* 收稿日期:2000-10-22
文章编号:1001-7291(2001)01-0003-06 文献标识码:B
·沥青路面专题·
沥青混合料目标配合比设计快速确定法
○林绣贤 游国兰 (同济大学 上海 200092)
摘要:提出全套集料组成建议值表,既符合Superpave 设计法的原则,又有利生产应用,还能与国标组成接轨,实践证明是合理的。文中对Superpave 设计法中,有效沥青计算公式进行修
订后,可使估算法得出的沥青含量已十分接近于最佳含量,经以旋转压实仪成型设计法和马歇尔设计法所得结果比较和实体工程检验,证明可行。因此,建议可以计算法所得的沥青含量作为最佳含量。经动稳定度和水损害试验检验后,如合格,即可交付工地作生产配合比设计用。此两者结合,即成为沥青混合料目标配合比中设计快速确定法。
关键词:沥青混合料;Superpave ;目标配合比;有效沥青;体积配比;集料有效密度 修筑一条性能优良、使用耐久的沥青路面,首先是选好沥青和集料。SHRP PG 级沥青分类即根据当地气候状况和道路等级及交通量选定沥青,并对其进行性能评价,以证明该沥青是否适应当地的高温防车辙、低温防缩裂、常温防疲劳的要求,应予推广应用。在集料方面,当前主要是要解决的粗集料的针片状含量和细集料的棱角性及含泥量问题。
当沥青与集料选定后,关键的就是目标配合比设计了。对此,作者在“高性能沥青混合料设计方法的应用”一文(《华东公路》1998年第5期),对Super -pave 设计法作过简介。经两年的实践检验,证明该法确有特色,并可简化,综述成文,以供参考。1 集料级配组成范围与合成级配的确定1.1 集料级配组成范围值的建议
在国标中,沥青混合料的组成有AC -I 型、AC -Ⅱ型、AK 型等。根据路面各层使用功能的不同而分别采用。实践证明,AC -I 型、AC -Ⅱ型、AK 型均有不同程度的缺陷。而Superpave 设计法中只有控制点和禁区的规定没有范围值,生产上又难以掌握。为此,作者曾根据Superpave 设计法中控制点和禁区的规定及交通量大时级配曲线应由禁区下面通过的原则,用A 、N 泰波公式(即n 法)把控制点予以联系,并避开禁区,提出了各种最大标称尺寸集料级配
组成范围值表,如表1。
今以经常在上面层使用的最大标称尺寸12.5(13.2)mm 和经常在中、下面层使用的最大标称尺寸19(20)mm 作示例比较。
1.1.1 Superpave 1
2.5与AC -13I 、AK -13A 的比较
各组成范围如表2所示,为了更为直观,以倍数增长的横坐标绘成图1。
图1 各级配组成范围值比较示意
第1期(总第128期)华东公路No .1(Total No .128)
2001年2月20日E AST CHINA HI GHW AY Februar y 2001
从图1知,Superpave12.5范围的上限全在AC-13I型范围内,而其范围值的下限全在AK-13A型范围内。Superpave12.5的中值线,>4.75mm者在AC -13I范围的中部并且与AK-13A上限接近, <2.36mm者则在AK-13A范围的中部,显然是取两者之长的组成。再从AC-BI的范围看,<4.75 mm者细料过多,禁区正处于范围的中部,是易引起车辙和光面的敏感部分,而AK-13A的范围>2.36mm者全落在Superpave控制点的下方,即粗料太多,是造成渗水和早期损坏的原因。综合以上,Superpave 12.5是取AC-13I与AK-13A之长而去其短的组成。 表2最大标称尺寸为12.5(13)mm时级配范围比较
级配类型
d(mm)
1912.5(13)9.54.752.361.180.60.30.150.075 Super pave12.510090~10074~8646~5828~3917~2610~196~164~112~7 AC-13I10095~10070~8848~6836~5324~4118~3012~228~164~8
AC-13A10090~10060~8030~5320~4015~3010~237~183~124~8
表1Superpave沥青混合料集料级配组成建议值
最大标称尺寸(mm)
通过下列筛孔(方孔)的质量百分率(%)
5037.526.5191612.59.54.752.361.180.60.30.150.075
37.510090~10069~8158~7152~6544~5737~5024~3515~239~165~123~102~72~4
26.510090~10075~8667~7857~6848~5830~4019~2711~186~143~112~82~5
19.010090~10080~9068~8157~7036~4923~3514~229~175~143~102~6
16.010090~10077~8864~7641~5126~3716~249~186~153~112~6
12.510090~10074~8646~5828~3917~2610~196~164~113~7
9.510090~10054~6932~4718~3211~246~194~122~7
注:1 表中数字下有横线者为严格控制值,其他部分允许略有出入。
2 表中<0.075mm含量是根据Superpave设计法1999年版,从禁区下通过者,粉胶比可从0.6~1.2调整为0.8~1.6而作出的相应调整值。
3 最大标称尺寸16mm的组成,是作者插入的。
表3最大标称尺寸为19(20)mm时级配范围比较
级配类型
d(mm)
26.5(25)19(20)12.5(13)9.54.752.361.180.60.30.150.075
Superpave1910090~10068~8157~7036~4923~3514~229~175~143~102~6 AC-20I10095~10062~8052~7238~5828~4620~3415~2710~206~144~8
AC-20Ⅱ10090~10052~7040~6026~4516~
3311~257~184~133~92~5
1.1.2 Superpave19与AC-20I、AC-20Ⅱ的比较
图2 Superpave19 AC-20I AC-20Ⅱ组成范围示意
各组成范围如表3、图2所示。
图2与图1得出同样的结论,Superpave19范围的上限全在AC-20I型范围内,下限全在AC-20Ⅱ型范围内;Superpave19的中值线>4.75mm者在AC -20I型中部并与AC-20Ⅱ型上限接近;<4.75mm 者,则在AC-20Ⅱ型中部并与AC-20I型下限接近,正是取两者之长的组成。同样AC-20I型<4.75mm 者细集料过多,禁区在其中部,是易引起光面和车辙的敏感位置;而AC-20Ⅱ型>2.36mm者落在控制点下方,是引起渗水造成早期损坏之因。所以Super-pave19也是取AC-20I与AC-20Ⅱ之长而去其短的组成。
比较了各种最大标称尺寸的组成,均得出同样的结论。因此,表1的建议值既符合Superpave原则又可与国标接轨。正是多年来所要追求的目的。曾经在上海、广东等地使用,效果良好。如某路上、中、下面层分别用表1最大标称尺寸13mm、19m m、25mm
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4
—华东公路2001年第1期
的组成级配和AH-70沥青,其混合料动稳定度都在1950次/mm~2300次/mm间,新修的路面就基本不渗水,摆值BPN>50,构造深度0.71mm,全部符合要求,达到了预期的效果。
1.2 集料筛分和级配合成
1.2.1 集料定名与取样
集料生产中集料的定名要按国标附录表C.0.6规定,例如19(20)mm~9.5(10)mm的,>19mm的不应多于5%,<9.5mm者不得>15%、<4.75mm 者不得>5%等。细集料要分为4.75mm~2.36mm、<2.36mm两档,不得用<4.75mm的统货。以减少合成级配时的麻烦。各集料堆取样要有代表性。
来料不合格者要退货,集料场要进行硬化处理,分档堆放、立好标签,并安排好施工运输管理计划。
1.2.2 集料筛分结果与级配合成
得出各级集料筛分结果后,即可按表1的范围值合成级配并尽量接近中值。合成时要了解现场各档料堆的供应情况,力争予以平衡,以利施工。细集料中能不掺砂的尽量不掺,如细集料中<2.36mm者料源有困难,则允许掺砂,但其掺量希望<10%。表4为某路上面层筛分结果及合成级配示例。表中有掺砂与不掺砂两种,掺砂者称A型,其配比为25∶25∶20∶16∶9∶5;无砂者称B型,其配比为25∶26∶19∶26∶0∶4。供工地选用。
表4Superpave12.5合成级配示例
通过筛孔(mm)
来样No
123456合成配比要求
范围(m m)
19~9.59.5~4.754.75~2.36<2.36黄砂矿粉A型B型中值范围
19100100100100100
12.562.110090.590.59590~100
9.518.899.810079.679.68074~86
4.750.519.699.610010054.854.15246~58
2.3600.621.599.29
3.633.733.833.528~39
1.1803.369.669.210023.02
2.721.517~26
0.62.149.439.899.616.917.214.510~19
0.329.710.797.610.911.911.06~16
0.1518.83.792.28.08.67.54~11
0.0759.31.678.65.55.54.52~7
2 集料密度测定和沥青混合料体积配比分析
2.1 各级集料视密度 毛体积密度的测定
细集料的毛体积密度和面干吸水率要按《公路工程集料试验规程》的方法测定,表5为表4中各级集料的实测结果。
表5各级集料视密度 毛体积密度
集料编号范围(mm)
视密度G
sa
(g/cm3)
毛体积密度G
sb
(g/cm3)
面干吸水率W
(%) 119.0~9.52.9382.9100.32
29.5~4.752.9862.9460.47
34.75~2.362.9822.8931.03
4<2.362.8312.7900.52
5黄砂2.6392.5750.94
6矿粉2.695
2.2 体积配比分析及其简化的建议
在superpave沥青混合料体积配比分析中,集料是采用有效密度G se、沥青混合料是用毛体积密度G m b,这是符合实际的。对此文献[1]、[2]作过详细的论证,此不赘。现就体积配比的各个步骤予以简述讨论并提出简化建议。
根据表4、表5计算得集料混合料的视密度G sa、毛体积密度G sb和面干吸水率W。
但只要集料会吸水,集料在沥青混合料中必然会吸入沥青。由于沥青稠度大,又不能象吸水一样吸满,所以集料在沥青混合料中既不是视密度(全部吸满沥青),又不是毛体积密度(全不吸入沥青),而是吸入部分沥青还剩余部分空隙。此时的集料体积称有效体积、其密度称有效密度G se。测定集料有效密度有集料沥青浸渍密度法;有用真空法测定沥青混合料的最大理论密度G mm,然后用公式反算G se的方法。前者尚属简便,而后者则工程单位往往缺乏设备,即使有,如掌握不好,试验结果也会有误差。最简单方法还是用(1)式计算。
G se=G sb+C(G sa-G sb)(1)式中 C———系数,Superpave法规定,一般用0.8,如集料面干吸水率大时可用0.6甚至0.5。日本认为当面干吸水率>1.5%时可用0.5。
作者曾作过集料沥青浸渍密度(即集料有效密度)测定,知C值是与集料混合料的面干吸水率W 有关,当W<1%时,C0.8;W=1.0%~1.5%时, C0.6;W=1.5%~2.0%时,C0.5。当W> 2.0%时已不符规范要求,如使用,则应做集料有效密度测定,根据作者经验,此时C可达0.4~0.3。
当然,用公式(1)计算的G se来计算最大理论密度G mm时,与真空法测定的G mm有些误差,根据资料
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2001年第1期林绣贤 游国兰:沥青混合料目标配合比设计快速确定法
比较,其相对误差在0.2%左右,对大局无碍。因此作者建议G se用(1)式计算,且根据不同的W定C 值,而不做最大理论密度测定。
有了G se后,即可先假定某一沥青含量P b,则理论密度
G m m=100
P b G b +
P s
G se
(g/cm3)(2)
式中 P s———沥青混合料中集料百分率,%;
G b———沥青密度,g/c m3。
由于Superpave设计法的设计标准是沥青混合料的空隙率V=4%。这是为了保证沥青路面的使用性能与耐久性,防止老化的要求,作者在“高性能沥青混合料设计方法的应用”一文中,已作了详细论证,认为是科学的。因此沥青混合料毛体积密度G m b为
G m b=G mm(1-0.04) (g/cm3)(3)沥青混合料中集料质量G mw为
G m w=G mb·P s
100
(g/c m3)(4)单位沥青混合料中集料吸入的沥青体积V ba为
V ba=G mw(1
G sb -1
G se
) (cm3/cm3)(5)
至于单位沥青混合料中有效沥青体积V be,多数资料是用下式
V be=0.176-0.0675lg(D) (c m3/cm3)
(6)式中 D———最大标称尺寸,mm。
但在SHRP A-407Saperpave沥青混合料说法中,还可推导得另一公式
V be=0.186-0.0675lg(D) (c m3/cm3)
(6-1)此两式沥青含量相差0.4%。
实践证明,用(6)式所得结果往往偏低,用(6 -1)式则有时偏大,为此建议用两者的平均值,即V be=0.181-0.0675lg(D) (c m3/cm3)
(7)
这样计算结果最大误差为±0.2%,便于实测检验调整。
解决以上问题后,即可估算初始沥青含量P bi
P bi=G b(V be+V ba
G b(V be+V ba)+G mw
×100(%)(8)根据Superpave方法,先以P bi作为初始沥青含量,根据沥青粘———温曲线所定的拌和温度拌和,按粘———温曲线所定的成型压实温度在鼓风烘箱中短期老化2h(中间翻拌一次)然后在旋转压实仪上成型,测得毛体积密度,算得空隙率V,如V≠4%,则按下式调整沥青用量为P bm
P bm=P bi-0.4(4-V) (%)(9)式中,0.4系沥青密度与沥青混合料毛体积密度比值的简化值。
然后再根据P bm±0.5、P bm±1.0做不同沥青含量的旋转压实成型测定,全面比较后确定最佳沥青含量。
根据笔者的实践,如果V be公式用(7)式,所估算的沥青含量P bi已经非常接近目标配合比设计的合理沥青含量P bm。最多只要做一次旋转压实仪检验,按(9)式做微小的调整。不必再做不同沥青含量的旋转压实试验了。是否可行,以下将用实例证明。2.3 体积配比分析示例
2.3.1 表3中A型Superpave体积配比分析
A型集料合成配比为①∶②∶③∶④∶⑤∶⑥=25∶25∶20∶16∶9∶5,根据表5集料密度测定结果,已计得G se=2.898g/c m3;G sb=2.851g/cm3;W=0.57%,故C=0.8,G se=2.889g/cm3。已知该改性沥青密度G b=1.029g/cm3。
先假定初始沥青用量P bi=4.5%,则
G m m=
100
95.5
2.889
+4.5
1.029
=2.672g/cm3
G m b=2.672(1-0.04)=2.565g/cm3
G m w=2.565×0.955=2.450g/cm3
V ba=2.450(
1
2.851-
1
2.899)=0.0113c m
3/cm3 V be=0.181-0.0675lg(12.5)=0.107cm3/c m3
P bi=
1.029(0.107+0.0113)
1.029(0.107+0.0113)+
2.450
×100
=4.7%
以P bi=4.7%复算仍为4.7%,有效沥青含量P be =4.3%,粉胶比DP=5.5/4.3=1.28,在0.8~1.6间。故定沥青含量为4.7%。
此时G mm=2.663g/cm3,V=4%,G mb= 2.556g/cm3,G mw=2.436g/c m3,V MA=14.6%> 14%,V FA=72.6%,在65%~75%间,全部合格。
按此配比制成沥青混合料作动稳定度测定,结果D S>6000次/mm。在V=7%时,作水损害试验TSR =85%>80%。可供生产配合比设计使用。
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6
—华东公路2001年第1期
曾按该沥青粘———温曲线确定的拌和温度170℃,成型温度145℃控制(集料180℃),在旋转压实仪上作不同沥青含量的试件,全面比较后,结果证明P bm=4.6%,与估算法相差0.1%。
2.3.2 表3中B型Superpave体积配比分析
B型组成为①∶②∶③∶④∶⑤∶⑥=25∶26∶19∶6∶0∶4。按表5集料密度测定结果,已计得G sa= 2.919g/cm3;G sb=2.875g/cm3,W=0.43%,C= 0.8,G se=2.910g/cm3。G b=1.029g/cm3。
仍以P bi=4.5%试算,得G m m=2.689g/c m3,
G m m=2.465g/c m3,V ba=0.0103c m3/cm3,V be=
0.107cm3/c m3,P b=4.67% 4.7%。以P bi=4.7%复算仍得P b=4.7%。有效沥青含量4.3%,DP= 1.28。
此时则有:G mm=2.680g/cm3,V=4%,G mb= 2.573g/cm3,G mw=2.452g/c m3,V MA=14.7%> 14%,V FA=72.8%,在65%~75%间,全部合格。故定沥青含量为4.7%。
经拌成混合料作动稳定度测定,DS> 6000次/mm,V=7%时水损害试验T SR=87%> 80%。故已可交付生产配合比设计用。
该样品也曾以不同沥青含量作旋转压实成型,最后结论,P bm=4.8%,与简化法也只差0.1%。
2.3.3 中面层Superpave19体积配比分析
中面层根据其各级集料筛分结果(略)按表1范围值合成,得配比为26∶35∶15∶17∶5∶2,并根据其集料密度测定结果(略),已计得G sa=2.701g/c m3, G sb=2.648g/cm3,W=0.74%,G se=2.690g/c m3, AH-70沥青G b=1.034g/cm3。
仍以P bi=4.5%试算,可得:G mm=2.509g/
c m3,G mb=2.409g/cm3,G mw=2.301g/cm3,V ba=
0.0136g/c m3,V be=0.0947cm3/cm3。
P bi=1.034(0.0947+0.0136)
1.034(0.0947+0.0136)+
2.301
×100 =4.65% 4.7%
P bi以4.7%复算,结果仍为4.7%,DP=1.22。此时V MA=14.9%>14%,V FA=73%在65%~75%间,均合格。动稳定度DS=1940次/mm,TSR> 80%。可供生产配合比设计使用。
此样品曾按该沥青粘———温曲线确定的拌和温度155℃,成型温度140℃、集料加温170℃控制,作不同沥青含量旋转压实测定,全面比较后,得P bm=4.7%,与估算法相等。
3 马歇尔设计法结果
3.1 马歇尔设计法技术标准的调整
前已证明表1的级配范围是在AC-I与AC-Ⅱ或AC-I与AK之间,故其技术标准理应在两者之间进行调整。查AC-I型空隙率标准为3%~6%、AC -Ⅱ或AK型空隙率标准为4%~10%,各自的平均值为4.5%和7%,故表1级配的空隙率标准定为4%~7%,相应的饱和度标准调整为75%~65%。
3.2 试验结果
以与前面相同的拌和温度和压实温度,按国标规定的方法测定,并按以上标准设计。结果如表6。从表6知,Sup-12.5A、Sup-12.5B与Sup-19三种方法结果都十分接近,差值约0.1%。但Sup-12.5A马氏得出偏大结果。由于马氏法OAC1、OAC2、OAC是平均、平均再平均,还要与OAC min比较后,再考虑的结果,很难得出定值。而估算法、旋转压实仪法,则是得出空隙率为4%时的沥青含量定值。
表6不同方法得出的合理沥青含量
类 型
方 法
估算法旋转压实仪法
马歇尔设计法
OAC1OAC2OAC OAC m in Sup-12.5A4.74.65.05.05.04.8
Sup-12.5B4.74.84.84.64.74.4
Sup-194.74.74.64.954.84.6 3.3 马歇尔设计法与Superpave设计法的接轨问题
两法都是体积配比分析,都是以空隙率与饱和度作为主要的控制指标。根本的不同是两者成型方法上,其次是计算理论密度时马氏法集料用视密度得出了偏大结果,Superpave集料用有效密度得出合理的结果。如果马氏法计算理论密度时集料也用有效密度,则只剩下成型不同的误差。初步比较已知,旋转压实仪所得毛体积密度约较马氏法所得毛体积密度大1%~2%。即空隙率大约相差1.5%,就是说旋转压实仪V=4%时,马氏结果V约在5%~6%间,平均为5.5%。因此如以马歇尔击实成型试验,以空隙率5.5%(此即调整后空隙率标准的中值)作为控制标准,有可能得出同样的合理沥青含量。对此,当积累更多资料后才可确定。如能比较出结果,则经估算法得出沥青含量P bi后,也只要做一次马氏击实检验,计算得空隙率V,并以下式调整沥青含量为P bm P bm=P bi-0.4(5.5-V)(%)(10)
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4 实际工程检验
以估算法检验已竣工一年且效果良好的实体工程,证明可行。该工程也是按表1的级配范围合成级配,上面层用Superpave13、中面层用Superpave19,下面层用Superpave25。
4.1 上面层Sup-13检验结果
集料密度测定结果如表7。
表7原材料密度测定结果
No 粒径范围
(mm)
视密度G
sa
(g/cm3)
毛体积密度G
sb
(g/cm3)
面干吸水率W
(%)
1 3砂岩
19~9.52.6802.6260.77
9.5~4.752.6802.6260.77
3石灰岩<4.752.7212.6870.46
4矿 粉2.715
沥青G b1.039
其组成配比为①∶②∶③∶④=38∶12∶44.5∶5.5,由此计得G sa=2.700g/c m3,G sb=2.658g/cm3,G se =2.692g/c m3。
P bi以5.0%试算,则G mm=2.494g/cm3,G mb=
2.394g/cm3,G m w=2.274g/cm3,V ba=2.274(1
2.658 -1
2.692
)=0.0108cm3/cm3,
V be=0.181-0.0675lg(13)=0.106cm3/c m3。
P bi=1.039(0.106+0.0108)
1.039(0.106+0.0108)+
2.274
×100 =5.1%
以P bi=5.1%复算仍为5.1%。
实体工程沥青用量为5.2%,只差0.1%。
4.2 中面层Sup-19检验结果
中、下面层集料密度测定结果如表8。
表8中、下面集料密度值
No粒径范围
(mm)视密度G
sa
(g/cm3)
毛体积密度G
sb
(g/cm3)
面干吸水率
(%)
126.5~19.02.7212.6990.29 219.0~13.22.7202.6960.32 313.2~4.752.7212.6870.46
4<4.752.7212.6870.46
5矿 粉2.715
重交A H-70沥青G
b
1.039
中面层集料配比为②∶③∶④∶⑤=28∶36∶32∶4,由此算得G sa=2.720g/c m3,G sb=2.690g/cm3,G se
=2.714g/c m3,G b=1.039g/c m3。
P bi以4.5%试算,得G mm=2.530g/cm3,G mb=
2.429g/cm3,G mw=2.320g/cm3,V ba=0.0076
c m3/cm3,V be=0.0947cm3/cm3。P bi=4.4%,以P bi =4.4%复算仍得沥青含量P bm=4.4%。实体工程沥青用量为4.6%,相差0.2%。
4.3 下面层Sup-25检验结果
下面层配比为①∶②∶③∶④∶⑤=20∶21∶30∶25∶4,按表8集料密度测定结果,计得G sa=2.721g/c m3, G sb=2.692g/cm3,G se=2.715g/cm3。
试算时P bi为4%,则有:
G m m=2.550g/cm3,G mb=2.448g/cm3,G m w=
2.350g/cm3,V ba=0.0074c m3/cm3,V be= 0.0866c m3/cm3。
P bi=
1.039(0.0074+0.0866)
1.039(0.0074+0.0866)+
2.350×100
=4.0%
实体工程沥青用量正是4.0%。与计算结果相等。
以上说明,把V be公式改用(7)式,即V be= 0.181-0.0675lg(D)后,估算法所得沥青含量P bi 与旋转压实仪测定设计结果,马歇尔法设计结果都非常接近,并得到实体工程的证实,可作为最佳沥青含量P bm。经动稳定度试验和水损害试验合格后,可交付生产配合比设计使用,试拌试铺后略作调整,是可行的。
5 结语
5.1 在沥青与集料选定后,只要取样有代表性,并认真进行筛分,即可用表1建议值范围合成级配。使上、中、下面层都达到既防渗又防车辙或光面的合理组成。
5.2 对集料进行认真的密度测定,V be用(7)式估算法所得的沥青含量,并经动稳定度和水损害检验后,即可交付生产配合比设计使用。
5.3 如需检验,可用(9)式,但检验时一定要控制拌和温度和成型温度,否则不如不检验。
参考文献
[1]林绣贤.集料与沥青混合料密度不同测定法的研讨.华东公路,
1996,5
[2]林绣贤,游国兰.集料沥青浸渍相对密度试验法及估算法的研
究.华东公路,1996,6
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—华东公路2001年第1期