铜汤路面上面层AC-13目标配合比设计
铜汤路面上面层AC-13目标配合比设计
铜汤路面上面层AC-13目标配合比设计
铜黄高速公路（铜汤三标）上面层沥青混合料（AC-13）目标配合比设计及路用性能研究
东南大学交通学院
二OO七年五月
铜黄高速公路(铜汤三标) 上面层沥青混合料目标配合比设计及路用性能研究
目录
1 研究背景............................................................. . (1)
2 原材料性能测试............................................................. . (1)
2.1 沥青............................................................. (1)
2.2 集料............................................................. (2)
2.3 矿
(2)
2.4 抗剥落剂............................................................. . (3)
3 级配的选择............................................................. (3)
4 沥青混合料试验研究............................................................. .. (4)
4.1 马歇尔试验............................................................. (4)
4.2 水稳定性试验............................................................. .. (7)
4.2.1 浸水马歇尔试验 (7)
4.2.2 真空饱水冻融循环劈裂强度试验 (7)
4.3 劈裂强度试
(8)
4.4 车辙试验............................................................. . (8)
4.5 渗水试验............................................................. . (9)
4.6 抗滑性能试验............................................................. .. (9)
4.7 试验小结............................................................. . (9)
参考文献............................................................. (11)
铜黄高速公路(铜汤三标) 上面层沥青混合料目标配合比设计及路用性能研究
1 研究背景
20世纪90年代以来，我国的高速公路从无到有，飞速发展，目前通车总里
程已超过3万公里。其中，沥青路面以其良好的行车舒适性、优异的使用性能、
建设速度快和维修方便等特点在我国也得到了广泛的应用。资料表明，国内近期
在建、重建的高速公路有90%以上采用沥青路面。鉴于高等级公路在国民经济中
的重要地位，沥青路面的路用性能具有举足轻重的意义，随着新型面层材料、级
配的问世和工程实践的进一步深化，道路工程界开展了有关材料组成设计、材料
性能等方面的研究。经过近二十年的努力，我国在沥青路面的结构设计、材料、
施工和检测方面积累了大量的经验，取得了许多理论上的重大进展，并形成了一
套完整的技术体系。
虽然如此，国民经济的高速发展带来的交通量迅速增长、车辆大型化、严重
超载等现象使沥青路面面临着严峻的考验，许多沥青路面高速公路建成后不久就
不能适应交通的需要，早期破坏的情况时有发生。沥青路面早期破坏现象主要有
两种，其一为雨季出现的水损害，其二为高温季节出现的车辙，前者
更为常见。
沥青路面发生早期破坏，除了施工工艺与质量控制方面的原因之外，沥青混合料
设计不当，或者缺乏一个比较规范的混合料设计方法也是主要原因之一。
影响沥青混合料路用性能的因素主要有沥青的性质、集料性能、集料级配、
集料与沥青间的粘附性以及沥青用量等，在沥青和集料等原材料确定的情况下，
要设计路用性能优越的沥青混合料就必须根据所设沥青混合料面层的受力特性
和功能要求通过设计合理的级配和选择合适的沥青用量以满足设计要求。本研究
就是在这一指导思想下，在选择优质的材料使其技术指标均满足《公路沥青路面
施工技术规范》（JTG F40-2004）的基础上，对铜黄高速公路上面层沥青混凝土
进行配合比优化设计，从而使设计的沥青路面具有良好的路用性能。
2 原材料性能测试
优质的原材料是保证沥青混合料具有优良路用性能的先决条件，为了满足气
候环境与交通对路用性能的要求，必须做好原材料的选择。本研究通
过测试沥青、
粗集料、细集料和矿粉等材料的性能和技术指标来检测材料是否满足规范要求，
从而完成原材料的选择。
2.1 沥青
拌制沥青混合料所用的沥青材料其技术要求随气候条件、交通情况、沥青混
合料的类型和施工条件等因素而异，铜黄高速（铜汤三标）上面层沥青混凝土采
用环宇SBS改性沥青，其技术指标基本满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工
技术规范》，也满足铜黄高速（铜汤三标）的招标文件，实测技术指标见表1：
1
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表1 环宇SBS改性沥青的试验指标与技术要求
2.2 集料
集料是沥青混合料的关键材料之一，其力学性能是决定混合料强度特性的最重要因素，它的颗粒形状不仅影响混合料的构架，也直接关系到混合料的抗车辙能力与抗疲劳性能等材料特性，此外，集料与沥青的粘附等级对混合料强度的形成也起关键作用，因此选择优质的集料是沥青混合料
具有优良路用性能的重要保证。粗、细集料的试验指标分别见表2、表3：表2 玄武岩粗集料（枞阳恒泰）的试验指标与技术要求
2.3 矿粉
沥青混合料的填料宜采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等石料经
磨细得
2
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到的矿粉，铜黄高速公路（铜汤三标）所采用的石灰石矿粉技术指标均满足规范的技术要求，实测试验指标见表4：
2.4 抗剥落剂
本项目抗剥落剂经优选采用江苏文昌电子化工有限公司生产的文盛
牌TW-1
型，掺量为沥青用量的0.4%。
3 级配的选择
在组成沥青混合料的原材料选定后，沥青混合料的技术性质在很大程度上取决于集料间的级配组成，沥青混合料由于集料的级配不同，可以形成不同的组成结构。总结多年的工程经验，我国2004年新推出的《公路沥青路面施工技术规范》中推荐了密级配沥青混凝土混合料矿料级配范围。铜黄高速公路（铜汤三标）上面层沥青混合料采用AC-13的级配形式。
1) 级配范围如下：
注：由于料厂生产的1# 、2#料偏细，无法满足级配需要，本试验中
对1#、2#料进行了目标
3
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筛分，实际施工时需注意调整料场的加工工艺。
2) 矿质混合料级配曲线图如下：
图1 AC-13级配曲线图
4 沥青混合料试验研究
根据现场各类集料的级配组成及上述确定的沥青混合料级配，确定各矿料的
组成比例，以0.5%间隔变化沥青用量，确定最佳配合比，进一步对铜黄高速公
路（铜汤三标）沥青混凝土生产配合比试验结果进行指导，从而为路面上面层施
工的顺利进行提供依据。
4.1 马歇尔试验
为确定沥青混合料的油石比(Optimum asphalt content，简称OAC)，常用
的试验方法是马歇尔法。我国现行国标(GBJ 92-93)规定的确定沥青最佳用量的
方法，是在马歇尔法和美国地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的，主要步骤为：
在推荐的油石比范围内，以0.5%间隔变化，成型5种不同油石比的试件；
进行马歇尔试验，测定试件稳定度和流值，同时测定并计算试件的空隙率、
饱和度及矿料间隙率；
按照施工规范规定的方法确定最佳油石比。
一、试件成型
按照规范要求，根据试验室以往经验，确定AC-13的油石比范围为4.0~6.0%，
采用0.5%的间隔变化，根据集料级配组成计算各种矿料用量，制备马歇尔试件
(两面击打75次)。
4
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二、马歇尔试验
首先测定物理指标：按规范规定的方法成型马歇尔试件，经24h后测定其视密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等物理指标。然后测定力学指标：测定物理指标后的试件，在60℃温度下测定其马歇尔稳定度和流值。试验结果如表6所示：
图2 油石比与毛体积密度关系曲线
图3 油石比与空隙率关系曲线
5
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图4 油石比与饱和度VFA关系曲线
图5 油石比与稳定度关系曲线
图6 油石比与流值关系曲线
2．最佳油石比的确定
①由上图中曲线及沥青混合料技术标准可知，密度没有出现最大值，则最佳沥青用量的初始值OAC1取目标空隙率4.0对应的油石比，即OAC1==4.93%。
②由图中曲线可知，各项指标均符合沥青混合料技术标准的油石比范围为：
4.70％～
5.10％，即OACmin＝4.75％，OACmax＝5.00％则中值OAC2=（OACmin＋OACmax）/2＝（4.70％＋5.10％）/2＝4.90％。
③取OAC1 和OAC2的中值为最佳油石比，即定最佳油石比OAC=（OAC1＋OAC2）/2＝（4.93％＋4.90％）/2＝4.9％。
6
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4.2 水稳定性试验
沥青混合料的水稳定性是指抵抗受水侵蚀后逐渐产生的沥青膜剥落、
掉粒和坑槽等破坏的能力。评价水稳定性试验的方法是测定沥青混合料在浸水前后力学性能的变化，以浸水后的力学性质和原性质的对比作为对剥落的间接量度，沥青混合料在饱水的情况下强度降低越小，说明水稳定性越好。
本研究中采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳定性能。
4.2.1 浸水马歇尔试验
沥青混合料分别采用最佳油石比成型的试件在60℃恒温水槽中的保温时间为48h，其余试验方法均与标准马歇尔试验相同。试件的浸水残留稳定度根据下式计算：
MS0 ?MS1
MS?100 (1)
式中：MS0—试件的浸水残留稳定度，%；
MS1—试件浸水48h后的稳定度， kN；
MS—试件的稳定度，kN。
如上表所示，本次设计的沥青混凝土级配类型混合料的浸水残余稳定度满足规范要求。
4.2.2 真空饱水冻融循环劈裂强度试验
该试验采用马歇尔击实法成型圆柱体试件，击实次数为正反两面各50次。试验时，将试件随机分为两组，每组4个，将第二组试件以标准的饱水试验方法真空饱水，再放入塑料袋中加入约10ml水，扎紧袋口，将试件放入-18℃的冰箱保持16h，取出试件立即放入已保持为60℃的恒温水
槽中，撤去塑料袋，保持24h。然后，将两组试件全部浸入温度25℃的恒温水槽中2h。
取出试件立即进行劈裂试验，求得最大荷载，冻融劈裂抗拉强度比按下式计算：
TSR?
式中：TSR——冻融劈裂强度比，％；
RT2——冻融循环后第二组试件的劈裂抗拉强度，MPa；
7 RT2RT1?100 (2)
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RT1——未冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度，MPa。
沥青混合料分别采用最佳油石比成型试件，冻融劈裂强度试验结果见下表：
如上表所示，本次设计的沥青混凝土级配类型混合料的冻融劈裂强度比满足规范要求。
4.3 劈裂强度试验
劈裂试验是对规定尺寸的圆柱体试件通过一定宽度的圆弧形压条施加荷载，
将试件劈裂直至破坏，测定其劈裂抗拉强度和破坏劲度模量。
沥青混合料采用最佳油石比成型标准马歇尔试件，试验条件符合《沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052－2000）的要求，劈裂强度试验结果见下表：
表9 沥青混合料劈裂强度试验结果（15℃）
如上表所示，本次设计的沥青混凝土级配类型混合料的劈裂强度和劲度模量均较小，而破坏拉伸应变较大。
4.4 车辙试验
为了模拟沥青路面在车轮的反复作用下产生车辙的情况，在试验室采用一个小型车轮在沥青混合料板块试件上进行往返行走试验，从而使板块试件形成象实际沥青路面那样的辙槽，这种试验方法称为车辙试验。车辙试验是评价沥青混合料抗车辙能力的较简单和有效的试验方法。该试验依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）的要求并考虑到混合料均为粗粒式沥青混合料将沥青混合料成型为300mm×300mm×
60mm的板式试件，在同一轨道上60℃温度下，以轮压为0.7MPa的实心橡胶轮作一定时间的反复碾压，形成车槽，以辙槽深度（总变形量）RD和动稳定度DS（每产生1mm辙槽所需的碾压次数）作为沥青混合料的抗车辙能力的评价指标。
沥青混合料试件的动稳定度按下式计算：
DS??t2?t1??N
d2?d1?C1?C2……………… .（3）
式中：DS—沥青混合料的动稳定度，次/mm；
d1—对应时间t1的变形量，mm；
d2—对应时间t2的变形量，mm；
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C1—试验机类型修正系数；
C2—试件系数；
N—试验轮往返碾压速度，通常为42次/min。
沥青混合料采用试验室确定的最佳油石比成型试件，在60℃温度下进行车辙试验，其试验结果见下表：
如上表所示，本次设计的沥青混凝土级配类型混合料的车辙动稳定度满足规范要求，总变形量也在合理范围内。
4.5 渗水试验
在沥青混合料配合比设计阶段进行沥青混合料的渗水试验是非常重要的。试验方法主要参照T0730-2000，混合料试件即采用按轮碾法制作的车辙板。在试验过程中，应仔细观察渗水的情况正常情况下水应通过混合料的内部空隙从试件的反面及四周渗出，如果水是从底座与密封材料间渗出，说明底座与试件密封不好，应另采用干燥试件重新操作。试验结果见下表：
如上表所示，本次设计的沥青混凝土级配类型混合料的渗水系数满足规范要求。
4.6 抗滑性能试验
开级配抗滑表层沥青混合料应具有良好的抗滑性能。采用摆式仪测摩擦系数及人工砂铺法测构造深度以评价抗滑性能。试验结果见下表：如上表所示，本次设计的沥青混凝土级配类型混合料的构造深度好摩擦系数等抗滑性能指标均满足规范要求。
4.7 试验小结
现将沥青混合料性能的试验结果和技术要求整理于下表：
表13 上面层实测试验结果和技术要求
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试验结果分析：
（1）铜黄高速公路(铜汤三标) 上面层沥青混凝土AC-13目标配合比确定的最佳油石比为4.9％。研究过程中采用的性能试验的试验结果表明，在最佳油石比条件下成型的沥青混合料各项路用性能指标均能较好的满
足JTG F40－2004《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求。
（2）本报告供施工单位施工时参照使用，沥青混合料的透水性及施工和易性应通过铺筑试验路做进一步评价。
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参考文献
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