最佳沥青含量计算

沥青混合料最佳沥青用量确定方法研究曹先扬1胡钊芳1邵腊庚2（1江西省公路管理局南昌330006）（2长沙理工大学公路工程学院长沙410076）摘要：对25种沥青混合料，采用5种方法确定最佳沥青用量，试验数据统计表明：我国现行OAC方法和美国Superpave方法确定的沥青用量对应的体积指标均满足工程要求。两种方法确定的沥青用量差值平均仅为0.0368%，说明我国现行规范规定的沥青混合料最佳沥青用量确定方法是适合的。关键词：道路工程；沥青混合料；沥青用量；方法0前言沥青混合料中沥青的用量对沥青混合料的使用性能有重要的影响。沥青用量太大易导致泛油和车辙，沥青用量太小易出现耐久性问题，如水破坏、沥青老化等。因此，寻找一种合理的沥青用量确定方法，使得所确定的沥青用量适中就显得尤为关键。为了寻找一种合理的最佳沥青用量确定方法，结合交通部《沥青路面施工技术规范》修订工作，参照目前国内外有代表性的五种最佳沥青用量确定方法进行比较。五种最佳沥青用量确定方法如下：我国现行规范的方法：采用OAC1与OAC2的平均值，称为OAC；日本的方法（我国以前规范的方法）：采用各项马歇尔试验指标都符合规范要求的沥青用量范围的中值（相当于现在的OAC2）作为OAC（统一暂称为OAC2）；美国MS-2原来的方法：求取密度及稳定度最大值及空隙率中值（相当于4%）相对应的3个沥青用量的平均值（相当于我国规范的OAC1）作为OAC（统一暂称为OAC1）；MS-21995年版的方法：按空隙率4%确定沥青用量，由此沥青用量检验各项指标是否符合要求，如不符合要求，则采用各项马歇尔试验指标都符合规范要求的沥青用量范围的中值（相当于现在的OAC2）作为OAC（统一暂称为OAC4）；美国Superpave方法：由空隙率4%确定最佳沥青用量（统一暂称为OACsQ⑴；本文主要是引用大量数据对这五种方案进行比较论证，以确定哪种方案较为合理，为了比较的方便，第④种方法不单独比较。1试验数据及统计分析选取近年来7条新建或改建的高等级公路（河南商丘一开封高速公路、京珠段耒阳一宜章高速公路等沥青面层混合料室内马歇尔试验数据。对每次配合比分别采用OAC1、OAC2、OAC、OACsup四种方法确定沥青用量（各指标要求见表1），并计算各种方法所得沥青用量对应的混合料空隙率、沥青饱和度值，结果见表2。指标要求指标空隙率（%）指标要求指标空隙率（%）饱和度（%）稳定度（KN）流值(0.1mm)要求3—565—75>7.520—40表1现行规范要求空隙率3%〜6%，实际上若设计空隙率为6%的话，假设现场压实度达到97%，那么现场空隙率将达到9%（有研究证明，空隙率小于8%路面不渗水，而大于8%的话路面将会出现大量渗水），再考虑施工中出现的沥青混合料摊铺的不均匀性，局部地方空隙率会更大，空隙率过大，极易出现耐久性问题，如水破坏、沥青老化、疲劳破坏等等，所以规范空隙率要求值应降低，空隙率在3%〜5%范围内是合适的。

规范要求饱和度70%〜85%,这是针对80〜90年代交通量较小提出的要求，随着近年来交通量的日益增大，且重载、超载、超限已非常普遍，为避免沥青用量过多而产生泛油和车辙，有必要降低沥青饱和度的取值，参考国外情况（如SHRP规定沥青饱和度范围65%〜75%）并结合近几年修建高速公路的实际经验，将沥青饱和度规定为65%〜75%是合适的。 各种方法所彳得沥青用量及其对应的空障率、饱和度值比较 表2序号级配类型 CAL CAL CAL CAL 推荐用量%OACC%)1521V«)VFA(%)OAC(%)522V(%a)VFA(%)OAC(%)52VVFA(%)5OAC(%)upsupVFA(%)1cAp1Pzl Q ——Q /I ——Q zl Q —Q—zlzl—7QQ—zl/I1 Q sAC16LAL1O4.53.873.2□口c4.53.8/I/IC73.2——a_□ 4.5 匚4-U 3.8/i173.2r匚a4.45 U—U 72.2—74.4A2—3—SAC13SAC-13 5.7/IO3.6/IQii.873.2— 5.2/|74.4872.37175.45/|7R4.1/|/|R75.070R5.5/IQ75.5745.0R0/|Arort4.8an4.3O771o4.7oQ4.6/|n71.7CQO4.75O4.453.8572.54.9—3.9—74.8CQO5.0an4 匚 AC251ALMT——4.00a匚3.74c71.3 an._d 3.94n4.069.3pQQ3.95Q4Ci70.3pQC—ng—69.3pQC4.04A5aAC25IAr'OAT3.85oc4.20口67.7nc\q4.003.9oa69.9A3.9o004.0——169.2nc\口3.95O口69.2 a口_d 4.00c67AC30IACqc)T3.83.85—3.7Q70.23.85Q73.6—3.3—71.071Q3.83Q773.65Q1R70.77QR3.7Q/|R67.73.8—3.8—7——Q——AC30IAT/1CA/Ic2.9AC75.371n3.7/ICAC71.971n3.77/IC3.15AC73.571n3.45/I766.4—7Q.7—/Ic8QAK16A104.64.50(2i1.0 un__d 4.6zlo4.5zl/I71.0——7QQ 4.6zlc4.5zln71.0I14.75zlc73.7I14.6q191AAK13AC5.04cr3.6Q77.4 "■G 4.844■4.44c72.9F14.90",Q 4.0QQ75.1^044.944匚75.1 ZLL1_J 5.10 1011AC20IArort4.65AO3.5—3.3—75.9nna4.44.2AO71.1CQft4.52A3.85o7173.47414.45AA72.17174.75A7111OAC25IAr1cr4.877.44.34.3A169.6——79Q——4.55cic3.71——X-Q——74.1n/\04.471.7—722—4.75c112AC16GALNT—— U.t_)AC 3.7o75.6——Q 5.0/1/14.1/i172.8口c\05.15/ir?«j.<j——Q 74.2■"70A5.0573.3 Q 5.1113AC25I"1AT4.8S1S3.575.282.3—4.4/1s4.1/I170.371ft4.6—4.823.75Q/I73.04.45/|ss71.275.1/I7111R1LU1u±Ar1atU.1UU107/I1.U1.1.70ft51qaiU.u1.uuR0iV7^7/|7151(2AC16IAr1(2t5.5C11.8AC87.4——79 4.7C14.4AC70.6——79 5.1c13.6AC76.5—79 —5.0 R73.74.7C1161AC16IAr1pt5.14.5zl/I72.5——7Q7 5.1 4_ 4.5zl(272.5"n5.1zino4.5zl72.5 _Q U.Li。q175.6r，\c\5.1zlc171AC16IAC1QT5.04.4OR72.783.3—4.854.6/IR71.07104.924.5Q/I71.87775.174.974R4.9181QAC13IAr1ni5.55——RM——2.5AOC——79Q——5.0CO4.5AC71.270n5.3——99——3.4AAO77.7—79 —5.15CA74.57k15.3CA19AC10LArOATU.Li<JA74.35A1c72.8——797——5.2A12侦4.5Aco72.0nc\a5.22/in4.43AOC72.371c5.4A075.1—7Q.Q—5.4A020c1AC20LAv1OA4.75 U-Q 4.15QQ72.74.654Q4.53470.4n-\n4.7 EM 4.354171.5 _Q 4.8173.8H4Q4.812122AK13AAC T5.23.8Q176.07Qn4.94.5/I971.971Q5.05—4.824.1Q774.25.1/I774.873.35.1/|ft23AC-25IATZ1Q5.05—5.3—3.1/IQ79.07414.64.2/|ft71.870/I—5.253.7/|/|75.273.34.7R44.6OAAK13ArOAT/Ic4.374.15.2AOC4.6A172.4/IAO4.4—722—5.4AO75.8n-\05.2AO24―OU 25AC20JAC20J24.64.6~ 3.2 2.516.680.2—4.254.2—4.1―3^—70.5―71.2—4.424.4~~————3.713.05173.376.114.3 4^—71.3168.814.34.2—注：1推荐用量指的是当时实际选取的沥青用量;2AC-10L、AC-20L、AC-20J、AC-20J、AC-16G均为当时根据实际情况所采用的级配，和规范级配有所不同。为比较不同方法所得沥青用量之间的差别，将各配合比OAR、OAC2、OAC、OACsup两两相减，结果见表3。各配合比不同方法所得沥青用 ，表3 项目OAC-OACOAC—OACOAC—OACOAC—OAC (1%)2——(%) sup—(%) sup——(%) supSAC-16 0—— 0.05—―0.05—―0.05——Q-2SAC13 0.5— 0.2— 0.3———0.05-3-SAC-13 0r4— 0.4— 0.2———0.15-4AC-251 0.4— 0.4—— 0 ―0.05—-5-AC251 0.15 0r4—―0.05— 0 -6-AC301 0.05 0r4——―0.45—―0.43—AC-301 0.15 0r4—―0.25—―0.32—-8-AK-16A 0—— 0.15——0.15——0.15-9-―AK-13 0.2— 0.4—— 0.4— 0 *AC201 0.25 0.2———0.05—0.07—-41AC-251 0.5— 0r4— 0.4—―0.45—-42AC-16G 0.3— 0.25———0.05——0.4—-43AC251 0.4— 0.35———0.05―0.45—-44AC161 0.65 0.6———0.05―0.27—-45AC-161 0.8— 0.5— 0.3———0.4—-46AC-161 0—— 0.15——0.15——0.15-47AC-161 0.15 0r4———0.25——0.18-48AC131 0.55 0.4———0.15—0.45—-49AC-10L 0.05_ 0.45_ 0.2———0.18-20AC-20L 0.4— 0.05——0.15 0.4—-21AK13A 0.3— 0r4—— 0.2———0.0522AC251 0.45 0.35— 0.4—―0.42—-23—AK-13 0r4— 0.4— 0.2———0.15-24AC-20J 0.35 0.3———0.05―0.42—L&5为求OACAC-20J21-1——0^—■J——0.5———0.4————0.3~~对表3进行数据整理，1与OAC2的平均差值（其'匕OAC.OAC、OAC?—OAC、OAC—OAC亦类似)，综合各配比OAC1与OAC2的差值，若所有配比OAC1与OAC2差值数据服从正态分布的话，则可取期望以作为OAR与OAC与OAC2的平均差值。问题相当于要检验H:&〜N（目q2），其中，先求正态分布未知参数H、。的极大似然估计，参数H、。都未知。由数理统计学知识可知H、。的极大似然估计分别是样本均值X二样本标准差S，所以有K=X=0.248，S=S=0.24作分点一8V—0.2V0V0.2V0.4V0.6V0.8V+8，把&的取值分成7个区间。总体&落在各个区间（七，气）中的概率估计值pk，可由下式求出：

p=p{a<g<a}=p{<a}-pkVa}=中「"匚"]-①]七宜-口kJk k k-i Icy I^1d(aa)(—8,-0.2)(-0.2,0) k (0,0.2)(0.2,0.4)(0.4,0.6)(0.6,0.8)(0.8,+8]nk0586420—Pk—0.03070.12080.26920.3150.19350.06010.0107数据代入，可得计算结果如下:表4八 ....p计算结果X21▽n2 =入=—^—r-nnk=iPk+,02 52 —82— -6^ 42 22 —02—( )25250.0307 0.1208 0.2692 0.315 0.1935 0.0601 0.0107=3.3290对a=0.05，自由度r—m—1=4，查x2分布表，可得X:决‘—m—1）=9.488，由于X2=3.329<9.488,因此接受H0：&~N（日q2），可以认为这些数据服从正态分布。所以可取各配比OAC1与OAC2差值的均值作为OAC1与OAC2的平均差值。检验得&服从正态分布后，还可计算期望H的水平为95%的置信区间。样本容量n=25,样本均值X=0.248，修正样本标准差s*=0.24。对1—a=0.95，a=0.05，a/2=0.025，1-a/2=0.975，自由度n—1=24，查t分部表可得t （n—1）=2.0639。1a/2t兰=2.0639X°24=0.099，1a/2<n 、.25T=X—t 笔=0.248—0.099=0.149,1 1a/2\：nT=X+t毛=0.248+0.099=0.347。则R的水平为95%的置信区间为［0.149,0.347］。对其它OAR—OACsup、OAC2-OACsup、OAC-OAC^也一样，各配比差值数据均服从正态分布，不再——赘述。表3中不同方法所得沥青用量差值对各配比情况取均值，结果见表5。S 表5 CACCACCAC—OAOjin均值（％）——028- 016 0088 OiicOziCtip 00368 从表5中结果可看出，OAC1方法求得的沥青用量最大，较OAC2方法沥青用量一般要高出0.25%,较OAC^方法沥青用量要高出0.16%,OAC方法与OACsup方法沥青用量相差不大，OAC2方法求得的沥青用量最小。出现上述情况可能是由于以下原因： S" 2OAR方法求设计沥青用量时，空隙率指标要求（3〜5%）较规范要求（3~6%）减小了，空隙率中值也减小，空隙率中值对应的沥青用量偏大，因此，OAC1方法求得的沥青用量偏大了。OAC2方法求设计沥青用量时，饱和度指标要求（65〜75%）较规范要求（70〜85%）减小了，这就使得OAC^值减小，以致OACmax与OACmin的均值（即OAC2）也减小。各配合比不同方法所得沥青用量对应的空隙率、沥青饱和度值见表2。不同方法时所得沥青用量对应的空隙率、沥青饱和度值（对所有配合比求均值）见表6。不同方法时所得沥青用量对应的空隙率和沥青—r \空隙尹(%)L.、/仕M以青饱，+W古心度％）L.、/仕M均值标准差均值标准差―OAC^3.58―0.72 75.63 442—OACJ~OA^ 4.22 391~―0.35 0.42 71.36 7344~ 104— 208~饱和度值 表6 OAC'4.0~1 172.64~12.64-观察表2中数据，OAC1方法得到的沥青用量对应的沥青饱和度明显偏大，25个配合比有14个配合比的沥青饱和度值大于75%，占56%，再从表6知其均值为75.63%，已超过饱和度上限75%；空隙率值明显偏小，其中有5个配合比空隙率小于3%oOAC1方法得到的沥青用量偏大，若以OAC］方法确定最佳沥青用量，沥青路面将易出现泛油及高温车辙。oac2方法求得的沥青用量，因其是马歇尔试验各项指标都符合规范要求的沥青用量范围的中值，所以空隙率和饱和度值总是满足规范的要求的，但由表6可知其空隙率均值（4.22%）较空隙率中值4%略大。OAC方法（取OAC】与OAC2的均值）得到的沥青用量对应的空隙率值较好，从表2中可看到，空隙率都在规定的范围内（3%〜5%），沥青饱和度也基本上在规范规定的范围内，只有少数略大于75%；再从表4知空隙率均值为3.9%，适中，沥青饱和度均值为73.4%，沥青饱和度值也满足要求。OACs叩（4%空隙率对应的沥青用量）方法得到的沥青用量对应的沥青饱和度值几乎全部满足要求，从表6可知沥青饱和度均值为72.6%，合适。2结论OAC1方法求得的沥青用量偏大，OAC2方法求得的沥青用量偏小，不能作为最佳沥青用量确定方法。我国现行规范采用OAC1与OAC2取均值的方法确定的最佳沥青用量与美国Superpave按空隙率4%确定的沥青用量相差仅为0.0368%，且两种方法确定的沥青用量对应的体积指标均满足工程要求，说明我国现行规定的OAC方法是适合的。至于对确定的OAC考虑不同的荷载和气候条件如何进行适当调整还有待进一步探讨。参考文献：SuperpaveMixDesign,SuperpaveSeriesNo.2(SP-2),TheAsphaltInstitute,Lexington,Kentucky,1996。中华人民共和国交通部.公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTJ013-95)[S].北京:人民交通出版社,2000.沥青混合料最佳沥青用量计算新论周立军【无锡市高速公路建设指挥部无锡214031】摘要：在沪宁高速公路无锡段沥青面层施工中，发现按新规范得出的沥青用量范围较窄，很难正确设定最佳沥青用量。为此，作者从试件实际密度的测试方法、理论密度的计算、空隙率的计算入手：（1）采用矿料表干相对密度直接计算矿料的单位体积得出矿料间隙率；（2）采用矿料的表观相对密度和表干相对密度的均值计算理论密度；⑶沥青体积百分率由矿料间隙率减去试件的空隙率直接获得。通过以上有别于规范的计算方法，得出的沥青用量范围较宽，能较好地结合道路等级和所处的地理位置确定最佳沥青用量。关键词：最佳沥青用量随着交通部“公路沥青路面施工技术规范”和“公路工程沥青混合料试验规范”新规范的颁布，沥青混合料目标配合比的设计逐步走向规范化，但在具体设计过程中，发现沥青用量的范围普遍偏窄，并且偏低，影响了最佳沥青用量的确定。在这里，结合沪宁高速公路无锡段沥青面层的最佳沥青用量的计算和各位同行、专家作一个探讨。1规范的规定确定最佳沥青用量(OAC)的实际密度(ps)、空隙率(VV)、饱和度(VFA)、稳定度(MS)、流值(FL)五个指标中，对OAC影响最大的是VV和VFA两个指标。按新规范的规定：(1)试件的理论密度采用矿料的表观相对密度计算，只有当粗集料的吸水率〉1.5%时，才采用表观相对密度与表十相对密度的平均值；(2)试件的密度测定，当吸水率＞2%时，采用蜡封法；吸水率＜2%，采用水中法和表干法；(3)沥青的体积百分率(VA)采用下式计算：100XX疤(100+ x式中：pa 油石比，%；ps 试件的视密度，g/cm3；Yb——沥青的相对密度，25/25°C；pw 常温水的密度。试件的矿料间隙率(VMA)由沥青体积百分率(VA)和空隙率(VV)相加而成。2发现的问题在沪宁高速公路无锡段沥青面层试验段施工中，发现按此法得出的沥青用量范围(OACmin〜OACmax)的很窄，很难正确地设定最佳沥青用量，勉强确定的最佳沥青用量路用性能也不够理想。为此，我们进行了反复地研究和试验论证，发现造成这种情况的主要因素在于：试件的实际密度的测试方法；理论密度的计算；空隙率的计算。3解决的步骤为了精确地计算最佳沥青用量OAC，我们采取以下做法：马歇尔试件密度的测试以浸水有无气泡为准，一旦出现气泡，就采用蜡封法，不以吸水率2%为界。矿料的间隙率(VMA)采用下式计算：矿一，如料，期W+优'+E+*+……+玄式中：G料 矿料的单位重，g/cm3；ps 试件实测密度，g/cm3；Ps 油石比，%；——矿料的单位体积，即单位重时的体积；料文马=100P1……Pn——各矿料占总矿料重的百分比，％(矿料总和为1 )；’1Y’n 各矿料表十相对密度，g/cm3。试件的理论密度(pt)采用下式计算：100肖巧 盖催式中：Y——沥青相对密度，25/25°C；P——油石比，%；Ya……Y——各种矿料的表十相对密度和表观相对密度的均值，g/cm3。试件的空隙率(VV)n采用下式计算：VV=(1-ps/pt)X100沥青体积百分率(VA)采用下式计算：VA=VMA-VV饱和度(VFA)采用下式计算：VFA二VA/VMAX100采用以上的方法计算：(1)较好地避免了由于试件表面开口空隙对试件实际密度的测试造成的误差；(2)采用矿料表干相对密度直接计算矿料的单位体积，能实际地反映矿料间隙率的大小；(3)由于无法准确测出沥青渗入矿料表面开口空隙的量，因此采用矿料的表观相对密度和表十相对密度均值计算理论密度较为精确。4实际的运用

以沪宁高速公路无锡段沥青上面层AC-16B型为例。4.1级配表1矿料规格(mm)产地191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075筛分(%)119-16江苏、六合10072.345.55.30.4216-4.5江苏、六合10010099.380.36.90.4黄砂安徽芜湖10010010098.696.287.367.454.411.33.20.334.5-2.5江苏、六合10010010010097.463.05.83.92.72.21.542.5以下江苏、六合10010010010010096.158.238.423.117.49.1矿粉无锡红星石粉厂10010010010010010010010010099.397.5级配组成(%)135%3525.315.90.1228%2827.822.51.90.1黄砂7%7776.96.76.14.83.80.80.20.02310%101010109.76.30.60.40.30.20.2415%151515151514.48.75.83.52.61.455%5555555555.04.9混合料级配10090.380.761.338.431.919.1159.686.5设计的混合料级配1009010070-9050-7030-5022-3716-2812-238-166-134-84.2集料、填充料试验汇总表2

指标名称石料压碎值(%)表干相对密度(g/cm3)表观相对密度(g/cm3)对沥青粘附性(级)细长扁平颗粒含量(%)0.075mm以下含量(%)产地1号料19-16mm13.12.8682.912411.10江苏、六合2号料16-4.5mm13.12.8622.924410.90江苏、六合黄1砂2.5722.6082.9安徽芜湖3号料4.5-2.5mm2.8442.9071.5江苏、六合4号料2.5mm以下2.920江苏、六合矿粉2.674江苏、六合规范要求粗集料<2.8>2.5<2>4<15<1细集料<34.34.