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1、非线性有限元作业院系：建设工程学部道路工程研究所专业：道路与铁道工程姓名：王志超学号：20911062导师：潘宝峰时间：2010年7月19日热拌沥青混合料配合比设计方法马歇尔法王志超摘要：对马歇尔设计方法各项体积指标的取值进行了探讨,对热拌沥青混合料配合比设计进行了较详细的阐述。关键词：沥青;配合比;设计当前,沥青路面设计技术正面临着巨大的变革。由于交通量的剧增,轮胎气压和轴载的增加以及环境、材料等方面产生一些新的变化,许多满足现行规范的沥青路面仍发生了早期破坏。分析其原因,除施工工艺与质量控制方面外,沥青混合料设计不当,或缺乏一个比较规范的混合料设计方法也是主要原因之一。马歇尔设计方法是沥青
2、路面材料组成设计的一种最主要的方法。设计的基本思路是在设计级配与配合比下,以一定的击实功(一般为双面击实75次)在一定的温度下成型的标准马歇尔试件,其各项体积指标(空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率)满足一定的要求。这种规定的体积指标要求值必须要能反映路用性能要求。因此,马歇尔设计方法指标的取值就显得尤为关键。公路沥青路面施工技术规范(JTG F40-2004)进一步完善了沥青混合料配合比设计方法,调整了马歇尔试验配合比设计方法及设计指标、标准。1马歇尔设计方法指标的合理取值1.1空隙率对上、中、下面层均建议采用3%5%的空隙率,室内试验空隙率最好控制在4%左右。空隙率大于4%太多的话,将担心以后
3、路面实际空隙率太大,沥青易老化,抗疲劳能力不足,且水进入沥青混合料空隙内在行车荷载的泵吸作用下,沥青易从石料表面剥落,导致沥青混合料松散,继而出现车辙、坑洞。空隙率小于4%太多的话,将担心以后在重车荷载作用下,沥青混合料可能被压得过密,空隙率有可能小于3%,在高温条件下,沥青体积膨胀,石料颗粒充满自由沥青,使整个混合料的内摩阻角减小,在重车荷载作用下,混合料承载能力明显不足,路面出现高温车辙,并且自由沥青被压挤到道路表面,使表面构造深度大大减小直至全部丧失。1.2沥青饱和度对表面层与中面层均建议采用65%75%的空隙率。矿料间隙率适中时,沥青饱和度小于65%的时候,沥青混合料发生疲劳破坏的概率
4、会大大增加,沥青饱和度大于65%后,沥青路面在设计使用年限内很少发生疲劳破坏,且沥青饱和度过小,沥青膜厚度太薄,沥青混合料的抗老化能力也会大大减弱。沥青饱和度大于75%的话,沥青混合料的抗剪强度减弱很快,尤其是在高温与重载对沥青混合料的耦合作用下,沥青路面极易出现车辙现象。1.3沥青混合料矿料间隙率矿料间隙率主要是受级配和矿料颗粒棱角性的影响。沥青混合料矿料间隙率太大的话,若要达到4%空隙率的要求,势必饱和度太大,沥青将会发生析漏现象,沥青用量适中时空隙率又会太大,因此矿料间隙率太大的混合料其体积指标总是难以满足规范要求的,而且矿料间隙率太大的混合料是难以压实的混合料。矿料间隙率太小的话,要使
5、空隙率维持在4%左右的话,沥青用量势必就会很小,沥青饱和度很小,这样的混合料易老化,且易发生疲劳破坏,若增加沥青用量而使沥青饱和度达到要求,沥青用量达到一定值的话,此时沥青混合料的空隙率就会很小,空隙率很小的混合料,容易产生泛油现象,高温抗剪强度不足,且矿料间隙率太小的沥青混合料是不稳定的混合料,容易被压密,强度很弱。由公式VFA=（VMA-Va）/VMA （1）变形得到VMA=Va/（1-VFA） （2）假设我们要使得设计空隙率在4%左右,而沥青饱和度在65%75%之间时,此时的矿料间隙率的范围是:4%/(1-65%)4%/(1-75%)即11.5%16.0%2 目标配合比设计2.1材料选取
6、的矿料和沥青要有足够的代表性,所选矿料应进行岩性分析和规范要求的各项技术指标的测定,特别是细集料要做砂当量试验、矿粉要做亲水系数等试验。2.2矿料配合比计算:根据道路等级、结构层位选择适用的沥青混合料类型(一般设计文件已给定),按规范要求确定矿料级配范围,施工中常用的是试算法和图解法。2.3确定沥青最佳用量我国现行规范规定,采用马歇尔试验确定沥青最佳用量。按规范中沥青用量范围或经验估计的沥青用量以0.3%0.5%的间隔变化制备马歇尔试件不少于5组(每组不少于3个)试件进行马歇尔试验,测定稳定度(MS)、流值(FL)、密度,计算空隙率(VV)、饱和度(VFA)、矿料间隙率(VMA),分别绘制沥青
7、用量同其测定值的关系曲线。从关系曲线取相应于密度最大值的沥青用量为a1;相应于稳定度最大值的沥青用量为a2;相应于规定空隙率范围的中值(或要求的目标空隙率)的沥青用量a3,取上述三者的平均值作为最佳沥青用量的初始值OAC1。求出各项指标均符合规范沥青混合料马歇尔试验技术指标的沥青用量范围OACminOACmax,取其中值为OAC2。按最佳沥青用量初始值OAC1,在各测定值关系曲线中求取相应的各项指标值,当各指标符合马歇尔设计配合比技术标准时,由OAC1及OAC2综合决定最佳沥青用量OAC。当不符合马歇尔设计配合比技术标准时,应调整级配重新进行配合比设计,直至符合要求为止。由OAC1及OAC2综
8、合决定最佳沥青用量OAC时,宜根据实践经验和道路等级、气候条件按下列步骤进行:一般取OAC1及OAC2的中值作为最佳沥青用量OAC。对热区及渠化交通的高速公路,预计有可能造成较大车辙的情况下,可在OAC2及OACmin范围内决定,但不宜小于OAC2的0.5%。对寒区,最佳沥青用量可在OAC2与OACmax范围内决定,但不宜大于OAC2的0.3%。残留稳定度试验及车辙试验,试验结果均可调整最佳沥青用量。至此,目标配合比结束。这只是完成了配合比的初步设计,还不能直接用于生产中指导施工。2.4 高温稳定性检验按规范规定，对用于高速公路沥青路面的上面层及中面层的沥青混凝土混合料进行配合比设计时，应通过
9、车辙试验机对抗车辙能力进行检验。因此，由马歇尔试验设计的配合比并不能马上就作为目标配合比，对上述设计的级配及油石比的沥青混合料在温度60、轮压0.7MPa条件下进行车辙试验，动稳定度为3150次衍比氏符合规范条应不小于800次/mm的规定要求。应该说明，由于我国规范第一次列人车辙试验动稳定度要求，规定800次/mm是非常低的。在日本，要求为1500次/mm。可是据了解，有些工程管理部门认为规范没有写“必须”，不理睬规范的这个规定，但是规范用语的含义为“在正常情况下均应这样做”。还有一些单位试验时采用拌和好的沥青混合料，送到有关单位去重新加热再制件进行试验，应该知道，经二次加热的混合料，沥青变硬
10、，动稳定度必将提高，影响试验数据的可靠性。如果试验达不到规定值，这里介绍一些措施来提高动稳定度:(l)增大集料粒径，增加粗集料用量;(2)增加矿粉用量;(3)掺加纤维稳定剂;(4)减少天然砂用量，用有棱角的人工砂或石屑代替;(5)换用针人度小一些或60粘度高的沥青，减少沥青用量，使用改性沥青等。3 生产配合比3.1间歇式拌和机用振动筛的等效筛(表1) 表1间歇式拌和机用振动筛的等效筛孔(方孔筛) mm标准筛筛孔2.364.759.513.216.019.026.531.5振动筛筛孔2.56.011.015.019.022.030.035.06 mm及3 mm3 mm两个筛规格不可调,如果坏了可
11、以换同规格的方孔筛。3.2按目标配合比将冷料投入干燥筒,经二次筛分进入热料仓,按各级矿料百分率投入拌和锅,打出白料,多次微调进行筛分,确定各热料仓的比例,并调整冷料电机传动速度,使之供料均匀,异料别太多,也不会出现某个热仓等料的情况。矿粉不经干燥直接投入拌和锅,干拌时间不少于5 s。沥青采用外掺,加热150170直接喷入拌和锅,拌和均匀,拌和时间不少于40 s。按最佳用油量以及浮动0.3%成型三组试件,取样进行马歇尔试验、油石比试验、抽提或燃烧法筛分试验,绘出生产配合比级配曲线。从三组中选取最合适的用油量,用于下一步指导施工生产,至此生产配合比完成。整理出完整的资料,列入开工报告,施工单位就可
12、以铺筑试验路段100200 m,进行生产配合比验证。3.3 现场取样进行马歇尔实验矿料级配是否合适,待试验路段铺筑完成12 h后,到现场至少钻取1520个芯样,测试其密度、厚度,并观察芯样看其压实效果、级配情况。试验路段现场要确定合理的机械组合,确定其松铺系数,碾压速度、温度。各项技术要求、施工工艺都满足规范要求,写出总结报告上报总监办,并取得总监理工程师批准。试验路段可以作为路面工程的一部分,试验路段的各项数据,可作为以后大面积施工的依据,这就是所谓的生产配合比验证。至此,热拌沥青混合料配合比设计已经全部完成。影响沥青混合料配合比设计的因素有原材料质t、试验操作的规范与准确性、试验仪的精确度
13、以及试验数据处理的合理性等。耍将实验误差减小到最低限度，应采取以下几个方面的措施:（1）严格控制原材料的质量.提高对原材料质量的重视程度。对各种规格的碎石备料要从生产源头把好质量关。（2）加强试验人员的操作培训，提高试验人员的操作水平，严格按试验规程操作。对原材料要求进行平行试验，试验结果应满足平行试验精度要求。进行马歇尔试验时。应将误差超过标准差的数据删除，尽量减少试验中的偶然误差。（3)确保试验仪器设备的精度合格，示值误差应在规定允许范围内。加强试验仪器设备的检定、保养工作。要严格按规程操作，杜绝随意操作行为。（4）按目标配合比、生产配合比、配合比设计验证3个步骤进行配合比设计。如果说目标
14、配合比是“理论的研究”，那么生产配合比设计和拌和楼试拌验证就是实践适应性的检验过程.它为全面推广施工做好了最后的准备。生产配合比设计阶段的试验过程基本同目标配合比设计一样。包括原材料的侧试，合成级配的计算，马歇尔试件的制作、测试及最佳油石比选定等。应注意，生产配合比矿料设计须结合拌和楼热料仓分档和筛孔配置情况综合考虑，使生产出的混合料既达到规范允许的各项技术标准，又能保障设备正常生产应能提供的供料能力。在生产配合比验证与试铺阶段，试验人员应跟踪检测:目测现场摊铺效果，及时取样进行各项物理力学指标测试，并对试验数据进行统计分析。4 结语热拌沥青混合料的路用性能非常复杂，国内许多机构和专家进行了长
15、期艰苦的研究和探索，得出了许多有价值的结论，并在工程实践中得到了应用，取得了较好的效果。但是，我国沥青路面的质量仍然存在不少问题，对沥青混合料的研究仍在继续。随着认识和研究的不断提高和深人，沥青混合料配合比的设计方法及技术指标也会不断地修改和完善，沥青路面的质量将会得到稳步提高。在实际生产中。综合考虑各种因素的影响，优化沥青混合料配合比设计，对保证沥青路面的质，具有十分重要的意义。同时，要做好一组沥青混合料配合比设计，首先应保证原材料的质量，其次要提高试验人员的操作技能，保证试验仪器精度，严格按试验规程操作.将试验误差减少到最小程度。参考文献1 公路沥青路面施工技术规范(JTG F40-2004)s.北京:人民交通出版社2 JTJ-036.沥青与沥青混合料试验规程S3 陈江,王林.Superpave沥青混合料与马歇尔混合料设计方法对比J.石油沥青,2003,17(sup):8-12.4 吴超凡,童光明.对马歇尔设计方法与设计标准的几点看法J.湖南交通科技,2003,29(3):1-3.5 贾渝,张全庚.论我国沥青混合料设计方法J.公路,2001
