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【摘 要】沥青混合料配合比设计包括集料组成设计和沥青用量设计两个核心内容,混合料路用性能的好坏与配合比设计密切相关。本文针对沥青混合料马歇尔设计方法存在的问题进行了分析,提出了改进意见及建议,进而提出了生产配合比调试办法及工程级配调整原则。
【关键词】道路工程;沥青路面;配合比设计;级配设计;马歇尔设计法
Asphalt Mixture Design and Engineering gradation adjustment
Tang Zhi-feng
(Guangdong Great Highway Engineering Co., Ltd. Guangzhou Guangdong 511431)
【Abstract】Asphalt mixture design, including design and asphalt aggregate amount of the composition of the two core design, mixtures of good and bad performance is closely related with the mix design. In this article, Marshall Asphalt Mixture Design analysis of the problems, suggestions for improvement and suggestions, and to make the production methods and works with more than debugging the principle of gradation adjustment.
【Key words】Road engineering; Asphalt pavement; Mix design; Grading design; Marshall design
1. 沥青混合料设计任务及路用性能要求
沥青混合料设计的主要任务是根据工程项目沿线的气候与交通荷载条件,选择适合的沥青结合料与集料,并按照合理的设计方法把这些材料组合起来,使竣工的沥青路面性能满足气候与交通荷载条件的要求。当前的沥青混合料设计方法均采用的是体积设计法和体积分析法。热拌沥青混合料(HMA)设计的目标,应使路面混合料具有以下路用性能:
1.1 抵抗永久变形的能力。
在交通荷载的反复作用下沥青混合料不应被破坏或发生位移。在炎热季节沥青胶结料劲度降低,交通荷载主要由集料骨架承受,路面抵抗高温永久变形(车辙)成为关键。沥青混合料级配组成、沥青等级及用量、空隙率等决定了其高温抗变形性能。研究表明:当沥青混合料的空隙率小于3%时,发生永久变形的概率将增高;当空隙率小于2%时将显示极度的塑性流动。采用骨架嵌挤型级配和改性沥青有助于提高沥青混合料的高温抗变形能力,混合料抵抗永久变形的能力可用轮辙试验与蠕变试验来进行评价。
1.2 抗疲劳开裂能力。
在正常情况下疲劳开裂(表现为龟裂或网裂)是沥青路面已经承受设计轴载作用次数的标志,是沥青路面结构设计的一项主要标准。如果疲劳开裂出现于设计末期,则表现路面结构设计是成功的。如开裂发生比设计期早得多,则原因可能是对交通荷载估计不足,结构设计不当或沥青混合料设计不当。克服疲劳开裂的途径是:充分考虑设计期的累计标准轴载数量;保持土基干燥;采用较厚的路面结构;采用受潮后不过度变弱的路面材料。沥青混合料设计上在于选择具有良好弹性与柔韧性的沥青混合料,主要由满足沥青结合料的劲度上限来实现,足够的沥青含量也是必要的。沥青混合料的疲劳抗力是通过常应力或常应变重复荷载疲劳试验进行评价的。
1.3 低温开裂抗力。
该特性在低温寒冷地区很重要。低温开裂是由不利的环境条件引起的,而与交通荷载无关。低温开裂因沥青路面在寒冷气候发生收缩并受到下层路面的约束,而在路面层中形成拉应力,当路面某点的拉应力超过其抗拉强度时,则沥青层发生开裂。在突然冷却过程之中或之后的降温时,最易发生低温开裂。低温开裂最初由一次低温的单循环引起,但通过多次低温循环的重复得以发展。路面低温开裂的表现形式为按一定间距发生的横向位移。沥青结合料在低温开裂方面起关键作用。在混合料设计时,必须选择柔韧性好、不易老化的较软结合料,并控制混合料空隙率及密实度以避免结合料过度老化。
1.4 耐久性。
要求混合料含有足够的沥青结合料含量,保证在集料颗粒周围有适当的膜厚,进而减小混合料在施工过程与服务期间的老化。压实混合料不应有很高的空隙率,混合料的高空隙率不仅增大渗水性,而且会加速老化过程。
1.5 水损害抗力。
一些HMA混合料在受水的影响时,在集料表面与沥青结合料之间将失去粘结性。虽然某些沥青胶结料容易造成水损害(剥落),但集料特性是这一现象的主要原因。如果HMA容易造成剥落,则应使用抗剥落剂。在混合料设计时,控制混合料空隙率,使混合料不渗水,可将问题大大减小。混合料水敏感性的评价方法,建议采用AASHTO T283方法。其特点是试件压实到相当于路面竣工时可接受空隙率7%±1%的相对不利情况,一组试件按规定进行真空饱水与冻融处理,另一组试件在室温下保持干燥。对所有试件进行间接抗拉强度试验,要求抗拉强度比TSR≥70%~80%。
1.6 抗滑性。
这项要求只适用于上面层(磨耗层)混合料,上面层混合料一定要设计得能对因转弯与制动产生的滑溜提供足够抗力。集料的特性如构造、形状、尺寸与抗磨光性能都是抗滑的主要因素。竣工路面的表面构造深度是高速行车时抗滑性的主要标志。因此,混合料不应含过多的沥青结合料,这将会引起路面泛油并产生光滑表面,从而丧失抗滑性。
1.7 施工和易性。
混合料必须能用合理的工作量进行摊铺与压实现今在室内混合料设计阶段,尚无试验方法能对施工和易性进行定。但是对混合料设计进行适当调整可以迅速克服施工和易性问题。
2. 马歇尔设计方法存在的问题
我国热拌沥青混合料配合比设计采用以马歇尔试验设计方法,并对设计的沥青混合料进行浸水马歇尔试验作为水稳定性检验及车辙试验作为抗车辙能力检验。对于沥青混合料设计,马歇尔设计方法与国际上较先进的混合料设计方法比较,存在着概念上和程序上的不足和缺陷。主要表现在以下几个方面:
2.1 关于最佳级配的确定。
事实上,我国在进行沥青混合料马歇尔设计时,没有一个选择级配的概念。当进行配合比设计时,千方百计的调整级配计算,使合成级配尽可能符合规范规定的中值。如果将各级混合料的级配中值点在0.45次方级配图上,可以发现大多数级配的中值接近最大密度线。事实上,随着交通量的增长,轴重的轮胎气压的增加,接近最大密度线的混合料使用性能不一定是最好的。也就是说,用级配中值设计的混合料不一定是最佳的混合料。
2.2 关于体积计算体系。
我国沥青混合料体积计算体系中,计算压实混合料的空隙方法用的水重法,测量的是压实混合料的视密度,而美国Superpave设计方法采用的是饱和面干毛体积密度,因此,用我国马歇尔方法计算出来的空隙偏小。另外,马歇尔方法最佳沥青用量计算中没有考虑骨料孔隙吸收沥青,也即没有一个有效沥青的概念,这就有可能导致沥青用量偏少,引起粘接力不足和耐久性差的后果。
2.3 沥青老化对于相对密度和空隙的影响。
混合料设计应尽可能模拟实际情况,包括沥青老化。实际生产中,从混合料拌制到摊铺压实完成,一般需要2~4h时间。因此,实验室在体积分析时也应有一个老化程序,因此得出来的体积参数与实际相差较大。有研究表明,即便是吸水率小于2%的集料,老化2h后吸收沥青的数量可达到0.5~1.0%,因此,不管集料吸水率是否小于2%,都应当考虑集料孔隙吸收沥青的数量。
3. 马歇尔设计方法的改进
为了进一步提高沥青混合料设计质量,在我国现行马歇尔设计基础上,结合美国Superpave设计思想,引进集料有效比重概念及混合料短期老化的方法,对马歇尔设计方法最佳集料级配选择从程序上和计算方法上进行改进和补充。
(1)根据拟设计的混合料类型,与各料堆集料及填料的颗粒组成,按是试配组合成三种试验级配,一组级配位于规定范围的中值附近,另外两组级配接近级配范围的上、下限。按关键筛孔2.36mm、4.75mm与0.075mm的通过率进行控制。
(2)选择混合料初始沥青含量,初始沥青含量应接近最佳沥青含量。用下式计算:
pbt=1.18+0.982(VMA-Va)/Gsb;式中:
pbt ——初始沥青含量,按混合料质量百分率计,%;
VMA——压实混合料集料间隙率,先可用规定的最小值+0.5%估算,后按试验结果校正;
Va——压实混合料空隙率,可取设计空隙率4%;
Gsb——混合料集料组合毛体积重。
(3)将拌和好的试样放入烘箱在拟订的压实温度平均值保持2小时进行短期老化,然后进行制件。
(4)件被压实冷却后,将其脱模,测定试件毛体积比重Mmb ,并计算压实混合料的空隙率Va、VMA和VFA等体积指标,随后,根据试验结果计算组合集料的有效比重Gse,根据确定的Gse 计算集料吸收沥青百分率Pba,进而获得有效沥青含量 Pbe和粉油比DP。
(5)试验结果分析。
对三种试验级配混和料进行评价:其中VMA、VFA、粉胶比、马歇尔稳定度与流值均符合设计要求,空隙率又接近4%设计值的一种级配,被确定为最佳级配或设计级配。
4. 工程设计级配确定方法与调整原则
《沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)在沥青混合料矿料级配选择与调整方面,根据“沥青混合料矿料级配和配合比设计方法的修订”课题研究成果,借鉴美国和日本等国的方法,提出了工程设计级配的概念,对最常用的密级配沥青混合料分为粗型和细型,它与原规范根据空隙率分为Ⅰ型和Ⅱ型的性质不同,粗型和细型都属于密级配,空隙率都在3%～6%之间,之所以这样分成两种型号,主要是供不同的气候和交通条件选择级配范围时作参考,并要求设计单位和工程建设单位针对所建设工程的气候条件、交通条件、公路等级以及所处层位确定和调整工程设计级配。相比原规范直接为工程确定一个级配范围,配合比设计尽可能接近中值有了很大改进。现行规范给出了几种类型沥青混凝土与沥青碎石混合料矿料级配。
规范规定级配范围较宽,这样同一级配的上限与下限所拌混合料会有较大的差别。所以,在设计时可根据需要将目标级配线靠上一点,使混合料总的偏细一些,即成所谓的细型密级配(AC-F);或靠下一点,使混合料总的偏粗一些,即成所谓粗型密级配(AC-C)。在这种情况下,给施工单位的生产级配范围需作必要的调整,而不能完全就将规范原来的级配给施工单位。在级配设计时,尤其要注意控制几个关键筛孔的通过率,即4.75mm和2.36mm两个筛孔。规范给出了粗型和细型密级配沥青混凝土的关键性筛孔通过率,见表1所示。
沥青混合料的设计级配应处于规范规定的级配范围内,根据公路等级、工程性质、气候条件、交通条件、材料品种,通过对条件大体相当的工程使用情况进行调查研究后调整确定,必要时允许超出规范的级配范围。密级配沥青稳定碎石混合料可直接以规范规定的级配范围做工程设计级配范围使用。工程设计级配范围的确定应遵循以下原则:
(1)首先按规范确定采用粗型(C型)或细型(F型)的混合料对夏季温度高、高温持续时间长,重载交通多的路段,宜采用粗型密级配沥青混合料(AC-C型),并取较高的设计空隙率。对冬季温度低、且低温持续时间长的地区,或者重载交通较少的路段,宜采用细型密级配沥青混合料(AC-F型),并取较低的设计空隙率。
(2)为确保高温抗车辙能力,同时兼顾低温抗裂性能需要,配合比设计时宜适当减少公称最大粒径附近的粗集料用量,减少0.6mm以下部分细粉的用量,使中等粒径集料较多,形成S型级配曲线,并取中等偏高水平的设计空隙率。
(3)确定各层的工程设计级配范围时应考虑不同层位的功能需要,经组合设计的沥青路面应能满足耐久、稳定、密水、抗滑的要求。
(4)根据公路等级和施工设备的控制水平,确定的公称设计级配范围应比规范级配范围要窄,其中4.75mm和2.36mm通过率的上下限差值宜小于12%。
(5)沥青混合料的配合比设计应当充分考虑施工性能,使沥青混合料容易摊铺和压实,避免造成严重的离析。
(6)在多雨潮湿地区,重交通或渠化交通情况下,一般多采用粗型密级配并配制成S型级配曲线。同时,应尽量避免级配曲线穿越级配禁区(0.3~2.36间的三角区)。
[文章编号]1006-7619(2010)06-20-571
[作者简介] 唐志峰(1970.1-),男,职称:工程师;工作单位:广东长大公路工程有限公司三分公司;研究方向:路面施工技术。
【关键词】道路工程;沥青路面;配合比设计;级配设计;马歇尔设计法
Asphalt Mixture Design and Engineering gradation adjustment
Tang Zhi-feng
(Guangdong Great Highway Engineering Co., Ltd. Guangzhou Guangdong 511431)
【Abstract】Asphalt mixture design, including design and asphalt aggregate amount of the composition of the two core design, mixtures of good and bad performance is closely related with the mix design. In this article, Marshall Asphalt Mixture Design analysis of the problems, suggestions for improvement and suggestions, and to make the production methods and works with more than debugging the principle of gradation adjustment.
【Key words】Road engineering; Asphalt pavement; Mix design; Grading design; Marshall design
1. 沥青混合料设计任务及路用性能要求
沥青混合料设计的主要任务是根据工程项目沿线的气候与交通荷载条件,选择适合的沥青结合料与集料,并按照合理的设计方法把这些材料组合起来,使竣工的沥青路面性能满足气候与交通荷载条件的要求。当前的沥青混合料设计方法均采用的是体积设计法和体积分析法。热拌沥青混合料(HMA)设计的目标,应使路面混合料具有以下路用性能:
1.1 抵抗永久变形的能力。
在交通荷载的反复作用下沥青混合料不应被破坏或发生位移。在炎热季节沥青胶结料劲度降低,交通荷载主要由集料骨架承受,路面抵抗高温永久变形(车辙)成为关键。沥青混合料级配组成、沥青等级及用量、空隙率等决定了其高温抗变形性能。研究表明:当沥青混合料的空隙率小于3%时,发生永久变形的概率将增高;当空隙率小于2%时将显示极度的塑性流动。采用骨架嵌挤型级配和改性沥青有助于提高沥青混合料的高温抗变形能力,混合料抵抗永久变形的能力可用轮辙试验与蠕变试验来进行评价。
1.2 抗疲劳开裂能力。
在正常情况下疲劳开裂(表现为龟裂或网裂)是沥青路面已经承受设计轴载作用次数的标志,是沥青路面结构设计的一项主要标准。如果疲劳开裂出现于设计末期,则表现路面结构设计是成功的。如开裂发生比设计期早得多,则原因可能是对交通荷载估计不足,结构设计不当或沥青混合料设计不当。克服疲劳开裂的途径是:充分考虑设计期的累计标准轴载数量;保持土基干燥;采用较厚的路面结构;采用受潮后不过度变弱的路面材料。沥青混合料设计上在于选择具有良好弹性与柔韧性的沥青混合料,主要由满足沥青结合料的劲度上限来实现,足够的沥青含量也是必要的。沥青混合料的疲劳抗力是通过常应力或常应变重复荷载疲劳试验进行评价的。
1.3 低温开裂抗力。
该特性在低温寒冷地区很重要。低温开裂是由不利的环境条件引起的,而与交通荷载无关。低温开裂因沥青路面在寒冷气候发生收缩并受到下层路面的约束,而在路面层中形成拉应力,当路面某点的拉应力超过其抗拉强度时,则沥青层发生开裂。在突然冷却过程之中或之后的降温时,最易发生低温开裂。低温开裂最初由一次低温的单循环引起,但通过多次低温循环的重复得以发展。路面低温开裂的表现形式为按一定间距发生的横向位移。沥青结合料在低温开裂方面起关键作用。在混合料设计时,必须选择柔韧性好、不易老化的较软结合料,并控制混合料空隙率及密实度以避免结合料过度老化。
1.4 耐久性。
要求混合料含有足够的沥青结合料含量,保证在集料颗粒周围有适当的膜厚,进而减小混合料在施工过程与服务期间的老化。压实混合料不应有很高的空隙率,混合料的高空隙率不仅增大渗水性,而且会加速老化过程。
1.5 水损害抗力。
一些HMA混合料在受水的影响时,在集料表面与沥青结合料之间将失去粘结性。虽然某些沥青胶结料容易造成水损害(剥落),但集料特性是这一现象的主要原因。如果HMA容易造成剥落,则应使用抗剥落剂。在混合料设计时,控制混合料空隙率,使混合料不渗水,可将问题大大减小。混合料水敏感性的评价方法,建议采用AASHTO T283方法。其特点是试件压实到相当于路面竣工时可接受空隙率7%±1%的相对不利情况,一组试件按规定进行真空饱水与冻融处理,另一组试件在室温下保持干燥。对所有试件进行间接抗拉强度试验,要求抗拉强度比TSR≥70%~80%。
1.6 抗滑性。
这项要求只适用于上面层(磨耗层)混合料,上面层混合料一定要设计得能对因转弯与制动产生的滑溜提供足够抗力。集料的特性如构造、形状、尺寸与抗磨光性能都是抗滑的主要因素。竣工路面的表面构造深度是高速行车时抗滑性的主要标志。因此,混合料不应含过多的沥青结合料,这将会引起路面泛油并产生光滑表面,从而丧失抗滑性。
1.7 施工和易性。
混合料必须能用合理的工作量进行摊铺与压实现今在室内混合料设计阶段,尚无试验方法能对施工和易性进行定。但是对混合料设计进行适当调整可以迅速克服施工和易性问题。
2. 马歇尔设计方法存在的问题
我国热拌沥青混合料配合比设计采用以马歇尔试验设计方法,并对设计的沥青混合料进行浸水马歇尔试验作为水稳定性检验及车辙试验作为抗车辙能力检验。对于沥青混合料设计,马歇尔设计方法与国际上较先进的混合料设计方法比较,存在着概念上和程序上的不足和缺陷。主要表现在以下几个方面:
2.1 关于最佳级配的确定。
事实上,我国在进行沥青混合料马歇尔设计时,没有一个选择级配的概念。当进行配合比设计时,千方百计的调整级配计算,使合成级配尽可能符合规范规定的中值。如果将各级混合料的级配中值点在0.45次方级配图上,可以发现大多数级配的中值接近最大密度线。事实上,随着交通量的增长,轴重的轮胎气压的增加,接近最大密度线的混合料使用性能不一定是最好的。也就是说,用级配中值设计的混合料不一定是最佳的混合料。
2.2 关于体积计算体系。
我国沥青混合料体积计算体系中,计算压实混合料的空隙方法用的水重法,测量的是压实混合料的视密度,而美国Superpave设计方法采用的是饱和面干毛体积密度,因此,用我国马歇尔方法计算出来的空隙偏小。另外,马歇尔方法最佳沥青用量计算中没有考虑骨料孔隙吸收沥青,也即没有一个有效沥青的概念,这就有可能导致沥青用量偏少,引起粘接力不足和耐久性差的后果。
2.3 沥青老化对于相对密度和空隙的影响。
混合料设计应尽可能模拟实际情况,包括沥青老化。实际生产中,从混合料拌制到摊铺压实完成,一般需要2~4h时间。因此,实验室在体积分析时也应有一个老化程序,因此得出来的体积参数与实际相差较大。有研究表明,即便是吸水率小于2%的集料,老化2h后吸收沥青的数量可达到0.5~1.0%,因此,不管集料吸水率是否小于2%,都应当考虑集料孔隙吸收沥青的数量。
3. 马歇尔设计方法的改进
为了进一步提高沥青混合料设计质量,在我国现行马歇尔设计基础上,结合美国Superpave设计思想,引进集料有效比重概念及混合料短期老化的方法,对马歇尔设计方法最佳集料级配选择从程序上和计算方法上进行改进和补充。
(1)根据拟设计的混合料类型,与各料堆集料及填料的颗粒组成,按是试配组合成三种试验级配,一组级配位于规定范围的中值附近,另外两组级配接近级配范围的上、下限。按关键筛孔2.36mm、4.75mm与0.075mm的通过率进行控制。
(2)选择混合料初始沥青含量,初始沥青含量应接近最佳沥青含量。用下式计算:
pbt=1.18+0.982(VMA-Va)/Gsb;式中:
pbt ——初始沥青含量,按混合料质量百分率计,%;
VMA——压实混合料集料间隙率,先可用规定的最小值+0.5%估算,后按试验结果校正;
Va——压实混合料空隙率,可取设计空隙率4%;
Gsb——混合料集料组合毛体积重。
(3)将拌和好的试样放入烘箱在拟订的压实温度平均值保持2小时进行短期老化,然后进行制件。
(4)件被压实冷却后,将其脱模,测定试件毛体积比重Mmb ,并计算压实混合料的空隙率Va、VMA和VFA等体积指标,随后,根据试验结果计算组合集料的有效比重Gse,根据确定的Gse 计算集料吸收沥青百分率Pba,进而获得有效沥青含量 Pbe和粉油比DP。
(5)试验结果分析。
对三种试验级配混和料进行评价:其中VMA、VFA、粉胶比、马歇尔稳定度与流值均符合设计要求,空隙率又接近4%设计值的一种级配,被确定为最佳级配或设计级配。
4. 工程设计级配确定方法与调整原则
《沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)在沥青混合料矿料级配选择与调整方面,根据“沥青混合料矿料级配和配合比设计方法的修订”课题研究成果,借鉴美国和日本等国的方法,提出了工程设计级配的概念,对最常用的密级配沥青混合料分为粗型和细型,它与原规范根据空隙率分为Ⅰ型和Ⅱ型的性质不同,粗型和细型都属于密级配,空隙率都在3%～6%之间,之所以这样分成两种型号,主要是供不同的气候和交通条件选择级配范围时作参考,并要求设计单位和工程建设单位针对所建设工程的气候条件、交通条件、公路等级以及所处层位确定和调整工程设计级配。相比原规范直接为工程确定一个级配范围,配合比设计尽可能接近中值有了很大改进。现行规范给出了几种类型沥青混凝土与沥青碎石混合料矿料级配。
规范规定级配范围较宽,这样同一级配的上限与下限所拌混合料会有较大的差别。所以,在设计时可根据需要将目标级配线靠上一点,使混合料总的偏细一些,即成所谓的细型密级配(AC-F);或靠下一点,使混合料总的偏粗一些,即成所谓粗型密级配(AC-C)。在这种情况下,给施工单位的生产级配范围需作必要的调整,而不能完全就将规范原来的级配给施工单位。在级配设计时,尤其要注意控制几个关键筛孔的通过率,即4.75mm和2.36mm两个筛孔。规范给出了粗型和细型密级配沥青混凝土的关键性筛孔通过率,见表1所示。
沥青混合料的设计级配应处于规范规定的级配范围内,根据公路等级、工程性质、气候条件、交通条件、材料品种,通过对条件大体相当的工程使用情况进行调查研究后调整确定,必要时允许超出规范的级配范围。密级配沥青稳定碎石混合料可直接以规范规定的级配范围做工程设计级配范围使用。工程设计级配范围的确定应遵循以下原则:
(1)首先按规范确定采用粗型(C型)或细型(F型)的混合料对夏季温度高、高温持续时间长,重载交通多的路段,宜采用粗型密级配沥青混合料(AC-C型),并取较高的设计空隙率。对冬季温度低、且低温持续时间长的地区,或者重载交通较少的路段,宜采用细型密级配沥青混合料(AC-F型),并取较低的设计空隙率。
(2)为确保高温抗车辙能力,同时兼顾低温抗裂性能需要,配合比设计时宜适当减少公称最大粒径附近的粗集料用量,减少0.6mm以下部分细粉的用量,使中等粒径集料较多,形成S型级配曲线,并取中等偏高水平的设计空隙率。
(3)确定各层的工程设计级配范围时应考虑不同层位的功能需要,经组合设计的沥青路面应能满足耐久、稳定、密水、抗滑的要求。
(4)根据公路等级和施工设备的控制水平,确定的公称设计级配范围应比规范级配范围要窄,其中4.75mm和2.36mm通过率的上下限差值宜小于12%。
(5)沥青混合料的配合比设计应当充分考虑施工性能,使沥青混合料容易摊铺和压实,避免造成严重的离析。
(6)在多雨潮湿地区,重交通或渠化交通情况下,一般多采用粗型密级配并配制成S型级配曲线。同时,应尽量避免级配曲线穿越级配禁区(0.3~2.36间的三角区)。
[文章编号]1006-7619(2010)06-20-571
[作者简介] 唐志峰(1970.1-),男,职称:工程师;工作单位:广东长大公路工程有限公司三分公司;研究方向:路面施工技术。