{配比设计}对新《公路沥青路面施工技术规范》的理解

对新公路沥青路面施工技术规范的理解,报批稿主要内容与修订情况介绍,配合比设计方法体系,针对我国是否采用SUPERPAVE作为标准方法的问题，课题组进行了充分的民主的讨论，我们充分考虑了我国的现状，一致同意在现阶段仍然保留马歇尔试验配合比设计方法作为我国规范的标准试验方法，其理由是：（1）马歇尔试验方法广泛为我国工程单位所使用，已经拥有丰富的经验，还有大量的实践数据可以借鉴，而其他方法对我国来说还比较陌生，只有部分研究单位和大学能够胜任；（2）所有的工程单位及与沥青混合料试验相关的单位都拥有马歇尔试验仪，并成为各个层次最普遍的仪器设备。SUPERPAVE或GTM方法的成型和试验设备还局限于少数研究单位和大学拥有，广大设计和施工单位不可能在近期普遍购买这些设备；（3）多年来利用马歇尔方法设计的混合料从总体来说是合理的，所确定的空隙率等体积指标及最佳沥青用量能够适用于实际情况，且具有较好的的对比性。相比起来，我们许多配合比设计的技术人员素质还比较低，缺乏设计的经验，而配合比设计本身是一件经验性很强的工作；,配合比设计方法体系,（4）SUPERPAVE方法及GTM方法尚未得到世界上的公认。又不少国家进口了相关的仪器设备，进行了对比后认为所确定的矿料级配和沥青用量与按照马歇尔方法确定的值并没有很大的差别。即使在美国，加利福尼亚起德克萨斯州在对SUPERPAVE方法经过详细研究后，并没有放弃原来的马歇尔方法及维姆方法。另外SUPERPAVE方法本身也有一些不完善的地方，在美国国内存在一些争议。至今没有成为AASHTO及ASTM的正式的标准试验方法。甚至搓揉试验机还没有完全定型，现在无法论证SUPERPAVE设计的混合料就是好的混合料。（5）现在我国这些新方法主要停留在配合比设计阶段，施工现场的施工质量检验还有困难。纵观世界各国的情况，马歇尔试验配合比设计方法仍然是现今世界上使用最普遍的配合比设计方法。即使在美国，2000年版热拌沥青混合料手册关于配合比设计方法仍然依次列出了马歇尔法。维姆法、Superpave法三种方法，没有任何全面否定马歇尔方法的意思。,新的公路沥青路面施工技术规范在配合比设计方法及体积设计的指标计算上，最大的修改示全面引入了集料有效密度、有效沥青用量的概念，即考虑沥青在拌和过程种被集料吸收而造成的沥青用量的影响。,因此，我国在目前的实际条件下，仍然以采用马歇尔试验配合比设计方法为宜。但是，为了不致妨碍新技术、新方法的引进。研究、推广应用，建议规范规定“本规范采用马歇尔试验配合比设计方法。如采用其他设计方法设计沥青混合料时，应按本规范规定的马歇尔试验及各项配合比设计检验，试验结果必须符合本规范的设计技术标准.”,重载路段的解决办法,经过大量的研究，我们认为，以上问题是客观存在的，但也可以通过另外两个途径得到解决：（1)增加击实次数或锤重，无非是压实密度增大，它与击实条件不变，提高压实度的效果是一样的；（2）对于重载路段问题，主要是对沥青用量又影响，增加击实次数的目的是改变空隙率和油石比。如果维持马歇尔击实次数不变，改变设计空隙率大小的标准，适当减小重载交通作用下的OAC，也可以起到同样的作用。即对重载交通的路段，可通过提高设计空隙率，加强施工压实的办法解决。,2.2热拌沥青混合料的配合比设计,总 原 则：,应满足耐久性、抗车辙、抗裂、抗水损害能力、抗滑性能、施工性能等多方面要求。 规范的其他几条都是围绕这个目的。但是目前的现状确实令人忧虑，沥青路面的早期损坏问题成为热门话题，所有工程都必须考虑防止沥青路面的早期损坏。,配 合 比 设 计,国家规范规定的指标是最起码的要求，是一个低要求。规范必须兼顾全国各种不同的情况。将那么多的不同都统一到一个规范中，规范就不可能有明确的针对性，不能满足每个具体的工程的要求。执行规范的时候，必须考虑到当地的实际情况，允许对技术要求作适当的调整，所有这些，往往都反映在工程的设计文件和招标文件中。各地应该根据当地的材料、施工水平、经济实力、习惯，尤其是使用多年的成功的经验，规定更具体的指标。,混 合 料 设 计包括目标配合比设计阶段、生产配合比设计阶段及生产配合比验证阶段，通过配合比设计确定沥青混合料的材料品种及配比、矿料级配、最佳沥青用量。本规范采用马歇尔试验配合比设计方法。如采用其他设计方法设计沥青混合料时，应按本规范规定的马歇尔试验及各项配合比设计检验，并报告不同设计方法各自的试验结果，供施工质量检验使用。,混 合 料 设 计配合比设计的标准级配范围是经过三阶段配合比设计确定并经建设单位和监理批准的标准级配曲线，加上施工容许的波动范围形成的。容许波动范围即施工过程中质量检验要求中规定的与生产配合比设计标准级配的差。施工过程中按照施工级配范围进行单点检验，都必须在此范围内，它可能超出规范规定的范围或设计级配范围，都是容许的。,密级配沥青混凝土混合料的马歇尔试验配合比设计应符合下表的技术标准，并有良好的施工性能。试件尺寸及成型击实次数按公称最大粒径选用标准马歇尔试件或大型马歇尔试件。改性沥青混合料马歇尔试验的流值可适当放宽。对二级公路宜参照一级公路的技术标准执行。,沥青稳定碎石混合料的马歇尔试验配合比设计方法参照沥青混凝土的方法执行。试验结果应符合表5.3.3-2的技术标准，并有良好的施工性能。试件尺寸及成型击实次数按公称最大粒径选用标准马歇尔试件或大型马歇尔试件。对半开级配的沥青碎石混合料AM无法进行马歇尔试验时，其配合比和最佳沥青用量可根据实践经验和试拌试铺论证确定。对开级配沥青碎石混合料ATPB只测定试件的空隙率，不要求进行马歇尔试验。,l注：对集料坚硬不易击碎，通行重载交通的路段，也可将击实次数增加为双面75次。 对高温稳定性要求较高的重交通路段或炎热地区，设计空隙率取高限，且允许放宽到4.5，VMA允许放宽到16.5(SMA-16) 或16(SMA-19)，VFA允许放宽到70。 当马歇尔试验的稳定度确实有困难时，对非改性沥青SMA的稳定度可放宽到5.0kN，改性沥青SMA可放宽到5.5kN，但车辙试验的动稳定度必须合格。,体积指标的计算问题,沥青混合料体积设计方法核心：混合料的设计空隙率原规范: 密级配：型沥青混合料 36 型沥青混合料 410 抗滑表层 410(8) 半开级配：沥青碎石 10% 国外：开级配：排水式沥青混合料18% 美国：SHRP研究成果： 设计空隙率要求4左右,马歇尔试件体积指标的计算空隙率和VMA的计算方法必须统一,现行公路沥青及沥青混合料试验规程（JTJ 052-2000)方法的规定是不严谨的： VV=(1- f/ t)*100式中： t按本规程T 0711或T 0712测定的沥青混合料理论最大相对密度，当实测理论最大相对密度有困难时，也可采用按式（5）或（6）计算的理论最大相对密度； f试件的毛体积相对密度，用表干法测定，当试件吸水率Sa2时，由腊封法或体积法测定；当按规定容许采用水中重法测定时，也可用表观相对密度a代替。这里t可以采用真空法、溶剂法、计算法； f可以采用表干法、封腊法、水中重法，实际上不能等同。因此，如果t 和f其中一个值的确定方法不统一，VV就不统一。现在我国这个问题十分混乱，必须统一，成为强制性的规定。,有效体积 = 固体集料部分所占的体积 + 表面空隙中没有吸附沥青的空隙的体积,集料的有效密度,吸收的沥青,水可进入而沥青不能进入的体积,采用视密度与毛体积密度进行计算，计算按照集料吸水率的不同而变化。0.5、1.0、1.5、11.5,沥青混合料与马歇尔法混合料设计之间的关系,体积计算方法之间的关系,试件相对密度的确定,水中重法代替表干法是不适宜,实际上水中重法测定的视密度是假定沥青混合料试件完全不吸收水的极端情况。试验表明，随着试件吸水率的增加，两者的差值越大，相关关系很好。所以采用水中重法“代替”表干法是不适宜的。即使是毛体积相对密度也有较大差别，所以这次规范的修订首先明确不再采用水中重法代替。,各单位大量的试验表明:不同集料、不同级配的混合料，表干法与蜡封法测定的空隙率互有大小无一定规律。下图仅为一例。,压实后HMA 的毛体积密度BSG,沥青和集料经过压实后制成试件,测 试,将集料和沥青拌和采用马歇尔击实或旋转压实后制成试件试件干重试件水中重试件饱和面干重 (SSD),测试,称取试件干重,测 试,试件的饱和面干 SSD状态,最大相对密度的确定,B5.6.1 对非改性的普通沥青混合料，宜通过真空法实测的最大相对密度t反算集料的有效相对密度。此时可以预估适宜的最佳油石比，拌和2组的混合料，按规定对混合料彻底分散后采用真空法实测最大相对密度，取2个以上试样的平均值。然后按式B.5.6.1计算和成矿料的有效相对密度,se=,真空法测定沥青混合料的最大相对密度,经过大量的试验研究，一致认为按照现行试验规程采用真空法测定最大相对密度的方法是切实可行的。真空法测定的基本思想是测定混合料内部完全没有空气情况下的零空隙率相对密度。如果沥青混合料的油石比接近最佳油石比，沥青混合料的分散程度好（细集料团块小于6mm）抽真空时间合适（矿料的沥青膜不被破坏），沥青混合料的中的以及附着在混合料表面的气泡去除干净，测定的结果是比较准确的。,改性沥青混合料难以分散，不能采用真空法实测最大相对密度，真空法测定极易弄虚作假,改性沥青混合料只能采用计算法，但计算方法必须统一,2000年版的试验规程中，对计算最大相对密度时所采用的集料相对密度时这样规定的： “对粗集料，宜采用与沥青混合料同一种相对密度，即混合料采用表干法、封腊法或体积法测定的毛体积相对密度时，粗集料也采用毛体积相对密度。当混合料采用水中重法测定的表观相对密度代替时，粗集料也采用表观表观相对密度；对细集料（砂、石屑）和矿粉均采用表观相对密度。”其中对各种粗集料对水的相对密度（ l- n),究竟采用什么样的相对密度有不同意见和各种做法，从而导致全部矿料对水的平均相对密度sb及最大毛体积相对密度t有不同的结果。之所以会有争议是因为即使是对同一个料厂生产的同一种集料，由于粒径大小不一样，表面开口空隙对全体积所占的比例不同，各种方法测定的密度是不一样的，吸水率也不一样，下图示出了我们的一组测定结果。,测 试,室温条件下的松散混合料,测 试,真空泵,残留的气压,带有盖的金属罐体,振动台,最大理论密度测试,将集料和沥青拌和空气中重量水重重量,最大相对密度,松散状态（未经压实）的混合料,计 算,Gmm = A / ( A - C ),Where:A = 试样干重C = 式样水中重,对改性沥青及SMA等难以分散的混合料，宜直接由矿料的合成毛体积相对密度与合成表观相对密度按式（B.5.6.2）计算确定，其中沥青吸收系数C值根据材料的吸水率按式（B.5.6.3)求得，材料的合成吸水率按式（B.5.6.4）计算,确定最大相对密度的方法,B.5.9.1对非改性的普通沥青混合料，在成型马歇尔试件的同时，按B.5.6.1的要求用真空法实测各组沥青混合料的最大相对密度Yti。当只对一组预估的适宜的油石比测定最大相对密度时，也可按式（B.5.9.2-1）或（B.5.9-2）计算其他不同油石比时的最大相对密度Yti。,确定集料的有效密度和沥青混合料的最大相对密度,确定最大相对密度的方法,B.5.9.2对改性沥青或SMA混合料等难以分散不便采用真空法实测最大相对密度时，宜按式（B.5.9.2-1）或（B.5.9-2）直接计算不同沥青用量条件下的沥青混合料的最大相对密度。,C=0.033wx2-0.2936wx+0.9339,按下列步骤进行马歇尔试验按式B.5.3计算矿料混合料的合成毛体积相对密度sb。 (B.5.3)式中：P1、P2、Pn为各种矿料成分的配比，其和为100， 1、2、n为各种矿料相应的毛体积相对密度，对集料粒径在4.75以上按T0304测定毛体积相对密度，机制砂及石屑可以按T0330测定，也可以用筛出的2.364.75mm部分的毛体积相对密度代替，矿粉用表观相对密度代替。,B5.6 确定矿料的有效相对密度se1.非改性沥青，用真空法实测，然后进行反算(式B5.6-1)。式B5.6-12.对于改性沥青及SMA等难以分散的沥青混合料，有效相对密度采用合成毛体积相对密度和合成表观相对密度确定(式B5.6-2)，其中考虑了沥青吸收系数C值(式B5.6-3)。 se=Csa+(1-C)sb 式B5.6-2 C=0.033w2x0.2937 wx+0.9339 式B5.6-3 式B5.6-4,确定沥青混合料的最大理论相对密度1.非改性沥青混合料，采用真空法实测。2.对于改性沥青或者SMA宜采用计算法。式中：t沥青混合料的最大相对密度，无量纲； Pb沥青混合料的沥青用量，； se矿料的有效相对密度，按式(B.5.3.1)计算，无量纲；a沥青的相对密度(25/25) ，无量纲。,按式(B5.10-1)计算各组试件的空隙率 按式(B5.10-2)计算矿料间隙率VMA按式 (B.5.10-3)计算沥青混合料的沥青饱和度VFA,现在马歇尔试验配合比设计方法基本上还停留在体积设计的阶段，但是我国对于沥青混合料试件的各项体积指标，即密度、空隙率、VMA、VFA的计算方法却一直有许多争议。甚至是严重的混乱，想怎么算就怎么算，许多配合比设计都说是4的空隙率，但实际上可能相差很大。应该说，世界各国对这些体积设计指标的测定和计算方法都不尽相同，在一个国家，则只有一个统一的方法。,空隙率是由沥青混合料试件的密度和最大理论密度计算得到的，统一空隙率计算方法就必须统一试件相对密度和最大理论相对密度的测定或计算方法。首先是最大相对密度，实测方法有真空法、溶剂法，其混合料的毛体积完全不同。我国长期习惯于计算法，不同的方法有不小的差别。,编制试验规程时的思想是只规定方法，把真空法、溶剂法、计算法都收入，具体采用何种方法由相关的设计和施工规范确定。所以本规范必须统一空隙率等体积指标的测定和计算方法，以得到唯一的结果。经过大量的对比试验，经反复征求各方面的意见，认为溶剂法计算体积时把集料内部开口体积都扣除，最大密度偏大，测定的空隙率过大，不符合实际情况。采用真空法实测非改性沥青混合料的最大相对密度作为我国的标准方法。对于改性沥青混合料，因为改性沥青粘度大，分散比较困难，只能用计算法求取混合料的最大理论密度。,最佳油石比的确定,1 以沥青用量为横坐标，以测定的各项指标为纵坐标，分别将试验结果点入图中，连成圆滑的曲线。确定均符合本规范规定的沥青混合料技术标准的沥青用量范围OACminOACmax。选择的沥青用量范围必须涵盖设计空隙率的全部范围，并尽可能涵盖沥青饱和度的要求范围，并使密度及稳定度曲线出现峰值。,2 根据试验曲线的走势，按下列方法确定沥青混合料的最佳沥青用量OAC1。 (1)求取对应于密度最大值、稳定度最大值、目标空隙率(或者中值)、沥青饱和度对应的沥青用量，按式B.6.2-1取平均值作为OAC1。 OAC1= (a1十a2十a3十a4)/4 (B.6.2-1) (2)选择的沥青用量范围未能涵盖沥青饱和度的要求范围时，宜分别求取相应于空隙率要求范围的中值或目标空隙率的沥青用量a1、密度最大值的沥青用量为a2、稳定度最大值的沥青用量a3，按式(B.6.2-2)求取3者的平均值作为OAC1。 OAC1= (a1十a2十a3)/3 (B.6.2-2),(3)当所选择试验的沥青用量范围，不能使密度及稳定度曲线出现峰值时，可直接以目标空隙率所对应的沥青用量作为OAC1，但OAC1必须介于OACminOACmax的范围内，否则应重新进行配合比设计。,3 以各项指标均符合技术标准的沥青用量范围OACminOACmax的中值为OAC2。OAC2=(OACmin十OACmax)/2 4 通常情况下取OAC1及OAC2的中值作为计算的最佳沥青用量OAC。OAC=(OAC1十OAC2)/2 5 检查图中相应于此OAC的各项指标是否均符合马歇尔试验技术标准。,其他体积指标的计算,矿料间隙率VMA按下式计算： rSB即全部矿料对水的平均相对密度按前面所说的方法计算， 沥青饱和度VFA按下式计算：,沥青结合料被集料吸收的比例及有效沥青含量,式中： PBA-沥青混合料中被集料吸收的沥青结合料比例，% PBC-沥 青 混 合 料 中 的 有 效 沥 青 用 量，% rse-集料的有效相对密度，按式（B.5.6.1)计算，无量纲 RSB-材料的合成毛体积相对密度，按式（B.5.3）求取，无 量 纲。 RB-沥青的相对密度（25。C/ 25。C)，无量纲； PB- 沥青含量，%； PB-各种矿料占沥青混合料总质量的百分率之和，即PS= 100-PB, %,计算沥青混合料的粉胶比，通常不得大于1.6。对常用的公称最大粒径为13.219的密级配沥青混合料，粉胶比宜控制在0.81.2范围内。,估算沥青混合料的沥青膜有效厚度。,比表面的计算,中美两国在体积指标计算方法上的差别,最佳油石比的确定,确定OAC1的方法,B.6.2根据试验曲线的走势，按下列方法确定沥青混合料的最佳沥青用量OAC1.B.6.2.1在曲线图B.6.1上求取相应于密度最大值、稳定度最大值、目标空隙率（或中值）、沥青饱和度范围的中值的沥青用量A1、A2、A3、A4。按式B.6.2.1取平均值作为OAC1.B.6.2.2如果在所选择的沥青用量范围未能涵盖沥青饱和度的要求范围，按式（B.6.2-1）求取3者的平均值作为OAC1.,密实嵌挤型级配确定OAC1遇到的问题,B.6.2.3对所选择试验的沥青用量范围，密度或稳定度没有出现峰值（最大值经常在曲线的两端）时，可直接以目标空隙率所对应的沥青用量A3作为OAC1，但OAC1必须介于OACmin OACmax的范围内。否则应重新进行配合比设计。在确定OAC1时马歇尔试验的稳定度、密度必须出现峰值，不能只偏于一边，否则无法求取OAC1。但是对S型密实嵌挤型 级配，按照0.5%间隔的油石比进行马歇尔试验后，绘制的各种指标与油石比的关系曲线，密度和稳定度两个指标中有一个或者两个经常不出现峰值，只能求出OAC2。没有OAC1。这种情况多家单位都出现过，说明不是试验误差造成，而是一个客观规律。按照以往的规定，如果不出现峰值 ，必须扩大油石比的范围，保证出现峰值。但是大量的试验结果表明，这样做经常得不到预想的结果，或者需要大得多的油石比范围。使确定的这个峰值实际上离开最佳油石比很远，而失去意义。,确定最佳沥青用量的马歇尔试验曲线 密度和稳定度不出现峰值,2018/1/21,混合料马歇尔体积指标示意图,解决重载交通道路车辙的技术措施,针对气候条件和交通条件适当增加或减少沥青用量是很重要的。对重载交通道路，通过加强压实、增加击实次数、采用GTM方法提高设计荷载，包括采用SUPERPAVE方法等一系列研究，最后的结果都导致一个结论，即配合比设计的最佳沥青用量要比标准条件下马歇尔设计的最佳沥青用量少。这就从根本上给我们指出了对付重载交通车辙的对策，即适当减少最佳沥青用量。为防止由于减少沥青用量的造成路面空隙率变大，可能造成渗水及水损害破坏，必须在施工过程中加强碾压，将由于减少沥青用量而增大的空隙率压回去，达到没有减少沥青用量的相同的密实度水平。因此建议在夏季严重高温，重载车、超载车比例大、长大坡度路段，为了防止车辙，采取适当减少沥青用量0.1%0.5%的办法不失为最有效的好办法。,配合比设计标准,建议按照不同的气候条件、交通条件建立配合比设计标准,VMA的标准问题比较复杂,我国对VMA的研究很肤浅。主要参考美国的标准，但美国的不同规范、不同年代、对不同设计空隙率的VMA标准，不仅不相同，而且一直在变化。试验说明，马歇尔试验的击实的空隙率要比SUPERPAVE的搓揉压实条件的空隙率大1%左右，在相同油石比条件下，如果将马歇尔击实次数从75次增加到100次，VMA值约小1%。以前由于我国没有采用集料有效相对密度的概念，VMA的计算方法也有不一样，所以VMA也有一定的差别。由于现在的计算方法上已经推拥，而我们对VMA的研究很少，所以全面引用了美国的标准。实践证明，VMA最重要，但我们掌握得很差，调整VMA也很难，这是我们目前存在的困难。这一点在美国也一样。原来想设一个2%的上限，实际上做不到。而且不同的学者和单位对VMA的规定也不完全相同。,VFA标准,VFA是VMA及设计空隙率计算得到的指标，注意这里的VFA是有效沥青用量占VMA的比例。不再是总的沥青的体积与总的VMA的比例，所以没有必要如以前那样的计算沥青的体积比例。根据上述VMA最小值的要求，按设计空隙率计算得到的VFA范围明显比现行规范的小，说明原规范的VFA要求偏大，与各地反映一致。,VFA标准,将上表的要求适当归并并取整，即成下表。建议对大部分用于上中面层的公称最大粒径为13.219的沥青混凝土，VFA要求在60%75%。对用于下面层或基层的公称最大粒径26.5以上的沥青混凝土，VFA要求为55%70%。减小VFA的要求是重要的修改，调查表明，大量的车辙发生在中下面层，控制VFA对抗车辙有利。尤其是对AC-25、AC-20这些常用的结构层，希望大家注意。,马歇尔稳定度和流值标准稳定度基本不变，重载路段的流值适当减小，轻交通路段的流值适当增加,粉胶比标准,确定沥青用量时，粉胶比是重要的。粉胶比实际上是决定沥青膜 厚度，粉胶比大小，路面会泛油；粉胶比过大将使有效沥青用量偏少，粘结能力减弱，并导致沥青混合料的松散。我国规范的条文说明中粉胶比宜在1.01.2范围内，对密级配沥青混合料提出的。SUPERPAVE提出当混合料级配从限制区下方经过时，粉胶比可适当提高为0.81.6。这样实际上包括了SMA这样的沥青混合料。对于普通沥青混合料，建议仍然维持在1.01.2左右。由于抗车辙性能的需要，我国常采取减少沥青用量的措施，这时更应该特别注意粉胶比的问题，防止粉胶比过大影响耐久性。,建议各地确定配合比设计时的地方性技术标准,由于各地的材料、矿料级配相对来说比较固定，混合料性能也比较接近，因此根据各自的具体情况制订对本地的马歇尔设计技术标准是适宜的。但是必须注意，原来制订的一些地方性技术标准是根据以前的试验方法确定的，如果与新规范规定的方法不一致的话