浅谈沥青砼混合料的组成设计

摘要：随着高等级公路的里程不断增加，沥青砼混合料已成为我国公路路面的主要结构形式。本文从选择材料、理论依据、实践经验、试验检验、当地实际情况及施工控制等方面论述拉沥青砼混合料的组成设计方法。

关键词：沥青砼混合料、矿料组成、马歇尔试验

中图分类号： S611 文献标识码： A

前言：近年来，随着我国国民经济的高速发展，我国交通运输业特别是公路运输业显现出突飞猛进的态势，我国高等级公路的通车总里程不断增加。沥青混凝土路面由于它平整性好，行车平稳舒适，噪音低，许多国家在建设高等级公路时都优先采用。而半刚性基层具有强度大，稳定性好及刚度大等特点，被广泛用于修建高等级公路沥青路面的基层或底基层。

一、浅谈沥青混合料组成设计理论

1.原材料在混合料中的作用及对混合料的影响

1.1沥青结合料

沥青材料按其获得方式可分为天然沥青、石油沥青和焦油沥青三大类，其中石油沥青是应用最多的一类，且道路建筑用沥青大多为石油沥青，故通常称这部分沥青为道路石油沥青。

1.2集料

长期以来，由于多方面原因，很多公路建设者往往对沥青混合料中沥青结合料的性能特别观注，而常常忽略了集料的性能。在典型的热拌沥青混合料中，集料约占94%，集料的性能对混合料的性能参数影响是显著的。比如集料的颗粒形状、棱角与表面纹理、针片状颗粒含量、硬度、抗磨耗性、耐候性和

集料在沥青混合料中主要起着骨架和填充的作用，包括粗集料、细集料和填料。粗集料是指经加工(轧碎、筛分)而成的粒径大于2.36mm的碎石、破碎砾石、筛选砾石、矿渣等，细集料是指天然形成或经加工(轧碎、筛分)而成的粒径小于2.36mm的天然砂、机制砂(或称人工砂)及石屑，而填料(俗称矿粉)则是指粒径小于0.075mm的矿物质粉末，可以是轧石和筛分物得到的石粉，也可以是沥青拌合厂干燥筒抽出的粉料。不同粒径的集料在沥青混合料中所起的作用各不相同。

粗集料的作用主要是通过集料颗粒的嵌挤作用提供稳定性以及通过其摩擦作用抵抗位移。一般适当增加混合料中粗集料用量可提高其高温稳定性和抗车辙能力，并增强沥青路面强度。同时，为了提高集料与沥青的粘附性及混合料的低温抗裂性，应尽可能采用100%轧制碎石集料。

细集料主要是起增加混合料颗粒间的锁紧作用，并减少粗集料间的孔隙，从而增强了混合料的稳定性。

2.沥青混合料设计理论

2.1浅谈沥青砼混合料组成设计理论

沥青砼混合料组成理论。沥青砼混合料在路面结构中产生破坏的情况，主要是发生在高温时由于抗剪强度不足或塑性变形过剩而产生推移、车辙、泛油等现象，低温时抗拉强度不足或变形能力较差而产生裂缝现象，以及沥青砼混合料配合比选用不当，空隙率过大而产生的路面结构渗水，在大量快速行车的作用下，反复作用的动水压力（孔隙水压力）使沥青从碎石表面剥落下来，造成沥青砼混合料路面坑洞、网裂、唧浆等破坏现象。

为了防止沥青混合料路面产生高温剪切破坏，我国柔性路面设计方法中，对沥青路面抗剪强度验算要求在沥青混合料路面面层破裂面上可能产生的剪应力τα应不大于沥青砼混合料的许用剪应力τR即τα≤τR 。而沥青砼混合料的许用剪应力τR取决于沥青砼混合料的抗剪强度τ，沥青砼混合料的抗剪强度τ可通过三轴试验方法应用莫尔―库仑包络线按下式求得：

τ=C+σtgφ=f(C. σ. φ)

式中： τ― 沥青混合料的抗剪强度（MPa）

σ― 正应力（MPa）

C― 沥青混合料的粘结力（MPa）

φ― 沥青混合料的内摩擦角（rad）

从式中可知沥青砼混合料的抗剪强度和沥青砼混合料的粘结力及内摩擦角有关，和施工过程的碾压力（压实度）有关。所以沥青的品种（包括改性沥青）和矿料之间油膜厚度（沥青用量）及抗剥落剂的研究是解决如何提高沥青砼混合料粘结力C及高温稳定性的问题，沥青砼混合料矿料级配及密度的研究是解决如何提高沥青砼混合料内摩察角φ和抗渗水性问题，沥青砼混合料中掺加纤维类的研究是解决如何提高低温抗拉强度的问题。

2.2沥青砼混合料矿料级配原理浅析

（1）研究沥青混合料绝对空隙率VV就是解决沥青混合料路面渗水和路面泛油问题。通过大量数据证明沥青混合料的绝对空隙率小于7%就不渗水。但是沥青混合料绝对空隙率太小也会导致沥青混合料的热稳性下降和路面泛油，因为当高温季节随着温度的增高，沥青混合料的温度升高，沥青膨胀，如果没有一定的空隙，沥青就只能往上走而引起泛油。所以绝对空隙率最小值要满足沥青受热膨胀的要求，一般最小空隙率大于2%就能满足沥青受热膨胀的要求。

（2）混合料矿料级配变化和内摩擦角的关系。从理论上讲，粗集料的间隙率被小一级的集料填充，小一级的集料又被更小一级的集料填充，直至最小的矿料为止是最理想的级配，这时的内摩擦角φ接近最大，粘结力C也接近最大，抗渗性能也好。如果粗集料的间隙不能被小一级的集料完全填充，这就形成了骨架空隙结构,这种结构内摩察角φ最大，但粘结力C小，抗渗透性差。另一种结构就是悬浮式密集沥青混合料结构，即前级集料之间留出比次级集料稍大的空隙供次级集料排布，随着细集料比例的增大，内摩擦角φ减小。

3.确定最佳沥青用量（或油石比）

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%。在《公路沥青路面施工技术规范》JTJ 032―94中考虑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、密度的影响考虑进来了，实际上是马歇尔试验加经验的方法。美国MS-2马歇尔法确定沥青最佳用量也是一个综合平衡的方法。1994年第六版后改变为以设计空隙率范围的中值作为初始沥青用量，检验其他各项指标是否都符合设计要求。如果符合，即作为沥青最佳用量；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中。在2000年美国热拌沥青混合料施工手册中，仍采用MS-2的方法。在《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40―2004规范中，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经验，在实用上有非常重要的意义。

二、沥青砼混合料组成设计

1.确定沥青混合料类型

根据道路等级、路面类型、所处的结构层位及设计要求，按规范及经验统计资料选定沥青混合料的类型及厚度，确定矿料最大粒径。同时要考虑当地气候、地质、交通状况等因素的影响；借鉴同种沥青混合料类型组成设计使用的成功经验。

2.原材料确定及准备

在对同类公路沥青混合料组成设计和使用情况调查研究的基础上，充分借鉴成功的经验，选用符合要求的原材料。按相关试验技术规定的取样方法，取足够数量的具有代表性沥青及矿料试样，按公路沥青路面施工技术规范材料质量的技术要求试验各项性质。

3.矿质混合料组成设计

确定矿质混合料的级配范围。沥青混合料的矿料级配应符合工程设计规定的级配范围。密集配沥青混合料以根据公路、气候及交通条件选择采用粗型或细型混合料。其他类型混合料宜直接以规范要求矿料级配范围作为工程设计级配范围。

矿质混合料组成比例计算。分别筛析组成材料，同时测出各组成材料的相对密度，以此结果计算组成材料配合比。合成的级配曲线宜尽量接近设计级配中限；对于高速公路、一级公路、城市快速路、主干路等交通量大、轴载重的道路，宜偏向级配范围的下限，相反一般道路、中小交通量或人行道路等宜偏向级配范围的上限。

4.确定沥青混合料的最佳沥青用量（或油石比）

沥青混合料的最佳沥青用量，可以通过各种理论计算的方法求得。但是由于实际材料性质的差异，按理论计算得到的最佳沥青用量，仍然要通过试验方法修正，因此理论法只能得到一个供试验参考的数据。采用试验方法确定沥青最佳用量目前最常用的方法有：F.N.维姆煤油当量法和马歇尔法。我国现行国标规定的方法是在马歇尔法和美国沥青学会方法的基础上，结合我国多年研究成果和生产实践总结发展起来更为完善的方法。该法确定沥青最佳用量，首先制备试样，再测定试样的物理、力学指标，最后通过马歇尔试验结果分析决定沥青最佳用量。

根据实践经验、公路等级、气候条件和交通特性调整最佳沥青用量。调查当地各项条件相接近的工程的沥青用量及使用效果，论证适宜的最佳沥青用量。检查计算得到的最佳沥青用量是否相近，如果相差甚远应查明原因，必要时重新调整级配进行配合比设计。对炎热地区公路以及高速公路、一级公路的重载交通路段，山区公路的长大坡度路段，预计有可能产生较大车辙时，宜在空隙率符合要求的范围内将计算的最佳沥青用量减小0.1%～0.5%作为设计沥青用量。

5.沥青混合料组成设计的检验

对用于高速公路和一级公路的密级配沥青混合料，在配合比设计的基础上按《公路沥青路面施工技术规范》要求进行各种使用性能的检验，不符合要求的沥青混合料，必须更换材料或重新进行配合比设计。其他等级公路的沥青混合料可参照执行。