配热拌沥青混合料密级设计方法

沥青混合料配合比设计包括三个阶段：目标配合比设计阶段、生产配合比设计阶段和生产配合比验证阶段，后两个设计阶段是在目标配合比的基础上进行的，借助于施工单位的拌和设备、摊铺和碾压设备，在进行沥青混合料的试拌试铺的基础上，完成对沥青混合料配合比的调整。

1.组成材料选择与材料性能测试

经现场勘查、试验检测后确认实际工程所用的各种原材料。按照规定的试验方法对这些材料进行取样，测试各档集料、矿粉、沥青材料的密度，进行集料的筛分试验，确定各种规格集料的级配组成。

2.矿质混合料的配合比设计

（1）确定矿质混合料的工程设计级配范围

首先根据道路使用条件和结构层位，确定所用沥青混合料类型，并确定沥青混合料的公称最大粒径，然后在规定的级配范围中确定沥青混合料的工程设计级配范围。也可以根据试验研究成果选择其他类型的沥青混合料类型及相应的级配范围。

（2）拟定初试配合比

按照矿质混合料配合比设计方法，根据各档集料的筛分结果，在工程设计级配范围中，设计3组初选配合比，确定每组混合料中各档集料的用量比例，计算矿质混合料的合成级配。

矿料的合成级配曲线当经过反复调整仍有两个以上的筛孔超出设计级配范围时，必须对原材料进行调整或更换原材料重新设计。通常情况下，合成级配曲线宜尽量接近设计级配中值，尤其应使0.075 mm、2.36 mm、4.75 mm 等筛孔的通过量尽量接近设计级配范围的中值。

（3）矿质混合料设计配合比的确定

根据使用经验，初步估计沥青用量，按照初试矿料配合比拌制3组沥青混合料。在标准条件下，成型马歇尔试件，测试试件的毛体积密度、计算试件空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度。根据沥青混合料马歇尔试件体积参数指标的技术要求，确定矿料的设计配合比。

3.最佳沥青用量的确定

（1）沥青混合料马歇尔试验

首先按照所设计的矿质混合料配合比，计算各种规格集料的用量.称量各档集料和矿粉。然后根据经验估计适宜的沥青用量（或油石比）。以所估计的沥青用量（或油石比）为中值，按0.5%间隔变化取5个不同的沥青用量（或油石比）。拌制沥青混合料，并按照表8-22中规定的击实次数成型马歇尔试件。

计算或测试沥青混合料的理论最大相对密度。测试沥青混合料试件的毛体积密度，然后计算沥青混合料试件的空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率等体积参数。

在马歇尔试验仪上，按照标准方法测定沥青混合料试件的马歇尔稳定度和流值。以油石比或沥青用量为横坐标，与沥青混合料试件的毛体积密度、空隙率、沥青饱和度、马歇尔稳定度和流值指标为纵坐标，将实验结果点入图中，连成光滑的曲线。

（2）沥青最佳用量初始值的确定

确定最佳沥青用量的初始值OAC1。根据图8.10求取相应于马歇尔稳定度最大值、毛体积密度最大值、目标空隙率（或设计范围中值）、设计沥青饱和度范围中值的沥青用量a1、a2、a3和a4，按式（8.19）计算四者的平均值作为最佳沥青用量初始值OAC1。

在试验中，如果密度或者稳定度没有出现峰值，可以直接采用目标空隙率对应的沥青用量a3作为OAC1，但是OAC1必须介于OACmin～OACmax的范围内，否则应该重新进行配合比设计。

图8.10　沥青用量与马歇尔试验物理-力学指标关系图

确定沥青最佳用量的初始值OAC2。求出各项指标（不含VMA）均符合表8.22所规定的技术标准的沥青用量范围OACmin～OACmax，由式（8.20）计算沥青最佳用量的初始值OAC2。

（3）综合确定最佳沥青用量OAC

最佳沥青用量OAC的确定应沥青路面的工程实践经验、道路等级、交通特性、气候条件等因素。

通常情况下取OA C1和OAC2的平均值作为计算的最佳沥青用量OAC，检验与OAC对应的矿料间隙率VMA是否满足规范表8.19对VMA最小值的要求。

对于炎热地区道路以及高速公路、一级公路、城市快速路、主干路的重载交通路段，山区公路的长大纵坡路段，预计有可能出现较大车辙时，宜在空隙率符合要求的范围中，将计算的OAC减小0.1%～0.5%作为设计的最佳沥青用量，并通过试验路段试拌试铺进行调整确认。

对寒区道路旅游区道路以及交通量很少的道路，最佳沥青用量可以在计算的OAC的基础上增大0.1%～0.3%，以适当降低设计空隙率，但不得降低压实度的要求。

4.配合比设计检验

用于高等级道路沥青路面的密级配沥青混合料，需要对确定的配合比设计进行性能检验，不符合要求的沥青混合料，应更换材料或重新进行配合比设计。配合比设计检验按照设计的最佳沥青用量在标准条件下进行。设计的沥青混合料的动稳定度、残留稳定度或冻融劈裂强度破坏应变等指标应符合规范要求。

【例题8-3】某高等级公路沥青路面中面层用沥青混合料配合比设计。

（1）设计资料

设计某高速公路沥青路面中面层用沥青混合料，中面层结构设计厚度为6cm。

气候条件：7月平均最高气温32℃，年极端最低气温－6.5℃年降雨量1 500 mm。沥青结合料采用SBS改性沥青，相对密度为1.038，经检验各项技术性能均符合要求。

粗集料、细集料均为石灰岩。集料分为4档，按公称最大粒径由大至小编号，分别为：1号料（10～25 mm）、2号料（5～10 mm）、3号料（3～5 mm）和4号料（0～3 mm）。各档集料与矿粉的主要技术指标见表8.26，筛分试验结果见表8.27。

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

（2）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。确定最佳沥青用量，根据高速公路用沥青混合料要求检验沥青混合料的水稳定性和抗车辙能力。

步骤1：确定沥青混合料类型以及矿质混合料的级配范围。

根据设计资料和规范要求选用连续密级配AC-20型沥青混合料。AC-20混合料的公称最大粒径为19 mm，可以满足结构厚度不小于矿料公称最大粒径2.5倍的要求，也能满足中面层沥青混合矿料公称最大粒径不宜小于16 mm 的要求。AC20混合料的设计级配范围根据 《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）确定，设计级配范围见图8.11。

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拟定初试矿料配合比。

根据设计级配范围，设计3组矿质混合料，3组初试矿料的配合比见表8.28。合成级配组成见图8.10。根据各档集料级配组成密度的测试结果，计算初试混合料的合成表观相对密度、合成毛体积相对密度。再根据集料的吸水率，计算试配混合料的有效相对密度，结果见表8.28。

表8.28　三组初试矿质混合料的配合比

②矿料设计配合比的确定。

根据经验初估沥青用量4.3%，按表8.28中混合料的初试配合比进行备料，成型马歇尔试件，测试试件的毛体积密度。表8.29给出了试件的理论最大相对密度，毛体积相对密度、空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度，试件的理论最大相对密度由计算法确定。

根据道路等级和沥青混合料类型，查表8.22 ，确定沥青混合料马歇尔试件体积参数指标的技术要求，见表8.29中的最后一行。

表8.29三组初试混合料的马歇尔试件参数汇总

由表8.29可见，试配混合料2和混合料3试件的空隙率、矿料间隙率偏大、沥青饱和度偏小。试配混合料1的空隙率、矿料间隙率均满足设计要求。因此，选择试配混合料1作为设计配合比，各档集料的比例为，1号料∶2号料∶3号料∶4号料∶矿粉＝31∶25∶15∶25∶4。矿料的有效相对密度γse为2.722，合成毛体积相对密度γsb为2.698。

步骤3：最佳沥青用量的确定

①马歇尔试验。

根据初拟沥青用量的试验结果，AC-20型沥青混合料的最佳沥青用量可能在4.5%左右。按规范要求，采用0.5%间隔变化，分别以沥青用量3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和5.5%拌制5组沥青混合料。按规范规定，采用马歇尔击实仪每面各击实75次，成型5组试件。

根据沥青混合料材料组成计算各沥青用量下试件的理论最大相对密度。采用表干法测定试件在空气中的质量和表干质量，计算试件的毛体积密度、空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度指标。在60℃下，测定各组试件的马歇尔稳定度和流值。试件的体积参数、稳定度和流值的结果见表8.30。

根据设计资料，道路所在地7月份平均最高气温32℃，年极端最低气温－6.5℃，年降雨量1 500 mm。查表8-8，确定该沥青路面气候分区属于夏炎热冬温潮湿区1-4-1。由表8-22确定此沥青混合料试件体积参数指标和马歇尔试验指标的设计要求，见表8.30中的最后一行。

表8.30　马歇尔试件体积参数、稳定度和流值

②绘制各项指标与沥青用量的关系图。

根据表8.30中的数据，绘制沥青用量与毛体积密度、空隙率、沥青饱和度、马歇尔稳定度和流值等指标的关系曲线图，如图8.12所示。

图8.12　沥青用量与试件体积参数、马歇尔试验指标的关系曲线

（3）最佳沥青用量确定

①确定最佳沥青用量初始值OAC1。

由图8.12得，与马歇尔稳定度最大值对应的沥青用量a1＝4.5%，对应于试件毛体积相对密度最大值的沥青用量a2＝4.5%，对应于规定空隙率范围中值的沥青用量a3＝4.25%，对应沥青饱和度中值的沥青用量a4＝4.35%，求取a1、a2、a3、a4的算术平均值，得出最佳沥青用量初始值：

OAC1＝（4.5% +4.5% +4.25% +4.35%）/4≈4.40%

②确定最佳沥青用量初始值OAC2。

确定各项指标均符合沥青混合料标准要求的沥青用量范围，见图8-12中阴影部分其中OACmin＝4.25%，OACmax＝4.6%，代入公式（8.20）得：

OAC2＝（4.25%+4.6%）/2＝4.42%

当沥青用量为4.4%时，试件的矿料间隙率为14.8%，满足≥13%的技术要求。

③综合确定最佳沥青用量OAC。

一般条件下，以OAC1和OAC2的平均值作为最佳沥青用量。即OAC＝4.41%。

考虑道路所在地区属于夏炎热冬温潮湿区1-4-1，夏季气候炎热，在高速公路上渠化交通对沥青路面的作用，有可能出现车辙，故取最佳沥青用量OAC为4.4%。

（4）配合比检验

采用沥青用量4.4%制备沥青混合料，按照规定方法分别进行沥青混合料的冻融劈裂强度试验和车辙试验，试验结果分别列入表8.31和表8.32，均满足1-4-1区对沥青混合料水稳定性和抗车辙能力的要求。

表8.31　AC-20混合料冻融劈裂试验结果

表8.32　AC-20混合料车辙试验结果

（5）目标配合比设计结果汇总

将AC-20混合料的目标配合比设计结果汇总于表8.33。

表8.33　AC-20混合料目标配合比设计结果汇总

【工程实例分析8.1】

【现象】据悉，某一高速公路在铺设沥青混合料路面时，应用了针片状含量较高（约18%）的粗集料。经试验，在满足马歇尔技术要求的情况下，将沥青的用量增加约10%。但实际使用后，沥青路面的强度和抗渗能力相对较差。请分析原因，并提出防治措施。

【分析原因】首先，粗集料的针片状含量约18%，超过了规定，使矿料和沥青构成的空间网络结构中的空洞增加，加大沥青用量只能很小地弥补和填充；其次，若不适当增加矿粉用量 和纤维稳定剂，仍使SMA混合料的强度、抗渗性能得不到提高。

【防治措施】

（1）发现粗集料的针片状含量过高时，应在加工厂回轧，使之严格控制在不大于15%的含量；

（2）使粗集料的颗粒形状近似立方体，富有棱角和纹理粗糙，使网络骨架中的空洞减少；

（3）在设计粗集料配合比时，在级配曲线范围内适当降低针片状含量过高的瓜子片的用量（因为粒径为5～15 mm 瓜子片的针片状含量往往较高）。

【复习与思考】

①石油沥青的主要技术性质是什么？各用什么指标表示？

②怎样划分石油沥青的牌号？牌号大小与沥青主要技术性质之间的关系是怎样的？

③石油沥青的老化与组分有何关系？沥青老化过程中性质发生哪些变化？沥青老化对工程有何影响？

④某防水工程需要石油沥青35 t，要求软化点不低于70℃。现有A-60甲和10号石油沥青，测得它们的软化点分别是45℃和96℃。试求该两种牌号石油沥青的实验室掺配用量各为多少？

练习题

【注释】

[1]本表出自国家标准《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）。

[2]本表出自国家标准《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）。

[3]本表出自国家标准《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）。

[4]本表出自国家标准《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）。

[5]本表出自国家标准《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）。

[6]本表出自国家标准《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）。

[7]本表出自国家标准《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）。

[8]本表出自国家标准《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）。

[9]本表出自国家标准《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）。

[10]本表出自国家标准《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）。

[11]本表出自国家标准《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）。

[12]本表出自国家标准《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）。

[13]本表出自国家标准《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）。

[14]本表出自国家标准《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）。