瀝青混合料配合比設(shè)計的理論基礎(chǔ)課件

瀝青混合料配合比設(shè)計

張宜洛

-----精品文檔------混合料設(shè)計原則：

交通條件、自然條件設(shè)計方法：合理選擇與組合材料施工時的現(xiàn)場質(zhì)量控制總結(jié)面層質(zhì)量的經(jīng)驗和教訓(xùn)為路面設(shè)計理論提供必要的參數(shù)-----精品文檔------1．沿革

無側(cè)抗壓強度試驗

＝h＝5（7、10）cm1920Hubbard-Field法

2in，h1in

修正的Habbard-Field法

6in，h3in交通荷載增大，碎石加粗）

40年代初，BruceMarshall提出馬歇爾穩(wěn)定度試驗方法以及初期的馬歇爾穩(wěn)定度標準。

隨后又陸續(xù)出現(xiàn)維姆法、單軸壓縮試驗法、三軸壓縮試驗法、以及GTM法和Superpave法等。-----精品文檔------2．瀝青混合料的結(jié)構(gòu)（1）結(jié)構(gòu)的概念

結(jié)構(gòu)特點：礦料的大小及不同粒徑的分布；顆粒的相互位置；瀝青在瀝青混合料中的分布特征和礦物顆粒上瀝青層的性質(zhì)；空隙量及其分布；閉合空隙量與連通空隙量的比值等。

瀝青混合料結(jié)構(gòu)是這種材料單一結(jié)構(gòu)和相互聯(lián)系結(jié)構(gòu)的概念的總和。其中包括：瀝青結(jié)構(gòu)、礦料骨架結(jié)構(gòu)及瀝青—礦粉分散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等。-----精品文檔------（2）空間結(jié)構(gòu)瀝青混合料屬分散系統(tǒng)中的“膠凝”結(jié)構(gòu)。其特點是結(jié)構(gòu)單元（固體顆粒）通過液相的薄層而粘結(jié)在一起，其強度決定于結(jié)構(gòu)單元間的粘結(jié)力，具有力學(xué)破壞后結(jié)構(gòu)觸變性復(fù)原的特點。（晶體/凝聚結(jié)構(gòu)由細小的晶體結(jié)合而成，形成堅固的空間結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)單元無限接近，結(jié)構(gòu)單元之間發(fā)生化學(xué)鍵，因此具有很高的強度。受力破壞后不能恢復(fù)。）結(jié)構(gòu)強度取決于：礦物骨架的結(jié)構(gòu)，瀝青的結(jié)構(gòu)、礦料與瀝青相互作用的特點及瀝青混合料的密實度。-----精品文檔------（3）礦物骨架結(jié)構(gòu)

懸浮密實結(jié)構(gòu)如AC；

骨架空隙結(jié)構(gòu)如OGFC；

骨架密實結(jié)構(gòu)如SMA；a)懸浮密實結(jié)構(gòu)b)骨架空隙結(jié)構(gòu)c)骨架密實結(jié)構(gòu)-----精品文檔------3．瀝青與礦料的相互作用（1）吸附過程①物理吸附（圖2）·吸附劑與被吸附物之間僅有分子作用力，可能有幾個分子層的厚度。·被吸附的瀝青為結(jié)構(gòu)瀝青，結(jié)構(gòu)瀝青的粘結(jié)強度大于自由瀝青，越靠近礦料表面其粘結(jié)強度越高?！A性礦料單位面積上吸附的瀝青多于酸性礦料。-----精品文檔------圖2礦料與瀝青的關(guān)系-----精品文檔------

②化學(xué)吸附·瀝青與礦料表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成新生物（化學(xué)鍵）—粘結(jié)牢固、不溶于水?！せ瘜W(xué)吸附僅觸及被吸附物質(zhì)的一層分子。·礦料表面的化學(xué)性質(zhì)是形成化學(xué)吸附的關(guān)鍵。③選擇性吸附（吸收）·當(dāng)采用多孔礦料時，可能發(fā)生瀝青的某些組分滲入礦料的深處?！さV料表面上吸附瀝青質(zhì)；礦料表面的細孔中吸收樹脂；油分則沿毛細管滲入到深處；從而大大改善瀝青與礦料之間相互作用的條件。-----精品文檔------（2）吸附過程的改善①摻加表面活性物質(zhì)（瀝青中），以改善物理吸附與化學(xué)吸附過程。②活化礦料表面，為化學(xué)吸附創(chuàng)造條件。③礦料初生表面的利用——提供力學(xué)化學(xué)過程。·新表面的化學(xué)活性增大——初生表面帶電，初生表面出現(xiàn)自由基（機械破壞作用使化學(xué)鍵斷開）?！な軝C械破壞而形成的顆粒表面層的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。阿爾姆斯特朗格觀測到：磨碎石英顆粒表面的非晶形性，深度達50～100m，從而提高了反應(yīng)能力和吸附能力。還觀察到當(dāng)石英或花崗石與瀝青混合一起磨碎時，發(fā)生了化學(xué)鍵。

實踐證明：礦料在磨碎過程中活化可提高活化效果。-----精品文檔------4．礦料級配園球理論：·單一粒徑園球的VMA決定于其排列狀態(tài)，最松48%，最密26%，有棱角時使VMA約增大3%。·貝雷法：單一粒徑園球的4種組合，其空隙率的大小分別為園球直徑的0.15、0.20、0.24、0.29倍，平均為0.22，實際采用0.25。-----精品文檔------（1）確定原則①粗集料形成穩(wěn)定的骨架；②提供瀝青的填充空間；③使各種性能得到理想的平衡；④減少離析⑤不產(chǎn)生碾壓推擁·<0.6mm過多，則不穩(wěn)定·0.15～2.36mm過低，則VV大，低溫性能差?！ぷ畲蠛Y孔附近平緩，則粗集料相對較細，表面均勻，易于修整（中間檔次集料增多）S型級配是在富勒級配圖上得出一種嵌擠良好的級配，具有適宜的VMA和VV，瀝青量也不多，且施工性能也好。-----精品文檔------（2）級配理論①B.B.奧赫欽理論（原蘇聯(lián)1929）·砂（0.1～2mm）經(jīng)壓實后，空隙率比較穩(wěn)定，平均為33.4%，隨著砂中<0.1mm含量的增多，空隙率增大；·混合料的空隙率，隨著砂量的增加而減少，當(dāng)砂量與碎石的空隙容積相等時，混合料的空隙率最??；·當(dāng)?shù)V物混合料的全部顆粒尺寸的變化為同一倍數(shù)時，其空隙率仍不變；·當(dāng)填充粗顆粒之間空隙的顆粒尺寸連續(xù)減少1/16時,可達到混合料的最小空隙率，這時下一粒級的重量為上一粒級的43%。實際上，這種重量比變化在25～50%范圍內(nèi)時，空隙率的變化很少；·隨著填充粒級和被填充粒級的尺寸逐漸接近，填充粒級的重量就增大。-----精品文檔------②H.H.伊萬諾夫級配曲線·雖然粒級比為16時，具有最大的密實度，但屬間斷級配，在施工中易離析?！そㄗh采用連續(xù)級配，粒徑按比值2的順序遞減，同時，相鄰粒級的重量比為0.6～0.9；（）·級配曲線方程：式中：a—最大粒徑的重量；k—遞減系數(shù)；n—粒級數(shù)。從上式可得:

中間粒級的重量，按下式計算-----精品文檔------·遞減系數(shù)越小，混合料中粗粒料的含量就會越多。K法為有限級數(shù)，對<0.075mm含量有控制，但過多。③富勒最大密度級配曲線方程式中：p—各粒級集料的通過率（%）；D—最大粒徑(mm）；d—各粒級集料粒徑(mm)；n—常數(shù)。n=0.3～0.5時有較大密實度。按富勒n=0.5實際n=0.45密度最大—Superpave通常使用范圍n=0.3～0.7。n法為無限級數(shù)，無法控制<0.075mm含量。-----精品文檔------④i法px=100ix-1%式中：px—當(dāng)粒徑按1/2遞減時，礦料在第x級篩的通過量；x—礦料粒徑的級數(shù)；i—通過百分率的遞減系數(shù)，，當(dāng)n=0.45時，i=0.732通常i=0.65～0.75。-----精品文檔------⑤粒子干涉理論（根據(jù)G、A、G.Wegmouth）·為達到最大密度，前一級顆粒之間的空隙應(yīng)由次一級顆粒所填充，其余空隙又由再次小顆粒所填充，但填隙的顆粒粒徑不得大于其間隙之距離。適用于骨架型，也適用于密實型?！呐R界干涉情況下可導(dǎo)出前一級顆粒間距應(yīng)為:-----精品文檔------當(dāng)處于臨界狀態(tài)時，t=d，則式中：t—前粒級的間隙距離；d—次粒級粒徑；D—前粒級粒徑；0—次粒級的理論實積率（即堆積密度與表觀密度之比）；a—次粒級的實用實積率。-----精品文檔------⑤間斷級配·最早引自水泥混凝土研究（用礫石∶砂=3∶1配制的混凝土強度最高）?！らg斷級配的優(yōu)點：有足夠數(shù)量的粗集料形成骨架，又有一定數(shù)量的細料填充粒集料的空隙形成較高的密實度—骨架密實結(jié)構(gòu)。⑥多級嵌擠級配理論。-----精品文檔------5．空隙率（1）概念·空隙率是瀝青混合料配合比體積設(shè)計法的主要控制指標?！ぐǎ孩賄CA—礦料骨架空隙率；②VMA—礦料混合料空隙率；③VFA—瀝青填充率；④VV—剩余空隙率。-----精品文檔------（2）意義及控制①VCA·骨架的粗集料一般指大于4.75mm的集料（當(dāng)混合料中最大粒徑尺寸較小時，可以大于2.36mm作為粗集料）?！ぶ挥写旨显诨旌狭现械暮窟_到或超過70%，才能形成骨架。但粗集料過多會影響作為填充料的細料及膠漿數(shù)量的不足，而殘留較大的空隙?！ぴ谕瑯哟旨虾壳闆r下，VCA越小，對混合料的配比和性能越有利。用搗實法測得了VCA要比震實法測得的VCA大3～4個百分點。-----精品文檔------松裝（VCA下限）粗集料43～48%，細集料35～50%。干搗（VCA上限）粗集料37～42%細集料30～40%設(shè)計VCA≯二者的均值。-----精品文檔------②VMAB%=(VMA-VV)/γ0·式中：B--瀝青用量（%）

0--壓實后礦料混合料的容重·VMA的大小要適當(dāng)，VMA過小會導(dǎo)致瀝青含量過低或剩余空隙率偏小；VMA過大會導(dǎo)致瀝青含量過高或剩余空隙率過大?！MA的適宜數(shù)值取決于瀝青混合料的類型，以及壓實成型的條件。（馬歇爾>14%，GTM12～14%）·VMA要求值隨4.75mm通過率的增多而增大，每增加5%，VMA的要求值增大0.5～0.8%。·對密級配，細集料通過量偏離最大密度線，VMA將增大?！ぴ黾拥V粉量，會使VMA迅速增大。-----精品文檔------③VFA·VMA（1-VFA）=VV·VFA的大小要適當(dāng)，過大會導(dǎo)致瀝青含量過多或VV偏小，過小則導(dǎo)致瀝青含量太少或VV偏大。VFA的大小應(yīng)結(jié)合VMA和VV綜合考慮予以確定。-----精品文檔------④VV·VV的大小要適當(dāng)，VV過小會引起瀝青路面高溫穩(wěn)定性下降，熱天瀝青膨脹時，如無足夠的空隙容納，將導(dǎo)致路面失穩(wěn)或瀝青翻到路面表面形成泛油現(xiàn)象；VV太大則會導(dǎo)致瀝青路面透水而發(fā)生水損壞?！V的大小應(yīng)與規(guī)定的壓實標準結(jié)合起來考慮，瀝青路面壓實完工后其總體剩余空隙率宜控制在8%以內(nèi)。通常，設(shè)計剩余空隙率以3～5%為宜。·VV相同情況下，粗集料多，則開口空隙多?！V的大小應(yīng)與交通、氣溫、降水等掛勾。-----精品文檔------圖3瀝青混凝土透水系數(shù)Pe－空隙率圖-----精品文檔------圖4瀝青道路的空隙率對瀝青硬化的影響（5年路齡）-----精品文檔------圖5空隙率－劈裂強度關(guān)系圖-----精品文檔------圖6AK13B空隙率－TSR圖-----精品文檔------圖7密級配瀝青混凝土的TSR曲線-----精品文檔------6．瀝青用量·依據(jù)瀝青與礦料相互作用原理，結(jié)構(gòu)瀝青的膜越薄，則強度越高，自由瀝青的出現(xiàn)將使聯(lián)結(jié)強度降低。因此，僅從強度考慮，在能夠保證全面均勻涂覆礦料表面的情況下，瀝青越少越好?！さ珡臑r青混合料的低溫性能、抗?jié)B性能、耐久性，以及工藝要求（拌和碾壓），需要存在一部分自由瀝青—最佳自由瀝青含量?！じ纳茐簩嵆尚头椒ǎ墒棺罴褳r青用量減少（伴隨著礦料級配的調(diào)整），如采用SGC，GTM等旋轉(zhuǎn)壓實方式可達到這一目標?！r青膜厚度連續(xù)級配6m間斷級配7mOGFC>12m·有效瀝青含量-----精品文檔------7．粉膠比瀝青混凝土比表面約100～200m2/kg，其中：碎石占1%，砂占2～20%，礦粉占70～95%?！し勰z比的增大，可提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，但低溫性能下降。礦粉用量過多，不僅使最佳瀝青用量增加，而且還會導(dǎo)致混合料的空隙率增大。·粉膠比太小會泛油，太大則有效瀝青偏少，粘結(jié)力減弱，松散。AC<1.2，SMA1.8～2.0（纖維能使礦料瀝青團粒分散）-----精品文檔------8．瀝青混合料配合比設(shè)計的目標（1）密實、穩(wěn)定的礦料骨架。礦料的強度、形狀、表面狀況、級配等（2）最佳的瀝青用量。因地制宜，滿足當(dāng)?shù)芈酚眯阅芤螅?）活性的礦料，改善瀝青與礦料的相互作用過程。（4）與改善壓實成型條件結(jié)合起來，以達到提高密實度適當(dāng)減少最佳瀝青用量的目的。-----精品文檔------9．配合比設(shè)計的指導(dǎo)原則（1）熱區(qū)、重交通——提高高溫穩(wěn)定性·減少4.75mm和2.36mm的通過率·采用較粗級配（Dmax從2mm→16mm，tg從0.6→0.7）·在相同級配情況下，加大礦料粒徑或增加粗集料的含量會使內(nèi)摩阻角增大，提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性?！みm當(dāng)提高VMA和VV