沥青混合料配合比设计

沥青混合料配合比设计多碎石沥青混凝土其他沥青混合料再生沥青混凝土沥青稀浆封层混合料沥青玛蹄脂碎石(SMA)冷拌沥青混合料多孔隙沥青混凝土表面层桥面铺装材料目标配合比设计阶段生产配合比设计阶段生产配合比验证阶段矿料的组成设计最佳沥青用量确定图解法或试算法集料筛分（水洗法）马歇尔试验确定工程级配范围预估计算沥青用量沥青与集料相对密度测定配合比设计三个阶段目标配合比与生产配合比都是两方面的设计，二者有何区别？矿料通过皮带输入拌和楼干燥筒加热振动筛二次筛分热料提升到拌和楼热料仓根据目标配合比的OAC、OAC±0.3%三组沥青用量根据热料比例确定生产配合比最佳沥青用量OAC图解法确定热料比例生产配合比目标配合比图解法确定冷料比例确定目标配合比最佳沥青用量OAC取样冷料筛分根据冷料比例成型5组马歇尔试件通过调整控制室皮带转速达到设计比例青用量确定提供标准为生产配合比最佳沥热料比例与最佳沥青用量输入控制室计算机生产沥青混合料热料筛分取分级目标配合比与生产配合比设计关系图成型3组马歇尔试件一、沥青混合料目标配合比设计步骤沥青混合料目标配合比设计阶段:

按照沥青混合料配合比设计方法，优选矿料级配，确定最佳沥青用量，以此作为目标配合比，工拌和楼确定各冷料仓的供料比例、进料速度及试拌试铺使用。

（一）确定工程设计级配调整工程设计级配范围宜遵循下列原则：

(1)对夏季温度高、高温持续时间长，重载交通多的路段，宜选用粗型密级配沥青混合料（AC—C型），并取较高的设计空隙率。对冬季温度低、且低温持续时间长的地区，或者重载交通较少的路段，宜选用细型密级配沥青混合料（AC—F型），并取较低的设计空隙率。

（2）为确保高温抗车辙能力配合比设计时宜适当减少公称最大粒径附近的粗集料用量，减少0.6mm以下部分细粉的用量，使中等粒径集料较多，形成S型级配曲线，并取中等或偏高的设计空隙率。（3）确定级配范围时应考虑不同层位的功能需要，应能满足耐久、稳定、密水、抗滑等要求。（4）根据施工控制水平，确定的工程设计级配范围应比规范级配范围窄。（5）配合比设计应充分考虑施工性能，使沥青混合料容易摊铺和压实，避免造成严重的离析。（二）材料选择与准备

从工程实际使用的材料中取代表性样品。进行生产配合比设计时（生产配合比如何取料），取样至少应在干拌5次以后进行。（三）矿料配比设计矿料配合比设计建议借助电子计算机的电子表格用试配法进行。对主干道、高速公路和一级公路，宜在工程设计级配范围内计算1～3组粗细不同的配比，绘制设计级配曲线，分别位于工程设计级配范围的上方、中值及下方。设计合成级配不得有太多的锯齿形交错，且在0.3mm～0.6mm范围内不出现“驼峰”。当反复调整不能满意时，宜更换材料设计。（知识扩展部分，教材没有）

矿质混合料的级配理论

目前常用的级配理论，主要有最大密度曲线理论和粒子干涉理论。前一理论主要描述了连续级配的粒径分布，可用于计算连续级配。后一理论，不仅可用于计算连续级配，而且可用于计算间断级配。最大密度曲线理论W．B富勒(Fuller)和他的同事经过研究提出了最大密度理想曲线理论，即矿质混合料的颗粒级配曲线愈接近抛物线，则其密度愈大，当级配曲线为抛物线时，其密度达到最大。

（a）常坐标系（b）半对数坐标系图10-5理想最大密度级配曲线矿质混合料的组成设计方法

矿质混合料的组成设计就是依据级配理论，采用合适的方法，确定组成矿质混合料的各种集料的比例（通常以质量百分率表示）。矿质混合料组成设计的方法主要有数解法与图解法两大类。1.数解法最常用的为“试算法”和“正规方程法”(或称“线性规划法”)。试算法一般适宜用于3～4种矿料组成，正规方程法可用于多种矿料组成，所得结果准确，但人工计算较为繁琐，可编制计算机程序用计算机计算。AC-16F矿料合成级配曲线示例纵坐标为数学坐标横坐标为泰勒曲线的横坐标

矿质混合料的组成设计方法2.图解法图解法是采用作图的方法来确定矿质混合料中各种集料的用量，常用的有两种集料组成的“矩形法”和三种集料组成的“三角形法”等。对由多种集料组成混合料，可采用“平衡面积法”，该法是采用一条直线来代替集料的级配曲线，这条直线是使曲线左右两边的面积相等(即达到平衡)，简化了曲线的复杂性。这个方法又经过许多研究者的修正，故现行的图解法称为“修正平衡面积法”(简称图解法)。

确定各集料配合比的原理图（回到教材）（四）马歇尔试验配合比设计应进行马歇尔试验。1.拌和与压实温度的确定沥青混合料试件的沥青加热温度、拌和温度、按黏温曲线的方法确定，并与施工实际温度相一致，成型温度应高于规范规定的开始碾压的最低温度。改性沥青混合料的成型温度在此基础上再提高10℃～20℃。2.密度和体积参数的计算（1）计算矿料的合成毛体积密度（γsb

）（2）计算矿料的合成表观相对密度（γsa

）P1、P2…Pn－各种矿料的比例,其和为100γ1、γ2

…γn－各种矿料相应的毛体积相对密度γ1′、γ2′…γn′－各种矿料相应的表观相对密度（3）预估沥青混合料适宜的油石比（Pa）或含油量（Pb

）Pa1—已建类似工程标准油石比,%γsb—集料的合成毛体积相对密度γsb1—已建类似工程集料的合成毛体积相对密度

沥青用量的两种表示方式（4）确定矿料的有效相对密度

Pb—沥青用量γt—实测的沥青混合料理论最大相对密度γb—25℃时沥青的相对密度，无量纲。①对非改性沥青混合料，宜预估适宜的最佳油石比拌和2组混合料，采用真空法实测理论最大相对密度，然后反算合成矿料的有效相对密度γse。γse—矿料的有效相对密度C—沥青吸收系数

Wx—合成矿料的吸水率

②对改性沥青及SMA混合料，有效相对密度宜直接由矿料的合成毛体积相对密度与合成表观相对密度计算确定3.马歇尔试验

（1）以预估的油石比为中值，取5个或5个以上不同的油石比分别成型马歇尔试件。（2）测定压实沥青混合料试件的毛体积相对密度γf和吸水率，取4个以上试件的平均值。测试方法应遵照以下规定执行：①通常采用表干法测定毛体积相对密度。②对吸水率大于2%的试件，宜改用蜡封法测定的毛体积相对密度。③对空隙率大于8%的试件，应采用体积法测定的毛体积相对密度。

④对吸水率小于0.5%的特别致密的沥青混合料，在施工质量检验时，允许采用水中重法测定的表观相对密度作为标准密度，但配合比设计时不得采用水中重法。（3）确定沥青混合料的理论最大相对密度对非改性的普通沥青泥合料，采用真空法实测沥青混合料的理论最大相对密度γti。对改性沥青或SMA混合料宜按下式计算沥青混合料对应油石比的理论最大相对密度。Pai—所计算的沥青混合料的油石比Pbi—所计算的沥青混合料的沥青用量Psi—所计算的沥青混合料的矿料含量γse—合成矿料的有效相对密度γb—25℃时沥青的相对密度

（4）计算试件的空隙率、矿料间隙率VMA和有效沥青的饱和度VFAVV—沥青混合料试件的空隙率；VMA—沥青混合料试件的矿料间隙；VFA—沥青混合料试件的有效沥青饱和度；Ps—各种矿料占沥青混合料总质量的百分率之和（%），Ps=100—Pb；γsb—矿料的合成毛体积相对密度。

（5）在60℃条件下进行马歇尔试验，测定马歇尔稳定度和流值。（五）最佳沥青用量确定1．将不同油石比（或含油量）的马歇尔试验的所有指标点绘于图上，沥青用量与这些指标之间连成圆滑的曲线。沥青用量范围OACmin～OACmax。选择的沥青用量范围必须涵盖设计空隙率的全部范围，并尽可能涵盖沥青饱和度的要求范围，并使密度及稳定度曲线出现峰值。如果没有函盖设计空隙率的全部范围，试验必须扩大沥青用量范围重新进行。稳定度(KN)(%)油石比规范要求＞5KNa1=5.9%a2=5.28%毛体积相对密度(%)油石比空隙率(%)(%)油石比流值(mm)油石比(%)规范要求2~4.5mm规范要求3~6%a3=5.32%各项指标与沥青用量的关系：随着沥青用量的增加，沥青与矿粉的交互作用形成结构沥青，混合料的强度增加，但沥青用量持续增加会形成多余的自由沥青，会在矿料之间形成润滑作用，导致：稳定度和密度随沥青用量的增加而增加，但是达到一定程度后逐渐减小。

饱和度油石比(%)(%)间隙率(%)(%)油石比规范要求70~85%规范要求＞14%a4无法确定由于沥青用量的增加，逐步填充矿料之间的空隙，因此空隙率随着沥青用量的增加而逐渐减小，沥青饱和度随沥青用量的增加而逐渐增加。流值随沥青用量的增加而增加。

（2）确定最佳沥青用量OAC1①从上述图上找出毛体积密度最大值对应沥青用量a1、稳定度最大值对应沥青用量a2、目标空隙率（或中值）对应沥青用量a3、沥青饱和度范围内的中值对应沥青用量a4（2）计算OAC1=（a1+a2+a3+a4

）／4a1=5.9%；a2=5.28%；a3=5.32%；a4无法确定②如果所选择的沥青用量范围未能涵盖沥青饱和度的要求范围，只取a1、a2、a3计算OAC1=（a1+a2+a3）／3=5.50%（3）确定OAC2

（1）从上述图上找出符合规范要求的各物理指标的用油量，绘于下图，找出满足所有指标的公共沥青用量范围，并查出最大值OACmax和最小值OACmin。公共沥青用量中OACmax=5.78%OACmin=5.37%（2）计算OAC2=（OACmax+OACmin）／2OAC2=5.58%③对所选择试验的沥青用量范围，密度或稳定度没有出现峰值（最大值经常在曲线的两端）时，可直接以目标空隙率所对应的沥青用量a3作为OAC1，但OAC1必须介于OACmin～OACmax的范围内。否则应重新进行配合比设计

（4）最佳沥青用量OAC=（OAC1+OAC2）／2OAC=（OAC1+OAC2）／2=5.54%车辙试验浸水马歇尔试验冻融劈裂试验低温弯曲试验渗水试验高温稳定性检验水稳定性检验低温抗裂性检验渗水系数检验（五）目标配合比设计检验钢渣活性检验沥青混合料的施工工艺确定通过铺筑试验路段，确定机械组合、压实方式、施工工艺等。通过试验确定二、沥青混合料目标配合比设计示例（一）原材料检测本次目标配合比设计所用的碎石、石屑产地为宜阳千兴，其中碎石包括1#碎石：（10～15）mm，2#碎石：（5～10）mm，机制砂（安山岩）：（0～5）mm，机制砂（石灰岩）：（0～5）mm，矿粉产自黄河同力水泥有限公司，沥青为SBS改性沥青。本次配合比设计计算所用到的各种矿料及沥青的密度检测结果见表7-9和表7-10，各种矿料的水洗筛分结果见表7-11。（二）配合比设计该目标配合比设计级配类型为细粒式AC—13C型密级配沥青混合料，依据《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40—2004的规定，采用马歇尔试验配合比设计方法。1.矿料级配因委托方未指定该沥青路面工程的规定级配范围，故本次AC—13C型沥青混合料目标配合比设计级配范围依据《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40—2004中相应要求结合本工程情况设计如下，见表7-12。2.矿料级配的确定按照《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40—2004中对高速公路及一级公路的工程设计级配规定，密级配型沥青混合料配合比设计宜选择1～3种粗、细不同配合比，绘制设计级配曲线进行试配。

本次配合比设计时，选择三种级配使其各级筛孔累计质量通过百分率分别位于推荐级配范围的下方、中值及上方附近（级配一、级配二和级配三），其主要控制筛孔2.36mm通过率分别为29.6%、32.7%、35.8%，三种矿料级配组成见表7-13，矿料级配曲线见图7-13。

对比选的三种初试级配，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTGE20—2011中T0702—2011的试验方法，均以预估油石比4.9%成型马歇尔试件，马歇尔试件双面各击实75次，击实温度160℃～170℃。测定三组试件的毛体积相对密度、空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA等指标，试验结果见表7-14。

由表7-14可知，级配一（粗级配）空隙率较大，级配三空隙率较小且矿料间隙率不符合规范要求，级配二（中级配）的空隙率、矿料间隙都较级配一（粗级配）、级配二（细级配）合理，因此确定级配二（中级配）为该配合比设计级配。3.最佳油石比的确定为了确定已定级配的最佳油石比，按照《公路沥青路面施工技术规范》JTGF40—2004规定，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTGE20—2011中T0702—2011的试验方法，分别成型油石比为3.9%、4.4%、4.9%、5.4%、5.9%的5组马歇尔试件，马歇尔试件双面各击实75次，击实温度160℃～170℃。各组马歇尔试验结果见表7-15。将7-15表中马歇尔试验结果以油石比为横坐标，其它各项指标为纵坐标绘成马歇尔试验结果曲线图最佳油石比确定：（1）因密度没有出现峰值，故可直接以目标空隙率（4.5%）所对应的油石比a3=4.93%作为OAC1

，即OAC1=4.93%。（2）OACmin=4.54%，OACmax=5.20%,OAC2=（OACmin+OACmax）/2=（4.54+5.20）/2=4.87%，（3）OAC=（OAC1+OAC2）/2=（4.93%+4.87%）/2=4.90%。（4）由试验检测得出结果，结合河南省沥青路面使用经验，最佳油石比最终定为4.9%。

在最佳油石比4.9%时的马歇尔试验结果见表7-16，其结果全部符合规范要求。（三）配合比设计检验

1.高温稳定性检验

经检验车辙试验动稳定度结果为3836次/mm，符合该沥青路面工程所处地气候分区为1-3区下改性沥青混合料动稳定度不小于2800次/mm的要求。车辙动稳定度试验结果见表7-17。2.水稳定性检验

（1）浸水马歇尔检验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTGE20—2011试验方法，采用设计级配，在最佳油石比为4.9%时成型马歇尔试件，进行浸水马歇尔试验。经检验马歇尔残留稳定度为89.9%，符合该沥青路面工程气候分区下改性沥青混合料不小于85%的要求。浸水马歇尔试