728大碎石沥青混合料基层目标配合比设计报告doc.docx
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728大碎石沥青混合料基层目标配合比设计报告doc
大碎石沥青混合料基层
目标配合比设计报告
山东大学
2004年7月
报告编写人：
刘树棠
报告审核：
商庆森
山东大学土建与水利学院
道路与桥梁工程研究所盖章
山东大学土建与水利学院
道路与桥梁工程研究所所长签字
大碎石沥青混合料基层
目标配合比设计报告
目前我国高速公路沥青路面普遍采用半刚性基层结构，半刚性基层结构具有“足够的强度、适宜的刚度、较小的变形、良好的抗裂性”等优点，采用半刚性的基层结构可以很好地解决沥青路面的车辙问题，但其缺点也同样突出，因水硬性材料收缩变形（温缩、干缩），使基层容易开裂，进而造成较多的路面反射裂缝，这种裂缝已成为我国高等级公路沥青路面的主要破坏型式，大大缩短了沥青路面的使用寿命。
大碎石或大粒径沥青碎石混合料碎石基层作为路面柔性结构层，具有很强的柔性和变形能力。
一方面，作为应力消散层，可以有效地减少路面结构中的应力集中现象，大大延缓路面反射裂缝的发生；另一方面，沥青碎石基层可以与沥青混凝土面层牢固粘结，并且由于其模量接近，使得路面结构受力更均匀。
因此，柔性基层有更长的使用寿命。
柔性基层沥青稳定碎石目标配合比的确定是关系到道路使用寿命的决定性因素。
大碎石或大粒径沥青碎石混合料是指集料最大粒径为25～63㎜的沥青混合料。
大碎石沥青混合料不同于我国传统意义上的沥青碎石，在我国路面基层中的应用尚处于刚刚试用阶段。
参考现行《沥青路面施工及验收规范》（GB50092-96），并查阅一些国内外的一些相关资料进行了沥青稳定碎石的目标配合比设计工作。
1原材料试验
1．1沥青结合料性能试验
试验所用沥青结合料为泰普克沥青（AH-70），其试验指标如下表1所示。
表1泰普克沥青性能检测结果
各性能指标
技术要求
试验结果
针入度@25℃（0.1mm）
60-80
74.3
延度@15℃（cm）
>100
>100
软化点（℃）
44-54
48.6
溶解度（%）
>99.0
99.9
闪点（℃）
>230
324
密度@15℃
实测记录
1.042
含蜡量（蒸馏法）%
小于3
1.4
薄膜烘箱试验（163℃，5h）
质量损失%
小于0.8
0.02
针入度比%
大于55
68
可见，改性后的沥青指标满足规范要求，可以用作沥青混合料的设计。
1．2集料密度及筛分试验
1.2.1密度试验
集料的密度试验按现行试验规程进行，表2列出了粗集料的试验结果。
表2石灰岩粗集料密度试验
集料
规格
水中质量（g）
表干质量（g）
烘干质量（g）
表观相对密度
毛体积相对
密度
表观
密度
（g/cm3）
毛体积密度
（g/cm3）
平均值（g/cm3）
表观密度
毛体积密度
10～30
1
1103.2
1762.9
1752.4
2.699
2.656
2.695
2.652
2.700
2.655
2
1013
1615.9
1605.4
2.710
2.663
2.706
2.659
10～20
1
864
1378.9
1370.9
2.704
2.662
2.700
2.658
2.708
2.665
2
962.4
1531.2
1522.2
2.719
2.676
2.715
2.672
5～10
1
731.7
1170.9
1160.6
2.706
2.643
2.702
2.638
2.700
2.640
2
655
1047.9
1039.8
2.702
2.646
2.698
2.642
对于细集料及矿粉的结果见集料密度数据汇总表3。
表3石灰岩集料密度试验结果汇总
石灰岩
规格
30～40
20～30
10～20
5～10
石屑
粗石粉
矿粉
毛体积
密度
（g/cm3）
2.685
2.655
2.665
2.640
—
—
—
表观
密度
（g/cm3）
2.697
2.700
2.708
2.700
2.952
2.959
2.700
1.2.2筛分试验
对试验用的各种集料进行筛分试验，结果见表7。
1.3集料的力学性质测试
由于大碎石沥青基层对集料的要求尚无成熟的规范要求可以参照，采用《公路沥青路面施工技术规范》（修改稿）中面层的集料规范指标要求，作为基层集料要求标准。
同时需要说明的是，目标配合比试验所用集料为山东大学道路结构实验室自备的材料。
1.3.1粗集料
为了充分发挥沥青稳定碎石中粗集料的骨架作用，粗集料必须使用坚韧、粗糙、有棱角的优质石料。
为此对石灰岩粗集料进行了主要力学指标的测试，结果见表4。
表4石灰岩集料力学指标
指标
试验值
技术要求
30-40mm
10-30mm
10-20mm
5-10mm
石料压碎值（%）
23
21
17
不大于28
洛杉矶磨耗值（%）
24
22
19
不大于30
吸水率（%）
0.3
0.3
0.5
0.7
不大于2.0
细长扁平颗粒含量（%）
12
11
11
10
不大于15
对沥青的粘附性
5级
5级
5级
不小于4级
由上表可见，粗集料的各项指标均符合规范要求，可以在潍莱高速沥青稳定碎石目标配合比设计中使用。
1.3.2细集料
沥青稳定碎石采用的细集料应系干净、坚硬、坚韧、坚固并略带有棱角性的颗粒，无粘土或混有泥土、粉土或其它有害物质的松散颗粒材料，而且应与沥青有较好的粘结能力。
为此，对石屑按要求进行了技术指标测试，试验结果见表5。
表5细集料技术性质
指标
试验值
技术指标
石屑
粗石粉
视密度（g/cm3）
2.952
2.959
不小于2.50
坚固性（%）
9
9
不大于12
1.3.3填料
用于工程的矿粉作为填料应是干燥、松散而且无泥土杂质和成团。
矿粉的技术指标见表6。
表6矿粉的技术性质
项目
矿粉
技术要求
视密度（g/cm3）
2.700
不小于2.5
含水量（％）
0.2
不大于1
粒度范围<0.6mm（％）<0.15mm（％）<0.075mm（％）
99.1
100
77.5
90～100
57.1
75～100
外观
符合要求
无粘结块
该矿粉的粒度范围指标稍有不达标，但对混合料的级配设计并不会有影响，可以在潍莱高速沥青稳定碎石基层目标配合比设计中使用。
2材料配合比设计
2.1矿料级配设计
大碎石沥青混合料组成设计的一个十分关键的环节是确定矿料级配范围，若按招标文件提供的级配范围进行设计，则马歇尔击实试验过程中粗集料击碎现象严重，变换若干级配曲线，均是如此，因此不得已改变级配范围。
参考《公路沥青路面施工技术规范》（修改稿），同时仍然考虑招标文件的要求，选用级配范围ATB-30。
按照《公路工程集料试验规程》（JTJ058-2000）对提供的适合配ATB-30的集料进行了筛分、合成级配及各组成用量百分比情况，见表5。
按照规范提供的马歇尔试验设计方法，级配设计时，设计1～3条级配曲线，做沥青混合料性能试验，只有当混合料试件的体积指标和混合料的高温性能、水稳性能都满足要求时，混合料的设计才告结束。
按照此方法，本研究先初步设计了3条曲线。
为减少试验工作量，首先从一条级配曲线开始进行相关试验，考虑到级配宜粗些，因此选用第3条曲线，其各筛孔的通过率见表7，级配曲线见图1。
从该级配曲线来看，混合料的级配在ATB-30范围中值偏下，混合料较粗，有利于形成嵌挤骨架结构，具体的情况有待于试验检验。
在级配设计的过程中，充分考虑了集料的骨架性与密实性的关系，通过方案比选和试验验证，选择了一条嵌挤性好、空隙率小的级配曲线。
表7石灰岩矿料筛分与合成级配表
筛孔
粒径
（㎜）
集料筛分曲线
合成
级配
级配范围
30~40
20~30
10~20
5~10
石屑
粗石粉
矿粉
ATB-30上限
ATB-30下限
ATB-30中值
37.5
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
31.5
33.3
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
90.7
100.0
90.0
95.0
26.5
0.0
89.1
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
81.8
90.0
70.0
80.0
19.0
0.0
28.6
97.5
100.0
100.0
100.0
100.0
57.7
72.0
53.0
62.5
16.0
0.0
6.3
84.6
100.0
100.0
100.0
100.0
47.0
66.0
44.0
55.0
13.2
0.0
1.7
64.9
100.0
100.0
100.0
100.0
42.1
60.0
39.0
49.5
9.5
0.0
0.2
23.1
98.2
100.0
100.0
100.0
34.7
51.0
31.0
41.0
4.8
0.0
0.1
1.1
13.3
99.3
100.0
100.0
26.8
40.0
26.0
33.0
2.4
0.0
0.1
0.6
0.4
12.6
94.1
100.0
16.9
32.0
15.0
23.5
1.2
0.0
0.1
0.5
0.3
0.2
57.1
100.0
12.3
25.0
10.0
17.5
0.6
0.0
0.1
0.5
0.3
0.1
25.4
99.1
9.4
18.0
8.0
13.0
0.3
0.0
0.1
0.4
0.2
0.1
14.7
94.7
8.1
14.0
5.0
9.5
0.15
0.0
0.0
0.4
0.2
0.1
9.5
77.5
6.4
10.0
3.0
6.5
0.075
0.0
0.0
0.2
0.1
0.0
3.9
57.1
4.4
6.0
2.0
4.0
用量（%）
14
39
16
5
10
9
7
0.0750.150.30.61.182.364.759.513.2161926.531.537.5
图1大碎石沥青混合料矿料级配曲线图
2.2最佳沥青用量的确定
根据各种材料配合比例，结合料采用泰普克沥青,参考规范要求的沥青范围，按0.5％的间隔变化，取4个不同的沥青用量，进行马歇尔试验。
沥青混合料的拌和及压实温度是马歇尔制件过程中非常关键的要素。
适宜的拌和及碾压温度应根据粘温曲线决定，根据已有工程经验，沥青结合料为泰普克沥青时混合料拌和温度为160℃-170℃，压实温度为140℃-150℃。
据此本试验拌和温度采用165℃，击实温度采用145℃。
马歇尔试验的结果见表8，相应的曲线见图2。
表8试验结果
沥青用量
0．3
3．5
4．0
4．5
马歇尔稳定度（KN）
22.46
19.73
20.28
16.63
马歇尔密度（g/cm³）
2.471
2.463
2.453
2.457
矿料间隙率（%）
11.76
12.48
13.28
13.61
沥青体积百分率（%）
6.65
7.73
8.80
9.91
沥青饱和度（%）
56.52
61.96
66.27
72.85
空隙率（%）
5.1
4.7
4.5
3.7
%
图2沥青混合料各指标与沥青用量关系
最佳沥青用量的确定依据《公路沥青路面施工技术规范》（修订版）确定的方法进行，则最佳沥青用量OAC1=（3%+3%+3.3%+4%）/4=3.3%。
在确定最佳沥青用量OAC2时，需要确定满足各指标标准。
通过查阅相关文献和资料，可参照表9进行。
表9大碎石沥青混合料马歇尔试验技术指标
试验指标
要求范围
稳定度（KN）
〉12.5
流值（0.1mm）
——
空隙率（%）
3~6
饱和度（%）
50~70
从图2看出，3%沥青用量的密度最大，结合图3，可以得到最佳沥青用量OAC2=（3%+4.3%）/2=3.65%。
图3满足各技术标准的沥青用量范围
最佳沥青用量OAC=（OAC1+OAC2）/2=（3.3%+3.65%）/2=3.5%，换算为油石比是3.6%。
对应的沥青混合料的马歇尔密度为2.463g/cm³，空隙率为4.7%。
3水稳定性检验
为了检验混合料的水稳性能，按照最佳沥青用量制作马歇尔试件，对混合料进行了浸水残留稳定度试验和冻融劈裂试验，试验结果见表10。
表10大碎石沥青混合料的水稳定性试验结果
检验项目
试验值
技术要求
浸水残留马歇尔稳定度（%）
86
〉80
冻融劈裂抗拉强度比（%）
80
〉75
从表10中可见，该最佳沥青用量混合料试件，其浸水残留稳定度及冻融劈裂抗拉强度比均符合要求，即混合料的水稳性满足要求。
因此，该大碎石沥青混合料的组成设计是符合要求的。
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