摘要：文章结合沥青混合料生产及实际应用过程，探讨沥青混合料物理和体积特性以及配合比的设计方法,并对相应设计方法的主要步骤进行了阐述。主要包括HVEEM方法、马歇尔方法及SUPERPAVE方法等。实际应用表明,掌握沥青混合料的物理和体积特性能有效推动配合比设计顺利进行,有利于确保沥青的综合性能。
关键词：沥青混合料、物理特性、结构设计、配合比设计
一、概述
沥青路面以其良好的行车舒适性和安全性而成为高等级路面的代名词，目前世界各国新建的高速公路路面90%以上采用沥青路面或是沥青混合料上面层结构。沥青混合料通常由胶结料、沥青、集料、填料、添加剂等组成。其中，沥青与填料（矿粉）结合形成胶浆，起到将离散的集料粘结成整体的作用。沥青与填料的比例及总量的多少直接决定了沥青胶浆的性质是粘稠还是稀薄，决定沥青膜的厚度，进而对沥青混合料的路用性能起到重要的控制作用。集料根据粒径大小的不同分为粗集料和细集料，在沥青混合料结构中，粗集料起到形成混合料骨架的作用，对混合料的力学强度起到重要作用，而细集料的作用则主要是填充粗集料形成的骨架空隙，使整个混合料变得密实，空隙率控制在一定范围。因此，沥青混合料结构是一种复杂的复合材料多相体系，其各项性能与各粗分材料自身的性能有关，与各组分材料的参量也有关。
二、沥青混合料的物理和体积特性
在沥青混合料设计中，物理和体积特性被广泛使用，因为它们可以帮助我们将重量转换成体积，反之亦然。当不可能进行测试或无法获得实际测试数据时，在结构设计中也会使用体积特性与结构特性之间的相关性。
图1显示了压实沥青混合料的简化示意图。在沥青加入集料之前，集料结构中只有集料和一些空隙。部分空隙被沥青结合料填满，其余空隙仍然是空隙。在沥青结合料中，部分是被集料吸收的，部分仍然是集料表面的有效沥青结合料。
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图1压实沥青混合料的简化示意图
沥青混合料的的空隙率(VTM):在密实的沥青混合料中，沥青裹覆集料之间空气的总体积，以混合料总容积的百分比表示。在密实的沥青混合料中，高VTM和低VTM都不是理想的选择，3-5的VTM是足够稳定和耐久性的最佳范围。被吸收沥青(Pba):被集料吸收的沥青结合料的质量，以集料质量的百分比表示。吸收没有特定的限制，由于经济原因高吸收性集料(＞2%的吸收)可能不会被使用(需要相对高的沥青结合料)。但如果采用吸收率较高的集料，则需要对实验室配合比设计中的“老化”过程进行修改， 以准确模拟工厂生产过程中预期的高吸收率。有效沥青(Pbe)：未被集料吸收的沥青结合料的质量(总吸收)，以混合料总质量的百分比表示。矿料间隙率（VMA）:在密实沥青混合料中，在集料之间的空隙空间的总体积，其中一部分充满有效的沥青结合料，另一部分充满空气，以混合料总容积的百分比表示。沥青饱和度（VFA）:在压实沥青混合料试件中，沥青实体体积占矿料实体以外空间体积的百分率。低浓度表示沥青结合料的数量不足或过高VTM,影响其耐久性,而高值表示VTM相对较低,这可能会导致稳定问题。注意，体积特性需要确定密度或比重。主要工作公式有：
混合料的体积比重Gmb =集料和沥青的质量Mt/集料、沥青和空气的体积Vmb
最大比重Gmm = 集料和沥青的质量(Ms+Mb)/集料和沥青的体积(Vmb+Va)
沥青结合料的百分比Pb（按配重或沥青含量，%）= (沥青的质量Mb/集料和沥青的质量Mt)*100
下面的表达式用于 Gmm的计算:
Gmm=A/(A-B)
其中，A是样品在空气中的重量;B是样品在水中的重量
在某种程度上，所有的集料都吸水，因此需要测定集料的不同重量。三．混合料配合比设计方法
在接下来的段落中，将介绍三种不同的混合设计系统。所有的混合设计系统都有相同的目标，即选择最理想的集料和沥青，并以最合适的比例组合它们，以获得最佳的体积特性。
3.1 HVEEM方法
HVEEM方法是由加州高速公路分部的Francis Hveem在20世纪20年代发明的。它用于最大集料尺寸为1英寸的沥青混合料。并主要用于高密度分级混合料的设计。目前，它主要用于美国西部的一些州。主要步骤如下:
1.为项目选择合适的集料、级配和沥青结合料。2.使用离心煤油当量(CKE)试验程序和集料级配确定沥青(粘结剂)的近似含量作为干集料的百分比。3.准备样本,在直径2.5英寸至4英寸范围内，在第一步的沥青含量范围内，在建议的温度下(针对特定的沥青等级)，从第1步开始估算沥青的含量。4.使用稳定计和膨胀试验装置进行试验。5.计算稳定计值、膨胀、密度和空气空隙(使用最大比重)。6.通过选择满足最小气隙和稳定仪值标准的最大沥青含量，确定最佳的沥青含量。必须满足的其他标准是最大膨胀和沥青路面的泛油。
3.2马歇尔方法
马歇尔方法是由密西西比高速公路部门的布鲁斯·马歇尔于20世纪30年代开发的，并在20世纪40年代和50年代由美国陆军工程兵团改进。虽然打算使用的混合与最大聚合大小为1英寸。自那以后，该程序已被修改，以适应大型集料。该方法继续在机场路面设计工作中得到广泛的应用，并已用于沥青乳液混合料的设计，以及施工过程中质量控制样品的压实和测试。主要步骤如下：
1.考虑到VMA，使用可用的测试方法选择骨料和级配;选择合适的沥青，在不同温度下进行粘度测试，根据温度和粘度数据确定拌和和压实温度。2.在第1步确定的拌和和压实温度下，用马歇尔压实机(手持或机械压实机)准备试件，每边击打合适的次数(考虑到项目的交通水平)。3.确定毛体积比重。4.对试件进行整理，进行马歇尔稳定性和流度试验。5.计算VTM、VMA和VFA，使用混合和具体的最大比重集料的重力，以及步骤3和步骤4中得到的试验数据的稳定性和流量。6.根据VTM、VMA、VFA、稳定性和流量值，从适当的方法中确定最佳沥青含量，以满足项目的预期交通水平。
3.3 SUPERPAVE方法
SUPERPAVE(高性能的路面)方法是在20世纪80年代末和90年代初美国战略高速公路研究计划(SHRP)研究的基础上发展出来的。该系统包括新开发的性能级配(PG)沥青结合剂分级系统、确定了“一致”性质的集料性能、新的拌和压实和混合分析程序。主要步骤如下：
1.根据环境条件和交通情况选择沥青结合料和集料。2.通过考虑体积特性(VTM、VMA和VFA)和交通水平，选择总体级配，估计初步沥青混合料的含量。3.在沥青含量范围内的压密试件(包括步骤3的估计含量)使用超铺旋转压实机，其旋转次数与预期的交通水平相当。4.确定体积，并计算VTM、VMA和VFA(使用理论最大密度[TMD]的混合料和沥青混合料)。5.在最佳VTM、允许使用VMA和VFA的基础上确定最佳的沥青含量。6.在具有最佳沥青含量的施工空隙处准备试件。7.对一组经水处理的试样和另一组干试样进行间接抗拉强度试验。8.计算抗拉强度比，保证水稳定性。
论文作者:孟伟坤
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/2
标签：沥青论文; 体积论文; 方法论文; 空隙论文; 含量论文; 马歇尔论文; 压实论文; 《基层建设》2019年第27期论文;