张登良讲座――沥青混合料配合比设计的理论基础

沥青混合料配合比设计的理论基础张登良教授1．沿革·1920Hubbard-Field法2in，h1in·修正的Habbard-Field法6in，h3in（交通荷载增大，碎石加粗）·40年代初，BruceMarshall提出马歇尔稳定度试验方法以及初期的马歇尔稳定度标准。·随后又陆续出现维姆法、单轴压缩试验法、三轴压缩试验法、以及GTM法和Superpave法等。2．沥青混合料的结构（1）结构的概念·结构特点：矿料的大小及不同粒径的分布；颗粒的相互位置；沥青在沥青混合料中的分布特征和矿物颗粒上沥青层的性质；空隙量及其分布；闭合空隙量与连通空隙量的比值等。·沥青混合料结构是这种材料单一结构和相互联系结构的概念的总和。其中包括：沥青结构、矿料骨架结构及沥青—矿粉分散系统结构等。•（2）空间结构•·沥青混合料属分散系统中的“胶凝”结构。•·其特点是结构单元（固体颗粒）通过液相的薄层而粘结在一起，其强度决定于结构单元间的粘结力，具有力学破坏后结构触变性复原的特点。•（晶体/凝聚结构由细小的晶体结合而成，形成坚固的空间结构，使结构单元无限接近，结构单元之间发生化学键，因此具有很高的强度。受力破坏后不能恢复。）•·沥青混合料的结构强度取决于：矿物骨架的结构，沥青的结构、矿料与沥青相互作用的特点及沥青混合料的密实度。（3）矿物骨架结构（图1）·悬浮密实结构如AC；·骨架空隙结构如OGFC；·骨架密实结构如SMA；图1沥青混合料典型结构示意图a)悬浮密实结构b)骨架空隙结构c)骨架密实结构3．沥青与矿料的相互作用（1）吸附过程①物理吸附（图2）·吸附剂与被吸附物之间仅有分子作用力，可能有几个分子层的厚度。·被吸附的沥青为结构沥青，结构沥青的粘结强度大于自由沥青，越靠近矿料表面其粘结强度越高。·碱性矿料单位面积上吸附的沥青多于酸性矿料。图2矿料与沥青的关系②化学吸附·沥青与矿料表面产生化学反应，形成新生物（化学键）—粘结牢固、不溶于水。·化学吸附仅触及被吸附物质的一层分子。·矿料表面的化学性质是形成化学吸附的关键。③选择性吸附（吸收）·当采用多孔矿料时，可能发生沥青的某些组分渗入矿料的深处。·矿料表面上吸附沥青质；矿料表面的细孔中吸收树脂；油分则沿毛细管渗入到深处；从而大大改善沥青与矿料之间相互作用的条件。（2）吸附过程的改善①掺加表面活性物质（沥青中），以改善物理吸附与化学吸附过程。②活化矿料表面，为化学吸附创造条件。③矿料初生表面的利用——提供力学化学过程。·新表面的化学活性增大——初生表面带电，初生表面出现自由基（机械破坏作用使化学键断开）。·受机械破坏而形成的颗粒表面层的结构发生变化。阿尔姆斯特朗格观测到磨碎石英颗粒表面的非晶形性，其深度达50～100m，从而提高了反应能力和吸附能力。还观察到当石英或花岗石与沥青混合一起磨碎时，发生了化学键。实践证明：矿料在磨碎过程中活化可提高活化效果。4．矿料级配园球理论：·单一粒径园球的VMA决定于其排列状态，最松48%，最密26%，有棱角时使VMA约增大3%。·贝雷法：单一粒径园球的4种组合，其空隙率的大小分别为园球直径的0.15、0.20、0.24、0.29倍，平均为0.22，实际采用0.25。（1）确定原则①粗集料形成稳定的骨架；②提供沥青的填充空间；③使各种性能得到理想的平衡；④减少离析⑤不产生碾压推拥·0.6mm过多，则不稳定·0.15～2.36mm过低，则VV大，低温性能差。·最大筛孔附近平缓，则粗集料相对较细，表面均匀，易于修整（中间档次集料增多）S型级配是在富勒级配图上得出一种嵌挤良好的级配，具有适宜的VMA和VV，沥青量也不多，且施工性能也好。（2）级配理论①B.B.奥赫钦理论（原苏联1929）·砂（0.1～2mm）经压实后，空隙率比较稳定，平均为33.4%，随着砂中0.1mm含量的增多，空隙率增大；·混合料的空隙率，随着砂量的增加而减少，当砂量与碎石的空隙容积相等时，混合料的空隙率最小；·当矿物混合料的全部颗粒尺寸的变化为同一倍数时，其空隙率仍不变；·当填充粗颗粒之间空隙的颗粒尺寸连续减少1/16时,可达到混合料的最小空隙率，这时下一粒级的重量为上一粒级的43%。实际上，这种重量比变化在25～50%范围内时，空隙率的变化很少；·随着填充粒级和被填充粒级的尺寸逐渐接近，填充粒级的重量就增大。②H.H.伊万诺夫级配曲线·虽然粒级比为16时，具有最大的密实度，但属间断级配，在施工中易离析。·建议采用连续级配，粒径按比值2的顺序递减，同时，相邻粒级的重量比为0.6～0.9；（）·级配曲线方程：%100)1(12nkkka式中：a——最大粒径的重量；k——递减系数；n——粒级数。从上式可得1)1(100nkka中间粒级的重量，按下式计算11)1(100xnxkkka·递减系数越小，混合料中粗粒料的含量就会越多。K法为有限级数，对0.075mm含量有控制，但过多。③富勒最大密度级配曲线方程nDdp)(100式中：p——各粒级集料的通过率（%）；D——最大粒径(mm）；d——各粒级集料粒径(mm)；n——常数。n=0.3～0.5时有较大密实度。按富勒n=0.5实际n=0.45密度最大——Superpave通常使用范围n=0.3～0.7。n法为无限级数，无法控制0.075mm含量。④i法px=100ix-1%式中：px——当粒径按1/2递减时，矿料在第x级筛的通过量；x——矿料粒径的级数；i——通过百分率的递减系数，，当n=0.45时，i=0.732通常i=0.65～0.75。⑤粒子干涉理论（根据G、A、G.Wegmouth）·为达到最大密度，前一级颗粒之间的空隙应由次一级颗粒所填充，其余空隙又由再次小颗粒所填充，但填隙的颗粒粒径不得大于其间隙之距离。适用于骨架型，也适用于密实型。·从临界干涉情况下可导出前一级颗粒间距应为Dta]1)[(3/10当处于临界状态时，t=d，则30)1(Dda式中：t——前粒级的间隙距离；d——次粒级粒径；D——前粒级粒径；0——次粒级的理论实积率（即堆积密度与表观密度之比）；a——次粒级的实用实积率。⑤间断级配·最早引自水泥混凝土研究（用砾石∶砂=3∶1配制的混凝土强度最高）。·间断级配的优点：有足够数量的粗集料形成骨架，又有一定数量的细料填充粒集料的空隙形成较高的密实度——骨架密实结构。⑥多级嵌挤级配理论。5．空隙率（1）概念·空隙率是沥青混合料配合比体积设计法的主要控制指标。·包括：①VCA——矿料骨架空隙率；②VMA——矿料混合料空隙率；③VFA——沥青填充率；④VV——剩余空隙率。（2）意义及控制①VCA·骨架的粗集料一般指大于4.75mm的集料（当混合料中最大粒径尺寸较小时，可以大于2.36mm作为粗集料）。·只有粗集料在混合料中的含量达到或超过70%，才能形成骨架。但粗集料过多会影响作为填充料的细料及胶浆数量的不足，而残留较大的空隙。·在同样粗集料含量情况下，VCA越小，对混合料的配比和性能越有利。用捣实法测得了VCA要比震实法测得的VCA大3～4个百分点。松装（VCA下限）粗集料43～48%，细集料35～50%。干捣（VCA上限）粗集料37～42%细集料30～40%设计VCA≯二者的均值。②VMAB%=(VMA-VV)/γ0·式中：B——沥青用量（%）；0——压实后矿料混合料的容重。·VMA的大小要适当，VMA过小会导致沥青含量过低或剩余空隙率偏小；VMA过大会导致沥青含量过高或剩余空隙率过大。·VMA的适宜数值取决于沥青混合料的类型，以及压实成型的条件。（马歇尔14%，GTM12～14%）·VMA要求值随4.75mm通过率的增多而增大，每增加5%，VMA的要求值增大0.5～0.8%。·对密级配，细集料通过量偏离最大密度线，VMA将增大。·增加矿粉量，会使VMA迅速增大。③VFA·VMA（1-VFA）=VV·VFA的大小要适当，过大会导致沥青含量过多或VV偏小，过小则导致沥青含量太少或VV偏大。VFA的大小应结合VMA和VV综合考虑予以确定。④VV·VV的大小要适当，VV过小会引起沥青路面高温稳定性下降，热天沥青膨胀时，如无足够的空隙容纳，将导致路面失稳或沥青翻到路面表面形成泛油现象；VV太大则会导致沥青路面透水而发生水损坏。·VV的大小应与规定的压实标准结合起来考虑，沥青路面压实完工后其总体剩余空隙率宜控制在8%以内。通常，设计剩余空隙率以3～5%为宜。·VV相同情况下，粗集料多，则开口空隙多。·VV的大小应与交通、气温、降水等挂勾。图3沥青混凝土透水系数Pe－空隙率图图4沥青道路的空隙率对沥青硬化的影响（5年路龄）图5空隙率－劈裂强度关系图图6AK13B空隙率－TSR图图7密级配沥青混凝土的TSR曲线6．沥青用量·依据沥青与矿料相互作用原理，结构沥青的膜越薄，则强度越高，自由沥青的出现将使联结强度降低。因此，仅从强度考虑，在能够保证全面均匀涂覆矿料表面的情况下，沥青越少越好。·但从沥青混合料的低温性能、抗渗性能、耐久性，以及工艺要求（拌和碾压），需要存在一部分自由沥青——最佳自由沥青含量。·改善压实成型方法，可使最佳沥青用量减少（伴随着矿料级配的调整），如采用SGC，GTM等旋转压实方式可达到这一目标。·沥青膜厚度——连续级配6m——间断级配7m——OGFC12m·有效沥青含量7．粉胶比沥青混凝土比表面约100～200m2/kg，其中：碎石占1%，砂占2～20%，矿粉占70～95%。·粉胶比的增大，可提高沥青混合料的高温稳定性，但低温性能下降。矿粉用量过多，不仅使最佳沥青用量增加，而且还会导致混合料的空隙率增大。·粉胶比太小会泛油，太大则有效沥青偏少，粘结力减弱，松散。AC1.2，SMA1.8～2.0（纤维能使矿料沥青团粒分散）8．沥青混合料配合比设计的目标（1）密实、稳定的矿料骨架。矿料的强度、形状、表面状况、级配等（2）最佳的沥青用量。因地制宜，满足当地路用性能要求（3）活性的矿料，改善沥青与矿料的相互作用过程。（4）与改善压实成型条件结合起来，以达到提高密实度适当减少最佳沥青用量的目的。9．配合比设计的指导原则（1）热区、重交通——提高高温稳定性·减少4.75mm和2.36mm的通过率·采用较粗级配（Dmax从2mm→16mm，tg从0.6→0.7）·在相同级配情况下，加大矿料粒径或增加粗集料的含量会使内摩阻角增大，提高沥青混合料的高温稳定性。·适当提高VMA和VV·采用粗型级配·较多石屑（2）冷区、轻交通——提高低温性能（与热区相反）·较多天然砂（3）冷热区——提高高温性能为主，兼顾低温·在减少2.36mm和4.75mm通过率的同时·适当增加0.075mm的通过率（S型）·中等或偏高的VV（4）湿区·减少VV提高抗渗·适当考虑抗滑（5）层厚时——用较粗级配（6）表面层——高低温、抗滑中面层——高温下面层——疲劳开裂，密水。欢迎交流谢谢！