研究沥青混凝土矿料级配合比设计方法
摘要:随着城市交通运输的发展,沥青路面由于比普通路面优越得多,因此广泛应用于城市道路及高等级主要交通干线。因为沥青混合料的配合比设计结果直接影响沥青路面的施工质量和使用寿命，所以沥青混凝土在施工质量控制过程中，必须抓住并把握好施工质量监控的各个环节及提高监理工作的主动性，更能有效地保证工程质量。
关键词:马歇尔试验；沥青用量；计算比例
引言：
国际上有各式各样的沥青配合比设计方法，根据实际情况、经验与技术水平，一致认为仍然采用马歇尔设计方法是最佳，这也是基本方法和依据。但同时又不能拘泥于规范，在有条件的地方和工程，鼓励学习国际上的先进经验，使配合比设计水平得到提高。因此本文采用其他配合比设计方法在工程中应用，但考虑到目前施工质量检验阶段一般都采用马歇尔方法，而且便于与标准的马歇尔方法、以往的实践经验进行对比，所以本文在采用其他配合比设计方法时按规定的马歇尔方法进行检验，并提出相应的指标。
一．沥青混凝土矿料级配设计
矿料级配计算方法，现在大都采用计算机EXCEL的功能，开发了各种各样的矿料级配设计和级配曲线绘制方法，速度快，图表清晰，均可使用。不过有的单位完全按照数理统计的最优化设计方法设计这未必是好方法，因为毕竟各个筛孔的重要性是不一样，所以还是人机对话不断调整得到的方式较好。
矿料级配设计的第一步是绘制沥青混合料的最大密度线，其画法应按照试验规程的方法，不得各行其是。关于最大密度线曾经有过3种意见，即下图1中的A、B、C线，后来统一采用A线，本文采用此法。通过级配曲线与最大密度线的相互位置，可以大致估计出矿料级配的VMA和混合料的空隙率。由于各个的筛孔不一致，例如美国没有16mm筛孔，所以最大密度线的具体位置稍有差别。
美国Superpave混合料设计体系的一大特点是对矿料级配进行优选，而我们常常要求矿料级配曲线尽量靠近中值，这是不对的。为此本文补充了级配曲线进行优选的内容，希望在设计级配范围内计算1～3组粗细不同的配比，使包括0.075mm、2.36mm、4.75mm筛孔在内的较多筛孔的通过量分别位于设计级配范围的上方、中值及下方，然后进行一系列比较。尽管如此优选也是初步的，还没有包括经济分析在内。如果结合具体的材料价格对各种级配进行经济比较，那就更好了。
二．马歇尔试验
近段时间以来，对于沥青混合料试件体积指标，包括密度、空隙率、VMA、VFA的测定和计算方法一直存在一些争议，许多配合比设计都说是4％空隙率，但实际上可能相差很大。空隙率是由沥青混合料试件的密度和最大理论密度计算得到的，统一空隙率计算方法就必须统一试件相对密度和最大理论相对密度的测定或计算方法。关于最大理论相对密度的问题，试验规程规定了进行实测的真空法、溶剂法，也有计算法，不同的方法有不小的差别。经过大量的对比试验，反复征求各方面的意见，认为溶剂法计算体积时把集料内部开口体积都扣除，最大密度偏大，测定的空隙率过大，不符合实际情况。一致同意采用真空法实测沥青混合料的最大理论相对密度作为施工的标准方法。在测定过程中，要求完全按照试验规程的方法，将混合料充分分散，达到规定的真空度和抽气时间，以便真正做到混合料处于零空隙率状态。混合料的存放时间则统一为暂不存放。
但是，对普通沥青混合料，人工分散到6mm以下，在水中加极少量的表面活性剂，借助于抽真空及震荡15min能将混合料进一步分散，重复试验的精度能做到0.011以内。如果采用真空法测定改性沥青混合料或SMA混合料的最大理论相对密度时，试验表明，改性沥青因为粘度大，不仅人工分散很难达到小于6mm以下的要求，而且在小于6mm以下的团粒中仍然包含有不少气泡，它在相同的真空及振动情况下不能使团粒继续分散，封闭在集料团粒中的空气不能跑出，最大理论相对密度将变小，且平行误差超过要求，所以得不到“零空隙”时的最大理论相对密度。对改性沥青的SMA混合料有纤维时分散更困难。因此对改性沥青混合料和SMA混合料，将只能用计算法求取混合料的最大理论密度。但在如何计算的方法上，又有不少不同的意见。大部分单位和专家认为可以参考美国Superpave计算有效相对密度的方法，根据各种集料不同的吸水率选用不同的系数C值计算有效相对密度是可行的。Superpave规定一般情况可取C＝0.8，对集料吸水率较大时，可取C＝0.5～0.8。我国学者经过试验研究，由沥青浸渍密度反算得到的不同吸水率时的C值见下图2。
图中关系式的相关系数达到0.9998。本文规定了实际计算的步骤，它利用计算机计算是非常简单的。由图可见，Superpave所说的C值可取0.5～0.8大体上适用于吸水率0.5％～1.7％的范围内，吸水率超过1.7％是很少的。在引进有效相对密度后，必然需要确定合成毛体积相对密度和合成表观相对密度，对合成表观相对密度的计算一般没有分歧，但对合成毛体积相对密度的方法则有种种不同的意见。意见集中在2.36mm以下的机制砂、石屑如何测定毛体积相对密度上。研究课题进行了大量的对比试验，得出了规范规定的方法，即“机制砂及石屑可按T0330方法测定，也可以其中筛出的2.36mm～4.75mm部分的毛体积相对密度代替”。
具体到工程上使用时，目标配合比设计阶段各种材料是分开的，工程上可根据实际情况处理。例如：
①当石屑规格为0～5mm，或者虽然已经分开有3-5mm(S14)及0-3mm(S16)两档规格，但材料品种相同时，将其中的2.36mm以下部分筛除后按粗集料方法(T0304)测定毛体积相对密度，作为这些材料的毛体积相对密度；
②材料分开有3-5mm(S14)及0-3mm(S16)两档规格，但材料品种不同，例如3-5mm为玄武岩，0-3mm为石灰岩，则将3-5mm材料中的2.36mm以下部分筛除，从0-3mm(S16)材料中筛取2.36mm筛上部分，分别按粗集料T0304方法测定毛体积相对密度使用。在生产配合比设计时，材料从热料仓取样。但拌和机的热料仓中的材料有相当的混杂，测定毛体积相对密度也会变得更复杂。因为同一个热料仓会有不同品种的石料，如机制砂、天然砂、石屑，甚至包括矿粉、纤维、消石灰等。这时要弄清不同材料的比例很困难，分别取用不同材料测定表观相对密度和毛体积相对密度更是不可能。所以此时只能将这个仓的全部材料将0.075mm部分筛除后作为混料进行两种密度的测定，尽管仍然会不准确，但也无法解决。在进行各种配合比设计时，体积指标的计算方法必须统一，因为它直接影响配合比设计结果，也影响压实度检测的标准密度。经过本文的修改以后，我国在沥青混合料体积指标的计算上与美国现行方法基本上已经没有区别。只是由于改性沥青的最大相对密度确定方法有差异，所以表1上公式都相同，实际结果略有所不同。
表1.中美两国在体积指标计算方法上的差别
有效沥青用量 完全相同
必须注意的是原规范都要求按下式计算沥青的体积百分数，且以VA＋VV作为VMA，由于直接引用了有效相对密度、有效沥青用量、沥青吸收入集料的比例等等概念，由总的沥青用量计算的VA实际上已经没有意义。相反，要求计算有效沥青用量及沥青膜的厚度，同时计算粉胶比，以估计沥青用量是否合理，这也是重大的改变。
试件的密度，都采用毛体积相对密度，这一点比较统一，但具体测定时又有水中重法、表干法、蜡封法、体积法之分，进行了大量的对比试验，统一采用表干法，吸水率大于2％时采用蜡封法，对大孔隙的混合料采用体积法，而通常不再采用水中重法，只有施工质量检验时作为相对比较，对吸水率非常小的还可以使用。当然，沥青混合料采用表干法或蜡封法并非理想的方法。在美国，正在研究一种新的真空包装法(Corelok)测定沥青混合料试件的毛体积相对密度。
三．确定最佳沥青用量（油石比）
在以前，我国采用日本的方法，即以全部满足规范要求的沥青用量范围中值为最佳沥青用量。按此方法能共同满足要求的沥青用量范围往往很窄，基本上只有空隙率一个指标。它与现在美国由空隙率决定最佳沥青用量一样，不过只要在设计范围内就行，不一定是4％。考虑到空隙率不容易准确测定，参照了当时欧美许多国家的办法，把马歇尔稳定度、密度的影响放了进来，实际上是马歇尔试验加经验的方法。美国MS-2马歇尔方法确定最佳沥青用量也是一个综合平衡的方法。1994年第6版后改变为以设计空隙率范围的中值(4％)作为初始沥青用量，检验其他各项指标是否都符合设计要求，如果符合，即作为最佳沥青用量。如果不能全部符合设计要求时，则找出全部符合设计范围内的中值，以此作为最佳沥青用量OAC，对两种方法进行了折衷。在2000年的美国热拌沥青混合料施工手册中，仍采用MS-2的方法。但对机场道路，提出了采用4项指标：密度峰值、4％的空隙率、75％的VFA以及马歇尔稳定度的峰值所对应的沥青用量的平均值作为设计的最佳沥青用量。在澳大利亚以前的规范中也使用了VFA的中值。本文修订时，综合考虑了各个方面，对确定最佳沥青用量规定一个宽松的方法，强调必须特别重视当地的成功的经验，在实用上有非常重要的意义。尤其对于一个较小范围的地区，材料和级配基本上变化不大，成功的实践经验更有价值。调查认为原规范确定最佳沥青用量基本上是可行的。鉴于目前仍然采用马歇尔试验作为配合比设计方法以及在空隙率指标测定不准确的情况下，还不具备仅依靠空隙率一个指标确定最佳沥青用量的条件。因此综合确定了本文现在推荐的方法。在空隙率标准上，本文根据国内外经验，不固定一个值(例如4％)，而是在不同的气候和交通条件下选用不同的值。在确定OAC1时，增加了VFA中值相对应的沥青用量参加平均，是考虑到VFA反映沥青结合料填充矿料间隙的程度，对混合料的耐久性有意义，将其考虑进来是必要的。
但是，许多单位在采用S型密实嵌挤型级配后，发现绘制的各种指标与油石比的关系曲线中，密度和稳定度两个指标中有一个或者两个经常不出现峰值。本文考虑到这种情况，规定在这种情况下可以以空隙率为准确定最佳沥青用量，但必须检验其他指标都符合要求。
四．计算沥青结合料被集料吸收的比例及有效沥青含量
沥青结合料被集料吸收的比例及有效沥青含量是由集料的合成毛体积相对密度与合成表观相对密度计算得到的，在总的沥青用量中扣除了这部分被吸收的沥青数量后便可得到有效沥青含量。计算有效沥青含量的目的在于估算粉胶比和沥青膜的厚度。由于我们以前计算粉胶比时都计算0.075mm通过率与总的沥青质量之比，本文改为有效沥青用量后，粉胶比将会比以前小，这里仍然要求控制在0.8～1.2范围内，实际比以前放宽了，所以更应该注意粉胶比偏大的危险。计算沥青膜厚度的方法很多，本文采用的表面积系数是美国NCAT研究的成果。所需要注意的是，集料的比表面主要取决于细粉数量，对大于4.75mm部分的表面积只计算一个(100×0.0041)的值，其他档次都不再重复计算。在澳大利亚1996年沥青路面设计手册中规定的集料比表面计算方法与日本的相同，按式A=(2+0.02a+0.04b+0.08c+0.14d+0.30e+0.60f+1.60g)×0.20482(m2/kg)计算，其中9.5mm以上均归入系数2中，式中a～g依次为4.75、2.36……0.075mm通过率。但计算沥青膜厚度的方法却不同。我们通常会采用下式计算：
公式中QEB为有效沥青含量(混合料的质量%)，QBIT为总沥青用量(混合料的质量%)，A为混合集料表面积(m2/kg)，ρBIT为25°C沥青密度(t/m3)。沥青膜的厚度，通常情况下连续密级配沥青混合料的沥青膜有效厚度宜不小于6μm，密实式沥青碎石混合料的有效沥青膜厚度宜不小于5μm，在进行配合比设计时也可参考这个数值控制。
四．结束语
本论文就对配合比设计检验的指标增加了沥青混合料的渗水试验要求，是经过专题研究，在大量实际测定结果的基础上汇总出来的经验。研究表明，渗水性与空隙率有很大的关系，但又有很大的区别，空隙率是反映的总的空隙，而渗水性只反映开空隙，它与级配类型、集料粒径等多种因素要关系。
