mm)的百分率(%)
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
某地河砂
100
92.8
86.1
68.9
38.9
10.4
1.1
0.15

2.2.3填料
石灰石矿粉的质量及规格如表6，符合规范要求，可以使用。
表6 石粉质量指标
指标
单位
规范要求
石灰石 石粉
岩石品种及产地
表观密度
亲水系数
含水率
通过下列筛孔的百分率
0. 6mm
0. 3mm
0. 15mm
0.075mm

G/cm3

%

%
%
%
%
石灰石
＞2.50
＜1
＜1

100
--
90~100
75~100
某地石灰石
2.614
＜1.0
0.15

100
98.3
93.3
82.5

3 第一阶段——目标配合比设计阶段
根据设计，该工程沥青面层中面层采用AC—25Ⅰ型密级配沥青混凝土。规范规定应采用工程实际使用的材料（而不是采石场的材料样品）进行目标配合比设计。
3.1 矿料级配计算
现在，矿料级配的计算大都利用微机进行人机对话的方式进行，计算程序并不复杂，各单位都可以自行编制，计算时应充分考虑使用现有材料得到有效的使用，筛孔上应特别重视4.75mm、2.36mm、0.075mm，尽量接近要求范围的中值。对上述材料反复进行矿料级配计算得到的各种材料的配合比如下：
10～30mm碎石：10～20mm碎石：3～5mm石屑：砂：矿粉＝30：20：15：28：7。
合成级配如表7，均符合规范要求，由于0.15～0.6mm的含量较少，0.075mm的通过量适当提高。
表7 中层目标配合比设计结果
筛孔(mm)
规范要求级配范围(%)
中值(%)
合成级配(%)
26.5
19.0
16.0
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
95~100
75~90
62~80
53~73
43~63
32~52
25~42
18~32
13~25
8~18
5~13
3~7
97.5
82.5
71.0
63.0
53.0
42.0
33.5
25.0
19.0
13.0
9.0
5.0
100
81.8
72.9
65.9
55.3
44.2
32.4
26.3
17.9
9.8
6.8
5.8

3.2马歇尔试验
按此配合比，在油石比3.5％～5.5％范围内，以0.5％间隔的不同油石比，分别进行马歇尔试验，结果如表8。
表8 中层目标配合比马歇尔试验结果
油石
比
(%)
理 论
密度(g/cm3)
表干密度(g/cm3)
空隙 率
(%)
饱和
度
(%)
矿料间隙率(%)
稳定
度
(KN)
流
值
(mm)
马歇尔模数(KN/mm)
3.5
2.604
2.442
6.2
57.2
14.5
9.24
2.18
4.46
4.0
2.585
2.467
4.5
68.0
14.1
11.26
2.14
5.37
4.5
2.566
2.483
3.2
77.1
14.1
13.90
2.35
5.99
5.0
2.548
2.495
2.1
85.4
14.2
12.00
2.43
4.92
5.5
2.530
2.491
1.5
89.6
14.8
8.99
2.55
3.59
按规范附录图B4.4方法绘图（图略），计算最佳油石比如下:
按最大密度、最大稳定度，空隙率中值确定的最佳油石比OAC1＝4.54％；
按各项指标全部合格的范围的中值确定的最佳油石比OAC2=4.31％；
由此确定的最佳油石比OAC=4.4%和相应的最佳沥青用量＝4.2％.
在这里，有一个密度，空隙率等体积指标的计算方法问题，根据规范附录B及《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 053-93）的规定，对粗粒式但较密实的AC-25Ⅰ型密级配沥青混凝土，应采用表干法测定表干密度计算。如表9可见，采用其他方法的结果稍有差异其他方法的结果稍有差异,由此得出的最佳油石比也将不一样。
表9 不同测定方法计算的马歇尔指标
油石
比
(%)
水中重法
表干法
体积法
空隙
率
(%)
饱和
度
(%)
空隙
率
(%)
饱和
度
(%)
空隙
率
(%)
饱和
度
(%)
3.5
5.6
60.0
6.2
57.2
5.8
59.6
4.0
3.9
71.2
4.5
68.0
5.1
65.4
4.5
3.0
78.3
3.2
77.1
2.5
81.3
5.0
1.9
86.4
2.1
85.4
1.8
87.2
5.5
1.3
91.2
1.5
89.6
1.5
90.0
当马歇尔试验指标达不到时，表10提供的途径可供参考，表中“+”号表示指标随因素变量的增加而增加，“－”表示指标随因素变量的增加而减小。
表10 马歇尔指标与影响因素的关系
因素
集料最 大粒径
富棱角集 料用量
细砂量
石粉用量
沥青用量
矿料间 隙率
空隙率

＋
＋
－

＋
矿料间隙率

＋
＋
－

沥青饱和度

－
－
＋

－
稳定度
＋
＋

＋
－
－
流值
－
－

＋
＋
＋
施工性能
－
－

－
＋
＋
3.3高温稳定性检验
按规范7.3.4规定,对用于高速公路沥青路面层及中面层的沥青混凝土混合料进行配合比设计时,应通过车辙试验机对抗车辙能力进行检验。因此，由马歇尔试验设计的配合比并不能马上就作为目标配合比，对上述设计的级配及油石比的沥青混合料在温度60℃、轮压0.7Mpa条件下进行车辙试验,动稳定度为3150次／mm，符合规范7.3.4条应不小于800次／mm的规定要求。
应该说明，由于我国规范第一次列入车撤试验动稳定度要求，规定800次／mm是非常低的。在日本，要求为1500次／mm。可是据了解，有些工程管理部门认为规范没有写“必须”，不理睬规范的这个规定，但是规范用语的含义为“在正常情况下均应这样做”。
还有一些单位试验时采用拌和好的沥青混合料，送到有关单位去重新加热再制件进行试验，应该知道，经二次加热的混合料，沥青变硬，动稳定度必将提高，影响试验数据的可靠性。
如果试验达不到规定值，这里介绍一些措施来提高动稳定度：
（1） 增大集料粒径，增加粗集料用量；
（2） 增加矿粉用量；
（3） 掺加纤维稳定剂；
（4） 减少天然砂用量，用有菱角的人工砂或石屑代替；
（5） 换用针入度小一些或60℃粘度高的沥青，减少沥青用量，使用改良性沥青等。
3.4水稳定性检验
按照最佳油石比4.4％，从新制作试件，进行马歇尔试验及48h浸水马歇尔试验，对沥青混合料的水稳性进行验证，结果如表11。
表11 目标配合比浸水马歇尔试验结果
油石
比
(%)
理 论
密 度(g/cm3)
表干 密度(g/cm3)
空隙 率
(%)
饱和
度
(%)
矿料间隙率(%)
稳定
度
(KN)
流
值
(mm)
马歇尔 模数(KN/mm)
浸水
时间
(h)
4.4
2.566
2.452
4.5
70.8
15.2
14.18
2.84
5.00
0.5
4.4
2.566
2.482
3.3
76.8
14.1
14.29
2.81
5.24
48.0
残留稳定度为100.1％，符合规范规定不得小于75％的要求。这里说明，这种残留稳定度超过100％的现象对稳定度甚高的密级配沥青混凝土来说，是不奇怪的，说明水稳定性良好，稳定度大小是属于试验值波动问题。
由上述结果，得出目标配合比的矿料级配及最佳油石比为4.4％.规范规定此配合比仅供拌和机确定各冷料仓的供料比例，进料速度及试拌使用。
4第二阶段—生产配合比设计阶段
在目标配合比确定之后，应利用实际施工的拌和机进行施工配合比设计，本工程采用日本产日工NBD—120A—U型拌和机。在拌和锅正面设有取样窗，试验前，应首先根据级配类型选择振动筛号，使几个热料仓的材料不致相差太多，最大筛孔应保证使超粒径料排出，使最大粒径筛孔通过量符合设计范围要求。试验时，按目标配合比设计的冷料比例上料，烘料，筛分，然后取样筛分，与目标配合比设计一样用微机进行矿料级配计算。本工程采用的振动筛为32mm，20mm,10mm,4mm四级，筛分后在热料仓取样，首先试验其各项基本指标如表12，筛分的结果及计算得到的配合比如表13所示。其合成配合比的4.75mm,2.36mm,0.075mm,大体接近中值，均符合规范设计范围的要求。设计的矿料级配为：4号仓（20～32）：3号仓（10～20）：2号仓（4～10）：1号仓（0～4）：矿粉＝24：28：16：26：6
表12 施工热料仓材料试验结果
热 料 仓
4号仓
3号仓
2号仓
1号仓
备 注
粒径 (mm)
20~32
10~20
4~10
0~4
矿粉视密度为2.801
视密度 (g/cm3)
2.836
2.843
2.805
2.687
毛体积密度(g/cm3)
2.803
2.801
2.744

表观密度 (g/cm3)
2.815
2.816
2.766

表13 中面层热料仓筛分结果及配比
筛孔(mm)
料仓筛分结果与与配比(%)
设计级
配范围
(%)
中值(%)
合成级配
(目标配合比)
(%)
4号仓 3号仓 2号仓 1号仓 矿料
20~32 10~20 4~10 0~4
26.5
19.0
16.0
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
31.26
7.65 100
0.27 75.8
40.0 100
76.8 99.48
0.22 36.48 100
0.16 91.12
77.24
72.24
18.56
3.02 100
0.68 83.7
95~100
75~90
62~80
53~73
43~63
32~52
25~42
18~32
13~25
8~18
5~13
3~7
97.5
82.5
71.0
63.0
53.0
42.0
33.5
25.0
19.0
13.0
9.0
5.0
98.6
83.5
71.1
59.3
50.1
37.9
29.8
26.1
24.8
10.8
6.8
5.2

按此配合比进行马歇尔试验，其结果如表14。规范规定试验油石比可取目标配合比得出的最佳油石比及其±0.3％三档试验，本工程为慎重起见，仍采用与前相同的五档试验，将其结果绘成图（图略），由图得出的最佳油石比如下：
表14 生产配合比马歇尔试验结果
油石比(%)
理论密度(g/cm3)
理论密度(g/cm3)
空隙率(%)
饱和度(%)
矿料间隙率(%)
稳定度(KN)
流值(mm)
马歇尔模数(Kn/mm)
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
2.636
2.617
2.597
2.579
2.560
2.418
2.455
2.492
2.480
2.452
8.3
6.6
4.1
3.8
3.2
49.9
59.2
72.9
75.9
75.7
16.5
16.1
15.0
15.9
17.4
10.10
11.93
13.09
11.86
10.01
21.7
22.7
27.0
27.6
32.3
4.71
5.36
4.92
4.31
3.12
按最大密度，最大稳定度，空隙率中值确定的最佳油石比OAC1=4.63%;
按各项指标全部合格的范围的中值确定的最佳油石比OAC2=4.95%;
由此确定的最佳油石比OAC=4.8%;
相应的最佳沥青用量＝4.6％.
此结果与目标配合比设计结果相差0.4％，基本吻合。结合以往经验，商定采用平均值即油石比4.6％(沥青用量4.4％) 作生产配合比配的建议油石比供试拌试铺使用。该拌和机每一锅拌和能力为1600Kg,故各料仓的用量为：
4号仓（20～32）：1600kg×(1—4.4％)×24％＝367kg
3号仓（10～20）：1600kg×(1—4.4％)×28％＝428kg
2号仓（4～10）：1600kg×(1—4.4％)×16％＝245kg
1号仓（0～4）：1600kg×(1—4.4％)×26％＝398kg
矿料： 1600kg×(1—4.4％)×6％＝92kg
沥青：1600kg×4.4％＝70kg
可见四个料仓用量大体上是平衡的。
5 第三阶段——生产配合比验证阶段
此阶段即试拌试铺阶段。施工单位进行试拌试铺时，应报告监理部门及业主，工程指挥部会同设计，监理，施工人员一起进行鉴别。拌和机按照生产配合比结果进行试拌，首先由在场人员对混合料级配及油石比发表意见，如有不同意见，应适当调整再进行观察，力求意见一致。然后用此混合料在试验段上试铺，进一步观察摊铺，碾压过程合成型混合料的表面状况，判断混合料的级配及油石比，如不满意，也应适当调整，重新试拌试铺，直致满意为止。另一方面，实验室密切配合现场指挥在拌合厂或摊铺机旁采集沥青混合料试样，进行马歇尔试验，检验是否符合标准要求。同时还应进行车撤试验及浸水马歇尔试验，进行高温稳定性及水稳定性验证。只有所有指标全部合格，才能交付使用。在试铺试验段时，实验室还应在现场取样进行抽提试验，再次检验实际级配和油石比是否合格。同时按照规范规定的试验段铺筑要求，进行各种试验。
本工程以上述配比及4.5％油石比试拌试铺时，级配及油石比均认为符合经验认识，比较正常。第一次取样测定马歇尔指标为：
稳定度10.5KN，流值3.8mm,空隙率2.8％，沥青饱和度82.7％。
实验室认为此混合料指标基本合格，但流值稍偏大，空隙率达不到3％，于是进行抽提筛分，发现实际级配接近设计级配，但油石比达4.92％，系拌和机控制上偏大所致。第二天，再次取样试验结果为：
稳定度11.1KN，流值3.5mm,空隙率3.7％，沥青饱和度78.5％，实际油石比4.55％。
矿料级配及马歇尔指标均符合规范要求。随即决定取样成型试件进行车撤试验，指挥部为慎重起见，还要求提高试验温度及荷载压力进行试验，结果如表15，是合格的。
表15中面层混合料车撤试验结果
取 样 日 期
5月25日
6月4日
温度 (℃)
60
60
60
荷载 (MPa)
0.7
0.7
0.8
动稳定度(次/mm)
2300
1820
972
平 均
2060
972
浸水马歇尔试验的结果表明，残留稳定度达98％，也是合格的。
由此，可以认为生产配合比得到验证，是可行的，实验室据此编写了配合比设计报告及试拌试铺总结，经监理及业主批准下达施工单位的标准配合比如下：
（1） 料仓比例。
4号仓（20～32）：3号仓（10～20）：2号仓（4～10）：1号仓（0～4）：矿料＝24：28：16：26：6。
（2） 标准配合比如表16所列。
表16 中面层AC-25Ⅰ型沥青混合料标准配合比
筛 孔
(mm)
设计级配
范围(%)
中 值
(%)
标准配
合比(%)
施工检验容许
波动范围(%)
备 注
26.5
95~100
97.5
98.6
±7(91.6~100)
验收时必须符合在设计级配
范围内
19.0
75~90
82.5
83.5
±7(76.5~90.5)
16.0
62~80
71.0
71.1
±7(64.1~78.1)
13.2
53~73
63.0
59.3
±7(52.3~66.3)
9.5
43~63
53.0
50.1
±7(43.1~57.1)
4.75
32~52
42.0
37.9
±7(30.9~44.9)
2.36
25~42
33.5
29.8
±6(23.8~35.8)
1.18
18~32
25.0
26.1
±6(20.1~32.1)
0.6
13~25
19.0
24.8
±6(18.7~30.7)
0.3
8~18
13.0
10.8
±6(4.8~16.8)
0.15
5~13
9.0
6.8
±6(0.8~12.8)
0.074
3~7
5.0
5.2
±2(3.2~7.2)
（3） 设计油石比4.6％，相应的沥青用量4.4％，施工容许误差不得超过±0.3％。
在表16中，矿料级配设计范围与施工检验控制范围略有不同，这是因为标准配合比与设计范围中值略有不同使致。根据规范规定，交工验收时，可以采用施工过程中的测定值。（即平均值），或进行实际检测，平均值或实测值都必须符合设计级配范围要求。
在基础上，监理下达了开工令，进入正常生产。