毕业设计（论文）-沥青混合料组成设计

河北交通职业技术学院毕业论文1绪论沥青路面因具有优越的路用性能而广泛应用。它作为一种无接缝的连续式路面,具有足够的力学强度,能适应各种行车荷载,且行车平稳、舒适、噪音低以及便于维修等优点。近年来,在我国高速公路建设中,沥青混凝土路面成为主要的路面结构形式。这对于沥青混合料设计研究具有重要的指导意义和实用价值。1.1沥青混合料组成结构类型通常沥青集料混合料按其组成结构可分为下列三类:悬浮密实结构当采用连续型密集配矿质混合料如图1-1-中曲线a与沥青混合料时,按粒子干涉理论,为避免次级集料对前级集料密排的干涉,前集级料之间必须留出比次级集料粒径稍大的空隙供次级集料排布。按此组成的沥青混合料,经过多级密垛虽然可以获得很大的密实度,但是各级集料均为次级集料所隔开,不能直接靠拢而形成骨架,有如悬浮于次级集料及沥青胶浆之间,其结构组成示意(如图1-1-a)。这种结构的沥青混合料,三轴试验结果如表1-1中编号101,虽然具有较高的粘聚力c;但摩阻角较低,因此高温稳定性较差。骨架空隙结构当采用连续型开级配矿质混合料如图1-1中曲线b与沥青组成沥青混合料时,由于这种矿质混合料递减系数较大,粗集料所占比例较高;细集料则很少。甚至没有。按此组成的沥青混合料,粗集料可以互相靠拢形成骨架;但由于细集料数量较少,不足以添满粗集料之间的空隙,因此形成“骨架空隙”结构。这种结构的沥青混合料三轴试验结果如表1-1-1中编号102,虽然具有较高的内摩阻角,但粘聚力c较低。当采用间断型密集配矿质混合料如图1-1中曲线c与沥青组成的沥青混合料时,由于这种矿质混合料断去了中间尺寸粒径的集料,既有较多数量的粗集料可形成空间骨架,同时有相当数量的细集料可添密骨架的空隙,因此形成“密实骨架”结构。这种结构的沥青混合料三轴试验结果如表1-1中编号103,不仅具有较高的粘聚力c,而且具有较大的内摩阻角。上述三种结构的沥青混合料由于结构常数不同因而反映在稳定性上已有显著的差异(见表1-1)。图1-1三种类型矿质混合料级配曲线a)连续型密级配;b)连续型开级配;c)间断型密级配表1-1不同结构组成的沥青混合料结构常数和稳定性指标 结构常数 湿度稳定度指标混合料名称 组成结构类型 密度 空隙率 矿料间隙率 粘聚力 内摩擦角 o Vv VMA c (g/cm3) (%) (%) (kpa) (rad)连续型密级配沥青混合料 密实悬浮结构 2.40 1. 1 7.9 318 0.600(101)连续型密级配沥青混合料 骨架孔隙结构 2.37 6.1 16.2 240 0.653(102)间断型密级配沥青混合料 密实骨架结构 2.43 2.7 4.8 338 0.658(103)1.2沥青混合料的特性沥青混合料在路面中直接承受车辆荷载的作用,首先应具有一定的力学强度;除了交通的作用外,还受到各种自然因素的影响,因此还必须具备有抵抗自然因素作用的耐久性;现代交通的作用下,为保证行车安全、舒适,还需要具有特殊表面特性(即抗滑性);最后为了便利施工还应具备施工的和易性。分述如下:1.2.1高温稳定性沥青混合料的高温稳定性是指混合料在高温情况下，随外力不断作用抵抗永久变形的能力，它采用马歇尔试验和车辙试验来评定。1.2.2低温抗裂性沥青混合料随着温度的降低，变形能力下降。路面由于低温而收缩以及行车荷载的作用，在薄弱部位产生裂缝，从而影响道路的正常使用。1.2.3耐久性沥青混合料的耐久性是指其在外界多种因素(阳光、空气、水、车辆荷载等)的长期作用下,仍能基本保持原有的性能。它采用马歇尔试验，通过测定试件中的空隙率、饱和度、残留稳定度等来评价。1.2.4抗滑性随着车辆行驶速度的增加，尤其要提高路面的抗滑性能，因此必须加强路面的粗糙度，通常选用质地坚硬、具有棱角的碎石等。一般采用路面磨擦系数和构造深度来评价。1.2.5施工和易性沥青混合料除了具备上述技术性质外，还应具备施工和易性才能顺利地进行施工作业。合理的矿料级配使沥青混合料之间拌和均匀，不致产生离析现象;适量的沥青数量可以避免混合料疏松和结团现象。1.3集料级配组成范围与合成级配的确定沥青路面的性能都与沥青混合料的空隙率有关,抗滑性能要求沥青混合料表面粗糙,构造深度大,然而这种混合料空隙率较大,而抗水害、耐疲劳、防老化及抗裂性均要求混合料空隙率小些,抗车辙又要求混合料空隙率不能太小,有一个适度,因此混合料空隙率表征着路面的性能,沥青路面的材料组成设计必须严格控制合适空隙率。另外,我国目前高速公路沥青面层大多分上、中、下面层。应力计算和温度场研究表明,上面层多为抗剪压缩区,中面层为竖向压缩区,下面层多为抗拉伸疲劳破坏区。上、中面层受温度影响大,因此三层要求各有侧重。上面层要求既抗滑又密水,中面层以抗高温车辙和低温抗裂为主,下面层以抗疲劳为主。在国标中,沥青混合料的级配有AC-型、AC-型、AK型等。根据路面各层不同的使用功能而分别采用。实践证明,AC-、型与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而没有范围值,生产上难以掌握。作者根据Superpave设计法中控制点和禁区的规定及大交通量级配曲线应从禁区下面通过的原则,结合国标AK型、AC-、型级配,提出了高速公路沥青路面上、中、下面层集料级配组成范围如表1。面层AK-16是取AK-16之长补AK-16之短而组成,从而既粗糙也有密水功能。空隙率控制在3.5%-5.5%;中、下面层也是取AC-I之长补AC-之短而组成,中面层既要防水又要提高动稳定度以防止高温车辙及低温开裂;下面层以抗疲表1-2高速公路沥青面层混合料级配组成范围结构层类型 各筛孔(mm)质量通过百分率/%31.5 26.5 19 16 3.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075上面层AK-16厚度40-50 cm)100 100 100 90-100 77-88 64-76 41-51 26-37 16-24 9-18 6-15 3-11 2-6中面层AC-20厚度50-60 cm)100 100 90-100 80-90 68-81 57-70 36-49 23-35 14-22 9-17 5-14 3-10 2-6下面层AC-25厚度60-70 cm)100 90-100 75-86 67-78 57-68 48-58 30-40 19-27 11-18 6-14 3-11 2-8 2-5劳为主。沥青混合料的疲劳开裂源于荷载的反复作用,集料性质、级配都影响疲劳耐久性,疲劳耐久性将影响沥青路面的使用寿命。1.4沥青混合料组成材料1.4.1沥青材料不同型号的沥青材料具有不同的技术指标，运用于不同等级、不同类型的路面。在选择沥青材料的时候，要考虑到交通量、气候条件、施工方法、沥青面层类型及材料来源等情况，这样才能使拌制的沥青混合料具有较高的力学强度和较好的耐久性。一般面层的上层宜用较稠的沥青，下层或联结层宜用较稀的沥青。当沥青标号不符合使用要求时，可以采用几种不同标号的沥青互相掺配，但掺配后的技术指标应符合要求。1.4.2矿质材料沥青混合料的矿质材料必须具有良好的级配，这样，沥青混合料颗粒之间能够比较紧密地排列起来，以达到足够的密实度，又能让颗粒之间具有一定空隙，使沥青混合料保持良好的稳定性。因此，在进行沥青混合料配合比设计的时候，根据不同的沥青混合料类型，选择适当的矿料级配。沥青混合料的矿质材料包括粗集料、细集料和矿粉，这几种材料除了混合后能达到要求的级配外，对于它们本身还有不同的技术要求。1.4.2.1粗集料沥青混合料的粗集料一般是由多种岩石经过轧制而成的碎石组成，要求洁净、干燥、无风化、无杂质，并且具有足够的强度和耐磨性，质量要求应符合公路沥青路面施工技术规范(JTJ032一94)。对于路面抗滑表层的粗集料应选用坚硬、耐磨、抗冲击性好的碎石;在缺少碱性石料时也可以采用酸性石料代替，但必须对沥青或粗集料进行适当的处理，以增加混合料的粘聚力。1.4.2.2细集料热拌沥青混合料的细集料一般采:用天然砂或人工砂，在缺砂的地区可以用石屑代替，但对于高等级公路的面层或抗滑表层，石屑的用量不宜超过砂的用量。细集料同样应洁净、干燥、无风化、无杂质，并且与沥青具有良好的粘结力，对其具体要求应符合公路沥青路面施工技术规范(JTJ032一94)。1.4.2.3矿粉矿粉是由石灰岩或岩浆岩中的强基性(憎水性)岩石磨制而成，也可以由石灰、水泥、粉煤灰代替，但用这些物质作填料时，其用量不宜超过矿料总量的2%。矿粉要求洁净、干燥，并且与沥青具有较好的粘结性，其它要求应符合公路沥青路面施工技术规范(JTJO32一94)。1.5沥青混合料配合比设计方法沥青混合料配合比设计包括:目标配合比(也称实验室配合比)设计、生产配合比设计和生产配合比验证三个阶段。1.5.1目标配合比设计阶段用工程实际使用的材料计算各种材料的用量比例,配合成规定的矿料级配,进行马歇尔试验,确定最佳沥青用量。以此矿料级配沥青用量作为目标配合比,供拌和机确定各冷料仓的供料比例、进料速度及试拌使用。1.5.2生产配合比设计阶段对间歇式拌和机,必须从二次筛分后进入各热料仓的材料取样进行筛分,以确定各热料仓的材料比例,供拌和机控制时使用。同时反复调整冷料仓的进料比例以达到供料均衡,并取目标配合比设计的最佳沥青用量、最佳沥青用量0.3%等三个沥青用量进行马歇尔试验,确定生产配合比的最佳沥青用量。1.5.3生产配合比的验证阶段拌和机采用生产配合比进行试拌、铺筑试验路,并用拌合的沥青混合料及路上钻取的芯样进行马歇尔试验检验,由此确定生产用的标准配合比。标准配合比作为生产上控制的依据和质量检验的标准。经设计确定的标准配合比在施工过程中不得随意变更。生产过程中,如遇到进场材料发生变化并经检测沥青混合料的矿料级配、马歇尔技术指标不符合要求时,应及时调整配合比,使沥青混合料质量符合要求并保持相对稳定,必要时从新进行配设计。2 沥青混合料配合比设计算例对任何一个工程，在配合比设计之前，材料选择和原材料试验是不可缺少的步骤，只有所有指标都符合规范要求的材料才允许使用。2.1沥青本工程地处规范附录A规定的温区，按规范选择沥青标号为AH一90。进口沥青到货后按试验规程要求取样，并委托交通部公路工程质量检测中心进行试验，质量符合我国重交通路沥青技术要求，其主要技术指标如表2-1。表2-1 沥青质量试试验结果项 目 单位 技术要求（90号） 试验结果 试验方法 规范规定 针入度 25 100g 5s 0.1mm 80-100 83 JTJ TO0604延度 5cm/min 15 cm 100 150 JTJ TO0605 10 cm30 150 JTJ TO0605软化点Tr&b 44 44.7 JTJ TO0606溶解度（三氯乙稀） % 99.5 99.6 JTJ TO0607闪点（COC） 245 342 JTJ TO0611密度（15） g/cm3 实测 1.033 JTJ TO0603含蜡量 % 2.2 0.64 JTJ TO0615粘度 60 Pa*s 140 150 JTJ TO0602 135 mm2/s 实测 323.3 JTJ TO0619 质量损失 % 0.8 +0.11 JTJ TO0609TFTO 针入度比 % 57 79.5 JTJ TO0604 后 延 25 cm 75 150 JTJ TO0605 15 cm 20 150 JTJ TO0605 度 10 cm 8 22 JTJ TO06052.2矿料2.2.1粗集料采用某采石场的石灰岩碎石，各种材料筛分结果如表2-2。在采石场采集的样品中，名义为57号碎石(方孔筛10一30mm)规格的样品实际上是56号碎石，其中小于26.5mm 表2-2 各种粗集料的筛分结果材 料 通过下列筛孔（mm）的 百分率（%）31.5 26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.1810-30mm 100 78.1 30.7 9.40（S7碎石规定要求）90-100 - - - - 0-15 0-5（S6碎石规定要求）90-100 - - -0-15 -0-510-20mm 100 96.5 75.8 26.4 0（S9碎石规定要求） 100 95-100 - - 0-15 0-55-10mm 100 99.2 4.9 0（S12碎石规定要求） 100 95-100 0-10 0-53-5mm 100 74.8 8.3 0（S14碎石规定要求） 100 85-100 0-25 0-5部分仅78.1%，不适于配制AC一25沥青混凝土，试验时必须将大于26.5mm部分筛除后使用，以符合生产时的实际情况(大于26.5mm料作为超粒径料排出)。10一20mm碎石符合规范S9规格。5一10mm符合512规格，3-5mm石屑与S14规格相比，大于4.75mm部分偏多，但不妨碍使用，按规范对碎石质量的检测结果如表2-3. 从表中可见，有些指标必须对不同粒径的碎石分别试验，各项指标均符合规范要求，可以使用。表2-3各种粗集料的质量规格指标 单 位 规范要求 碎石规格（mm） （高速公路） 10-30 10-20 5-10 压碎值 % 28 15.0洛杉矶磨耗值 % 2.50 2.818 2.836 2.827表干密度 g/cm3 - 2.801 7.797 2.787吸水率 % 2.0 0.35针片状含量 % 15 9.1 5.7 -含泥量 % 1 接近0坚固性 % 2.50 2.614 亲水系数 1 1.0含水率 % 1 0.15通过下列筛孔的百分率0.6mm % 100 1000.3mm % - 98.30.15mm % 90-100 93.30.075mm % 75-100 82.52.3第一阶段目标配合比设计阶段根据设计，该工程沥青面层中面层采用AC一251型密级配沥青混凝土。规范规定应采用工程实际使用的材料(而不是采石场的材料样品)进行目标配合比设计。2.3.1矿料级配计算表2-6 中层目标配合比设计结果 筛孔（mm） 26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 规范要求的 级配范围 95-100 75-90 62-80 53-73 43-63 32-52 25-42 18-32 13-25 8-18 5-13 3-7 （%）中值 97.5 82.5 71.0 63.0 53.0 42.0 33.5 25.0 19.0 13.0 9.0 5.0（%） 合成级配 100 81.8 72.9 65.9 55.3 44.2 32.4 26.3 17.9 9.8 6.5 5.8（%） 现在，矿料级配的计算大都利用微机进行人机对话的方式进行，计算程序并不复杂，各单位都可以自行编制，计算时应充分考虑使现有材料得到有效的使用，筛孔上应特别重视4.75mm、2.36mm、0.075mm，尽量接近要求范围的中值。对上述材料反复进行矿料级配计算得到的各种材料的配合比如下:10一30mm碎石:10一20mm碎石:3一5mm石屑:砂:矿粉=30:20:15:28:7。合成级配如表7，均符合规范要求，由于0.3一0.6mm的含量较少，0.075mm通过量适当提高。2.3.2马歇尔试验按此配比，在油石比3.5%内，以0.5%间隔的不同油石比，算最佳油石比如下:按最大密度、最大稳定度、空隙率中值确的最佳油石比OAC=4.54%;按各项指标全部合格的范围的中值确定最佳油石比OAC=4.31%;由此确定的最佳油石比OAC=4.4%;相应的最佳沥青用量=4.2%。表2-7 不同测定方法计算的马歇尔指标油 水中重法 表干法 体积法石 孔隙率 饱和度 孔隙率 饱和度 孔隙率 饱和度比（%） （%） （%） （%）3.5 5.6 60.06.2 57.2 5.8 89.64.0 3.9 71.2 4.5 68.0 5.1 65.44.5 3.0 78.3 3.2 77.1 2.5 81.35.0 1.9 86.4 2.1 85.4 1.8 87.25.5 1.3 91.2 1.5 89.6 1.5 90.0在这里，有一个密度、空隙率等体积指标的计算方法问题，根据规范附录B及称公路工程沥青及沥青混合料试验规程努（JTJ053一93)的规定，对粗粒式但较密实的AC一251型密级配沥青混凝土，应采表法测定的表十密度计。如表1-9可见，采用其他方法的结果稍有差异，由此得出的最佳油石比也将不一样算异。当马歇尔试验指标达，图2-1提供的途径可供参考。2.3.3高温稳定性检验按规范73.4规定，对用于高速公路沥青路面的上面层及中面层的沥青混凝上混合料进行配合比设计时，应通过车辙试验机对抗车辙能力进行检验。因此，由马歇尔试验设计的配合比并不能马上就作为目标配合比，对上述设计的级配及油石比的沥青混合料在温度60、轮压0.7MPa条件下进行车辙试验，动稳定度为3150次衍比氏符合规范7.3.4条应不小于800次/mm的规定要求。应该说明，由于我国规范第一次列人车辙试验动稳定度要求，规定800次/mm是非常低的。在日本，要求为1500次/mm。可是据了解，有些工程管理部门认为规范没有写“必须”，不理睬规范的这个规定，但是规范用语的含义为“在正常情况下均应这样做”。还有一些单位试验时采用拌和好的沥青混合料，送到有关单位去重新加热再制件进行试验，应该知道，经二次加热的混合料，沥青变硬，动稳定度必将提高，影响试验数据的可靠性。如果试验达不到规定值，这里介绍一些措施来提高动稳定度:(l)增大集料粒径，增加粗集料用量;(2)增加矿粉用量;(3)掺加纤维稳定剂;(4)减少天然砂用量，用有棱角的人工砂或石屑代替;(5)换用针人度小一些或60粘度高的沥青，减少沥青用量，使用改性沥青等。2.3.4水稳定性检验按照最佳油石比4.4%，重新制作试件，进行马歇尔试验及48h浸水马歇尔试验，对沥青混凝土的水稳定性进行验证，结果如图所示残留稳定度为100.1%，符合规范规定不得小于75%的要求。这里说明，这种残留稳定度超过100%的现象对稳定度甚高的密级配沥青混凝土来说，是不奇怪的，说明水稳定性良好，稳定度大小是属于试验值波动问题由上述结果得出目标配合比的矿料级配及最佳油石比为4.4%。规范规定此配比仅供拌和机确定各冷料仓的供料比例、进料速度及试拌使用。表2-8 目标配合比浸水马歇尔试验结果油 理论 表干 饱和度 矿料 稳定度 流值 马歇尔 浸水石 密度 密度 间隙率 模数 时间比（%） (g/cm3) (g/cm3) （%） （%） (KN) (mm) (KN/mm) (h)4.4 2.566 2.452 70.8 15.2 14.18 2.84 5.00 0.54.4 2.566 2.48 76.8 14.1 14.29 2.81 5.24 48.02.4第二阶段生产配合比设计阶段表2-9 施工热料仓材料试验结果热料仓 4号仓 3号仓 2号仓 1号仓 备注粒径（mm） 20-32 10-20 4-10 0-4 矿粉密度（g/cm3） 2.836 2.843 2.805 2.687 密度毛体积密度（g/cm3） 2.803 2.801 2.744 为表观体积（g/cm3） 2.815 2.816 2.766 2.801此结果与目标配合比设计结果相差0.4%，基本吻合。结合以往经验，商定采用平均值即油石比4.6%(沥青用量4.4%)作生产配合比的建议油石比供试拌试铺使用。该拌和机每一锅拌和能力为16(洲)kg，故各料仓的用量为:4号仓(20一32):l6000kgx(1一4.4%)x24%=367kg3号仓(l0一20):l600kgx(1一4.4%)x28%=428kg表2-10 中面层热料仓筛分结果及配比筛孔 仓料筛分结果与配比（%） 设计级配 中值 合成及配（%）（mm） 4号仓 3号仓 2号仓 1号仓 矿粉 范围 （目标配合比）26.5 31.26 95-100 97.5 98.619 7.65 100 75-100 82.5 83.516.0 0.27 75.8 62-80 71.0 71.113.2 40 100 53-73 63.0 59.39.5 7.68 99.48 43-63 53.0 50.14.75 0.22 36.46 100 32-52 42.0 37.92.36 0.61 91.12 25-42 33.5 29.81.18 77.24 18-32 25.0 26.10.6 72.42 13-25 19.0 24.80.3 18.56 8-18 13.0 10.8筛孔 仓料筛分结果与配比（%） 设计级配 中值 合成及配（%）（mm） 4号仓 3号仓 2号仓 1号仓 矿粉 范围 （目标配合比）0.15 3.02 100 5-13 9.0 6.80.075 0.68 83.7 3-7 5.0 5.22号仓(4一10):1600kgx(1一4.4%)xl6%=245kg1号仓(0一4):l600kgx(1一4.4%)x26%=398kg矿料:1600kgx(l一4.4%)x6%=92kg沥青:1600kgx4.4%=70kg可见四个料仓用量大体上是平衡的。表2-11 生产配合比马歇尔试验结果油石比 理论密度 表干密度 空隙率 矿料间隙率 稳定度 流值 马歇尔模数（%） （g/cm3） （g/cm3） （%） （%） (KN) (mm) （KN/mm） 3.5 2.636 2.418 8.3 16.5 10.01 21.7 4.714.0 2.617 2.455 6.6 16.1 11.93 22.7 5.364.5 2.597 2.492 4.1 15.0 13.09 27.0 4.925.0 2.579 2.480 3.8 15.9 11.86 27.6 4.315.5 2.560 2.452 3.2 17.4 10.0132.3 3.122.5第三阶段生产配合比验证阶段此阶段即试拌试铺阶段。施工单位进行试拌试铺时，应报告监理部门及业主，工程指挥部会同设计、监理、施工人员一起进行鉴别.拌和机按照生产配合比结果进行试拌，首先由在场人员对混合料级配及油石比发表意见，如有不同意见，应适当调整再进行观察，力求意见一致。然后用此混合料在试验段上试铺，进一步观察摊铺、碾压过程釉成型混合料的表面状况，判断混合料的级配及油石比，如不满意，也应适当调整，重新试拌试铺，直至满意为止。另一方面，实验室密切配合现场指挥在拌和厂或摊铺机旁采集沥青混合料试样，进行马歇尔试验，检验是否符合标准要求.同时还应进行车辙试验及浸水马歇尔试验，进行高温稳定性及水稳定性验证。只有所有指标全部合格，才能交付生产使用。在试铺试验段时，实验室还应在现场取样进行抽提试验，再次检验实际级配和油石比是否合格。同时按照规范规定的试验段铺筑要求，进行各种试验。本工程以上述配比及4.5%油石比试拌试铺时，级配及油石比均认为符合经验认识，比较正常。第一次取样测定马歇尔指标为:稳定度10.5kN流值3.8mm，空隙率2.8%，沥青饱和度82.7%。实验室认为此混合料指标基本合格，但流值稍偏大，空隙率达不到3%，于是进行抽提筛分，发现实际级配接近设计级配，但油石比达4.92%，系拌和机控制上偏大所致。第二天，再次取样试验结果为:稳定度11.1kN，流值3.5mm，空隙率3.7%，沥青饱和度78.5%，实际油石比4.55%。矿料级配及马歇尔指标均符合规范要求。随即决定取样成型试件进行车辙试验，指挥部为慎重起见，还要求提高试验温度及荷载压力进行试验，结果如表巧，是合格的。浸水马歇尔试验的结果表明，残留稳定度达98%，也是合格的。由此，可以认为生产配合比得到验证，是可行的，实验室据此编写了配合比设计报告及试拌试铺总结，经监理及业主批准下达施工单