CN101746995A

CN101746995A - 基于最紧密状态的沥青混合料配合比设计方法

Info

Publication number: CN101746995A
Application number: CN 200810239795
Authority: CN
Inventors: 王旭东; 张蕾; 李美江; 周兴业
Original assignee: INT OF HIGHWAY SCIENCES MINISTRY OF COMMUNICATIONS
Current assignee: INT OF HIGHWAY SCIENCES MINISTRY OF COMMUNICATIONS; Research Institute of Highway Ministry of Transport
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-06-23

Abstract

本发明提出一种基于最紧密状态的沥青混合料配合比设计方法。它包括：(1)确定用于评价混合料矿料紧密程度的三个参数是矿料间隙率、粗集料矿料间隙率、混合料的矿料干密度；(2)论证了这三个参数的相关性，并采用二次曲线模型分析，确认相应参数曲线的极值为混合料的最紧密状态；(3)取相应参数的极值所对应的油石比，即：矿料间隙率VMA、粗集料矿料间隙率VCA最小时对应的油石比以及混合料的矿料干密度最大时对应的油石比，为混合料处于最紧密状态下的油石比；(4)为减少误差，取上述三个油石比的平均值为设计油石比。本发明适用于粗集料断级配沥青混合料，采用本发明设计出的沥青混合料具有很好的路用性能。

Description

基于最紧密状态的沥青混合料配合比设计方法

技术领域

本发明涉及一种沥青混合料配合比设计方法，尤其涉及基于最紧密状态的沥青混合料配合比设计方法，属于公路与城市道路学科，沥青路面专业，沥青混凝土设计的技术领域。

背景技术

沥青混合料配合比设计的核心是针对某一固定的矿料级配确定其处于某种最佳性能状态下的油石比(或称沥青用量)。

当前国际上和国内的相关规范一般采用5参数(稳定度、流值、空隙率、毛体积密度、饱和度)或4参数方法确定混合料的油石比，这种方法考虑因素过多，反而导致工程意义不明确，实际工程表明，特别是对于重载交通和粗集料断级配混合料采用这种方法确定的混合料油石比明显偏大。

近十年来，美国SUPERPAVE设计方法的创立，提出了按照设计空隙率方法确定混合料的油石比(一般设计空隙率的标准为4％)。这种技术思路目前已逐渐在我国许多工程上使用。这种方法的核心是确保混合料具有足够的密实性和空隙，使得混合料具有高温稳定和低温稳定的平衡，从而提高混合料的耐久性。但这种方法有一个致命的缺陷，在实际工程中，由于矿料的变化，对于一个固定级配的混合料其密实程度并不明确，但一味追求混合料的空隙率，则通过沥青用量的增、减而调整。如果混合料矿料级配本身密实性不足，为追求空隙率，则导致混合料油石比偏高，反之，油石比则偏低。这样混合料油石比的确定仍存在一定的盲目性。

发明内容

针对当前重载的交通环境和复杂的自然环境，优化沥青混合料的配合比设计是提高沥青路面使用耐久性的重要环节之一。而其中关键在于沥青混合料最佳力学状态下的油石比确定。

在实际工程中，当混合料的矿料级配一旦确定，则对应的混合料中沥青用量(即油石比)的确定则显得至关重要。油石比过高，混合料的高温稳定性不足，容易导致车辙、泛油等病害；而油石比过低，则容易导致混合料的耐久性不足，力学性能衰减。

在一个标准的压实条件下，对于一种级配的矿料，随着沥青用量的增加，由于沥青的浸润和润滑作用，使得矿料间紧密程度增加，逐渐形成一种力学状态；但如果沥青用量含量过高，在矿料间存在过多的自由沥青，则导致混合料的矿料结构逐渐被撑开，力学性能下降。为此，将这种沥青混合料的最紧密程度所对应的油石比作为混合料的最佳油石比。这样，对于不同的矿料级配、不同的压实标准，有其固定的紧密状态，油石比确定就不会存在以往的盲目性问题。

本发明的目的是提出一种更适用于粗集料骨架密实型沥青混合料的最佳油石比确定方法，以保证所设计的沥青混合料达到最紧密嵌挤状态。也即基于最紧密状态的沥青混合料配合比设计方法。

对于一个特定的沥青混合料，评价混合料体积特性的指标常用的有空隙率VV、矿料间隙率VMA和粗集料矿料间隙率VCA。空隙率是常用来评价混合料密实程度的指标，但并不是评价混合料矿料紧密程度的指标。评价混合料矿料紧密程度的指标应是：矿料间隙率和粗集料矿料间隙率。此外，还有一种国外常用的混合料体积指标——混合料的矿料干密度。这三个指标能够共同反映混合料在特定条件下的紧密状态，且相互等效。

这三个参数具体的表达形式如下：

矿料间隙率，

VMA = 1 - \frac{G_{m}}{G_{m, s}} \times \frac{100}{100 + ω_{0}}

(式1)

式中：G_m：混合料的毛体积密度；

G_m，s：混合料中全部矿料的毛体积密度；

ω₀：混合料中油石比。

粗集料矿料间隙率，

{VCA}_{MIX} = 1 - \frac{G_{m}}{G_{b, ca}} \times \frac{100}{100 + ω_{0}} \times P_{ca}^{'}

(式2)

式中：G_b，ca：混合料中粗集料的毛体积密度；

P′_ca：矿料中粗集料的重量百分率。

混合料的矿料干密度，

G_{g, m} = G_{m} \times \frac{100}{100 + ω_{0}}

(式3)

对于某一个固定级配的混合料，粗集料的毛体积密度G_b，ca、矿料毛体积密度G_m，s以及矿料中粗集料的重量百分率P′_ca都相对固定，因此，在计算VMA、VCA和混合料的矿料干密度(简称干密度)这三个参数时，可以认为是常数。这样，这三个参数都是混合料毛体积密度G_m和油石比ω₀的函数，且唯一。也即这三个参数是紧密相关的。从计算公式可以看出，VMA和VCA是正相关，而与干密度负相关。

因此，当采用二次曲线模型分析不同油石比条件下混合料体积参数性能时，VMA与VCA最小时对应的油石比理论上应完全相等，且等于干密度最大时的油石比。即三个条件下的油石比应当一致。

在实际的试验数据分析中，由于试验误差的影响，三个油石比有可能存在一定的偏差，为了准确得到这个油石比，减小试验误差的影响，在实际数据的分析中，应分别计算出这三个油石比，然后取平均值，作为这种混合料体积性能最紧密状态下的最佳油石比。

本发明具有如下的优点及效果：

(1)本发明适用于粗集料-断级配沥青混合料的配合比设计，设计参数简单且符合粗集料-断级配沥青混合料的内在组成机理，充分保证设计出的沥青混合料是该压实功下的最紧密状态，且参数间可以相互校验，可靠性高。有效地避免参数过多、参数不合理以及按固定空隙率设计带来的无法真正把握混合料的紧密状态的问题。

(2)按照本发明方法确定的沥青混合料油石比，相比于传统设计方法确定的油石比更加合理，有利于节约沥青资源，且路用性能尤其是高温抗辙性能明显优于传统设计方法。

附图说明

图1-1是毛体积密度变化曲线；

图1-2是空隙率变化曲线；

图1-3是矿料间隙率变化曲线；

图1-4是粗集料矿料间隙率变化曲线；

图1-5是干密度变化曲线；

图1-6是饱和度变化曲线；

图2-1是不同油石比的动稳定度变化曲线；

图2-2是不同油石比的相对变形变化曲线。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，下述实施例仅用于说明本发明而非对本发明的限制。

根据本发明的基于最紧密状态沥青混合料配合比设计方法，其设计流程规范如下：

1.根据经验确定涵盖该级配最佳油石比的范围，一般以0.3～0.4％为间隔设定5～6个油石比进行试验，每种油石比下平行试件样本量一般不低于4个。

2.按照石料配比称取所需石料，按照现行规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的方法进行试件成型前的准备工作。根据选定的成型方法进行成型，方法可以根据设计需求选择马歇尔击实、SGC旋转压实成型、GTM旋转压实成型等多种方法。

3.成型完毕的试件经过不少于12个小时的养生，测定试件的毛体积密度，以此为基础按照前述三个公式计算各油石比条件下的矿料间隙率、粗集料矿料间隙率以及矿料干密度。以二次曲线模型拟合试验数据，相关系数应达到0.97以上，确定曲线的极值点，即VMA的最小值OAC₁和VCA的最小值OAC₂，干密度的最大值OAC₃。从三个指标数值的结果判断试验的精度是否满足要求，在满足精度要求的前提下，以三者的均值作为设计油石比，完成设计。

以某具体目标配合比设计为例，原材料各项物理指标均符合现行规范《公路沥青路面施工技术规范》标准，要求针对给定级配确定其油石比。其设计流程如下：

1.已知目标级配曲线，首先根据经验选择了3.8～5％的5个油石比作为试验范围，平行样本的数量为4个。

2.采用马歇尔击实成型方法，双面击实75次。

3.待试件养生充分，测定各试件的毛体积密度，并按照本发明中所提出的三个公式，计算矿料间隙率VMA，粗集料矿料间隙率VCA以及干密度值，结果如表1。

表1沥青混合料试件体积指标

油石比	毛体积密度	VA	VMA	VV	VFA	VCA	干密度
油石比	毛体积密度	VA	VMA	VV	VFA	VCA	干密度	3.8	2.4570	5.78％	13.84％	8.06％	58.24％	40.06％	2.3671
4.1	2.4657	5.03％	13.79％	8.76％	63.51％	40.02％	2.3686	3.8	2.4570	5.78％	13.84％	8.06％	58.24％	40.06％	2.3671
4.1	2.4657	5.03％	13.79％	8.76％	63.51％	40.02％	2.3686	4.4	2.4738	4.30％	13.75％	9.45％	68.71％	40.00％	2.3695
4.7	2.4806	3.62％	13.76％	10.14％	73.67％	40.01％	2.3692	4.4	2.4738	4.30％	13.75％	9.45％	68.71％	40.00％	2.3695
4.7	2.4806	3.62％	13.76％	10.14％	73.67％	40.01％	2.3692	5	2.4864	2.99％	13.81％	10.82％	78.38％	40.04％	2.3680

4.参照图1-1至图1-6，统计各参数随油石比的变化规律，通过二次曲线对VMA，VCA和干密度三个参数进行拟合，得到其拟合曲线，确定曲线的极值点，即VMA的最小值OAC₁＝4.48％和VCA的最小值OAC₂＝4.48％，干密度的最大值OAC₃＝4.48％。因此，最终确定油石比为4.48％。

为了进一步说明本发明方法的效果，进行了一组不同油石比条件下的车辙试验，结果见表2。

表2：不同油石比下混合料车辙试验结果

油石比	5	4.7	4.4	4.1	3.8
油石比	5	4.7	4.4	4.1	3.8	动稳定度	2087	2400	2244	1850.8	1746
相对变形	5.32％	4.43％	4.61％	4.96％	5.66％	动稳定度	2087	2400	2244	1850.8	1746

参照图2-1和图2-2，从以上车辙试验结果的回归曲线，得到动稳定度最大时的油石比为4.64％，相对变形最小时的油石比为4.48％，即从相对变形的结果来看，与本发明确定的油石比结果完全一致。

以上的设计步骤及效果，说明本发明的方法的确能够有效地保证沥青混合料配合比设计的准确性，且设计出的沥青混合料具有很好的路用性能。

Claims

1.一种基于最紧密状态的沥青混合料配合比设计方法，其特征在于，

(1)确定用于评价混合料矿料紧密程度的以下三个参数，具体的表达形式如下：

矿料间隙率，

VMA = 1 - \frac{G_{m}}{G_{m, s}} \times \frac{100}{100 + ω_{0}}

(式1)

式中：G_m：混合料的毛体积密度；

G_m，s：混合料中全部矿料的毛体积密度；

ω₀：混合料中油石比；

粗集料矿料间隙率，

{VCA}_{MIX} = 1 - \frac{G_{m}}{G_{b, ca}} \times \frac{100}{100 + ω_{0}} \times P_{ca}^{'}

(式2)

式中：G_b，ca：混合料中粗集料的毛体积密度；

P′_ca：矿料中粗集料的重量百分率；

混合料的矿料干密度，

G_{g, m} = G_{m} \times \frac{100}{100 + ω_{0}}

(式3)

(2)论证了这三个参数的相关性，并采用二次曲线模型分析，确认相应参数曲线的极值为混合料的最紧密状态；

(3)取相应参数的极值所对应的油石比，即：矿料间隙率VMA、粗集料矿料间隙率VCA最小时对应的油石比以及混合料的矿料干密度最大时对应的油石比，为混合料处于最紧密状态下的油石比；

(4)为了减少计算误差，可取上述三个油石比的平均值作为该混合料在最紧密状态下的设计油石比。