熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法—馬歇爾法

1、非線性有限元作業(yè)院系：建設(shè)工程學(xué)部道路工程研究所專業(yè)：道路與鐵道工程姓名：王志超學(xué)號(hào)：20911062導(dǎo)師：潘寶峰 時(shí)間：2010年7月19日熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法馬歇爾法王志超摘 要：對(duì)馬歇爾設(shè)計(jì)方法各項(xiàng)體積指標(biāo)的取值進(jìn)行了探討, 對(duì)熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述。關(guān)鍵詞：瀝青;配合比;設(shè)計(jì)當(dāng)前,瀝青路面設(shè)計(jì)技術(shù)正面臨著巨大的變革。由于交通量的劇增,輪胎氣壓和軸載的增加以及環(huán)境、材料等方面產(chǎn)生一些新的變化,許多滿足現(xiàn)行規(guī)范的瀝青路面仍發(fā)生了早期破壞。分析其原因,除施工工藝與質(zhì)量控制方面外,瀝青混合料設(shè)計(jì)不當(dāng),或缺乏一個(gè)比較規(guī)范的混合料設(shè)計(jì)方法也是主要原因之一。馬歇爾設(shè)計(jì)方法

2、是瀝青路面材料組成設(shè)計(jì)的一種最主要的方法。設(shè)計(jì)的基本思路是在設(shè)計(jì)級(jí)配與配合比下,以一定的擊實(shí)功(一般為雙面擊實(shí)75次)在一定的溫度下成型的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,其各項(xiàng)體積指標(biāo)(空隙率、瀝青飽和度、礦料間隙率)滿足一定的要求。這種規(guī)定的體積指標(biāo)要求值必須要能反映路用性能要求。因此,馬歇爾設(shè)計(jì)方法指標(biāo)的取值就顯得尤為關(guān)鍵。公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40-2004)進(jìn)一步完善了瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法,調(diào)整了馬歇爾試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)。1馬歇爾設(shè)計(jì)方法指標(biāo)的合理取值1.1空隙率對(duì)上、中、下面層均建議采用3%5%的空隙率,室內(nèi)試驗(yàn)空隙率最好控制在4%左右?？障堵蚀笥?%太多的話,將擔(dān)

3、心以后路面實(shí)際空隙率太大,瀝青易老化,抗疲勞能力不足,且水進(jìn)入瀝青混合料空隙內(nèi)在行車荷載的泵吸作用下,瀝青易從石料表面剝落,導(dǎo)致瀝青混合料松散,繼而出現(xiàn)車轍、坑洞?？障堵市∮?%太多的話,將擔(dān)心以后在重車荷載作用下,瀝青混合料可能被壓得過(guò)密,空隙率有可能小于3%,在高溫條件下,瀝青體積膨脹,石料顆粒充滿自由瀝青,使整個(gè)混合料的內(nèi)摩阻角減小,在重車荷載作用下,混合料承載能力明顯不足,路面出現(xiàn)高溫車轍,并且自由瀝青被壓擠到道路表面,使表面構(gòu)造深度大大減小直至全部喪失。1.2瀝青飽和度對(duì)表面層與中面層均建議采用65%75%的空隙率。礦料間隙率適中時(shí),瀝青飽和度小于65%的時(shí)候,瀝青混合料發(fā)生疲勞破壞

4、的概率會(huì)大大增加,瀝青飽和度大于65%后,瀝青路面在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)很少發(fā)生疲勞破壞,且瀝青飽和度過(guò)小,瀝青膜厚度太薄,瀝青混合料的抗老化能力也會(huì)大大減弱。瀝青飽和度大于75%的話,瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度減弱很快,尤其是在高溫與重載對(duì)瀝青混合料的耦合作用下,瀝青路面極易出現(xiàn)車轍現(xiàn)象。1.3瀝青混合料礦料間隙率礦料間隙率主要是受級(jí)配和礦料顆粒棱角性的影響。瀝青混合料礦料間隙率太大的話,若要達(dá)到4%空隙率的要求,勢(shì)必飽和度太大,瀝青將會(huì)發(fā)生析漏現(xiàn)象,瀝青用量適中時(shí)空隙率又會(huì)太大,因此礦料間隙率太大的混合料其體積指標(biāo)總是難以滿足規(guī)范要求的,而且礦料間隙率太大的混合料是難以壓實(shí)的混合料。礦料間隙率太小的話

5、,要使空隙率維持在4%左右的話,瀝青用量勢(shì)必就會(huì)很小,瀝青飽和度很小,這樣的混合料易老化,且易發(fā)生疲勞破壞,若增加瀝青用量而使瀝青飽和度達(dá)到要求,瀝青用量達(dá)到一定值的話,此時(shí)瀝青混合料的空隙率就會(huì)很小,空隙率很小的混合料,容易產(chǎn)生泛油現(xiàn)象,高溫抗剪強(qiáng)度不足,且礦料間隙率太小的瀝青混合料是不穩(wěn)定的混合料,容易被壓密,強(qiáng)度很弱。由公式VFA=（VMA-Va）/VMA （1）變形得到VMA= Va/（1- VFA） （2）假設(shè)我們要使得設(shè)計(jì)空隙率在4%左右,而瀝青飽和度在65%75%之間時(shí),此時(shí)的礦料間隙率的范圍是:4%/(1-65%)4%/(1-75%)即11.5%16.0%2 目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)2.

6、1材料選取的礦料和瀝青要有足夠的代表性,所選礦料應(yīng)進(jìn)行巖性分析和規(guī)范要求的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的測(cè)定,特別是細(xì)集料要做砂當(dāng)量試驗(yàn)、礦粉要做親水系數(shù)等試驗(yàn)。2.2礦料配合比計(jì)算:根據(jù)道路等級(jí)、結(jié)構(gòu)層位選擇適用的瀝青混合料類型(一般設(shè)計(jì)文件已給定),按規(guī)范要求確定礦料級(jí)配范圍,施工中常用的是試算法和圖解法。2.3確定瀝青最佳用量我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定,采用馬歇爾試驗(yàn)確定瀝青最佳用量。按規(guī)范中瀝青用量范圍或經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的瀝青用量以0.3%0.5%的間隔變化制備馬歇爾試件不少于5組(每組不少于3個(gè))試件進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn),測(cè)定穩(wěn)定度(MS)、流值(FL)、密度,計(jì)算空隙率(VV)、飽和度(VFA)、礦料間隙率(VMA),分

7、別繪制瀝青用量同其測(cè)定值的關(guān)系曲線。從關(guān)系曲線取相應(yīng)于密度最大值的瀝青用量為a1;相應(yīng)于穩(wěn)定度最大值的瀝青用量為a2;相應(yīng)于規(guī)定空隙率范圍的中值(或要求的目標(biāo)空隙率)的瀝青用量a3,取上述三者的平均值作為最佳瀝青用量的初始值OAC1。求出各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)的瀝青用量范圍OACminOACmax,取其中值為OAC2。按最佳瀝青用量初始值OAC1,在各測(cè)定值關(guān)系曲線中求取相應(yīng)的各項(xiàng)指標(biāo)值,當(dāng)各指標(biāo)符合馬歇爾設(shè)計(jì)配合比技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),由OAC1及OAC2綜合決定最佳瀝青用量OAC。當(dāng)不符合馬歇爾設(shè)計(jì)配合比技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),應(yīng)調(diào)整級(jí)配重新進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),直至符合要求為止。由OAC1及

8、OAC2綜合決定最佳瀝青用量OAC時(shí),宜根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和道路等級(jí)、氣候條件按下列步驟進(jìn)行:一般取OAC1及OAC2的中值作為最佳瀝青用量OAC。對(duì)熱區(qū)及渠化交通的高速公路,預(yù)計(jì)有可能造成較大車轍的情況下,可在OAC2及OACmin范圍內(nèi)決定,但不宜小于OAC2的0.5%。對(duì)寒區(qū),最佳瀝青用量可在OAC2與OACmax范圍內(nèi)決定,但不宜大于OAC2的0.3%。殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)及車轍試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果均可調(diào)整最佳瀝青用量。至此,目標(biāo)配合比結(jié)束。這只是完成了配合比的初步設(shè)計(jì),還不能直接用于生產(chǎn)中指導(dǎo)施工。2.4 高溫穩(wěn)定性檢驗(yàn)按規(guī)范規(guī)定，對(duì)用于高速公路瀝青路面的上面層及中面層的瀝青混凝土混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)

9、時(shí)，應(yīng)通過(guò)車轍試驗(yàn)機(jī)對(duì)抗車轍能力進(jìn)行檢驗(yàn)。因此，由馬歇爾試驗(yàn)設(shè)計(jì)的配合比并不能馬上就作為目標(biāo)配合比，對(duì)上述設(shè)計(jì)的級(jí)配及油石比的瀝青混合料在溫度60、輪壓0.7MPa條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn)，動(dòng)穩(wěn)定度為3150次衍比氏符合規(guī)范條應(yīng)不小于800次/mm的規(guī)定要求。應(yīng)該說(shuō)明，由于我國(guó)規(guī)范第一次列人車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度要求，規(guī)定800次/mm是非常低的。在日本，要求為1500次/mm?？墒菗?jù)了解，有些工程管理部門認(rèn)為規(guī)范沒(méi)有寫“必須”，不理睬規(guī)范的這個(gè)規(guī)定，但是規(guī)范用語(yǔ)的含義為“在正常情況下均應(yīng)這樣做”。還有一些單位試驗(yàn)時(shí)采用拌和好的瀝青混合料，送到有關(guān)單位去重新加熱再制件進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)該知道，經(jīng)二次加熱的混合料

10、，瀝青變硬，動(dòng)穩(wěn)定度必將提高，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。如果試驗(yàn)達(dá)不到規(guī)定值，這里介紹一些措施來(lái)提高動(dòng)穩(wěn)定度:(l)增大集料粒徑，增加粗集料用量;(2)增加礦粉用量;(3)摻加纖維穩(wěn)定劑;(4)減少天然砂用量，用有棱角的人工砂或石屑代替;(5)換用針人度小一些或60粘度高的瀝青，減少瀝青用量，使用改性瀝青等。3 生產(chǎn)配合比3.1間歇式拌和機(jī)用振動(dòng)篩的等效篩(表1) 表1間歇式拌和機(jī)用振動(dòng)篩的等效篩孔(方孔篩) mm標(biāo)準(zhǔn)篩篩孔2.364.759.513.216.019.026.531.5振動(dòng)篩篩孔2.56.011.015.019.022.030.035.06 mm及3 mm×3 mm兩個(gè)篩

11、規(guī)格不可調(diào),如果壞了可以換同規(guī)格的方孔篩。3.2按目標(biāo)配合比將冷料投入干燥筒,經(jīng)二次篩分進(jìn)入熱料倉(cāng),按各級(jí)礦料百分率投入拌和鍋,打出白料,多次微調(diào)進(jìn)行篩分,確定各熱料倉(cāng)的比例,并調(diào)整冷料電機(jī)傳動(dòng)速度,使之供料均勻,異料別太多,也不會(huì)出現(xiàn)某個(gè)熱倉(cāng)等料的情況。礦粉不經(jīng)干燥直接投入拌和鍋,干拌時(shí)間不少于5 s。瀝青采用外摻,加熱150170直接噴入拌和鍋,拌和均勻,拌和時(shí)間不少于40 s。按最佳用油量以及浮動(dòng)±0.3%成型三組試件,取樣進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)、油石比試驗(yàn)、抽提或燃燒法篩分試驗(yàn),繪出生產(chǎn)配合比級(jí)配曲線。從三組中選取最合適的用油量,用于下一步指導(dǎo)施工生產(chǎn),至此生產(chǎn)配合比完成。整理出完整

12、的資料,列入開(kāi)工報(bào)告,施工單位就可以鋪筑試驗(yàn)路段100200 m,進(jìn)行生產(chǎn)配合比驗(yàn)證。3.3 現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行馬歇爾實(shí)驗(yàn)礦料級(jí)配是否合適,待試驗(yàn)路段鋪筑完成12 h后,到現(xiàn)場(chǎng)至少鉆取1520個(gè)芯樣,測(cè)試其密度、厚度,并觀察芯樣看其壓實(shí)效果、級(jí)配情況。試驗(yàn)路段現(xiàn)場(chǎng)要確定合理的機(jī)械組合,確定其松鋪系數(shù),碾壓速度、溫度。各項(xiàng)技術(shù)要求、施工工藝都滿足規(guī)范要求,寫出總結(jié)報(bào)告上報(bào)總監(jiān)辦,并取得總監(jiān)理工程師批準(zhǔn)。試驗(yàn)路段可以作為路面工程的一部分,試驗(yàn)路段的各項(xiàng)數(shù)據(jù),可作為以后大面積施工的依據(jù),這就是所謂的生產(chǎn)配合比驗(yàn)證。至此,熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)已經(jīng)全部完成。影響瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的因素有原材料質(zhì)t、試驗(yàn)

13、操作的規(guī)范與準(zhǔn)確性、試驗(yàn)儀的精確度以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的合理性等。耍將實(shí)驗(yàn)誤差減小到最低限度，應(yīng)采取以下幾個(gè)方面的措施:（1）嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量.提高對(duì)原材料質(zhì)量的重視程度。對(duì)各種規(guī)格的碎石備料要從生產(chǎn)源頭把好質(zhì)量關(guān)。（2）加強(qiáng)試驗(yàn)人員的操作培訓(xùn)，提高試驗(yàn)人員的操作水平，嚴(yán)格按試驗(yàn)規(guī)程操作。對(duì)原材料要求進(jìn)行平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足平行試驗(yàn)精度要求。進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)時(shí)。應(yīng)將誤差超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)刪除，盡量減少試驗(yàn)中的偶然誤差。（3)確保試驗(yàn)儀器設(shè)備的精度合格，示值誤差應(yīng)在規(guī)定允許范圍內(nèi)。加強(qiáng)試驗(yàn)儀器設(shè)備的檢定、保養(yǎng)工作。要嚴(yán)格按規(guī)程操作，杜絕隨意操作行為。（4）按目標(biāo)配合比、生產(chǎn)配合比、配合比設(shè)計(jì)驗(yàn)證

14、3個(gè)步驟進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。如果說(shuō)目標(biāo)配合比是“理論的研究”，那么生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)和拌和樓試拌驗(yàn)證就是實(shí)踐適應(yīng)性的檢驗(yàn)過(guò)程.它為全面推廣施工做好了最后的準(zhǔn)備。生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)階段的試驗(yàn)過(guò)程基本同目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)一樣。包括原材料的側(cè)試，合成級(jí)配的計(jì)算，馬歇爾試件的制作、測(cè)試及最佳油石比選定等。應(yīng)注意，生產(chǎn)配合比礦料設(shè)計(jì)須結(jié)合拌和樓熱料倉(cāng)分檔和篩孔配置情況綜合考慮，使生產(chǎn)出的混合料既達(dá)到規(guī)范允許的各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，又能保障設(shè)備正常生產(chǎn)應(yīng)能提供的供料能力。在生產(chǎn)配合比驗(yàn)證與試鋪階段，試驗(yàn)人員應(yīng)跟蹤檢測(cè):目測(cè)現(xiàn)場(chǎng)攤鋪效果，及時(shí)取樣進(jìn)行各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。4 結(jié)語(yǔ)熱拌瀝青混合料的路用性能非常復(fù)雜，國(guó)內(nèi)許多機(jī)構(gòu)和專家進(jìn)行了長(zhǎng)期艱苦的研究和探索，得出了許多有價(jià)值的結(jié)論，并在工程實(shí)踐中得到了應(yīng)用，取得了較好的效果。但是，我國(guó)瀝青路面的質(zhì)量仍然存在不少問(wèn)題，對(duì)瀝青混合料的研究仍在繼續(xù)。隨著認(rèn)識(shí)和研究的不斷提高和深人，瀝青混合料配合比的設(shè)計(jì)方法及技術(shù)指標(biāo)也會(huì)不斷地修改和完善，瀝青路面的質(zhì)量將會(huì)得到穩(wěn)步提高。在實(shí)際生產(chǎn)中。綜合考慮各種因素的影響，優(yōu)化瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，對(duì)保證瀝青路面的質(zhì)，具有十分重要的意義。同時(shí)，要做好一組瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，首先應(yīng)保證原材料的質(zhì)量，其次要提高試驗(yàn)人員的操作技能，保證試驗(yàn)儀器精度，嚴(yán)格按試驗(yàn)規(guī)程