研究瀝青混凝土礦料級(jí)配合比設(shè)計(jì)方法

　　摘要:隨著城市交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展,瀝青路面由于比普通路面優(yōu)越得多,因此廣泛應(yīng)用于城市道路及高等級(jí)主要交通干線。因?yàn)闉r青混合料的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果直接影響瀝青路面的施工質(zhì)量和使用壽命，所以瀝青混凝土在施工質(zhì)量控制過(guò)程中，必須抓住并把握好施工質(zhì)量監(jiān)控的各個(gè)環(huán)節(jié)及提高監(jiān)理工作的主動(dòng)性，更能有效地保證工程質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞:馬歇爾試驗(yàn)；瀝青用量；計(jì)算比例

　　引言：

　　國(guó)際上有各式各樣的瀝青配合比設(shè)計(jì)方法，根據(jù)實(shí)際情況、經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)水平，一致認(rèn)為仍然采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法是最佳，這也是基本方法和依據(jù)。但同時(shí)又不能拘泥于規(guī)范，在有條件的地方和工程，鼓勵(lì)學(xué)習(xí)國(guó)際上的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，使配合比設(shè)計(jì)水平得到提高。因此本文采用其他配合比設(shè)計(jì)方法在工程中應(yīng)用，但考慮到目前施工質(zhì)量檢驗(yàn)階段一般都采用馬歇爾方法，而且便于與標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾方法、以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，所以本文在采用其他配合比設(shè)計(jì)方法時(shí)按規(guī)定的馬歇爾方法進(jìn)行檢驗(yàn)，并提出相應(yīng)的指標(biāo)。

　　一．瀝青混凝土礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

　　礦料級(jí)配計(jì)算方法，現(xiàn)在大都采用計(jì)算機(jī)EXCEL的功能，開(kāi)發(fā)了各種各樣的礦料級(jí)配設(shè)計(jì)和級(jí)配曲線繪制方法，速度快，圖表清晰，均可使用。不過(guò)有的單位完全按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)這未必是好方法，因?yàn)楫吘垢鱾�(gè)篩孔的重要性是不一樣，所以還是人機(jī)對(duì)話不斷調(diào)整得到的方式較好。

　　礦料級(jí)配設(shè)計(jì)的第一步是繪制瀝青混合料的最大密度線，其畫法應(yīng)按照試驗(yàn)規(guī)程的方法，不得各行其是。關(guān)于最大密度線曾經(jīng)有過(guò)3種意見(jiàn)，即下圖1中的A、B、C線，后來(lái)統(tǒng)一采用A線，本文采用此法。通過(guò)級(jí)配曲線與最大密度線的相互位置，可以大致估計(jì)出礦料級(jí)配的VMA和混合料的空隙率。由于各個(gè)的篩孔不一致，例如美國(guó)沒(méi)有16mm篩孔，所以最大密度線的具體位置稍有差別。

　　美國(guó)Superpave混合料設(shè)計(jì)體系的一大特點(diǎn)是對(duì)礦料級(jí)配進(jìn)行優(yōu)選，而我們常常要求礦料級(jí)配曲線盡量靠近中值，這是不對(duì)的。為此本文補(bǔ)充了級(jí)配曲線進(jìn)行優(yōu)選的內(nèi)容，希望在設(shè)計(jì)級(jí)配范圍內(nèi)計(jì)算1～3組粗細(xì)不同的配比，使包括0.075mm、2.36mm、4.75mm篩孔在內(nèi)的較多篩孔的通過(guò)量分別位于設(shè)計(jì)級(jí)配范圍的上方、中值及下方，然后進(jìn)行一系列比較。盡管如此優(yōu)選也是初步的，還沒(méi)有包括經(jīng)濟(jì)分析在內(nèi)。如果結(jié)合具體的材料價(jià)格對(duì)各種級(jí)配進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，那就更好了。

　　二．馬歇爾試驗(yàn)

　　近段時(shí)間以來(lái)，對(duì)于瀝青混合料試件體積指標(biāo)，包括密度、空隙率、VMA、VFA的測(cè)定和計(jì)算方法一直存在一些爭(zhēng)議，許多配合比設(shè)計(jì)都說(shuō)是4％空隙率，但實(shí)際上可能相差很大�？障堵适怯蔀r青混合料試件的密度和最大理論密度計(jì)算得到的，統(tǒng)一空隙率計(jì)算方法就必須統(tǒng)一試件相對(duì)密度和最大理論相對(duì)密度的測(cè)定或計(jì)算方法。關(guān)于最大理論相對(duì)密度的問(wèn)題，試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定了進(jìn)行實(shí)測(cè)的真空法、溶劑法，也有計(jì)算法，不同的方法有不小的差別。經(jīng)過(guò)大量的對(duì)比試驗(yàn)，反復(fù)征求各方面的意見(jiàn)，認(rèn)為溶劑法計(jì)算體積時(shí)把集料內(nèi)部開(kāi)口體積都扣除，最大密度偏大，測(cè)定的空隙率過(guò)大，不符合實(shí)際情況。一致同意采用真空法實(shí)測(cè)瀝青混合料的最大理論相對(duì)密度作為施工的標(biāo)準(zhǔn)方法。在測(cè)定過(guò)程中，要求完全按照試驗(yàn)規(guī)程的方法，將混合料充分分散，達(dá)到規(guī)定的真空度和抽氣時(shí)間，以便真正做到混合料處于零空隙率狀態(tài)�；旌狭系拇娣艜r(shí)間則統(tǒng)一為暫不存放。

　　但是，對(duì)普通瀝青混合料，人工分散到6mm以下，在水中加極少量的表面活性劑，借助于抽真空及震蕩15min能將混合料進(jìn)一步分散，重復(fù)試驗(yàn)的精度能做到0.011以內(nèi)。如果采用真空法測(cè)定改性瀝青混合料或SMA混合料的最大理論相對(duì)密度時(shí)，試驗(yàn)表明，改性瀝青因?yàn)檎扯却�，不僅人工分散很難達(dá)到小于6mm以下的要求，而且在小于6mm以下的團(tuán)粒中仍然包含有不少氣泡，它在相同的真空及振動(dòng)情況下不能使團(tuán)粒繼續(xù)分散，封閉在集料團(tuán)粒中的空氣不能跑出，最大理論相對(duì)密度將變小，且平行誤差超過(guò)要求，所以得不到“零空隙”時(shí)的最大理論相對(duì)密度。對(duì)改性瀝青的SMA混合料有纖維時(shí)分散更困難。因此對(duì)改性瀝青混合料和SMA混合料，將只能用計(jì)算法求取混合料的最大理論密度。但在如何計(jì)算的方法上，又有不少不同的意見(jiàn)。大部分單位和專家認(rèn)為可以參考美國(guó)Superpave計(jì)算有效相對(duì)密度的方法，根據(jù)各種集料不同的吸水率選用不同的系數(shù)C值計(jì)算有效相對(duì)密度是可行的。Superpave規(guī)定一般情況可取C＝0.8，對(duì)集料吸水率較大時(shí)，可取C＝0.5～0.8。我國(guó)學(xué)者經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，由瀝青浸漬密度反算得到的不同吸水率時(shí)的C值見(jiàn)下圖2。

　　圖中關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9998。本文規(guī)定了實(shí)際計(jì)算的步驟，它利用計(jì)算機(jī)計(jì)算是非常簡(jiǎn)單的。由圖可見(jiàn)，Superpave所說(shuō)的C值可取0.5～0.8大體上適用于吸水率0.5％～1.7％的范圍內(nèi)，吸水率超過(guò)1.7％是很少的。在引進(jìn)有效相對(duì)密度后，必然需要確定合成毛體積相對(duì)密度和合成表觀相對(duì)密度，對(duì)合成表觀相對(duì)密度的計(jì)算一般沒(méi)有分歧，但對(duì)合成毛體積相對(duì)密度的方法則有種種不同的意見(jiàn)。意見(jiàn)集中在2.36mm以下的機(jī)制砂、石屑如何測(cè)定毛體積相對(duì)密度上。研究課題進(jìn)行了大量的對(duì)比試驗(yàn)，得出了規(guī)范規(guī)定的方法，即“機(jī)制砂及石屑可按T0330方法測(cè)定，也可以其中篩出的2.36mm～4.75mm部分的毛體積相對(duì)密度代替”。

　　具體到工程上使用時(shí)，目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)階段各種材料是分開(kāi)的，工程上可根據(jù)實(shí)際情況處理。例如：

　　①當(dāng)石屑規(guī)格為0～5mm，或者雖然已經(jīng)分開(kāi)有3-5mm(S14)及0-3mm(S16)兩檔規(guī)格，但材料品種相同時(shí)，將其中的2.36mm以下部分篩除后按粗集料方法(T0304)測(cè)定毛體積相對(duì)密度，作為這些材料的毛體積相對(duì)密度；

　�、诓牧戏珠_(kāi)有3-5mm(S14)及0-3mm(S16)兩檔規(guī)格，但材料品種不同，例如3-5mm為玄武巖，0-3mm為石灰?guī)r，則將3-5mm材料中的2.36mm以下部分篩除，從0-3mm(S16)材料中篩取2.36mm篩上部分，分別按粗集料T0304方法測(cè)定毛體積相對(duì)密度使用。在生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)時(shí)，材料從熱料倉(cāng)取樣。但拌和機(jī)的熱料倉(cāng)中的材料有相當(dāng)?shù)幕祀s，測(cè)定毛體積相對(duì)密度也會(huì)變得更復(fù)雜。因?yàn)橥�一個(gè)熱料倉(cāng)會(huì)有不同品種的石料，如機(jī)制砂、天然砂、石屑，甚至包括礦粉、纖維、消石灰等。這時(shí)要弄清不同材料的比例很困難，分別取用不同材料測(cè)定表觀相對(duì)密度和毛體積相對(duì)密度更是不可能。所以此時(shí)只能將這個(gè)倉(cāng)的全部材料將0.075mm部分篩除后作為混料進(jìn)行兩種密度的測(cè)定，盡管仍然會(huì)不準(zhǔn)確，但也無(wú)法解決。在進(jìn)行各種配合比設(shè)計(jì)時(shí)，體積指標(biāo)的計(jì)算方法必須統(tǒng)一，因?yàn)樗�直接影響配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，也影響壓實(shí)度檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)密度。經(jīng)過(guò)本文的修改以后，我國(guó)在瀝青混合料體積指標(biāo)的計(jì)算上與美國(guó)現(xiàn)行方法基本上已經(jīng)沒(méi)有區(qū)別。只是由于改性瀝青的最大相對(duì)密度確定方法有差異，所以表1上公式都相同，實(shí)際結(jié)果略有所不同。

　　表1.中美兩國(guó)在體積指標(biāo)計(jì)算方法上的差別              

　　有效瀝青用量   完全相同

　　必須注意的是原規(guī)范都要求按下式計(jì)算瀝青的體積百分?jǐn)?shù)，且以VA＋VV作為VMA，由于直接引用了有效相對(duì)密度、有效瀝青用量、瀝青吸收入集料的比例等等概念，由總的瀝青用量計(jì)算的VA實(shí)際上已經(jīng)沒(méi)有意義。相反，要求計(jì)算有效瀝青用量及瀝青膜的厚度，同時(shí)計(jì)算粉膠比，以估計(jì)瀝青用量是否合理，這也是重大的改變。

　　試件的密度，都采用毛體積相對(duì)密度，這一點(diǎn)比較統(tǒng)一，但具體測(cè)定時(shí)又有水中重法、表干法、蠟封法、體積法之分，進(jìn)行了大量的對(duì)比試驗(yàn)，統(tǒng)一采用表干法，吸水率大于2％時(shí)采用蠟封法，對(duì)大孔隙的混合料采用體積法，而通常不再采用水中重法，只有施工質(zhì)量檢驗(yàn)時(shí)作為相對(duì)比較，對(duì)吸水率非常小的還可以使用。當(dāng)然，瀝青混合料采用表干法或蠟封法并非理想的方法。在美國(guó)，正在研究一種新的真空包裝法(Corelok)測(cè)定瀝青混合料試件的毛體積相對(duì)密度。

　　三．確定最佳瀝青用量（油石比）

　　在以前，我國(guó)采用日本的方法，即以全部滿足規(guī)范要求的瀝青用量范圍中值為最佳瀝青用量。按此方法能共同滿足要求的瀝青用量范圍往往很窄，基本上只有空隙率一個(gè)指標(biāo)。它與現(xiàn)在美國(guó)由空隙率決定最佳瀝青用量一樣，不過(guò)只要在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)就行，不一定是4％�？紤]到空隙率不容易準(zhǔn)確測(cè)定，參照了當(dāng)時(shí)歐美許多國(guó)家的辦法，把馬歇爾穩(wěn)定度、密度的影響放了進(jìn)來(lái)，實(shí)際上是馬歇爾試驗(yàn)加經(jīng)驗(yàn)的方法。美國(guó)MS-2馬歇爾方法確定最佳瀝青用量也是一個(gè)綜合平衡的方法。1994年第6版后改變?yōu)橐栽O(shè)計(jì)空隙率范圍的中值(4％)作為初始瀝青用量，檢驗(yàn)其他各項(xiàng)指標(biāo)是否都符合設(shè)計(jì)要求，如果符合，即作為最佳瀝青用量。如果不能全部符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，則找出全部符合設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的中值，以此作為最佳瀝青用量OAC，對(duì)兩種方法進(jìn)行了折衷。在2000年的美國(guó)熱拌瀝青混合料施工手冊(cè)中，仍采用MS-2的方法。但對(duì)機(jī)場(chǎng)道路，提出了采用4項(xiàng)指標(biāo)：密度峰值、4％的空隙率、75％的VFA以及馬歇爾穩(wěn)定度的峰值所對(duì)應(yīng)的瀝青用量的平均值作為設(shè)計(jì)的最佳瀝青用量。在澳大利亞以前的規(guī)范中也使用了VFA的中值。本文修訂時(shí)，綜合考慮了各個(gè)方面，對(duì)確定最佳瀝青用量規(guī)定一個(gè)寬松的方法，強(qiáng)調(diào)必須特別重視當(dāng)?shù)氐某晒Φ慕?jīng)驗(yàn)，在實(shí)用上有非常重要的意義。尤其對(duì)于一個(gè)較小范圍的地區(qū)，材料和級(jí)配基本上變化不大，成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)更有價(jià)值。調(diào)查認(rèn)為原規(guī)范確定最佳瀝青用量基本上是可行的。鑒于目前仍然采用馬歇爾試驗(yàn)作為配合比設(shè)計(jì)方法以及在空隙率指標(biāo)測(cè)定不準(zhǔn)確的情況下，還不具備僅依靠空隙率一個(gè)指標(biāo)確定最佳瀝青用量的條件。因此綜合確定了本文現(xiàn)在推薦的方法。在空隙率標(biāo)準(zhǔn)上，本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，不固定一個(gè)值(例如4％)，而是在不同的氣候和交通條件下選用不同的值。在確定OAC1時(shí)，增加了VFA中值相對(duì)應(yīng)的瀝青用量參加平均，是考慮到VFA反映瀝青結(jié)合料填充礦料間隙的程度，對(duì)混合料的耐久性有意義，將其考慮進(jìn)來(lái)是必要的。

　　但是，許多單位在采用S型密實(shí)嵌擠型級(jí)配后，發(fā)現(xiàn)繪制的各種指標(biāo)與油石比的關(guān)系曲線中，密度和穩(wěn)定度兩個(gè)指標(biāo)中有一個(gè)或者兩個(gè)經(jīng)常不出現(xiàn)峰值。本文考慮到這種情況，規(guī)定在這種情況下可以以空隙率為準(zhǔn)確定最佳瀝青用量，但必須檢驗(yàn)其他指標(biāo)都符合要求。

　　四．計(jì)算瀝青結(jié)合料被集料吸收的比例及有效瀝青含量

　　瀝青結(jié)合料被集料吸收的比例及有效瀝青含量是由集料的合成毛體積相對(duì)密度與合成表觀相對(duì)密度計(jì)算得到的，在總的瀝青用量中扣除了這部分被吸收的瀝青數(shù)量后便可得到有效瀝青含量。計(jì)算有效瀝青含量的目的在于估算粉膠比和瀝青膜的厚度。由于我們以前計(jì)算粉膠比時(shí)都計(jì)算0.075mm通過(guò)率與總的瀝青質(zhì)量之比，本文改為有效瀝青用量后，粉膠比將會(huì)比以前小，這里仍然要求控制在0.8～1.2范圍內(nèi)，實(shí)際比以前放寬了，所以更應(yīng)該注意粉膠比偏大的危險(xiǎn)。計(jì)算瀝青膜厚度的方法很多，本文采用的表面積系數(shù)是美國(guó)NCAT研究的成果。所需要注意的是，集料的比表面主要取決于細(xì)粉數(shù)量，對(duì)大于4.75mm部分的表面積只計(jì)算一個(gè)(100×0.0041)的值，其他檔次都不再重復(fù)計(jì)算。在澳大利亞1996年瀝青路面設(shè)計(jì)手冊(cè)中規(guī)定的集料比表面計(jì)算方法與日本的相同，按式A=(2+0.02a+0.04b+0.08c+0.14d+0.30e+0.60f+1.60g)×0.20482(m2/kg)計(jì)算，其中9.5mm以上均歸入系數(shù)2中，式中a～g依次為4.75、2.36……0.075mm通過(guò)率。但計(jì)算瀝青膜厚度的方法卻不同。我們通常會(huì)采用下式計(jì)算：　                         

　　公式中QEB為有效瀝青含量(混合料的質(zhì)量%)，QBIT為總瀝青用量(混合料的質(zhì)量%)，A為混合集料表面積(m2/kg)，ρBIT為25°C瀝青密度(t/m3)。瀝青膜的厚度，通常情況下連續(xù)密級(jí)配瀝青混合料的瀝青膜有效厚度宜不小于6μm，密實(shí)式瀝青碎石混合料的有效瀝青膜厚度宜不小于5μm，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)也可參考這個(gè)數(shù)值控制。

　　四．結(jié)束語(yǔ)

　　本論文就對(duì)配合比設(shè)計(jì)檢驗(yàn)的指標(biāo)增加了瀝青混合料的滲水試驗(yàn)要求，是經(jīng)過(guò)專題研究，在大量實(shí)際測(cè)定結(jié)果的基礎(chǔ)上匯總出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)。研究表明，滲水性與空隙率有很大的關(guān)系，但又有很大的區(qū)別，空隙率是反映的總的空隙，而滲水性只反映開(kāi)空隙，它與級(jí)配類型、集料粒徑等多種因素要關(guān)系。