CN105893712A - 一种沥青混合料配合比设计方法及沥青混合料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种沥青混合料配合比设计方法及沥青混合料，所述方法包括：步选择原材料，级配设计，根据推荐的沥青膜厚度，确定合理油石比，以0.5％为间隔调整3个不同的油石比制作三组马歇尔试件，目标空隙率所对应的油石比与合理油石比的平均值即为最佳油石比，进行配合比设计检验，得出最终的配合比。本发明只需以合理油石比为中值±5％取3个油石比分别制作马歇尔试件即可定最佳油石比。

Description

一种沥青混合料配合比设计方法及沥青混合料

【技术领域】

本发明涉及一种公路与城市道路设计技术领域，尤其涉及一种基于沥青膜厚的沥青混合料配合比设计方法及根据该方法制作的沥青混合料。

【背景技术】

沥青路面所使用的材料一般为沥青、碎石、矿粉以及添加剂等，由这些材料组成的沥青混合料必须满足的路面功能要求包括：优秀的力学特性，包括抗疲劳能力，高温抗变形能力，低温抗开裂能力等；足够的耐久性，主要是对于自然环境因素影响的抵抗能力，如抗老化、抗浸水能力等。合理的结构适应性，在沥青路面结构中，不同层位对于沥青混合料具有完全不同的性能要求，不同特性的材料被应用于不同的结构层位。

目前沥青混合料组成设计方法还存在不足，影响了工程领域沥青路面技术的发展，例如现有的技术方法需要取5个或5个以上的油石比分别制作马歇尔试件来确定最佳油石比，确定OAC1和OAC2时需要马歇尔密度、稳定度、空隙率、沥青饱和度等指标来综合确定，另外制作的沥青膜太薄导致混合料表观暗淡、色泽差，沥青膜太厚导致混合料表现黑亮。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是如何缩短试验时间和降低试验成本，快速确定最佳油石比。

解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种基于沥青膜厚的沥青混合料配合比设计方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一：选择原材料，

所述原材料包括粗集料、细集料、矿粉和沥青，所述粗集料根据粒径分为若干档；

步骤二：级配设计，

根据步骤一中所述的粗集料、细集料和矿粉，对所要制备的沥青混合料的级配组成进行设计，所制备的沥青混合料根据筛孔孔径得出通过率；

步骤三：确定油石比范围，

根据推荐的沥青膜厚度，确定合理油石比；

步骤四：按照步骤三确定的合理油石比进行马歇尔击实试验，

以0.5％为间隔调整3个不同的油石比制作三组马歇尔试件，空隙率VV在目标空隙率左右，验证矿料间隙VMA大于或等于最低要求值；

步骤五：确定最佳油石比，

目标空隙率所对应的油石比与合理油石比的平均值即为最佳油石比；

步骤六：配合比设计检验，

对确定了最佳油石比的配合比进行高温稳定性检验、水稳定性检验和低温抗裂性能检验；

步骤七：最终的配合比，

按照所述级配设计和最佳油石比确定最终配合比；

其中，所述筛孔孔径包括0.075、0.15、0.30、0.60、1.18、2.36、4.75、9.5、13.2、16.0、19.0及26.5。

另一方面，本发明提供一种沥青混合料，所述沥青混合料是根据如上所述的基于沥青膜厚的沥青混合料配合比设计方法制作而成。

本发明的有益效果在于相较于传统的沥青混合料配合比设计方法，本方法有以下优势：本方法只需以合理油石比为中值±5％取3个油石比分别制作马歇尔试件即可定最佳油石比；直接把目标空隙率对应的油石比定为OAC1，把合理油石比范围的中值定为OAC2；沥青膜厚较最佳油石比能更直观反映混合料合理的沥青用量；可通过沥青混合料的沥青膜厚指标确定或优化最佳沥青用量。

【附图说明】

图1本发明基于沥青膜厚的沥青混合料配合比设计方法流程图。

图2是本发明AC-20C级配曲线图。

图3是本发明油石比与空隙率曲线图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1所示为本发明基于沥青膜厚的沥青混合料配合比设计方法流程图。

步骤一：原材料选择。

检验原材料是否满足规范要求，原材料满足要求则进行步骤二，否则重新选择原材料。所述原材料包括粗集料、细集料、矿粉和沥青，所述粗集料根据粒径分为若干档。

步骤二：级配设计。

规范要求，对所要制备的沥青混合料的级配组成进行设计。

具体地，根据步骤一中所述的粗集料、细集料和矿粉，对所要制备的沥青混合料的级配组成进行设计，所制备的沥青混合料根据筛孔孔径得出通过率。

步骤三：确定油石比范围。

根据表1推荐的沥青膜厚度，确定合理油石比。步骤四：按照步骤三确定的合理油石比进行马歇尔击实试验。

以0.5％为间隔调整3个不同的油石比进行马歇尔击实试验，测试其VV和VMA，验证VV是否在目标空隙率左右和VMA是否大于或等于规范最低要求值；当VV和VMA均满足要求则进行步骤五，否则返回步骤二。

步骤五：确定最佳油石比。

目标空隙率所对应的油石比与合理油石比的平均值即为最佳油石比。

步骤六：配合比设计检验。

对确定了最佳油石比的配合比进行高温稳定性检验、水稳定性检验和低温抗裂性能检验；试验结果满足要求则进行步骤七，否则返回步骤二。

步骤七：最终的配合比。

按照所述级配设计和最佳油石比确定最终配合比。请一并参阅图2及图3所示，将详细描述基于沥青膜厚度的沥青混合料的配合比设计方法。

步骤一、原材料选择

本实施例所采用的原材料为：集料、矿粉和沥青，其中集料包括粗集料和细集料。所选择的集料、矿粉和沥青均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求，下文将满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求的指标值称为要求值，将实验时所选用的材料的指标值称为实验值。

本实施例中粗集料选用AC-20C石灰岩，选择AC-20C石灰岩三档粗集料，即5mm-10mm、10mm-15mm及15mm-25mm三档粗集料，AC-20C石灰岩的要求值及实验值如表1所示。

当然，粗集料的选择不限于上述实施例，粗集料可以有若干档，细集料一般为一档。例如：

AC-13型沥青混合料可能的组成为：粗集料(10-15mm)、粗集料(5-10mm)、细集料(0-5mm)、矿粉、沥青；

AC-20型沥青混合料可能的组成为：粗集料(10-20mm)、粗集料(5-10mm)、细集料(0-5mm)、矿粉、沥青。

表1

本实施例中细集料的粒径为0-5mm，所述细集料的要求值及实验值如表2所示。

表2

本实施例中矿粉的要求值及实验值如表3所示。

表3

本实施例中沥青选用的是70#A，沥青的要求值及实验值如表4所示。

表4

步骤二、级配设计

按照规范要求，对所要制备的沥青混合料的级配组成进行设计。

本实施例所设计的级配为AC-20C级配，具体级配组成如表5。

实验选取了粒径分别为5-10mm、10-15mm及15-20mm的三档粗集料，粒径为0-5mm的细集料以及矿粉制备沥青混合料级配。

表5

所制备的沥青混合料通过筛孔的通过率如图2所示，横坐标代表筛孔尺寸，筛孔尺寸分别0.075、0.15、0.30、、0.60、1.18、2.36、4.75、9.5、13.2、16.0、19.0、26.5mm。纵坐标代表所制备的沥青混合料的通过率，图2中分别显示了规定级配范围上限通过百分率、规定级配范围中值通过百分率、规定级配范围下限通过百分率及合成级配通过百分率。

表6为沥青混合料的推荐沥青膜厚。

表6

步骤三、根据表6推荐的沥青膜厚度，确定合理油石比

油石比是指沥青混凝土中沥青与矿料质量比的百分数，它是沥青用量的指标之一。它的用量高低直接影响路面质量，油石比大则路面容易泛油，反之则影响强度和防水效果。

本实施例按式1-1的方法计算集料的比表面，按式1-2估算沥青混合料的沥青膜有效厚度。

SA＝Σ(Pi*FAi) (1-1)

式中：SA为集料的比表面积，单位为m²/kg；Pi为各种粒径的通过百分率，单位为％；FAi为相应于各种粒径的集料的表面积系数，各种粒径的集料的表面积系数如表6所列。

P_be＝DA*SA*γ_b/10 (1-2)

式中：DA为沥青膜有效厚度，单位为μm；P_be为有效沥青含量，单位为％；γ_b为沥青的相对密度(25℃/25℃)，无量纲。

$P_{be}=P_b-\frac{P_{ba}}{100}*P_s---(1-3)$

$P_{ba}=\frac{{\mathrm{\γ}}_{se}-{\mathrm{\γ}}_{sb}}{{\mathrm{\γ}}_{se}*{\mathrm{\γ}}_{sb}}*{\mathrm{\γ}}_b*100---(1-4)$

结合式(1-2)至(1-4)推出式(1-5)所示。

$Pb=\frac{100{\mathrm{\γ}}_b({\mathrm{\γ}}_{se}-{\mathrm{\γ}}_{sb})+DA*SA*{\mathrm{\γ}}_b*{\mathrm{\γ}}_{se}*{\mathrm{\γ}}_{sb}/10}{{\mathrm{\γ}}_{se}*{\mathrm{\γ}}_{sb}+{\mathrm{\γ}}_b*({\mathrm{\γ}}_{se}-{\mathrm{\γ}}_{sb})}---(1-5)$

${\mathrm{\γ}}_{sb}=\frac{100}{\frac{P_1}{{\mathrm{\γ}}_1}+\frac{P_2}{{\mathrm{\γ}}_2}+...+\frac{P_n}{{\mathrm{\γ}}_n}}---(1-6)$

${\mathrm{\γ}}_{sa}=\frac{100}{\frac{P_1}{{{\mathrm{\γ}}^{\′}}_1}+\frac{P_2}{{{\mathrm{\γ}}^{\′}}_2}+...+\frac{P_n}{{{\mathrm{\γ}}^{\′}}_n}}---(1-7)$

γ_se＝C*γ_sa+(1-C)*γ_sb (1-8)

C＝0.033ω_x ²-0.2936ω_x+0.9339 (1-9)

${\mathrm{\ω}}_x=(\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{sb}}-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{sa}})*100---(1-10)$

式中：

P_ba为沥青混合料中被集料吸收的沥青结合料比例，单位为％。

P_be为沥青混合料中的有效沥青用量，单位为％。

γ_se为集料的有效相对密度，无量纲。

γ_sb为矿料的合成毛体积相对密度，无量纲。

γ_sa为矿料的合成表观相对密度，无量纲。

γ_b为沥青的相对密度(25℃/25℃)，无量纲。

P_b为沥青含量，单位为％。

P_S：各种矿料占沥青混合料总质量的百分率之和，即P_s＝100-P_b。

P₁、P₂、...、P_n：各种矿料成分的配合比，其和为100。

γ₁、γ₂、...、γ_n：各种矿料相应的毛体积相对密度。

γ'₁、γ'₂、...、γ'_n：各种矿料相应的表观相对密度。

C：合成矿料的沥青吸收系数。

ω_x为合成矿料的吸水率。

集料的表面积系数计算结果见表7所示。

表7

注：筛孔尺寸单位为mm，各种公称最大粒径混合料中大于4.75mm尺寸集料的表面积系数FA均取0.0041，且只计算一次，4.75mm以下部分的FAi如表7示例。集料比表面总和SA＝4.75m²/kg。

矿料的物理指标计算结果见表8。

表8

指标	γse	γsb	γsa	C	ωx
						结果	2.711	2.693	2.715	0.851	0.292

对于AC-20C型沥青混合料，查询表6可知推荐沥青膜厚DA为8μm，γ_b实测值为1.030，将DA、γ_b、γ_se和γ_sb的值代入公式5中，得到合理沥青用量P_b为4.15％，对应的合理油石比为4.3％。

步骤四、马歇尔击实试验

按照步骤三确定的合理油石比，以0.5％为间隔调整3个不同的油石比进行马歇尔击实试验，验证空隙率VV和矿料间隙VMA。

按JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的方法制作三组马歇尔试件，并按JTG E20-2011中的要求测其空隙里VV和矿料间隙VMA。

$VV=(1-\frac{{\mathrm{\γ}}_f}{{\mathrm{\γ}}_t})*100---(4-1)$

$VMA=(1-\frac{{\mathrm{\γ}}_f}{{\mathrm{\γ}}_{sb}}*\frac{P_S}{100})*100---(4-2)$

式中：VV为试件的空隙率，采用百分比表示；VMA为试件的矿料间隙率，采用百分比表示；γ_f为试件的毛体积相对密度，无量纲；γ_t为沥青混合料的最大理论相对密度，无量纲。

马歇尔试件VV和VMA的计算结果见表9。

表9

此例的配合比设计的目标空隙率为4％，查表10中最小VMA与公称最大粒径的关系可知最小VMA要求为13％。

表10

验证空隙率是否为4％左右和VMA是否大于13％，从表9可知，VV和VMA满足要求。

步骤五、确定最佳油石比

小范围油石比内的马歇尔密度很难出现峰值，可直接以目标空隙率所对应的油石比作为OAC1(如图3所示)。目标空隙率对应的油石比OAC1与合理油石比OAC2(由公式1-5计算得来)的平均值即为配合比设计的最佳油石比OAC。

由图3可得出OAC1＝4.36％，根据推荐沥青膜厚计算得出OAC2＝4.3％，因此最佳油石比OAC＝(OAC1+OAC2)/2＝(4.36％+4.3％)/2＝4.3％。

步骤六、配合比设计检验

以4.3％为最佳油石比对配合比进行高温稳定性检验、水稳定性检验和低温抗裂性能检验。AC-20C沥青混合料性能验证结果如表11所示。

表11

步骤七、最终配合比

综上所述，本例AC-20C型沥青混合料配合比为粗集料(15-25mm)：粗集料(10-15mm)：粗集料(5-10mm)：细集料(0-5mm)：矿粉＝23：21：18：35：3，最佳油石比为4.3％。

本发明还涉及一种沥青混合料，包括粗集料(15-25mm)、粗集料(10-15mm)、粗集料(5-10mm)、细集料(0-5mm)、矿粉，其中所述粗集料(15-25mm)、粗集料(10-15mm)、粗集料(5-10mm)、细集料(0-5mm)、矿粉的配合比根据所述基于沥青膜厚的沥青混合料配合比设计方法确定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于沥青膜厚的沥青混合料配合比设计方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一：选择原材料，

所述原材料包括粗集料、细集料、矿粉和沥青，所述粗集料根据粒径分为若干档；

步骤二：级配设计，

根据步骤一中所述的粗集料、细集料和矿粉，对所要制备的沥青混合料的级配组成进行设计，所制备的沥青混合料根据筛孔孔径得出通过率；

步骤三：确定油石比范围，

根据推荐的沥青膜厚度，确定合理油石比；

步骤四：按照步骤三确定的合理油石比进行马歇尔击实试验，

以0.5％为间隔调整3个不同的油石比制作三组马歇尔试件，空隙率VV在目标空隙率左右，验证矿料间隙VMA大于或等于最低要求值；

步骤五：确定最佳油石比，

目标空隙率所对应的油石比与合理油石比的平均值即为最佳油石比；

步骤六：配合比设计检验，

对确定了最佳油石比的配合比进行高温稳定性检验、水稳定性检验和低温抗裂性能检验；

步骤七：最终的配合比，

按照所述级配设计和最佳油石比确定最终配合比；

其中，所述筛孔孔径包括0.075、0.15、0.30、0.60、1.18、2.36、4.75、9.5、13.2、16.0、19.0及26.5。

2.一种沥青混合料，其特征在于，所述沥青混合料是根据如权利要求1所述的基于沥青膜厚的沥青混合料配合比设计方法制作而成。