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张宜洛,国际沥青混合料发展史上的三个里程碑：40年代提出的马歇尔试验法，长期的技术标准和试验方法60年代，美国AASHTO试验路的铺筑和研究；沥青路面的设计、施工、结构和材料发生根本变化90年代初，美国战略公路研究计划（SHRP）及研究项目的进行，“沥青结合料路用性能规范及沥青混合料性能设计”,我国沥青路面研究发展：“六五”：普通沥青混合料及改性沥青研究；高温方面：车辙预估、开裂温度判断、丁苯橡胶改性“七五”：对比沥青我国沥青路用性能；高温：车辙试验、蠕变试验、环道试验、加速加载试验；低温：应力松弛试验、路面温度应力试验；橡胶改性沥青推广“八五”：借助SHRP对比国产沥青、提出自然区划；沥青混合料技术指标和相应的试验方法；改性沥青研究“九五”：SHRP成果应用及推广、SMA研究及推广、长寿命路面的研究,我国沥青路面研究方向：验证和完善沥青及沥青混合料的性能指标，使其与路用性能符合研究改善沥青与沥青混合料性能的新型改性剂与改性工艺研究新型沥青结构与铺筑工艺改进与完善沥青混合料的设计方法研究沥青路面性能的评价和预测方法,混合料设计依据：交通条件、自然条件设计思路：合理选择与组合材料施工时的现场质量控制总结面层质量的经验和教训为路面设计理论提供必要的参数,混合料设计原则：设计施工足够的高温稳定性良好的低温抗裂性良好的耐久性良好的水稳性足够的抗滑能力？良好的防渗能力？良好的施工性能？,1沿革无侧抗压强度试验h5（7、10）cm1920Hubbard-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。）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）矿物骨架结构悬浮密实结构如AC；骨架空隙结构如OGFC；骨架密实结构如SMA；,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,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。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。活化矿料表面，为化学吸附创造条件。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，深度达50100m，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,（1）级配设计原则粗集料形成稳定的骨架；提供沥青的填充空间；使各种性能得到理想的平衡；减少离析不产生碾压推拥,（1）级配设计原则0.6mm过多，则不稳定0.152.36mm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,1）富勒最大密度级配曲线方程1901年1907年美国富勒（W.B.Fuller）与汤姆逊（Thompson）根据实验提出了矿料的理想级配，认为颗粒级配曲线愈接近抛物线则其密实度就愈大，提出了理想最大密度连续级配组成的计算公式：,n=0.5,2）n法，泰波（A.N.Talbot）级配理论泰波认为：富勒公式是一种理想的级配曲线，实际上要获得最大密度会有一定的波动范围，于是将富勒公式改变为如下一般表达式：,n=0.30.5时有较大密实度。通常使用范围：n=0.30.7。实际：n=0.45密度最大Superpaven法为无限级数，无法控制12m有效沥青含量,7粉胶比沥青混凝土比表面约100200m2/kg，其中：碎石占1%，砂占220%，矿粉占7095%。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，SMA1.82.0（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2mm16mm，tg从0.60.7）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