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沥青混凝土配合比设计过程

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2020年4月19日
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热拌沥青混合料配合比设计方法
1．矿质混合料组成设计
（1）根据道路等级、路面结构层位及结构层厚度等方面要求，按照上述方法，选择适用的沥青混合料类型，并按照表8－22和表8－23（现行规范）或8－24和表8－25（新规范稿）的内容确定相应矿料级配范围，经技术经济论证后确定。
（2）矿质混合料配合比计算
1）组成材料的原始数据测定
按照规定方法对实际工程使用的材料进行取样，测试粗集料、细集料及矿粉的密度，并进行筛分试验，测定各种规格集料的粒径组成
2）确定各档集料的用量比例
根据各档集料的筛分结果，采用计算法或图解法，确定各规格集料的用量比例，求得矿质混合料的合成级配。矿质混合料的合成级配曲线必须符合设计级配范围的要求，不得有过多的犬牙交错。当经过重复调整仍有两个以上的筛孔超出设计级配范围时，必须对原材料进行调整或更换原材料重新设计。
一般情况下，合成级配曲线宜尽量接近设计级配中限，特别应使0.075mm、2.36mm、4.75mm等筛孔的经过量尽量接近设计级配范围的中限。对于交通量大、轴载重的道路，合成级配能够考虑偏向级配范围的下限，而对于中小交通量或人行道路等，合成级配宜偏向级配范围的上限。
2．沥青混合料马歇尔试验
沥青混合料马歇尔试验的主要目的是确定最佳沥青用量（以OAC表示）。沥青用量能够经过各种理论公式计算得到，但由于实际材料性质的差异，计算得到的最佳沥青用量，依然要经过试验进行修正，因此采用马歇尔试验是沥青混合料配合比设计的基本方法。
（1）制备试样
1）马歇尔试件制备过程是针对选定混合料类型，根据经验确定沥青大致用量或依据表4－10推荐的沥青用量范围，在该用量范围内制备一批沥青用量不同、且沥青用量等差变化的若干组（一般为五组）马歇尔试件，并要求每组试件数量不少于4个。
2）按已确定的矿质混合料级配类型，计算某个沥青用量条件下一个马歇尔试件或一组试件中各种规格集料的用量（实践中大多是一个标准马歇尔试件矿料总量1200g左右）。
3）确定一个或一组马歇尔试件的沥青用量（一般采用油石比），按要求将沥青和矿料拌制成沥青混合料，并按上节表8－7（现行规范要求）或表8－9（新规范要求）规定的击实次数和操作方法成型马歇尔试件。
（2）测定试件的物理力学指标
首先，测定沥青混合料试件的密度，并计算试件的理论最大密度、空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率等参数。在测试沥青混合料密度时，应根据沥青混合料类型及密实程度选择测试方法。在工程中，吸水率小于0.5%的密实型沥青混合料试件应采用水中重法测定；较密实的沥青混合料试件应采用表干法测定；吸水率大于2%的沥青混合料、沥青碎石混合料等不能用表干法测定的试件应采用蜡封法测定；空隙率较大的沥青碎石混合料、开级配沥青混合料试件可采用体积法测定。
随后，在马歇尔试验仪上，按照标准方法测定沥青混合料试件的马歇尔稳定度和流值。
3．最佳沥青用量的确定
以沥青用量（一般采用油石比表示）为横坐标，以沥青混合料试件的密度、空隙率、沥青饱和度、马歇尔稳定度和流值指标为纵坐标，将试验结果绘制成关系曲线如图8－6。
（1）确定最佳沥青用量的初始值OAC1
根据图8－6，取马歇尔稳定度和密度最大值相对应的沥青用量a1和a2，以及与设计要求空隙率范围中值对应的沥青用量a3（见图8－6中的a、b、c），由公式（4－1）计算三者的平均值作为最佳沥青用量的初始值 OAC1 。

（2）确定沥青最佳用量的中值OAC2
由表8－7或表8－9（新规范）的内容确定沥青混合料的马歇尔试验技术标准，在图8－6上求出各项指标均符合技术标准的沥青用量范围OACmn~ OACmax(见图8－6中的a、c、d、e)，由公式（8－29）计算沥青最佳用量的中值OAC2。

在图8—6中，首先检查在沥青用量为初始值OAC1时，沥青混合料的各项指标是否满足设计要求，同时检验VMA是否符合要求。当符合要求时，由OAC1及OAC2综合决定最佳沥青用量OAC。否则应调整级配，重新进行马歇尔试验配合比设计，直至各项指标均能符合要求为止。
（3）根据OAC1和OAC2综合确定最佳沥青用量OAC
最佳沥青用量OAC的选择应经过对沥青路面的类型、工程实践经验、道路等级、交通特性、气候条件等诸多因素的综合考虑分析后，加以确定。
一般情况下，当OAC1及OAC2的结果接近时，可取二者的平均值作为最佳沥青用量OAC。
当 OAC和OAC2结果有一定差距时，不能采用平均的方法确定最终的OAC，而是分别经过随后的水稳性试验和高温稳定性试验，综合考察后决定。

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，预计有可能出现较大车辙时，能够在中限值OAC2与下限值OACmin的范围内决定最佳沥青用量，但一般不宜小于OAC2的0.5%。

对寒区道路、旅游区道路，最佳沥青用量能够在中限值 OAC2 与上限值OACmax范围内决定，但一般不宜大于OAC2的0.3%。
4．沥青混合料的性能检验
经过马歇尔试验和结果分析，得到的最佳沥青用量OAC（必要时应包括OAC1和OAC2），还需要进一步的试验检验，以验证沥青混合料的关键性能是否满足路用技术要求。
（1）沥青混合料的水稳定性检验
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冻融劈裂试验，检验试件的残留稳定度或冻融劈裂强度比是否满足要求（见本章第三节表8－13）。
（2）沥青混合料的高温稳定性检验
再按最佳沥青用量OAC制作车辙试验试件，采用规定的方法进行车辙试验，检验设计沥青混合料的高温抗车辙能力，是否达到规定的动稳定度指标（见本章第三节表8－11）。当其动稳定度不符合要求时，应对矿料级配或沥青用量进行调整，重新进行配合比设计。
如果试验中除了OAC以外，如果还要对OAC1和OAC2同时进行相应的试验检测，则要经过试验结果综合判断在何种沥青用量条件下，沥青混合料具有更好的性能表现，或能更好的满足特定路用需求，以此决定最终的最佳沥青用量。
六、热拌沥青混合料配合比设计算例
现以某高速公路为例，详细介绍沥青路面中面层用沥青混合料配合比设计操作过程。
1．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，材料选择和原材料试验都是不可缺少的步骤，只有所有指标都符合规范要求的材料才允许使用。
（1）沥青
根据气候分区，本工程地处于半干区的2－2区，按规范选择沥青标号为90号。进口沥青到货后按试验规程要求取样，并委托质检部门进行质量检测试验，质量应符合中国重交通道路石油沥青技术要求，其主要技术指标如表8－26。表中工程招标合同对规范规定的要求作了一些调整，只要不降低规范要求，是允许的。

   (A级)沥青质量检测结果 表8－26
项 目
单位
技术要求（90号）
试验结果
试验方法
规范规定
招标合同要求
针入度(25℃,100g,5s)
0.1mm
80～100
80～100
83
JTJ T0604
延度(5cm/min)
15℃
cm
≥100
＞150
＞150
JTJ T0605
10℃
cm
≥30
＞30
＞150
JTJ T0605
软化点Tr＆B
℃
≥44
44～52
44.7
JTJ T0606
溶解度(三氯乙稀)
%
≥99.5
＞99.0
99.6
JTJ T0607
闪点(COC)
℃
≥245
＞245
342
JTJ T0611
密度(15℃)
g/cm3
实测
实测
1.033
JTJ T0603
蜡含量
%
≤2.2
＜2
0.64
JTJ T0615
粘度
60℃
Pa·s
140
实测
150
JTJ T0602
135℃
mm2/s
实测
实测
323.3
JTJ T0619
TFOT
后
质量损失
%
≤±0.8
＜0.5
+0.11
JTJ T0609
针入度比
%
≥57
＞70
79.5
JTJ T0604
延度
25℃
cm
＞75
＞100
＞150
JTJ T0605
15℃
cm
≥20
＞80
＞150
JTJ T0605
10℃
cm
8
＞10
22
JTJ T0605

结果显示，工程选用沥青各项指标均符合相关技术要求，满足招标合同的需要，可用于工程项目。
（2）矿料
1）粗集料
采用某采石场的石灰石，各种材料筛分结果如表8－27所列。在采石场采集的样品，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）。另外10～20mm碎石和规范S9规格相比，5～10mm与S12规格相比，在个别粒径上都有一些出入，但不妨碍使用，而3～5mm石屑符合S14规格要求。按规范对碎石质量的检测结果列于表8－28中，从表中可见，有些指标必须对不同粒径的碎石分别试验，各项指标均符合规范要求，能够使用。
    各种粗集料的筛分结果 表8－27
材 料经过下列筛孔（mm）百分率（%）

31.5
26.5
19
16
13.2
9.5
4.75
2.36
0.6
10～30mm
100
78.1
30.7
9.4
0

(S7碎石规范要求)
90～100

0～15
0～5

(S6碎石规范要求)
90～100
—
—
—
0～15
—
0～5

10～20mm

100
96.5
75.8
26.4
0

(S9碎石规范要求)

100
95～100
—
—
0～15
0～5

5～10mm

100
99.2
99.2
4.9

(S12碎石规范要求)

100
95～100
0～10
0～5

3～5mm

100
74.8
8.3
0
(S14碎石规范要求)

100
90～100
0～15
0～5
各种粗集料的质量规格 表8－28
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
%
≤25
15.0
洛杉矶磨耗值
%
≤28
19.2
磨光值
%
中面层不需要
—
视密度
g/cm3
＞2.50
2.8181
2.8364
2.8275
表干密度
g/cm3

2.8018
2.7970
2.7873
吸水率
%
＜2.0
0.85
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
坚硬性
%
＜12
石质良好，经判断能够不做
2）细集料
采用某地河砂，细度模数3.02，属中砂偏粗，缺少0.3mm以下部分，不妨碍使用。砂的质量及筛分结果如表8－29和表8－30所列。符合规范要求，能够使用。
  砂的质量指标 表8－29
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.
3.02
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，经判断能够不做
  砂的筛分结果 表8－30
材 料
经过下列筛孔（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
63.9
38.9
10.4
1.1
0.15
规范要求（中砂）
100
90～100
75～90
50～90
30～60
8～30
0～10
0～5
3）填料
石灰石矿料的质量及规格如表8－31所列，符合规范要求，能够使用。
  石粉质量指标 表8－31
指 标
单位
规范要求
石灰石
石灰石石粉
筛 孔
单位
规范要求
经过百分率
岩石品种及产地
0.6mm
%
100
100
表观密度
g/cm3
＞2.50
2.014
0.3,,
%
—
98.3
亲水系数

＜1
＜1.0
0.15mm
%
90～100
93.3
含水率
%
＜1
0.15
0.075mm
%
75～100
82.5
2．第一阶段——目标配合比设计阶段
根据设计，该工程沥青面层采用AC－25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。
（1）矿料级配计算
级配设计可采用砂石材料一章中的试算法或图解法进行操作，同时也可利用计算机以人机对话的方式进行，非常方便。计算时应充分考虑便于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，并尽量接近要求范围的中值。对上述材料重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=24:33:13:23:7。
合成级配如表8－32，均符合规范要求。
  中层目标配合比设计结果 表8－32
筛孔（mm）
规范要求级配范围（%）
中值（%）
合成级配（%）
26.5
90～100
95.0
94.7
19.0
75～90
82.5
83.4
16.0
65～83
740
77.1
13.2
56～76
66.0
68.0
9.5
46～65
55.5
51.7
4.75
24～52
38.0
38.1
2.36
16～42
29.0
27.9
1.18
12～33
22.5
21.7
0.6
8～24
16.0
15.9
0.3
5～17
11.0
9.3
0.15
4～13
8.5
6.8
0.075
3～7
5.0
5.8
（2）马歇尔试验
按此配比根据经验选定油石比在3.5%～5.5%范围，以0.5%间隔，成型制作不同油石比的马歇尔试件，并分别进行马歇尔试验。试验结果如表8－33、表8－34所示。
中层目标配合比马歇尔试验结果 表8－33
油石比
（%）
理论密度
（g/cm3）
表干密度
（g/cm3）
密隙率
（%）
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
2.556
2.483
3.2
77.1
14.1
13.90
2.35
5.99
5.0
2.548
2.495
2.1
35.4
14.2
12.00
2.42
4.92
5.5
2.530
2.491
1.5
89.6
14.8
8.99
2.55
3.59
不同测定方法计算出的马歇尔指标 表8－34
油石比
（%）
水中重法
表干法①
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
①以表干法测得的空隙率和饱和度作为分析数据。
根据沥青油石比对沥青混合料不同指标进行绘图（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% ；
相应的最佳沥青用量OAC=4.2%。
当马歇尔试验指标达不到时，表8－35提供的途径可供调整时参考。表中“+”号表示指标随影响因素的增加而增加；“－”表示指标随影响因素的增加而减小。“/”则表示指标与影响因素无关。
  马歇尔指标与影响因素的关系 表8－35
因 素
集料最大
粒 径
富棱角
集料用量
细砂量
石粉用量
沥青针入度
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）高温稳定性检验
按规范规定，对于高速公路沥青路面上面层及中面层的沥青混凝土混合料进行配合比设计时，应经过车辙试验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。试验结果表明，该配合比的动稳定度为3150次/mm。符合规范2－2区应不小于800次/mm的规定要求。
（4）水稳定性检验
按照最佳油石比4.4%重新制作试件，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定性进行验证，结果如表8－36所列。
  目标配合比浸水马歇尔试验结果 表8－36
油石比
（%）
理论密度
（g/cm3）
表干密度
（g/cm3）
密隙率
（%）
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
2.456
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%，符合规范规定半干区不得小于75%的要求。需要说明的是，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。