沥青混合料配合比设计

沥青混合料配合比设计第1页，共45页，2023年，2月20日，星期一内容1、级配设计理论2、沥青路面功能与层位力学分工3、沥青面层技术性能4、沥青混合料及其组成材料技术性能要求5、沥青混合料配合比设计方法6、AC-16型沥青混合料组成设计7、AC-20型沥青混合料组成设计

8、AC-25型沥青混合料组成设计9、ATB-30型沥青混合料组成设计10、配合比设计中的若干问题的探讨第2页，共45页，2023年，2月20日，星期一第一节级配设计理论

一、混合料组成结构沥青混合料是一种具有空间网络结构的多相分散体系，它有三种典型结构，如图1-1所示。（a）悬浮密实结构；（b）骨架空隙结构；（c）骨架密实结构图1-1三种典型沥青混合料结构组成示意图第3页，共45页，2023年，2月20日，星期一二、矿料级配理论由各种粒径大小不等的集料按照一定的比例搭配起来，使其具有较高的密实度或较大的摩阻力，且具有一定的空隙率，这种矿料组合称为矿料级配。矿料级配基本上分为连续级配和间断级配两大类，如图1-2所示。图1-2连续级配与间断级配曲线第4页，共45页，2023年，2月20日，星期一

级配理论主要有两种：最大密度曲线理论和粒子干涉理论。

1．最大密度曲线理论该理论认为固体颗粒按颗粒大小有规律的组合排列可以得到密度最大、空隙率最小的混合料。矿料的颗粒级配曲线越接近抛物线，则密度越大。最大密度曲线可用颗粒粒径d与通过率P的关系来表示：P=100(d/D)0.5

（1-1）式中：D——矿料最大粒径。在实际运用中应该允许级配曲线在一定范围内波动，所以推荐采用n次幂的通式表达：P=100(d/D)n

（1-2）第5页，共45页，2023年，2月20日，星期一2．粒子干涉理论粒子干涉理论认为为达到最大密度，前一级颗粒之间的空隙应由次一级的颗粒所填充，其空隙又有再次级颗粒所填充，但填隙的颗粒粒径不得大于其间隙的距离，否则大小颗粒之间将发生干涉现象。为了避免干涉，大小集料颗粒之间应按一定的数量分配，并从临界干涉情况下导出前一级颗粒间距应为：式中：D——前粒级的粒径；

Ψ0——次粒级的理论实积率（实积率即为堆积密度与表观密度之比）；

Ψs——次粒级的实积率。第6页，共45页，2023年，2月20日，星期一三、沥青混合料强度形成机理沥青混合料强度形成机理有两种：表面理论、胶浆理论。1．表面理论（Surfacetheory）该理论认为，沥青混合料是由粗集料、细集料和填料经人工组配成密实的级配矿质骨架，此骨架由稠度较稀的沥青分布其表面，而将它们胶结成一个具有强度的整体。这种理论图解如图1-3所示。图1-3表面理论沥青混合料

矿质骨架结合料一沥青

粗集料细集料填料第7页，共45页，2023年，2月20日，星期一2．胶浆理论（Mortartheory）该理论认为沥青混合料是一种多级空间网状结构的分散系。第一级粗分散系，以粗集料为分散相分散在沥青砂浆介质中；第二级细分散系，以细集料为分散相而分散在沥青胶浆介质中；第三级微分散系，以填料为分散相而分散在高稠度沥青介质中。第8页，共45页，2023年，2月20日，星期一四、级配设计方法1．n法（式1-2）

P=100(d/D)n2．K法为使沥青混合料级配与使用性能建立关系，许多学者对实用级配进行了大量研究，前苏联的伊万诺夫提出的控制筛余量递减系数的K法比较成熟。其中：x——级数，x＝3.3219lg（D/dx）

第9页，共45页，2023年，2月20日，星期一3．i

法对以上两种理论公式的改进和完善，同济大学林绣贤教授提出了i

法。

Px＝P0ix×100％

4．变i法所谓变i法就是对于粗、细集料部分，参数i值分别选用不同的值，混合料中粗集料部分i接近高限取值，细集料部分i接近低限取值。减小接近公称最大粒径处粗集料的用量及细集料的用量，使级配曲线形成S型曲线，借此达到骨架密实结构。第10页，共45页，2023年，2月20日，星期一5．Superpave设计法

Superpave是采用0.45次方作为级配组成的最大密实曲线，同时在0.45次方图上提出了两类级配控制点：控制点和限制区（禁区）。控制点为级配曲线必须通过的几个特点尺寸范围，限制区为最大密度线附近的0.3～2.36mm范围不希望级配通过的区域。设立限制区的目的主要是避免级配曲线出现“驼峰曲线”，驼峰曲线表明细集料特别是天然砂的含量过高。而限制区则保证集料具有适宜的矿料间隙率(VMA)，VMA过小表明级配对沥青含量极为敏感，沥青的少量变化易使沥青混合料成塑性。

Superpave设计法受控制点和禁区制约。不同公称最大尺寸集料有不同的控制点和禁区。公称最大尺寸为25mm、19mm、12.5mm的级配控制点范围如表1-1～表1-3所示，集料级配禁区边界如表1-4所示。第11页，共45页，2023年，2月20日，星期一集料公称最大尺寸25mm表1-1

筛子尺寸控制点（通过百分率）最小最大0.075mm172.36mm194519.0mm—90公称最大尺寸（25mm）90100最大集料尺寸（37.5mm）100—集料公称最大尺寸19mm表1-2筛子尺寸控制点（通过百分率）最小最大0.075mm282.36mm234912.5mm—90公称最大尺寸（19mm）90100最大集料尺寸（25mm）100—第12页，共45页，2023年，2月20日，星期一集料公称最大尺寸12.5mm表1-3筛子尺寸控制点（通过百分率）最小最大0.075mm2102.36mm28589.5mm—90公称最大尺寸（12.5mm）90100最大集料尺寸（19mm）100—集料禁区边界表1-4

禁区内筛孔尺寸公称最大尺寸、最大最小边界（最小/最大通过百分率）37.5mm25.0mm19.0mm12.5mm9.5mm4.75mm34.7/34.739.5/39.5———2.36mm23.3/27.336.8/30.834.6/34.639.1/39.147.2/47.21.18mm15.5/21.518.1/24.122.3/28.325.6/31.631.6/37.60.6mm11.5/15.713.6/17.616.7/20.719.1/23.123.5/27.50.3mm10.0/10.011.4/11.413.7/13.715.5/15.518.7/18.7第13页，共45页，2023年，2月20日，星期一AC-20型级配

AC-20型级配禁区第14页，共45页，2023年，2月20日，星期一AC-25型级配禁区第15页，共45页，2023年，2月20日，星期一6．贝雷法（1）粗细集料的划分第一控制筛孔PCS、第二控制筛孔SCS和第三控制筛孔TCS

。（2）级配的评价参数①CA比CA比为粗集料比（CoarseAggregateRation)，这个参数用于评价矿料中粗集料的含量和分析空隙特征。计算公式为：级配类型DD/2PCSSCSTCSSup252512.54.751.180.3Sup19199.54.751.180.3Sup16169.54.751.180.3Sup12.512.54.752.360.60.15Sup9.59.54.752.360.60.15第16页，共45页，2023年，2月20日，星期一②FAC比（细集料的粗料率）同整个混合料级配一样，可以把细集料重新视为一混合料，并将其分成粗、细两个部分，细集料中粗料部分形成的空隙由细料部分进行填充。FAc比（CoarsePortionofFineAggregate）就是用来反映细集料中粗料部分与细料部分的嵌挤填充情况，计算公式为：③FAf比（细集料的细料率）FAf比（FinePortionofFineAggregate）反映了合成级配中最细一级的嵌挤情况：

第17页，共45页，2023年，2月20日，星期一贝雷法各参数建议范围表1-6

公称最大粒径（mm）CA比FAc比FAf比250.70～0.850.35～0.500.35～0.50190.60～0.750.35～0.500.35～0.50160.55～0.700.35～0.500.35～0.5012.50.50～0.650.35～0.500.35～0.509.50.40～0.550.35～0.500.35～0.50第18页，共45页，2023年，2月20日，星期一第二节沥青路面功能与层位力学分工

沥青路面损坏类型

1．沉陷2．车辙3．推移4．疲劳开裂5．反射裂缝和低温开裂6．松散和坑槽从结构和材料方面等考虑，影响疲劳、车辙、低温开裂的因素可简要地归纳于表2-1。影响破坏类型的因素表2-1破坏类型环境因素结构因素材料因素疲劳开裂中、低温

沥青层厚度和模量的配合，基层模量过小，厚度太大

沥青含量及性质，空隙率大，石料沥青粘附性差，集料级配，沥青耐久性等车辙中、高温

沥青面层厚度太大，抵抗永久变形能力差，基层模量过大或过小

集料级配，沥青含量高，劲度小，空隙率大低温开裂低温，冰冻

层间接触条件，沥青层厚度太小

沥青含量太小，劲度高，耐久性差，面层材料胀缩系数大等第19页，共45页，2023年，2月20日，星期一沥青路面使用性能一、结构性使用性能1．车辙——结构性车辙、失稳性车辙和磨损性车辙。压密性车辙2．疲劳开裂3．低温开裂二、功能性使用性能1．平整度2．抗滑能力第20页，共45页，2023年，2月20日，星期一沥青路面面层在车轮下的受力状态

第21页，共45页，2023年，2月20日，星期一沥青路面结构层功能分工沥青面层力学分工

沥青面层层位受力状态力学要求功能分工三层式上层三向压缩区抗剪切滑移抗低温缩裂抗车辙中层竖向压缩区抗竖向压缩抗车辙下层两向拉伸区抗疲劳抗车辙抗疲劳第22页，共45页，2023年，2月20日，星期一第三节沥青面层技术性能

（1）足够的强度和刚度；（2）足够的高温稳定性；（3）良好的低温抗裂性；（4）良好的水稳定性；（5）良好的抗滑性能；（6）良好的防渗水能力；（7）足够的耐久性；（8）良好的施工和易性。沥青面层的技术要求

技术要求病害类型技术指标高温稳定性车辙、拥包马歇尔稳定度、动稳定度低温抗裂性横向开裂低温蠕变速率、应变能、冻断温度水稳定性松散、剥落、坑槽马歇尔残留稳定度、冻融劈裂强度疲劳特性纵裂、网裂疲劳强度气候稳定性龟裂、松散老化试验后强度与稳定性刚度不均匀沉降、平整度下降回弹模量、整体弯沉抗滑性能表面光滑路面摩擦系数、石料磨光值、构造深度第23页，共45页，2023年，2月20日，星期一第四节沥青混合料及其组成材料

技术性能要求以规范为基础，结合商界高速公路的情况对集料、沥青及混合料提出了具体的技术要求。一、粗集料技术性能要求

石料高温压碎值、石料浸水压碎值

二、细集料技术性能要求三、填料技术性能要求四、沥青技术性能要求

1．基质沥青

2．改性沥青抗剥离措施

PG指标五、沥青混合料技术性能要求第24页，共45页，2023年，2月20日，星期一沥青混合料及其组成材料技术性能要求

综合对沥青混合料及组成材料技术性能要求的分析，表中给出了沥青、集料和沥青混合料技术性能与沥青路面路用性能的关系。不过，表中沥青结合料不仅是指沥青自身，更确切地说，沥青结合料是指沥青（或改性沥青）与矿粉等填料的混合物。

沥青混合料及组成材料与沥青路面性能的关系沥青路面沥青结合料矿料沥青混合料备注高温抗车辙性能★★★★★★★★低温抗裂性能★★★★★★★耐久性抗疲劳性能★★★★★★★★水稳定性★★★★★★抗老化性能★★★☆★★★与空隙率关系极大表面服务功能★★★★★★★路面透水性★★★★★★★★与空隙率关系极大行车舒适性能☆★★取决于施工水平及结构施工性能★★★★★★第25页，共45页，2023年，2月20日，星期一规格粒径(mm)水洗法通过各筛孔的质量百分率（%）9.54.752.361.180.60.30.150.075S150-510090-10060-9040-7520-557-402-200-10S160-3—10080-10050-8025-608-450-250-15机制砂或石屑规格

第26页，共45页，2023年，2月20日，星期一规格公称粒径（mm）通过下列筛孔的质量百分率（%）37.531.526.519.016.09.504.752.360.60.075S110~3010090~10065～9040~7015～450~150～5S210~2010090~10040~700~150~5S35~1010090~10040~700~150~5砂或石屑≤510090~10065~9540~700~10集料规格

第27页，共45页，2023年，2月20日，星期一第五节沥青混合料配合比设计方法沥青混合料配合比设计包括：目标配合比设计（试验室配合比设计）、生产配合比设计和生产配合比验证（试拌试铺配合比调整）等三个阶段。1.试验室配合比设计试验室配合比设计可分为矿质混合料组成设计和沥青用量确定两部分。它是沥青混合料配合比设计的重点。（1）矿质混合料的配合组成设计（2）确定沥青混合料的最佳沥青用量马歇尔方法求取相应于密度最大值、稳定度最大值、目标空隙率（或中值）、沥青饱和度范围的中值的沥青用量a1，a2、a3、a4，求取四者平均值作为最佳沥青用量的初始值OAC1。符合沥青混合料技术标准的沥青用量范围OACmin～OACmax，其中值为OAC2

稳定性检验——高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性能和渗水性。第28页，共45页，2023年，2月20日，星期一AC-16型沥青混合料优化设计级配最佳油石比下的骨架密实度和骨架稳定度指标油石比（%）骨架密实度骨架稳定度粉胶比有效沥青膜厚度(μm)试验级配4.40.934102.791.457.2

最佳油石比下沥青混合料性能检验指标残留稳定度（%）冻融劈裂比（%）动稳定度(次/mm）渗水性破坏应变（με）试验级配94.393.19726基本不渗水2311第六节AC-16型沥青混合料组成设计

筛孔（mm）191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075<0.075通过率（%）100958870473323141196分计筛余（%）571823141093236第29页，共45页，2023年，2月20日，星期一

马歇尔试件剖面图第30页，共45页，2023年，2月20日，星期一

马歇尔试件剖面图第31页，共45页，2023年，2月20日，星期一AC-16型建议级配级配类型通过下列筛孔(mm)的质量百分率(%)191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075建议级配10090-10077-9163-7742-5226-3816-2810-197-165-124-8规范级配10090-10076-9260-8034-6220-4813-369-267-185-144-8第32页，共45页，2023年，2月20日，星期一AC-20型沥青混合料设计马歇尔试件剖面图第七节AC-20型沥青混合料组成设计

第33页，共45页，2023年，2月20日，星期一AC-20型沥青混合料设计

矿料级配组成级配代号通过下列筛孔(mm)的质量百分率（％）26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075E10095847056382620151185F10095847056382318131075G1009584705638201612975

马歇尔试验结果级配代号毛体积密度（g/cm3）空隙率VV（％）稳定度（KN）流值（0.1mm）沥青饱和度VFA（％）矿料间隙率VMA（％）E2.4454.310.134.266.113.1F2.4424.49.235.567.513.6G2.4375.26.929.162.313.9第34页，共45页，2023年，2月20日，星期一路用性能试验结果（级配E）试验名称车辙试验浸水马歇尔试验冻融劈裂试验低温弯曲试验试验方法T0719T0709T0729T0715检测指标动稳定度（次/mm）残留稳定度（％）残留强度比（％）破坏应变（×10－6）级配E165288.179.42103.9规范要求≥800≥80≥75≥2000AC-20型沥青混合料设计

最佳油石比下马歇尔试验结果（级配E）油石比（％）毛体积密度（g/cm3）空隙率VV（％）稳定度（KN）流值（0.1mm）沥青饱和度VFA（％）矿料间隙率VMA（％）4.22.4604.110.138.572.213.3

级配E的各项路用性能指标均能满足规范要求。其中高温稳定性最优，动稳定度指标明显优于规范的要求；水稳定性检验的结果亦优；其低温性能也能满足规范要求。第35页，共45页，2023年，2月20日，星期一级配类型通过下列筛孔(mm)的质量百分率(%)26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075建议级配10090-10080-9266-8056-7035-4824-3415-2511-198-156-104-7规范级配10090-10078-9262-8050-7226-5616-4412-338-245-174-133-7AC-20型建议级配第36页，共45页，2023年，2月20日，星期一AC-25型沥青混合料组成设计AC-25型初拟级配筛孔尺寸(mm)通过下列筛孔(mm)的质量百分率（％）0.0750.150.30.61.182.364.759.513.2161926.531.5级配A5811152026365164748599100级配B469121926415767778598100马歇尔试验结果项目最佳油石比（％）毛体积密度(g/cm3)稳定度（KN）VV(%)流值(mm)VMA(%)VFA(%)规范要求－－≥83～62～4≥1255~70级配A3.72.4912.64.03.112.265级配B4.12.4311.24.53.513.268第八节AC-25型沥青混合料组成设计

第37页，共45页，2023年，2月20日，星期一AC-25型沥青混合料组成设计

路用性能试验结果指标动稳定度（次）浸水马歇尔试验残留稳定度（％）冻融劈裂残留强度比（％）破坏应变（×10－6）规范要求≥1000≥80≥75≥2000级配A16768575.32158级配B17409581.22254级配B的路用性能优于级配A。

第八节AC-25型沥青混合料组成设计

第38页，共45页，2023年，2月20日，星期一AC-25型建议级配

级配类型通过下列筛孔(mm)的质量百分率(%)31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075建议级配10095~10072~8663~7655~6844~5828~4216~3311~238~176~125~94~7规范级配10090~10070~9060~8351~7640~6524~5214~4210~337~245~174~133~7第39页，共45页，2023年，2月20日，星期一第九节ATB-30型沥青混合料组成设计

初拟级配筛孔(mm)VMA预估37.531.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075N