ATB25沥青稳定碎石配合比设计与优化调整.docx
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ATB25沥青稳定碎石配合比设计与优化调整
ATB-25沥青稳定碎石配合比设计与优化调整
第一工程公司
[摘要]本文详细介绍了ATB-25密级配沥青碎石混合料的目标配合比及生产配合比，沥青混合料试拌试铺的总结,以及ATB-25混合料配合比设计的进一步优化调整，对类似的ATB混合料配合比设计有一定的借鉴意义。
[关键词]ATB-25配合比设计试拌试铺优化调整
1前言
我国高速公路沥青路面早期损坏一直就受到各方面的重视，目前仍处于摸索和探讨阶段。
而对沥青路面早期损坏争论的焦点，主要集中在半刚性基层设计的合理与否，在国内多年来沥青路面基本上都遵循着“强基薄面”的设计理念，基层采用半刚性结构，沥青面层厚度一般为15~18cm。
随着我国引进一些先进的路面结构技术，柔性基层结构路面逐步被一些省市（地区）认识和采纳，在根本上消除了路面早期损坏的因素，从而改变了路面结构型式单一的状况，趋向“柔基厚面”的设计理念。
ATB沥青稳定碎石混合料，是作为柔性基层使用的新结构之一，具有骨架密实、渗水系数很小的特点，一般采用的结构层厚度大于8cm，其施工技术编入了新规范《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）中。
该混合料综合了原规范中ACⅠ型与ACⅡ型的优点而形成的级配，既有ACⅡ型的粗骨料含量，又适当地采用了ACⅠ型较多的细集料用量，两种级配类型结合而成的一种新型级配。
结构上既具有ACⅠ型的密实，又有ACⅡ型的骨架嵌挤结构，抗变型能力强，密实不渗水。
实测数据表明其稳定度很高（一般大于3000（次/mm））,渗水系数较小（一般小于200（ml/min）），具备良好的高温抗车辙能力及抗水损坏能力。
但该混合料的缺点是：
大骨料含量相对较多，中间粒径骨料含量相对较少，混合料表面积相对较小，对沥青用量较为敏感；在施工过程中容易产生离析，压实比较困难。
笔者参与了河南济焦新高速公路沥青路面的施工，其下面层采用13cm厚的ATB-25密级配沥青稳定碎石路面结构，其上为6cm厚AC-20粗型沥青混凝土，4cmSMA-13沥青马蹄脂混凝土，沥青面层总厚度达23cm。
下面将ATB-25沥青碎石配合比设计及优化过程的经验与总结介绍给大家，以供参考和完善，不断提高沥青路面施工水平。
2ATB-25密级配沥青碎石初步配合比设计和试验段总结
2.1原材料选择
1、沥青：
根据济焦新高速公路所处的地理位置，按照规范附录A沥青路面使用性能-气候分区，确定该路段所处气候分区为1-3-2夏炎热、冬冷湿润区，选择的沥青为国产中海（36-1）A级70＃石油沥青，其各项指标均符合JTGF40-2004中对道路石油沥青A级70＃的相关技术要求。
2、矿料：
ATB-25沥青混合料采用3种粗集料，1种细集料，1种矿料填料。
粗集料三种规格分别为：
20-30mm、10-20mm、5-10mm的石灰岩，产自博爱大辛庄；细集料采用博爱大名桥产水洗机制砂，规格为0-5mm；填料采用博爱第一水泥厂生产的石灰岩矿粉。
试验结果表明，各种集料均符合JTGF40-2004规范中有关高速公路沥青中下面层集料技术要求。
2.2目标配合比设计
1、矿料级配的确定
依据JTGF40-2004规范关于ATB-25型沥青碎石的矿料级配范围要求，在规范级配范围内选择三组粗、细不同的矿料配合比。
通过对所采用的矿料级配进行合成，以4.75mm筛孔通过率为粗细分界线，三组级配在4.75mm筛孔上的通过率分别为：
级配1-36.4％，级配2-30.9％，级配3-25.9％。
三条合成级配分别位于规范级配范围的中值线附近，中值线的上方和下方，三条级配曲线见图。
表1
筛孔（mm）
31.5
26.5
19
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
级配1通过率（％）
100
96.8
75.1
66.2
57.6
47.8
36.4
26.1
18.7
12.9
8.7
6.4
4.6
级配2通过率（％）
100
96.3
71
62.6
54
44.4
30.9
21.9
15.9
11.4
8
6.2
4.5
级配3通过率（％）
100
95.6
66.5
56.6
48.7
39.9
25.9
18.5
14
10.1
7.4
6
4.5
2、混合料拌和及击实温度的确定
依据河南省交科院的检测结果，绘制（中海36-1）A级70＃道路石油沥青粘度-温度关系图，确定出混合料拌和温度与成型压实温度范围分别为151℃～156℃、139℃～144℃。
3、合理级配的选择
对选用的三组矿料配比分别按预估的油石比3.9％成型马歇尔试件，马氏试件击实成型温度为：
145℃，试件成型采用φ101.5的尺寸试模，双面各击实75次，测定马氏试件毛体积相对密度，计算马氏体积指标后，进行马氏稳定密度及流值试验，试验结果见表2。
3种初试级配马歇尔试验结果表2
级配类别
级配1
级配2
级配3
规范要求
4.75筛孔通过率（％）
36.4
30.9
25.9
试件毛体积相对密度
2.499
2.485
2.47
理论最大相对密度
2.596
2.591
2.586
空隙率（％）
3.7
4.1
4.5
3～6
矿料合成毛体积密度rsb
2.757
2.755
2.754
空隙率（％）
12.8
13.2
13.7
不小于12VV=4.0％
有效沥青饱和度（％）
71.1
68.9
67.2
55～70
稳定度（KN）不小于
10.14
11.15
9.78
7.5
流值（0.1mm）
31.7
34.3
39
15～40
注：
沥青用量（占混合料总量的百分数）pb=3.75%矿料用量（占混合料总量的百分数）ps=96.25%
从表中分析，三个级配均可采用，但是级配1的饱和度略大于规范上限，其热稳定性将受影响；级配3，粗骨料含量略多，混合料可能会产生较大的离析，并且可能出现因离析导致的渗水，所以采用级配2较为稳妥。
4、确定合适级配的最佳沥青用量
（1）采用设计级配2，油石比间隔为0.3%，选取3.3、3.6、3.9、4.2、4.5五组不同油石比，分别制成马氏试件，马氏试验结果见表3。
ATB-25马氏试验结果汇总表3
油石比
马氏毛体积密度
理论密度
空隙率
VV%
间隙率
VMA%
饱和度
VFA
稳定度
KN
流值
F<10.1mm
3.3
2.454
2.613
6.1
13.8
55.8
8.90
33
3.6
2.476
2.601
4.8
13.2
63.6
9.91
36
3.9
2.48
2.589
4.2
13.4
68.7
10.11
36
4.2
2.477
2.598
3.9
13.7
71.5
10.22
38
4.5
2.477
2.566
3.5
14.0
75
10.37
39
规范
－
－
3～6
4％时>12
55～70
≥7.5
15～40
注：
矿料毛体积密度rsb＝2.755，
沥青用量Pb分别为（由低到高）3.19%、3.47%、3.75%、4.03%、4.31%，
rse=
=
=2.757，
矿料用量Ps分别为（由低到高）96.81％、96.53％、96.25％、95.97％、95.69％
油石比3.9的沥青混合料的理论最大密度采用实测法，其余按公式计算得出，在计算矿料合成毛体积相对密度时，粗集料采用毛体积相对密度，细集料及填料采用表观相对密度，沥青采用25℃时的相对密度（1.011）。
将上表试验汇总结果以油石比为横坐标、其它物理力学指标为纵坐标，绘制成马氏试验最佳油石比确定图，在图中：
α1＝4.2，α2＝4.5，α3＝3.9（按济焦高速路面施工指导意见，目标空隙率为4.0％），对应于饱和度中值的油石比为3.5，因为稳定度没有出现峰值（最大值在曲线端部），以目标空隙率所对应的沥青用量α3作为OAC1，即OAC1＝3.9％，OAC2=（OACmin+OACmax）/2=3.8%
（2）取OAC=（OAC1+OAC2）/2=（3.9+3.8）/2=3.9%为最佳油石比，以最佳油石比（3.9％），进行马氏试验，试验结果如下：
试验项目
试验结果
规范
理论最大相对密度
2.589
－
试件毛体积相对密度
2.483
－
空隙率VV%
4.10
3-6
间隙率VMA%
13.3
12（设计空隙率为4％）
沥青饱和度VFA%
69.2
55～70
稳定度KN
10.13
>7.5
流值FL（0.1mm）
38
15-40
（3）检验最佳沥青用量时的粉胶比
FB=
=1.28，符合0.8～1.5的要求。
（4）检验有效沥青膜厚度
SA=
＝100×0.0041+30.9×0.0041+23×0.0082+15.5×0.0164+10.9×0.0287
+7.9×0.0614+5.9×0.1229+4.5×3277=3.79
DA=
×10=
×10=9.71μm≮5μm，符合要求。
5、ATB-25配合比设计检验
序号
检验项目
规范技术要求
检验结果
符合性
1
水稳定性
马氏试件残留稳定度不小于80%
97%
符合
2
高温稳定性试验
动稳定度大于1000（次/mm）
3110（次/mm）
符合
3
渗水检验
渗水率小于（200ml/min）
0
符合
2.3ATB-25混合料生产配合比设计
ATB-25混合料的生产配合比设计过程与普通沥青混合料生产配合比设计过程是一样的。
生产配合比设计结果如下：
1、油石比3.9时的马氏结果
试验项目
试验结果
规范要求
理论最大相对密度
2.593
－
毛体积相对密度
2.489
－
空隙率（％）
4.0
3-6
矿料间隙率（％）
13.1
>12.0（目标空隙率为4.0％时）
沥青饱和度（％）
69.5
55~70
稳定度
10.31
>7.5
流值
37
15~40
2、生产配合比级配曲线
筛孔（mm）
31.5
26.5
19
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
通过率（％）
100
95.6
70.7
63
53.8
42.4
31
21.4
14.7
10.3
7.3
5.6
4.0
2.4ATB-25混合料的试验段总结
通过对ATB-25沥青碎石进行试拌与试铺，来验证配合比设计情况。
1、试铺后所产生的一些质量问题：
（1）摊铺面粗细离析严重，条带状、局部片状都有，外观很不理想。
（2）泛油严重，条带状、局部片状都有，正好和粗细离析相对应。
凡是泛油的地方都是细料相对集中的地方，粗料集中的地方也有个别地方泛油，但不是很严重。
（3）通过对ATB-25结构层取芯测定压实度，发现压实度值较大，大部分相当于最大理论密度的97％左右，也就是路面压实成型的残留空隙率只有3％左右，个别点低于3％。
渗水系数为零，抗水性较好。
2、针对质量问题查找原因：
经过对混合料进行抽提及级配分析后，混合料油石比为3.99％，级配曲线与设计级配很接近，在分析中排除ATB-25混合料在拌合运输、摊铺过程中不可避免的产生一些混合料离析外，造成上述情况的主要原因是：
（1）ATB-25混合料中结合料（沥青）过多，油石比偏大。
对于ATB-25混合料因级配组成的特点，粗骨料含量多，细集料含量较少，比表面积较小，仅有3.8m2/kg左右（以生产设计级配计算），而普通AC-25为4.9m2/kg（以其级配中值计算），ATB-25混合料其矿料表面沥青膜较厚，在相同油石比下，相当于AC-25的1.3倍，由此，过多的结合料使混合料中的自由沥青较多，与骨料粘附力较小，自由沥青在混合料中产生较大的迁移，与粗细集料分离，而出现了泛油现象。
初始ATB-25混合料目标配合比设计时目标空隙率选定为4.0%，是造成最佳油石比偏高的主要原因。
（2）初配的ATB-25混合料级配容易产生离析
初次所进行的ATB-25混合料的配合比设计，其级配曲线基本接近ATB-25级配规范中值线附近，19mm以上颗粒较多，占矿质混合料的30％左右，中间粒径集料（4.75mm到9.5mm之间）含量较少，占11％左右。
颗粒粗细分配相差比较大，容易产生集料粗细离析。
3ATB-25混合料配合比优化调整
3.1配合比设计调整思路
（1）目标空隙率调整：
参考东南大学对ATB混合料的研究成果，研究表明一般对于ATB-25混合料而言，4.5～5.0之间比较合理。
将初始配合比定的目标空隙率4%调整4.5%，再次进行配合比设计。
（2）级配调整：
在ATB-25规范容许级配范围内，选用目前对防治离析效果很好的S曲线。
该级配的特点是4.75mm、9.5mm、13.2mm筛余相对较多，而19mm、26.5mm筛余相对较少，即中间粒径较多的一种级配。
类似美国Superpave沥青混合料设计方法。
（3）在各项指标满足规范要求的前提下，适当降低沥青用量。
3.2调整后的ATB-25目标配合比结果
（1）级配曲线
筛孔（mm）
31.5
26.5
19
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
通过率％
100
98.3
78.2
65.5
57.1
47.0
31.2
19.8
14.9
10.9
8.0
6.4
4.6
（2）马氏试验结果（目标配合比最佳油石比为3.7）
试验项目
试验结果
规范要求
理论最大相对密度
2.596
－
毛体积相对密度
2.479
－
空隙率（％）
4.5
3-6
矿料间隙率（％）
13.2
>12.5（目标空隙率为4.5％时）
沥青饱和度（％）
65.9
55~70
稳定度（KN）
10.55
>7.5
流值（0.1mm）
32.3
15~40
（3）水稳定检验：
残留稳定度为86.3％
（4）粉胶比和有效沥青膜厚度：
粉胶比：
FB＝1.3，有效沥青膜厚度7.93μm。
3.3调整生产配合比后的试验结果
（1）级配曲线
筛孔（mm）
31.5
26.5
19
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
通过率％
100
96
78
64.9
56.2
47.0
30.6
20.8
15
11
7.6
5.9
4.4
（2）马氏试验结果（生产配合比最佳油石比为3.6）
试验项目
试验结果
规范要求
理论最大相对密度
2.595
－
毛体积相对密度
2.481
－
空隙率（％）
4.4
3~6
矿料间隙率（％）
12.9
>12.5（目标空隙率为4.5％时）
沥青饱和度（％）
66.0
55~70
稳定度（KN）
10.74
>7.5
流值（0.1mm）
38.1
15~40
3.4ATB-25混合料配合比调整后试拌和试铺
在ATB-25混合料配合比调整后，又进行了试拌、试铺。
摊铺后的ATB-25结构层外观平整、均匀、致密。
为了检验调整后的ATB-25混合料配合比是否成功，又进行了相关检验。
（1）油石比级配检验
检验路实测平均油石比3.65，抽提级配平均组成如下：
筛孔（mm）
31.5
26.5
19
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
通过率％
100
97.6
77.4
66.3
58.1
48.2
30.3
21.6
15.3
11
8.5
6.3
4
油石比及级配均符合设计要求。
（2）压实度检验
经取芯测量芯样密度，芯样压实度，大多在95～96％之间，平均值为95.4％（以最大理论相对密度为标准计算）；芯样残留空隙率大多在4～5％之间，平均值为4.6％，符合规范要求。
（3）渗水检验
对试验路的渗水检验选点很多，包括了各种外观情况。
通过试验发现，大部分测点渗水试验都能符合规范要求（规范要求不大于200ml/min），但是有个别点超标。
经观察发现，该处存在较明显的离析，在该点取芯，测其密度后，发现其压实度能够符合要求，但芯样表面有明显的空洞，骨料多，缺乏细料填充。
（4）高温抗车辙能力检验
在摊铺试验路的同时，取样成型大（30cm×30cm×10cm）的车辙试件，委托进行高温车辙动稳定检验，试验结果为4200次，远大于规范规定的大于1000次的要求。
表明混合料具有良好的高温稳定性。
（5）骨架接触度检测
骨架接触SSC（石～石接触）是指大粒径混合料中粗集料之间相互接触的密实程度，用压实成型的混合料中粗集料毛体积相对密度与粗集料干捣密度之比的百分率表示，表示形成混合料主骨架的密实性。
接触度越大说明骨架的密实性越好。
骨架接触度是反映沥青混合料的骨架性和接触密实性的综合指标。
此外，它也表明了粗集料的压实效率。
根据有关研究成果，采用骨架接触度SSC可以判断混合料的骨架结构：
a、当骨架接触度SSC>90％时，混合料是竖排骨架密实结构。
b、85％≤骨架接触度SSC≤90%时，混合料是松排骨架密实结构。
c、骨架接触度SSC≤85％，混合料是悬浮密实结构。
判断混合料是属于哪一类结构，即根据马氏试验得出试件密度及矿料4.75mm筛孔的通过量，计算出混合料中的粗集料密度，捣实密度则是混合料级配中大于4.75mm筛孔的粗集料经干捣试验获得的该级配的骨架接触度。
骨架接触度检测结果如下：
油石比％
粗集料比例％
粗集料间隙率％
粗集料密度g/cm3
捣实密度g/cm3
骨架接触度（％）
3.6
68
42
1.625
1.708
95.1
混合料骨架接触度为95.1，大于90％，因此，压实成型的混合料属于紧排骨架密实结构。
4结论：
1、通过试验论证，ATB-25混合料目标空隙率定为4.5～5.0％比较合理。
2、为避免结构层产生离析，采用中间粒径骨料较多，大骨料较少的S型级配可以有效降低混合料离析。
3、确定ATB-25最佳油石比时，要选择适宜的沥青膜厚度，笔者认为8μm左右较为合理，与此对应的油石比大约在3.4～3.7之间。
4、本工程采取的马氏试件击实仪是常规使用的击实仪，锤重4.53kg，落距457mm，试件直径101.6mm。
由于ATB-25混合料骨料含量相对较多，骨料最大公称粒径为26.5mm，试模尺寸与骨料最大公称粒径相对而言体积较小，不利于击实成型，况且，使不同试件的密度差异性较大。
笔者认为采用大马歇尔击实仪比较好，因为大马歇尔击实仪试模直径为φ153.4mm，试件厚度为95.3mm，体积为标准马歇尔试件的3.38倍，骨料最大颗粒粒径相对于试模尺寸相差较大，有利于骨料充分就位。
每个试件用料较多，能减少离析，得到的试件密度相对较均匀，能够提高配合比设计的准确性。
5、ATB类型混合料易产生离析，在优化配合比设计的同时，还需要考虑混合料的拌和、运输、摊铺等环节上的预防措施，避免引起的ATB类型混合料的离析。
参考文献：
[1]公路沥青路面施工技术规范JTGF40-2004
[2]沥青路面工程手册.张登良.主编
[3]河南省交通科学技术研究院技术建议书
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