第五章-沥青混合料——配合比设计

沥青混合料配合比设计及施工质量检测,道桥工程系杜海瑛,沥青混合料配合比设计三个阶段,目标配合比设计阶段（优选材料、矿料级配、最佳OAC，供拌和机确定冷料仓的供货比例、进料速度及试拌使用）生产配合比设计阶段（确定各热料仓的配合比，供拌和机控制室使用）生产配合比检验阶段（通过试拌试铺，确定施工温度；机械组合；施工工艺；虚铺系数；生产用标准配合比和最佳油石比；建立钻芯法与核子仪的检测密度的相关性。）确定级配允许波动范围,JTGF40-2004矿料级配范围的三层含义,第一是规范规定的级配范围是最基本的要求。必须兼顾全国各种不同情况，由于它适用于全国，适用于不同等级、不同气候条件、不同交通条件、不同层次的各自情况，所以这个范围必然只能规定的很宽。这样给设计单位和建设单位有充分选择级配的自由。第二工程设计矿料级配范围针对具体工程，气候条件、交通条件，公路等级，已建公路的成功经验调整。第三施工单位施工质量检验时允许的级配波动范围。,密级配沥青混合料马歇尔配合比设计,调整工程设计级配范围的原则,首先规范确定采用粗型（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，宜选用粗型密级配沥青混合料，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，宜选用细型密级配沥青混合料，并取较低的设计空隙为确保高温抗车辙能力，同时兼顾低温抗裂性能的需要。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，减少细粉的用量，使中等粒径集料较多，形成平坦的S型级配曲线。确定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、抗滑等要求根据公路等级和施工设备的控制水平，确定的工程设计级配范围应比规范级配范围窄，其中4.75mm和2.36mm通过率的上下限差值宜小于12%。沥青混合料的配合比设计应充分考虑施工性能，使沥青混合料容易摊铺和压实，避免造成严重的离析。,密级配沥青混凝土混合料矿料级配范围,马歇尔配合比设计步骤,1.确定混合料类型，结合规范级配，调整工程设计级配范围；2.原材料的选择，试验；当单一规格集料的质量指标达不到技术要求时，按照集料配合比计算的质量指标符合要求时，工程上允许使用。对受热易变质的集料，宜采用经拌和楼烘干后的集料进行检验。3在工程设计级配范围内调整13不同的矿料级配；使包括0.075mm、2.36mm、4.75mm筛孔在内的较多筛孔的通过率分别位于设计级配范围的上方、中值及下方。混合料中天然砂的用量通常不宜超过集料总量的20%。,马歇尔配合比设计步骤,4.初选5组油石比，对13不同的级配分别进行马歇尔试验；拌和温度、击实温度5.测定体积指标、马歇尔稳定度、流值，调整最佳油石比OAC；6.分析比较，确定1组级配及最佳OAC；7.进行配合比检验：抗高温性-车辙试验（T0719）抗低温性-弯曲试验（T0715）水稳定性浸水马歇尔（T0709）冻融劈裂试验（T0729）渗水检验渗水试验（T073）,马歇尔配合比设计流程图,最佳油石比OAC的确定,沥青混合料配合比验证,1抗高温性-车辙试验（T0719）在试验温度为60、轮压0.7MPa条件下进行车辙试验的动稳定度.2抗低温性-弯曲试验（T0715）对热拌沥青混合料在试验温度-10、加载速率50mm/min的条件下进行弯曲试验，测定破坏强度、破坏应变、破坏劲度模量，并根据应力应变曲线的形状，综合评价沥青混合料的低温抗裂性能。3水稳定性浸水马歇尔（T0709）冻融劈裂试验（T0729）在规定的试验条件下进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验以检验沥青混合料的水稳定性。达不到要求时必须掺加消石灰、水泥或相应的抗剥落措施。4渗水检验渗水试验（T073）利用轮碾机成型的车辙试件进行渗水试验,山西省沥青使用性能气候分区表(温度),沥青混合料高温车辙技术指标,渗水系数,沥青混合料渗水系数和空隙率有着很好的相关关系，渗水系数随着空隙率的增大而增大，随压实度的增大而减小。沥青混合料配合比设计时，AC级配设计空隙率为3-5，将空隙率5对应的渗水系数作为设计阶段的控制点，利用直线内插计算5时的渗水系数分别：AC-13I：90ml/min，AC-16I：116ml/minAC-20I：111ml/min，AC-25I：136ml/min；对于SMA-13、SMA-16，渗水系数在空隙率4左右发生突变，将4空隙率对应的渗水系数作为设计控制指标。根据试验数据，利用内插法计算空隙率为4时的渗水系数分别是：SMA-1385ml/minSMA-1682ml/min。,渗水系数,配合比设计阶段现行规范修订后AC类：细粒式120ml/min90ml/min中粒式120ml/min120ml/min增加了粗集料AC-25150ml/min（由于车辙标准试件厚度与粗粒式沥青混合料最大公称粒径不匹配，故对粗粒式沥青混合料渗水系数仅供参考。）SMA类：SMA-1380ml/min85ml/minSMA-1680ml/min85ml/min。,渗水系数,施工阶段现行规范修订后AC级配：上、中面层300ml/min100ml/min下面层300ml/min200ml/minSMA级配：上面层200ml/min100ml/min桥面下面层200ml/min200ml/min,沥青及沥青混合料试验检测,试验检测要求1.用于试验的仪器设备必须经过计量部门的标定，精度满足试验要求，特别是测力、位移传感器，温度计，天平等；2.试验人员要熟悉掌握试验规程、技术规范，理解每一部试验的作用意义，分析数据的准确性；3.所有的原始记录、计算数据、汇总资料，必须如实记录和保存，对已采取措施进行返工和补救的项目，可做记录说明，但不得消毁；4.试验记录中应表明检测依据、试验方法、技术要求，材料规格、来源、拟使用部位，试验人员、时间，并标明试验过程中有无异常现象；5.按试验规程进行平行试验，分析整理数据，不满足精度要求的要重新试验。,JTGF40-2004石油沥青的特点,(1)将原来的“重交通道路石油沥青”和“中、轻交通道路石油沥青”两个技术要求合并为一个“道路石油沥青技术要求”，根据当前的沥青使用和生产水平，按技术性能分为A、B、C三个等级：A级沥青可以认为达到了国际先进水平，比原规范“重交通道路沥青”有所提高；B级沥青与原规范“重交通道路沥青”相近；C级沥青相当于一般沥青水平，比原规范“中、轻交通道路石油沥青”技术要求稍有提高。,JTGF40-2004石油沥青的特点,JTGF40-2004石油沥青的特点,(2)沥青等级划分以气候条件为依据，规定了各气候区适宜的沥青针入度等级。(3)增加了沥青的感温性指标针入度指数，PI值。用5个温度的针入度确定，要求相关系数达到0.997以上。考虑到国产沥青和进口沥青的PI水平，比国外的要求适当放宽，对A级沥青要求不小于-1.5，B级沥青要求不小于-1.8。(4)适当提高了软化点指标，A级沥青增加了沥青60温度的动力粘度指标。,JTGF40-2004石油沥青的特点,(5)A、B级沥青在保留原样沥青15延度的基础上，增加了10延度，C级沥青25延度改为15延度。(6)含蜡量指标仍然是标准中的重要指标。分为2.2、3、4.5三个等级。其中A级沥青不采用2而采用2.2是考虑国产沥青的水平。(7)老化试验统一采用薄膜加热试验(TFOT)，也允许用旋转薄膜加热试验(RTFOT)代替。,山西省不同气候区适用的沥青标号,2-2区：大同、朔州等个别寒冷地区采用针入度为90-100（0.1mm）的90号沥青；其它地区采用针入度为80-90（0.1mm）的90号沥青或针入度为70-80（0.1mm）的70号沥青；用作加工改性沥青的基质沥青宜采用针入度为80-90（0.1mm）的90号沥青。,山西省不同气候区适用的沥青标号,1-3区、2-3区：运城地区、临汾个别地区采用针入度为60-70（0.1mm）的70号沥青；用作加工改性沥青的基质沥青可采用针入度为80-90（0.1mm）的90号沥青或针入度为70-80（0.1mm）的70号沥青。,改性沥青的主要特点,(1)聚合物改性沥青的分类及适用范围。主要规定了SBS、SBR、EVA及PE等三类聚合物改性沥青的技术要求，这是目前国内外最普遍采用的聚合物改性剂。(2)改性沥青以针入度分级(这次修改为一个范围)，将感温性即针入度指数PI作为关键性评价指标。(3)相应于不同的气候条件选择使用不同的等级。SBS改性沥青标号的选择：我国大部分地区可以选择I-D，西北和东北地区可以选用I-C，I-B适用于非常寒冷的地区，I-A级除特殊情况外很少使用。,改性沥青的主要特点,(4)关于改性沥青性能的评价指标，针对三类改性沥青的不同特点，选择代表性的试验指标作为重点评价指标。SBS改性沥青的高温、低温性能都好，且有良好的弹性恢复性能，所以采用软化点、5低温延度、回弹率作为主要指标。离析是一个量化的控制指标。SBR改性沥青的低温性能较好，所以以5低温延度作为主要指标。另外粘韧性试验对评价SBR改性沥青特别有价值。EVA及PE改性沥青的特点是高温性能改善明显，以软化点作为主要指标。离析是一个量化的控制指标。由于PE不溶于三氯乙烯，对溶解度不要求。,山西省改性沥青的研究应用,沥青改性剂橡胶类改性剂：国产氯丁胶乳CR日本丁苯橡胶SBR热塑性橡胶类：国产SBS日本SBS热塑性树脂类：国产LDPE日本APAO金属皂类：美国CHEMCRETE；混合料添加剂热塑性树脂类：法国PR.PLAST.S,适合山西省气候、重载交通的改性材料,SBS类：上面层4.5-5%中面层3.5-4%法国PR等PE类：上面层5.0-6.5%(混合料的0.3-0.4%)中面层4.5-5.0%(混合料的0.3-0.4%)国产SBS乳液及日本SBR乳液：上面层4.5-5%中面层3.5-4%,山西省改性沥青技术指标,沥青的取样,1.贮油罐取样a无搅拌设备的贮罐b无搅拌设备的贮罐2.槽车、罐车、沥青洒布车a从放样口（放样阀）取样时，待放出全部沥青的一半时再取样；b从顶部开口处用取样器取中部样品3.沥青储存池取样a待加热熔化后，沥青经管道或泵送至加热锅之后取样，分间隔每锅至少取3个样品，将其混合后作为试样；b待沥青在储存池加热熔化后，从多个开口处取不同深度（上、中、下）的样品，将其混合后作为试样；4.从沥青桶取样a当能确定是同一批产品时，可随机取样，如不能确定是同一批产品时，按总桶数的立方根数随机选出沥青桶，如1000桶时，选10桶；b将沥青桶内沥青全部熔化，按罐车取样；c若沥青桶不熔化，将桶从中部凿开，取中部沥青。取样一定要有代表性，均匀混合，长期热态静止的沥青，从顶部、底部取样，蜡含量差值可达1%。,沥青试验检测项目,基质沥青SBS改性沥青25针入度、PI25针入度、PI10、15延度5延度软化点软化点60动力粘度135运动粘度蜡含量/密度密度溶解度溶解度闪点闪点老化试验老化试验25弹性恢复率离析（48h软化点差）,沥青针入度试验,针入度试验注意事项,试验前要注意针入度仪必须调为水平,平台要与针垂直标准针：计量部门标定合格的才可使用，针尖不能磨损。每次试验完要用蘸有三氯乙烯或汽油、松节油的棉花或布揩净，再用干棉花或布擦干。标准针和针连杆的重量100g。温度：试样内外恒温，在规定或要求温度的0.1。时间:手动针入度仪时5s要卡准。浇模时，表面不能混入气泡，若有，用针或火柴消除。针与试样表面的接触情况：标准针与其倒影刚好接触。测定针入度大于200的沥青试样时，至少用3支标准针，每次试验后将针留在试样中，直至3次平行试验完成后，才能将标准针取出。,沥青延度试验,延度试验注意事项,浇模时，将准备好的试样自试模的一端至另一端往返数次缓缓注入模中，最后略高出试模。在拉伸试验过程中，要保持试验温度在规定温度0.1范围内。当水槽采用循环水时，试验过程中必须中断循环，停止水流。试验过程中，注意观测，当发现沥青丝浮于水面时应加酒精；沥青丝沉到槽底时加食盐。及时调整水的密度与试样相近后，重新试验。,沥青软化点试验,软化点试验注意事项,标定支架的三个高度和钢球的质量符合规范要求估计试样软化点高于120时，试样底板不应用玻璃板，且试样环和试样底板均应预热至80-100。加热前调节水面至立杆上的深度标记，环架上任何部分不得附有气泡。在加热的前3min内调节至维持每分钟上升50.5。在加热过程中，温度上升速度不能超出此范围，否则应重做。若最后测得软化点在80以上时，应将蒸馏水换为甘油，重做。养生温度为321。,沥青老化试验,薄膜加热试验注意事项,烘箱内温度回升至162时开始计时，连续5h并保持温度1631。但从放置盛样皿开始至试验结束的总时间，不得超过5.25h。绝对不允许将不同品种或不同标号的沥青，同时放在一个烘箱中试验。即使不进行质量损失测定的，亦应放入干燥器中冷却，但不称量。如在当日不能进行试验时，试样应在容器内冷却后放置过夜，但全部试验必须在加热后72h内完成。,旋转薄膜加热试验注意事项,绝对不允许将不同品种或不同标号的沥青，同时放在一个烘箱中试验。旋转薄膜烘箱要调节水平，使箱内空气充分加热均匀。空气流量要保证为4000mL/min200mL/min。在试验开始后，烘箱的温度应在10min内回升到1630.5，使在1630.5温度受热时间不少于75min。若10min内达不到试验温度时，试验不得继续进行。质量损失试验后的试样即予废弃，不得重复加热用来进行其它性质的试验。在加热试验结束后倾倒沥青时，不允许将已倒过的沥青试样瓶重复加热以取得更多试样。所有试验项目应在72h内全部完成。,闪点与燃点试验注意事项,对试验环境的要求：光线较暗、无显著空气流通。制备试样的过程中，要求加热温度不能超过闪点以下55。升温速度控制：1、开始加热时为14至17/min；2、试样温度达到预期闪点前56时，降低加热速度，使在预期闪点前28时达到5.50.5/min；3、之后保持加热速度5.50.5/min。直到试验结束。,蜡含量试验注意事项,用高温炉蒸馏时，应预先加热并控制炉内恒温55010；用燃气炉蒸馏时，要调节火焰高度将蒸馏瓶周围包住。全部蒸馏过程心须在25min内完成。蒸馏后支管中残留的馏分不要流入接受器中。盛有馏分油的锥形瓶盖上盖，稍加热熔化，并摇晃锥形瓶使试样均匀。加热时温度不要太高，避免有蒸发损失。称取用于脱蜡的馏分油质量时，估计蜡含量高的试样馏分油数量宜少取，反之需多取，使其冷冻过滤后能得到0.050.1g蜡，但取样量不得超过10g。冷浴（或低温水槽）中冷却液，在整个试验过程中应保持温度-200.5。将盛有蜡溶液的锥形瓶放在适宜的热源上，回收使溶剂蒸发净尽。热源温度不宜过高。,集料取样,1.料源相同的料堆取样先铲除堆脚无代表性部分从顶、中、底由均匀分布的不同部分取若干份混合后组成一份2.皮带运输机上取样运输机机尾出科处用接料器定时抽取有代表性试样，由若干份组成一份试样。3.从车上去料从不同部位，不同深度处，抽取大致相等若干份，组成一份。,粗集料质量要求,粗集料质量要求,集料压碎值技术指标,现行规范修订后表面层26%25%AC类24%SMA类中下面层28%26%我省石质良好，如果压碎值指标偏高，掺有山皮料的粗集料混入也易达到要求，起不到质量控制作用。对于SMA混合料，沥青路面为骨架嵌挤结构，石料必须坚硬、有棱角，对压碎值指标要求更高。,集料压碎值技术指标,抗滑石料：40个样品（闪长岩、辉绿岩、花岗岩、玄武岩、安山岩、白云岩）全部（100%）小于24小于22的占87石灰岩72个样品全部（100%）小于26,针片状颗粒含量技术指标,只修订了表面层现行规范修订后混合料15%13%大于9.5mm颗粒12%10%小于9.5mm颗粒1815%针片状颗粒含量多，混合料不易形成骨架密实结构，摊铺碾压时针片状颗粒极易被压碎，破碎面没有沥青裹覆，易松散。只要加强石料加工场质量管理，采用鄂式与反击式或锤式破碎设备的组合工艺，注意更换锤板，可有效控制针片状颗粒含量。,山西省沥青使用性能气候分区表(雨量),集料磨光值技术指标,40多个集料样品的磨光值，除晋城铺头乡珏山白云岩石料磨光值等于42（BPN）其余均大于42（JTJ032-94规范要求）。山西省按降雨量气候分区为湿润区和半干区，调查2000-2004年运城、晋城、太原、大同逐月降水量和总降水量，山西省从南到北，雨量都比较集中。太原、大同属半干区，太原80的雨量集中在7-9月份，大同60雨量集中在7-8月份，考虑年降雨量不大，但集中降雨量却不小的现象存在，,粗集料试验检测注意事项,粗集料筛分：筛分试样的样品应保证有足够的代表性在水洗法和干筛法整个过程中应避免集料颗粒的损失。密度及吸水率：测定粗集料的表干质量时，湿毛巾不应拧得过干。用湿毛巾轻轻擦去集料表面的水渍，但切不可过分，至表面看不到发亮为止。粗集料含泥量：淘洗集料颗粒时，由于粘土附着在集料颗粒上用手不易洗净时可用毛刷清洗。针片状颗粒含量：试样数量不少于800g并不少于100颗。粗集料的针片状颗粒含量测定适用于4.75mm以上的颗粒，对4.75mm以下的2.36mm-4.75mm石屑一般不作测定。,粗集料试验检测注意事项,粗集料压碎值：试样宜为风干石料，如需加热烘干时烘箱温度不应超过100，烘干时间不超过4h。施加荷载时应保持匀速加载。10min达到总荷载400kN,稳压5s后卸载。粗集料磨光值：试验前应对摆式仪进行检查标定。4块标准试件的磨光值平均值应在46-52之间有效。试件的测定方向应与“行车方向”一致。,细集料的技术要求,细集料试验注意事项,细集料筛分：细集料筛分试验过程中应尽量避免大于0.075mm部分损失，特别是在测定0.075mm部分质量时。筛分前后的试样总量相差不得超过1%。细集料洁净程度：砂当量亚甲蓝值含泥量,细集料砂当量试验,试样应先过孔径4.75mm的筛，去掉筛上颗粒。按测定的含水率称量相当于120g干燥试样的样品。配制溶剂时需用滤纸过滤，以除去不溶杂质。冲洗时，先将橡胶塞上的试样洗入试筒中。,细集料棱角性试验,细集料的棱角性。是细集料的另一个重要指标，表征了在集料中的嵌挤能力，细集料的表面粗糙程度对沥青混合料的施工性能和使用性能起着至关重要的作用。美国SUPERPAVE特别强调细集料的棱角性指标，用细集料的毛体积相对密度计算的间隙率表示。欧洲一些国家的棱角性一直采用流值试验(指标为流动指数:flowcoefficient)。其实两种方法的意义是一样的，由于欧洲的方法比较简单，而美国的方法需要测定细集料毛体积密度，有不少争议，所以本规范采用欧洲方法。