某高等级公路沥青路面中面层用沥青混合料配合比设计。表8.26各挡集料和矿粉的密度和吸水率表8.27各档集料和矿粉的筛分结果设计要求确定沥青混合料类型进行矿质混合料配合比设计。图8.11矿质混合料级配组成曲线步骤2：矿质混合料设计配合比的确定①拟定......
2023-09-01
密级配沥青混合料配比设计要求
【摘要】：毛体积相对密度是压实沥青混合料毛体积密度与同温度水密度的比值。沥青混合料的理论最大相对密度通过实测法或计算法确定。计算法是根据沥青混合料组成材料的相对密度和用量比例来进行计算的。因此，在评价沥青混合料空隙率时，为得到较为真实的空隙率数据，应根据试件空隙率水平，按照规定的标准方法进行试验和计算。
我国采用马歇尔试验方达进行密级配沥青混合料的配合比设计，通过马歇尔击实成型试件，根据沥青混合料马歇尔试件的各项体积参数指标.如试件毛体积密度、空隙率、沥青饱和度和矿料间隙率，以及稳定度、流值等指标，确定矿质混合料级配组成和合适的沥青用量。
1.沥青混合料的体积参数
（1）矿质混合料的体积与密度
沥青混合料由沥青、矿质混合料及外加剂等材料组成。由于矿质混合料的级配差异、沥青用量差异以及压实程度的不同，集料颗粒可能排列成不同的组成结构状态，但是从质量和体积的物理观点出发，沥青混合料的组成结构主要是沥青、矿质混合料和空隙。
①矿质混合料的合成密度。
矿质混合料由不同粒径的各档集料合成，矿质混合料的合成毛体积相对密度与合成表观相对密度分别由式（8.8）和式（8.9）计算。
式中 γsb──矿质混合料的合成毛体积相对密度，无量纲；
γsa──矿质混合料的合成表观相对密度，无量纲；
γ1， γ2， … ，γn──各档集料的毛体积相对密度，无量纲；
──各档集料的表观相对密度，无量纲；
P1， P2，… ， Pn──合成矿质混合料中各档集料的比例
（%）。
②矿质混合料的有效体积和有效密度。
在沥青混合料中，矿质混合料（集料）的部分开口孔隙会吸入沥青，此时，集料的毛体积由两部分组成：部分是集料实体体积+闭口孔隙体积+部分开口孔隙体积，另一部分是吸入沥青的开口孔隙体积。前者定义为集料的有效体积。根据这个定义，当采用毛体积密度计算集料体积时，则认为开口孔隙中没有吸入沥青，所计算的集料体积比实际情况偏大；当采用表观密度计算集料体积时，则认为开口孔隙中充满了沥青，所计算的集料体积比实际情况偏小。
因此，矿质混合料的有效体积介于合成毛体积与合成表观体积之间，与其对应的有效密度是一个介于毛体积密度和表观密度之间的计算密度，该密度考虑了集料的部分开口孔隙吸入沥青的情况，沥青的吸入量则取决于集料开口孔隙特征和集料吸水性。
我国《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）规定，集料的有效相对密度按照式（8.10）进行计算。
式中 C──矿质混合料的沥青吸收系数，
其中 wx──矿质混合料的合成吸水率。
（2）沥青混合料试件的毛体积密度
沥青混合料试件的毛体积密度（Bulk Density） 是指沥青混合料单位毛体积的干质量。这个毛休积是指沥青混合料试件在饱和面干状态下表面轮廓水膜所包裹的全部体积，包含了沥青混合料实体体积、闭口空隙体积、能吸收水分的开口空隙等试件表面轮廓所包围的全部体积。毛体积相对密度是压实沥青混合料毛体积密度与同温度水密度的比值。
式中 ρf──沥青混合料试件的毛体积密度，（g/cm3）；
ma──沥青质量，g；
mg──矿质混合料的合成质量，g；
Va──沥青体积， cm3；
Vse──合成矿质混合料的有效体积 ，cm3；
V──沥青混合料中的空隙体积， cm3。
（3）沥青混合料的理论最大密度
沥青混合料试件的理论最大密度（Theoretical Maximum Density）是假设沥青混合料试件被压实至完全密实，没有空隙的理想状态下单位体积的质量，即假设压实沥青混合料试件全部为矿料和沥青所占有，空院率为零时的密度。理论最大相对密度是同一温度条件下，沥责混合料理论最大密度与水密度的比值。沥青混合料的理论最大相对密度通过实测法或计算法确定。
①实测法。
实测法原理是将沥青混合料试样充分分散，借助于负压容器中的剩余压力，将沥青混合料颗粒间的空气抽出来，使被测试的混合料试样接近零空隙率状态，然后通过排水法测定混合料的体积，进而计算沥青混合料的理论最大相对密度。但对于改性沥青混合料来讲，由于沥青黏度较大，很难将封闭在颗粒间的空气完全排除，由此而测定的混合料体积偏大，计算的理论最大相对密度偏小。针对这种情况，可以采取计算法求取沥青混合料的理论最大相对密度。
②计算法。
计算法是根据沥青混合料组成材料的相对密度和用量比例来进行计算的。在工程中，沥青用量以油石比和沥青含量两种指标表示。油石比定义为沥青与矿料的质量百分比，而沥青含量定义为沥青质量占沥青混合料总质量的百分率。当采用油石比指标时，沥青混合料的理论最大相对密度按式（8.14）进行计算；当采用沥青含量指标时，沥青混合料的理论最大相对密度按照式（8.15）进行计算。
式中 γt──压实沥青混合料试件的理论最大相对密度，无量纲：
γse──矿质混合料的有效相对密度，无量纲；
Pa──沥青混合料的油石比（%）；
Pb──沥青混合料的沥青含量（沥青混合料质量分数＝沥青质量分数+矿料质量分数＝100）（%）；
γa、 γb──沥青的相对密度（25℃/25℃），在数值上相等，无量纲。
（4）沥青混合料试件的空隙率
沥青混合料试件的空隙率VV（Volume of Air Voids）是指压实状态下沥青混合料内矿料和沥青实体之外的空隙（不包括矿料本身及其表面已被沥青封闭的孔隙）的体积V占试件总体积的百分率，根据压实沥青混合料试件的毛体积相对密度和理论最大相对密度，按式（8.16）计算。
式中 VV──沥青混合料试件的空隙率（%）；
γf──沥青混合料试件的毛体积相对密度，无量纲；
γt──沥青混合料试件的最大理论相对密度，无量纲。
空隙率是根据沥青混合料试件的实测毛体积密度所得，密度测试方法和测试结果的变异性会对空隙率的计算结果产生较大的影响。一般空隙率大小排序为：水中重法<表干法<体积法。因此，在评价沥青混合料空隙率时，为得到较为真实的空隙率数据，应根据试件空隙率水平，按照规定的标准方法进行试验和计算。
空隙率大小直接影响着沥青混合料的稳定性和耐久性，空隙率过大，会引发沥青路面产生车辙变形，增大沥青混合料中沥青的氧化速率和老化程度，并增加水分进入沥青混合料内部穿透沥青膜，导致沥青从集料颗粒表面剥落，从而降低沥青混合料的耐久性。
（5）沥青混合料试件的矿料间隙率
沥青混合料试件的矿料间隙率VMA（Voids in Mineral Aggregate）是指压实沥青混合料试件中矿质混合料实体以外的空间体积占试件总体积的百分率。由式（8.17）计算。
式中 VMA──沥青混合料试件的矿料间隙率（%）；
γsb──合成矿料的合成毛体积相对密度；
Ps──各档集料总质量占沥青混合料总质量的百分比（%）。
矿料间隙率VMA反映了沥青混合料中矿料级配组成情况。如矿料级配曲线接近最大密实级配曲线时，在成型条件相同的情况下，沥青混合料的VMA值较小。适当增加矿料中的粗集料用量，可以提高沥青混合料的VMA，如骨架型结构的沥青混合料。
（6）沥青混合料试件的沥青饱和度
沥青饱和度VFA（Voids Filled with Asphalt）是指压实沥青混合料试件中沥青实体体积占矿料实体以外的空间体积的百分率，又称为沥青填隙率（Percent of the Voids in Mineral Aggregate Filled with Asphalt），按式（8.18）计算。
式中 VFA──沥青混合料试件的沥青饱和度（%）；
VMA──沥青混合料试件的矿料间隙率（%）；
VV──沥青混合料试件的空隙率（%）。
沥青饱和度VFA表征沥青结合料填充矿料间隙的程度，反映了沥青混合料中沥青用量是否合适。沥青用量过大，会导致路面泛油和车辙等；沥青用量过小，沥青路面的耐久性不足。
2.配合比设计指标与技术要求
国家标准《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中对沥青混合料马歇尔试件的成型条件、试件的体积参数指标、马歇尔稳定度和流值指标的要求见表8.22，表中的技术要求适用于公称最大粒径不大于26.5 mm 的密级配沥青混合料。如使用改性沥青时，混合料的马歇尔试验指标要求允许适当调整。
表8.22 密级配热拌沥青混合料马歇尔试验的技术要求
3.配合比设计验证指标与技术要求
现行规范规定，对用于高速公路、一级公路和城市快速路、主干路沥青路面上面层和中面层的沥青混合料进行配合比设计时，应根据沥青路面气候分区、道路交通条件等，对沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性进行检验，不满足要求时应对矿料级配或沥青用量进行调整，重新进行配合比设计。
（1）高温稳定性检验
在规定的条件下进行车辙试验，沥青混合料的动稳定度应符合表8.23的要求。用于轻型交通为主的旅游区道路，可以根据情况适当降低要求。
用于重载车辆特别多或纵坡较大的长距离上坡路段、厂矿专用道路，可酌情提高动稳定度要求。
表8.23 沥青混合料车辙试验动稳定度技术要求[12]
（2）水稳定性检验
在规定条件下进行沥青混合料的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，残留稳定度和冻融劈裂强度比应满足表8.24的要求。
表8.24 沥青混合料水稳定性技术要求[13]
（3）低温抗裂性检验
在温度为－10℃加载速率为50 mm/min 的条件下进行沥青混合料弯曲试验.测定破坏强度、破坏应变、破坏劲度模量，综合评价沥青混合料的低温抗裂性，沥青混合料的破坏应变应满足表8.25的要求。
表8.25 沥青混合料低温弯曲试验破坏应变技术要求[14]
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