CN103184717A - 一种ac-20沥青混合料的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AC-20沥青混合料的设计方法，采用垂直振动法设计，包括原材料选择及测试、矿料级配的设计、最佳油石比的确定和性能的检验等步骤，经试验验证表明，该方法所设计的沥青混合料，路用性能好、沥青用量少且操作简便，并可节约沥青8%～10%。

Description

一种AC-20沥青混合料的设计方法

技术领域

本发明属于交通土建工程应用技术领域，涉及一种AC-20沥青混合料VVTM设计方法，该设计方法可减少沥青用量，提高沥青混合料的路用性能，且操作简便，适合大规模推广应用。 

背景技术

目前AC-20沥青混合料的设计方法主要有马歇尔法、GTM法、Hveem法。GTM法所采用的设备昂贵不利于推广采用；Hveem法设计结果与现场关联度较差。目前马歇尔法仍是大多数国家进行沥青混合料设计的主要方法。 

我国AC-20沥青混合料普遍采用《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)（简称JTG F40-2004）中的马歇尔设计法，其步骤如下： 

（1）根据JTG F40-2004技术要求，选择原材料； 

（2）AC-20沥青混合料的级配范围符合表1的要求； 

表1：AC-20沥青混合料矿料级配范围 

筛孔尺寸（mm）	26.5	19	16	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
													通过率（%）	100	90～100	78～92	62～80	50～72	26～56	16～44	12～33	8～24	5～17	4～13	3～7

（3）以预估的油石比为中值，按一定间隔(通常为0.3%～0.5%）等间距的向两侧扩展，取5个或5个以上不同的油石比分别成型马歇尔试件； 

（4）测定马歇尔试件的密度，并计算试件的空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率等体积参数；采用马歇尔试验仪，测其马歇尔稳定度与流值； 

（5）以油石比为横坐标，以马歇尔试验的各项指标为纵坐标，将试验结果点入图中，连成圆滑的曲线；取密度最大值、稳定度最大值、规定空隙率范围的中值、规定饱和度范围的中值对应的油石比a₁、a₂、a₃、a₄，求取平均值作为OAC₁；以各项指标均符合JTG F40-2004中AC-20沥青混合料马歇尔试验技术标准要求(不含VMA)的油石比范围OAC_min～OAC_max中值作为OAC₂；取OAC₁与OAC₂的平均值作为最佳油石比OAC； 

（6）根据最佳油石比OAC制作车辙板和马歇尔试件，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）（以下简称JTG E20-2011）进行路用性能检验:包 括车辙试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验；不符合要求的沥青混合料，必须更换材料或重新进行配合比设计。 

马歇尔设计方法具有以下局限性： 

（1）马歇尔设计法的成型方式不能准确模拟车轮对路面的压实作用。击实功与交通量大小之间没有内在联系，成型试件密度无法反映通车多年后路面密度，其试件物理力学性能与实际路面不符； 

（2）马歇尔设计法已不适应现代交通发展需要。现行马歇尔法设计沥青混合料的各项技术标准均是根据20世纪80年代初的交通量提出的，而目前干线公路的交通状况已发生了显著的变化，呈现“大流量、重轴载”特点，显然马歇尔法提出的各项技术标准已不能满足现行交通对路面性能的要求。 

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种AC-20沥青混合料的设计方法，该方法设计的AC-20沥青混合料性能好、沥青用量少且操作简便。 

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案： 

一种AC-20沥青混合料的设计方法，其特征在于，该方法采用垂直振动法设计，具体按照以下步骤进行： 

1）原材料选择及测试 

从工程实际使用的材料中取代表性样品，对其技术指标进行测试； 

2）矿料级配的设计 

根据工程级配设计范围和各组成材料筛分试验资料，计算符合要求级配范围的各组成材料用量比例； 

3）最佳油石比的确定 

A、垂直振动试件的制作 

根据工程经验预估油石比P_a，并采用垂直振动分别制作油石比为P_a、P_a±（0.3～0.5）、P_a±（0.6～1.0）的5组试件；垂直振动试件成型步骤如下： 

（1）用蘸有少许黄油的棉纱擦拭内径100mm×高度180mm的试模内侧及垫块，并置于100℃烘箱中加热1h； 

（2）根据粘度曲线确定沥青混合料的拌和温度、压实温度，并按JTG E20-2011规定将沥青加热至混合料拌合温度； 

（3）根据工程经验预估压实后沥青混合料密度ρ_f，则一个试件质量为 M=ρ_f×π×5²×6.35。根据各规格集料比例和试件质量M，预估一个试件所需的各规格集料的用量M_k，（k=1，2，3，4，5），所述M₁、M₂、M₃、M₄、M₅和M₆分别代表19～26.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、2.36～4.75mm、机制砂和矿粉的质量； 

（4）称取一份各规格集料的用量为M_k×(1.1～1.2)，（k=1，2，3，4，5），并将其拌合均匀；称取一份矿粉的用量为M₆×(1.1～1.2)；分别置于规定拌和温度的烘箱中加热4～5h； 

（5）从烘箱中取出步骤（4）中的混合料置于预热至规定拌和温度的沥青混合料拌和锅内，并用小铲适当拌和； 

（6）从烘箱中取出加热好的沥青，称取所需的沥青质量m_i，加入步骤（5）中的沥青混合料拌和锅内，开动拌和锅拌和90s；其中： 

$m_i=(1.1~1.2)\×\underset{k=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{M}_k[3.3+0.5(i-1)]\%,$ i是指第i组油石比，i=1，2，3，4，5； 

（7）从烘箱中取出已加热好的矿粉，加入步骤（6）中沥青混合料拌和锅内，再次开动拌和锅拌和90s； 

（8）从沥青混合料拌和锅中取出已拌和好的沥青混合料，并称取1个试件所需混合料用量，放入预热至100℃的金属盘中； 

（9）从烘箱中取出预热至100℃的试模和垫块，并用蘸有少许黄油的棉纱擦拭试模内侧、垫块及振动锤底面。将垫块装入试模内并垫入一张吸油性小的圆形纸片，要求垫块底部平整。然后将沥青混合料均匀装入试模中，沥青混合料用大螺丝刀沿周边插捣15～20次、中间10～15次。插捣后将沥青混合料表面整平成凸圆弧面； 

（10）插入温度计至装好的沥青混合料中心附近，测定沥青混合料温度是否符合JTG E20-2011要求的压实温度； 

（11）待混合料达到要求的压实温度后，在装好的混合料顶面垫一张吸油性小的圆纸，然后将试模连同垫块固定到振动压实仪上，放下振动锤使其与沥青混合料接触，开启振动压实仪振动压实60±5s。 

振动压实仪参数配置为振动频率：37±2Hz、名义振幅：1.4±0.2mm、上车系统重量1.2±0.2kN、下车系统重量1.8±0.2kN； 

（12）振动压实结束后，将试模连同垫块从振动压实仪上取下，取掉试件顶面的圆形纸片，量取试件高度。试件标准高度为63.5±1.3mm。如不符合标准高度要求时， 试件作废，并按公式①调整试件混合料质量，并按步骤（8）～（12）重新制备试件直到高度符合标准要求为止； 

（13）将装有成型试件的试模连同垫块冷却至室温，脱出试件，并取掉试件底面的圆形纸片； 

（14）重复步骤（7）～（13）制作6个试件； 

（15）按步骤（6）～（14）制作第i组油石比的VVTM试件。 

B、垂直振动试件物理力学指标的测试 

测试不同油石比的垂直振动试件的毛体积密度ρ_f、马歇尔稳定度MS和流值FL，计算其空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA等物理力学指标。 

C、油石比与物理力学指标关系图的绘制 

根据沥青混合料垂直振动试件物理力学指标测试结果，以油石比为横坐标，以毛体积密度、空隙率、饱和度、稳定度、流值为纵坐标，将试验结果绘制成油石比与各项指标的关系曲线。 

D、确定最佳油石比 

（1）OAC₁的确定 

根据油石比与各项指标的关系曲线图，取密度最大值、稳定度最大值、规定空隙率范围的中值、规定饱和度范围的中值所对应的油石比为a₁、a₂、a₃、a₄，求取平均值作为最佳油石比初始值OAC₁，见公式②； 

OAC₁=（a₁+a₂+a₃+a₄）/4② 

（2）OAC₂的确定 

根据垂直振动法（VVTM）设计技术标准（见表2），以各项指标均符合表2中垂直振动法（VVTM）设计技术标准要求(不含VMA)的油石比范围OAC_min～OAC_max中值作为最佳油石比初始值OAC2，见公式③； 

OAC₂=（OAC_min+OAC_max）/2③ 

表2：AC-20沥青混合料垂直振动法（VVTM）设计技术标准 

试件尺（mm）	VV（%）	VFA（%）	VMA（%）	MS（kN）	FL（mm）
						Φ101×h63.5	2.5～4.0	70～80	≥11	≥12.5	1.5～4

（3）最佳油石比OAC的确定 

取OAC₁与OAC₂的平均值作为沥青混合料的最佳油石比OAC，见公式④； 

OAC=（OAC₁+OAC₂）/2④ 

4）性能的检验 

对上述确定的配合比按JTG E20-2011要求进行高温稳定性能、低温抗裂性能和水稳定性能的检验。 

采用本发明设计的AC-20沥青混合料，经试验验证表明，其路用性能好，并可节约沥青8%～10%。 

附图说明

图1为油石比～密度关系曲线图； 

图2为油石比～马歇尔稳定度关系曲线图； 

图3为油石比～空隙率关系曲线图； 

图4为油石比～沥青饱和度关系曲线图； 

图5为油石比公共范围图。 

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细描述。 

具体实施方式

参见图1、2、3、4和图5，本实施例给出一种AC-20沥青混合料VVTM设计方法，采用垂直振动法（VVTM）设计，具体按照以下步骤进行：1、原材料选择及测试 

采用新疆克拉玛依A级70#沥青，山西柳林的石灰岩碎石、机制砂、矿粉。其技术性质试验结果见表3～表6。 

表3：沥青技术性质 

表4：粗集料的技术性质 

表5：细集料的技术性质 

表观密度（g/cm3）	坚固性（%）	含泥量（%）	砂当量（%）	亚甲蓝值（g/kg）	棱角性（s）
						2.720	7.0	7.2	72.0	10.1	33.0

表6：矿粉技术性质 

表观密度（g/cm3）	含水量（%）	亲水系数	加热安定性
				2.687	0.5	0.83	加热前后没有明显变化

经检测，原材料各项技术指标均满足JTG F40-2004技术要求。 

2、矿料级配的设计 

矿质混合料级配要求见表7，计算符合要求级配范围的各组成材料用量比例见表8。 

表7：矿料级配范围要求 

表8：各规格集料的用量比例 

集料尺寸（mm）	19～26.5	9.5～19	4.75～9.5	2.36～4.75	机制砂	矿粉
							百分比（%）	7	33	18	8	30.5	3.5

3、最佳油石比的确定 

3.1试件的制作 

根据工程经验预估油石比P_a=4.3%，采用VVTM分别制作油石比为3.3%、3.8%、4.3%、4.8%和5.3%的5组混合料试件，每组试件6个。步骤如下： 

（1）用蘸有少许黄油的棉纱擦拭试模内侧及垫块，并置于100℃烘箱中加热1h 备用，所述试模内径100mm×高度180mm，垫块厚度为40mm、直径为150mm； 

（2）根据粘度曲线确定该沥青混合料的拌和温度为160℃～175℃、压实温度为140℃～170℃，按JTG E20-2011规定将沥青用加热至170℃； 

（3）根据工程经验预估压实后沥青混合料密度ρ_f=2.50g/cm³，则一个试件质量为M=ρ_f×π×5²×6.35=1246g。根据各规格集料比例，预估一个试件所需的各规格集料用量为M_k，（k=1，2，3，4，5，6），所述M₁、M₂、M₃、M₄、M₅和M₆分别代表19～26.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、2.36～4.75、机制砂和矿粉的质量； 

（4）称取一份各规格的集料用量为1.1M_k，（k=1，2，3，4，5），见表9，并拌合均匀；称取一份矿粉的用量为1.1M₆,见表9；分别置于大于拌和温度的烘箱中加热4～5h； 

表9：各组成材料用量 

集料尺寸（mm）	19～26.5	9.5～19	4.75～9.5	2.36～4.75	机制砂	矿粉
							质量（g）	100	472	257	115	436	50

（5）从烘箱中取出步骤（4）中加热好的混合料置于预热至175℃沥青混合料拌和锅中，并用小铲适当拌和； 

（6）从烘箱中取出已加热好的沥青，称取所需的沥青质量m₁，加入步骤（5）中的沥青混合料拌和锅内，开动拌和锅拌和90s；i是指第i组油石比，i=1，2，3，4，5； 

（7）从烘箱中取出已加热好的矿粉50g，加入步骤（6）中沥青混合料拌和锅内，再次开动拌和锅拌和90s； 

（8）从沥青混合料拌和锅中取出已拌和好的沥青混合料，并称取1个试件所需混合料用量m_j1（约1380g），放入预热至100℃的金属盘中； 

（9）从烘箱中取出预热至100℃的试模和垫块，并用蘸有少许黄油的棉纱擦拭试模、垫块及振动锤底面。然后将垫块装入试模内并垫入一张吸油性小的圆形纸片，要求垫块底部平整。然后将沥青混合料均匀装入试模中，沥青混合料均用大螺丝刀沿周边插捣15次、中间10次。插捣后将沥青混合料表面整平成凸圆弧面； 

（10）插入温度计至装好的沥青混合料中心附近，测定沥青混合料温度145℃，符合JTG E20-2011要求的压实温度； 

（11）在装好的混合料顶面垫一张吸油性小的圆纸，然后将试模连同垫块固定到 振动压实仪上，放下振动锤使其与沥青混合料接触，开启振动压实仪振动压实60s。振动压实仪参数配置为振动频率37±2Hz、名义振幅1.4±0.2mm、上车系统重量1.2±0.2kN、下车系统重量1.8±0.2kN； 

（12）振动压实结束后，将试模连同垫块从振动压实仪上取下，立即取掉试件顶面的圆纸片，用游标卡尺量取高度65.2mm，不符合试件标准高度为63.5±1.3mm的要求；根据公式①重新调整一个试件所需的沥青混合料用量为m_j2： 

$m_{j2}=\frac{63.5\×1380}{65.2}=1344$

按步骤（8）～步骤（12）成型试件，量取试件高度为63.5mm，符合试件标准高度为63.5±1.3mm的要求； 

（13）将装有成型试件的试模连同垫块冷却至室温，脱出试件，并取掉试件底面的圆形纸片； 

（14）重复步骤（7）～步骤（13）制作6个试件； 

（15）按步骤（6）～步骤（14）制作第i组油石比的试件。 

3.2试件物理力学指标的测试 

测试不同油石比的VVTM试件的毛体积密度ρ_f、马歇尔稳定度MS和流值FL，计算其空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA，试验结果见表10。 

表10：AC-20沥青混合料VVTM试件物理-力学指标 

试件组号	Pa（%）	ρf（g/cm3）	VV（%）	VMA（%）	VFA（%）	MS（%）	FL（mm）
								1	3.3	2.444	5.0	12.6	60.5	19.05	2.14
2	3.8	2.475	3.1	11.9	74.1	24.92	2.47
								3	4.3	2.484	2.3	12.3	81.4	26.35	3.3
4	4.8	2.475	1.9	13.0	85.3	24.37	3.63
								5	5.3	2.456	1.8	13.9	86.8	18.48	3.80
技术指标	-	-	2.5～4.0	≥11.0	70～80	≥12.5	1.5～4

3.3油石比与物理力学指标关系图的绘制 

根据表10沥青混合料VVTM试件物理力学指标测试结果，以油石比为横坐标，以毛体积密度、空隙率、饱和度、稳定度、流值为纵坐标，将试验结果绘制成油石比与各项指标的关系曲线，如图1～图5。 

3.4OAC₁的确定 

由图1可知，密度最大值对应的油石比a₁=4.30%； 

由图2可知，马歇尔稳定度最大值对应的油石比a₂=4.25%； 

由图3可知，规定空隙率范围中值对应的油石比a₃=3.74%； 

由图4可知，规定饱和度范围中值对应的油石比a₄＝3.83% 

最佳油石比初始值OAC₁： 

${\mathrm{OAC}}_1=\frac{a_1+a_2+a_3+a_4}{4}=\frac{4.30\%+4.25\%+3.74\%+3.83\%}{4}=4.03\%$

3.5OAC₂的确定 

由图5可知，油石比的公共范围为： 

OAC_min=3.45% 

OAC_max=3.95% 

最佳油石比初始值OAC₂： 

OAC₂＝(OAC_min+OAC_max)/2＝(3.45%+3.95%)/2＝3.70% 

3.6最佳油石比OAC的确定 

根据公式④计算佳油石比OAC 

OAC＝(OAC₁+OAC₂)/2＝(4.03%+3.70%)/2＝3.87% 

4沥青混合料性能的检验 

按步骤3.6确定的最佳油石比3.87%制作车辙板试件和VVTM试件，测试其动稳定度为5943次/mm、残留稳定度为91.5%、残留强度比为89.2%、破坏强度为13.92MPa，均满足工程要求。 

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，本发明不限于该实施例，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。 

Claims (1)

1.一种AC-20沥青混合料的设计方法，其特征在于，该方法采用垂直振动法设计，具体按照以下步骤进行：

1）原材料选择及测试

从工程实际使用的材料中取代表性样品，对其技术指标进行测试；

2）矿料级配的设计

根据工程级配设计范围和各组成材料筛分试验资料，计算符合要求级配范围的各组成材料用量比例；

3）最佳油石比的确定

A、垂直振动试件的制作

根据工程经验预估油石比P_a，并采用垂直振动法分别制作油石比为P_a、P_a±（0.3～0.5）、P_a±（0.6～1.0）的5组试件；垂直振动试件成型步骤如下：

（1）用蘸有少许黄油的棉纱擦拭内径100mm×高度180mm的试模内侧及垫块，并置于100℃烘箱中加热1h；

（2）根据粘度曲线确定沥青混合料的拌和温度、压实温度，并按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）（简称“JTG E20-2011”）规定将沥青加热至混合料拌合温度；

（3）根据工程经验预估压实后沥青混合料密度ρ_f，则一个试件质量为M=ρ_f×π×5²×6.35；根据各规格集料比例和试件质量M，预估一个试件所需的各规格集料的用量M_k，（k=1，2，3，4，5），所述M₁、M₂、M₃、M₄、M₅和M₆分别代表19～26.5mm、9.5～19mm、4.75～9.5mm、2.36～4.75mm、机制砂和矿粉的质量；

（4）称取一份各规格集料的用量为M_k×(1.1～1.2)，（k=1，2，3，4，5），并将其拌合均匀；称取一份矿粉的用量为M₆×(1.1～1.2)；分别置于规定拌和温度的烘箱中加热4～5h；

（5）从烘箱中取出步骤（4）中的混合料置于预热至规定拌和温度的沥青混合料拌和锅内，并适当拌和；

（6）从烘箱中取出加热好的沥青，称取所需的沥青质量m_i，加入步骤（5）中的沥青混合料拌和锅内，开动拌和锅拌和90s；其中： $m_i=(1.1~1.2)\×\underset{k=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{M}_k[3.3+0.5(i-1)]\%,$ i是指第i组油石比，i=1，2，3，4，5；

（7）从烘箱中取出已加热好的矿粉，加入步骤（6）中沥青混合料拌和锅内，再次开动拌和锅拌和90s；

（8）从沥青混合料拌和锅中取出已拌和好的沥青混合料，并称取1个试件所需混合料用量，放入预热至100℃的金属盘中；

（9）从烘箱中取出预热至100℃的试模和垫块，并用蘸有少许黄油的棉纱擦拭试模内侧、垫块及振动锤底面；将垫块装入试模内并垫入一张吸油性小的圆形纸片，要求垫块底部平整；然后将沥青混合料均匀装入试模中，沥青混合料沿周边插捣15～20次、中间10～15次，插捣后将沥青混合料表面整平成凸圆弧面；

（10）插入温度计至装好的沥青混合料中心附近，测定沥青混合料温度是否符合JTG E20-2011要求的压实温度；

（11）待混合料达到要求的压实温度后，在装好的混合料顶面垫一张吸油性小的圆纸，然后将试模连同垫块固定到振动压实仪上，放下振动锤使其与沥青混合料接触，开启振动压实仪振动压实60±5s；

振动压实仪参数配置为：振动频率：37±2Hz、名义振幅：1.4±0.2mm、上车系统重量：1.2±0.2kN、下车系统重量：1.8±0.2kN；

（12）振动压实结束后，将试模连同垫块从振动压实仪上取下，取掉试件顶面的圆形纸片，量取试件高度；试件标准高度为63.5±1.3mm，如不符合标准高度要求时，试件作废，并按公式①调整试件混合料质量，并按步骤（8）～（12）重新制备试件直到高度符合标准要求为止；

（13）将装有成型试件的试模连同垫块冷却至室温，脱出试件，并取掉试件底面的圆形纸片；

（14）重复步骤（7）～（13）制作6个试件；

（15）按步骤（6）～（14）制作第i组油石比的垂直振动试件；

B、垂直振动试件物理力学指标的测试

测试不同油石比的试件的毛体积密度ρ_f、马歇尔稳定度MS和流值FL，计算其空隙率VV、矿料间隙率VMA、沥青饱和度VFA等物理力学指标；

C、油石比与物理力学指标关系图的绘制

根据沥青混合料垂直振动试件物理力学指标测试结果，以油石比为横坐标，以毛体积密度、空隙率、饱和度、稳定度、流值为纵坐标，将试验结果绘制成油石比与各项指标的关系曲线；

D、最佳油石比的确定

（1）OAC₁的确定

根据油石比与各项指标的关系曲线图，取密度最大值、稳定度最大值、规定空隙率范围的中值、规定饱和度范围的中值所对应的油石比为a₁、a₂、a₃、a₄，求取平均值作为最佳油石比初始值OAC₁，见公式②；

OAC₁=（a₁+a₂+a₃+a₄）/4               ②

（2）OAC₂的确定

根据垂直振动设计技术标准，以各项指标均符合技术标准要求的油石比范围OAC_min～OAC_max中值，按以下公式③求取作为最佳油石比初始值OAC₂：

OAC₂=（OAC_min+OAC_max）/2                                 ③

（3）最佳油石比OAC的确定

取OAC₁与OAC₂的平均值，按以下公式④求取作为沥青混合料的最佳油石比OAC；

OAC=（OAC₁+OAC₂）/2                          ④

4）性能的检验

对上述确定的配合比按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）要求进行高温稳定性能、低温抗裂性能和水稳定性能的检验。

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