摘 要
分析沥青混合料的体积构成，确定计算混合料最佳油石比的公式，并通过实际工程对其 加以检验。对混合料最佳油石比进行了预估，并分析了矿料间隙率等对油石比的影响。
关键词
沥青混合料设计 体积分析法 最佳油石比 矿料间隙率
1 前言
沥青混合料设计主要是混合料的集料级配和最佳油石比的确定。在集料级配相对固定的情况下，油 石比是影响空隙率、沥青饱和度等马歇尔技术指标的唯一因素。因此，在混合料设计中能否准确计算出 最佳油石比将对混合料的性能产生很大影响。
2 确定最佳油石比的经验公式
沥青混合料设计国内外普遍采用体积设计法或体积分析法，本文将采用体积分析法确定混合料的最 佳油石比，并对与油石比有关的几个问题提出粗浅的看法。经过多年的试验研究，笔者认为，沥青混合 料(本文所指沥青混合料包括密级配沥青混凝土混合料和沥青玛蹄脂碎石混合料)的最佳油石比可采用公式 计算。
式中:VMA——规范规定的最小矿料间隙率，%。
Va——沥青混合料设计空隙率，%。规范规定为3~5%，在实际工程中可取为4%或其它定值。
Ra——沥青结合料相对密度，(25℃/25℃)
Rsb——集料平均毛体积相对密度，无量纲。式中
P 1,P2,P3~Pn为各种集料的配比，其和为100，相应的毛体积相对密度为R1 ，R2~Rn(石屑和矿粉采用表观相对密度)。
分析沥青混合料的体积构成，可以认为，1体积混合料中有(100-VMA)%体积的集料构成骨架;有预先 希望的Va%体积空隙(即设计空隙率);所剩(VMA-Va)%体积均为沥青填充，此即最佳油石比的确定方法。
在实际配合比设计中通常采用的矿料间隙率较规范规定的最小矿料间隙率大1个百分点左右。 为此，在给定工程中可将规范规定的最小矿料间隙率提高1个百分点，用于最佳油石比的计算， 即
3 实际工程检验
本文以205国道滨博高速公路工程某合同段为例，检验其在实际工程中的可行性。
3.1 上面层SMA-13检验结果
表1 上面层原材料密度测定结果
|
序号 |
材料规格(mm) |
表观相对密度 |
毛体积相对密度 |
|
1 |
10~15 |
2.840 |
2.796 |
|
2 |
5~10 |
2.851 |
2.780 |
|
3 |
0~3机制砂 |
2.836 |
|
|
4 |
矿粉 |
2.732 |
|
|
5 |
麦克AH-70改性沥青 |
1.023 |
|
上面层集料配合比为①:②:③:④=29:45:16:10，由此算得集料平均毛体积相对密度为2.789，所用 麦克AH-70号改性沥青相对密度为1.023，混合料设计空隙率为4%。
由公式
得最佳油石比为6.26%，实际工程最佳油石比为6.16%，计算最佳油石比同工程采用的油石比相差0.1%。
3.2 中面层AC-20I检验结果
表2 中、下面层原材料密度测定结果
|
序号 |
材料规格(mm) |
表观相对密度 |
毛体积相对密度 |
|
1 |
20~30 |
2.723 |
2.699 |
|
2 |
10~20 |
2.723 |
2.694 |
|
3 |
5~10 |
2.727 |
2.660 |
|
4 |
砂子 |
2.646 |
2.586 |
|
5 |
石屑 |
2.723 |
|
|
6 |
矿粉 |
2.732 |
|
|
7 |
滨化AH-70号沥青 |
1.012 |
|
|
8 |
泰普克AH-70号沥青 |
1.032 |
|
中面层集料配合比为②:③:④:⑤:⑥=32:22:19:21:6，由此算得集料平均毛体积相对密度为2.674，所 用泰普克AH-70号沥青相对密度为1.032，混合料设计空隙率为4%，由公式得最佳油石比为4.74%，实际 工程油石比为4.70%，相差仅0.04%。
3.3 下面层AC-25I检验结果
下面层集料配合比为①:②:③:④:⑤:⑥=20:26:11:19:19:5算得集料平均毛体积相对密度为2.678，所用 滨化AH-70号沥青相对密度为1.012，混合料设计空隙率为4%，由公式得最佳油石比为4.40%，实际工程 油石比为4.40%，计算结果与工程采用的油石比完全相同。
4 沥青混合料最佳油石比预估
4.1 SMA混合料矿料间隙率满足规范要求(见表3)，设计空隙率为4%时的最佳油石比预估(见表4)。
表3 SMA混合料集料最小VMA标准(建议稿)
|
集料公称最大粒径(mm) |
19 |
16 |
13.2 |
9.5 |
|
最小VMA(%) |
16 |
16.5 |
17 |
17.5 |
表4 SMA混合料最佳油石比预估(Va=4%，掺木质素纤维0.3%，Ra=1.02时)
|
集料平均毛体积相对密度 |
集料最大公称粒径(mm) |
|
19 |
16 |
13.2 |
9.5 |
|
2.9 |
5.51 |
5.75 |
6.00 |
6.26 |
|
2.8 |
5.71 |
5.96 |
6.22 |
6.48 |
|
2.7 |
5.92 |
6.18 |
6.45 |
6.72 |
|
2.6 |
6.14 |
6.42 |
6.9 |
6.98 |
4.2 密级配沥青混凝土混合料矿料间隙率满足规范要求(见表5)，设计空隙率为4%时的最佳油石比预估 (见表6)。
表5 密级配沥青混凝土混合料集料VMA标准(建议稿)
|
集料公称最大粒径(mm) |
31.5 |
26.5 |
19 |
16 |
13.2 |
9.5 |
4.75 |
|
最小VMA(%) |
12.5 |
13 |
13.5 |
13.8 |
14 |
15 |
16 |
表6 密级配沥青混凝土混合料最佳油石比预估(Va=4%，Ra=1.02)
|
集料平均毛体积相对密度 |
集料最大公称粒径(mm) |
|
31.5 |
26.5 |
19 |
16 |
13.2 |
9.5 |
4.75 |
|
2.8 |
4.00 |
4.24 |
4.48 |
4.61 |
4.71 |
5.21 |
5.70 |
|
2.7 |
4.15 |
4.40 |
4.63 |
4.79 |
4.89 |
5.40 |
5.92 |
|
2.6 |
4.31 |
4.56 |
4.81 |
4.97 |
5.08 |
5.61 |
6.14 |
|
2.5 |
4.48 |
4.74 |
5.00 |
5.17 |
5.28 |
5.82 |
6.39 |
5 影响混合料油石比的原因分析
5.1 矿料间隙率
矿料间隙率与集料级配、最大公称粒径及集料的棱角性有关，其中集料级配对其影响最大。矿料间 隙率的适当与否在很大程度上决定混合料是否合格。若VMA过大，为了使混合料空隙率等指标满足要求， 势必要提高沥青用量，不仅不经济，而且容易造成路面高温泛油影响路面质量。如果VMA过小，由于没 有足够的空隙可供沥青填充，混合料油石比过小，容易产生水损害、耐久性等问题。规范(建议稿)规定密 级配沥青混凝土混合料矿料间隙率范围的目的，就是为了保证混合料具有适当的沥青结合料。滨博路工 程某合同在初做SMA-13配比设计时，在油石比高达6.6%的情况下，试件的空隙率仍达不到要求，分析 原因，原来VMA已高达21%，后来调整级配，将矿料间隙率调至18%左右，就成功了。所以对SMA混 合料也不能只规定最小VMA，而应该根据其最大公称粒径确定矿料间隙率范围。笔者建议可以采用以下 标准(见表7)。
表7 SMA混合料集料VMA标准
|
集料公称最大粒径(mm) |
19 |
16 |
13.2 |
9.5 |
|
VMA(%) |
16-19 |
16.5-19.5 |
17-20 |
17.5-20.5 |
在混合料设计中，除集料级配、最大公称粒径、集料棱角性对矿料间隙率有直接影响外，油石比对 矿料间隙率也有一定影响。下面是某合同段AC-20I混合料试验资料(部分)汇总，可以看出，在沥青用量 小于最佳沥青用量(4.5%)的情况下，VMA几乎不随沥青用量的改变而改变;当沥青用量大于最佳用量时， VMA随沥青用量的增大而增大(当然，其增幅是有限的)，这说明混合料中有了多余的自由沥青，它撑开 了矿料骨架。因此，也可以从矿料间隙率的变化情况来确定最佳油石比的范围。
表8 某合同AC-20I试验资料汇总
|
沥青用量(%) |
3.7 |
4.1 |
4.5 |
4.9 |
5.3 |
|
试件毛体积相对密度 |
2.410 |
2.421 |
2.429 |
2.420 |
2.418 |
|
理论最大毛体积相对密度 |
2.555 |
2.539 |
2.524 |
2.509 |
2.494 |
|
空隙率 |
5.7 |
4.6 |
3.9 |
3.5 |
3.0 |
|
矿料间隙率 |
14.3 |
14.2 |
14.3 |
15.0 |
15.4 |
|
沥青饱和度 |
60.1 |
67.6 |
72.7 |
76.7 |
80.5 |
5.2 集料密度与规格
集料的密度与规格也是影响油石比的一方面原因。集料毛体积密度大，集料吸收的沥青少，混合料 所需的沥青就少;集料最大公称粒径大，级配良好时，矿料间隙率及表面积都相对较小，集料吸附的沥青 也就相对较少，混合料的沥青用量就小。
5.3 沥青密度
从公式可以看出，混合料的最佳油石比与沥青相对密度成正比关系。但由于沥青密度变化不大，通 常在1.0附近，因此它的影响也不大，几乎可以忽略。
6 结束语
本文计算沥青混合料最佳油石比的公式简单、明了，没有复杂的计算和参数假设。用此方法计算的 SMA混合料在最佳油石比时其饱和度通常在75~82%之间;计算密级配沥青混凝土混合料时其饱和度通常 在65~80%之间，均符合规范要求，证明是可行的。另外，它将在很大程度上保证混合料的设计空隙率为 一定值(通常可为4%)，这将能较好地控制路面实际空隙率，使之位于5~7%之间，以更好地保证路面具有 较好的高温稳定性，耐久性及抗水损害能力。
参考文献:
改性沥青与SMA路面/沈金安编著.北京:人民交通出版社.1997.7
工程建设机械2005.NO.6
路桥施工
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