沥青混合料配合比设计 理论概述
张宜洛
本章主要内容
一．沥青混合料的发展 二．混合料设计方法概述 三．矿料级配 四．沥青混合料设计程序 五．混合料关键指标
第一节 沥青混合料的发展
一、国际沥青混合料的三个里程碑：
40年代提出的马歇尔试验法，长期的技术标准和试
验方法

60 年代，美国 AASHTO 试验路的铺筑和研究；沥青路
大于自由沥青，越靠近矿料表面其粘结强度越高。
·碱性矿料单位面积上吸附的沥青多于酸性矿料。
图2 矿料与沥青的关系
②化学吸附
·沥青与矿料表面产生化学反应，形成新生物（化
学键）—粘结牢固、不溶于水。 ·化学吸附仅触及被吸附物质的一层分子。 ·矿料表面的化学性质是形成化学吸附的关键。 ③选择性吸附（吸收）
三、矿料级配
一、级配设计原则
① 粗集料形成稳定的骨架； ② 提供沥青的填充空间； ③ 使各种性能得到理想的平衡； ④ 减少离析 ⑤ 不产生碾压推拥
二、级配理论
级配设计思路：

＜0.6mm过多，则不稳定 0.15～2.36mm过低，则VV大，低温性能差。


最大筛孔附近平缓，则粗集料相对较细，表面均匀，易于修整 （中间档次集料增多）
旋转压实仪原理
承受压力和剪切力
150毫米的试模，集料尺寸可以到37.5毫米
Ram pressure 600 kPa
1.25o
旋转压实仪参数示意图
四、沥青混合料的结构
（1）结构的概念
结构特点： 矿料的大小及不同粒径的分布； 颗粒的相互位置； 沥青分布特征和矿物颗粒上沥青层的性质； 空隙量及其分布； 闭合空隙量与连通空隙量的比值等。 结构是材料单一结构和相互联系结构的概念的 总和。其中包括：沥青结构、矿料骨架结构及沥青 —矿粉分散系统结构等。
进行沥青、路面长期性能、混凝土与结构和公路营 运四大课题。最终成果是Superpave设计方法
两个规范和一个方法：
沥青结合料规范、沥青混合料设计规范和设计方法 。
优点：将试验指标和路用性能结合起来，将野外性能和室内
分析建立直接关系，通过控制车辙、低温开裂和疲劳开裂来全 面改进路用性能。
设计方法：三个设计水平体系 成型方法：SGC旋转压实
S 型级配是在富勒级配图上得出一种嵌挤良好的级配，具有适 宜的VMA和VV，沥青量也不多，且施工性能也好。
100 90 80 70
通过率(%)
60 50 40 30 20 10 0 19.0 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6
下限 上限 级配线
0.3
0.15 0.075
0.5
n=0.5
2）n法，泰波（A.N.Talbot）级配理论
·当采用多孔矿料时，可能发生沥青的某些组分渗
入矿料的深处。 ·矿料表面上吸附沥青质；矿料表面的细孔中吸收
树脂；油分则沿毛细管渗入到深处；从而大大改善沥青
与矿料之间相互作用的条件。
（2）吸附过程的改善 ①掺加表面活性物质（沥青中），以改善物理吸附与 化学吸附过程。 ②活化矿料表面，为化学吸附创造条件。 ③矿料初生表面的利用——提供力学化学过程。 ·新表面的化学活性增大——初生表面带电，初生表 面出现自由基（机械破坏作用使化学键断开）。 ·受机械破坏而形成的颗粒表面层的结构发生变化。 阿尔姆斯特朗格观测到：磨碎石英颗粒表面的非晶形 性，深度达50～100m，从而提高了反应能力和吸附能力。 还观察到当石英或花岗石与沥青混合一起磨碎时，发 生了化学键。 实践证明：矿料在磨碎过程中活化可提高活化效果。

“八五”：借助SHRP对比国产沥青、提出自然区划；沥青混合
料技术指标和相应的试验方法；改性沥青研究

“九五”： SHRP 成果应用及推广、 SMA 研究及推广、长寿命路 面的研究
三、我国沥青路面研究方向

验证和完善沥青及沥青混合料的性能指标，使其与
路用性能符合

研究改善沥青与沥青混合料性能的新型改性剂与改 性工艺
试验方法：
210kg/cm2（3000Pb/in2）静稳2min；养生12小时； 试件：直径5.08cm（2in）；高为2.54cm（1in） 通过夯锤，使试件挤进金属环
试验评价：
测定其密实度 测稳定度：试件挤进金属环的最大荷载（60℃）。
3）Hubbard-Field法
特点：
为适应交通的发展，扩大应用 19mm的粗骨料，试件直径15.24厘 米。通常就叫这为改良的哈巴特法。 较无侧限压缩试验有所改进。但 仍属于一种经验指标；试件从环口 挤出时会因发生碎石剪碎现象而使 稳定度虚假。
4）维姆（HVeem）试验方法
美国沥青协会维姆技术标准
测定项目
稳定度值，≮ 粘结力值，≮ 膨胀量（英寸），≯ 剩余空隙率，（%）
重交通
37 50 0.03 4
中交通
35 50 0.03 4
轻交通
30 50 0.03 4
稳 定 度 计 算
4）维姆（HVeem）试验方法
膨胀量试验
粘 结 力 计 算
4）马歇尔试验法
（2）空间结构
• 沥青混合料属分散系统中的“胶凝”结构。 • 其特点是结构单元（固体颗粒）通过液相的薄层而粘 结在一起，其强度决定于结构单元间的粘结力，具有 力学破坏后结构触变性复原的特点。 • （晶体 / 凝聚结构由细小的晶体结合而成，形成坚固 的空间结构，使结构单元无限接近，结构单元之间发 生化学键，因此具有很高的强度。受力破坏后不能恢 复。） • 结构强度取决于：矿物骨架的结构，沥青的结构、矿 料与沥青相互作用的特点及沥青混合料的密实度。
面的设计、施工、结构和材料发生根本变化

90 年代初，美国战略公路研究计划（ SHRP ）及研究 项目的进行，“沥青结合料路用性能规范及沥青混 合料性能设计”
二、我国沥青混合料的研究发展
“六五”：普通沥青混合料及改性沥青研究；高温方面：车辙
预估、开裂温度判断、丁苯橡胶改性 “七五”：对比沥青我国沥青路用性能；高温：车辙试验、蠕 变试验、环道试验、加速加载试验；低温：应力松弛试验、路 面温度应力试验；橡胶改性沥青推广

研究新型沥青结构与铺筑工艺 改进与完善沥青混合料的设计方法 研究沥青路面性能的评价和预测方法
二、混合料设计方法概述
一、沥青混合料设计概述
混合料设计依据：
交通条件、自然条件、材料条件、施工条件
配合比设计ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ技术要求：

满足道路的路用性能
合理选择与组合材料
分析合理的提高性能措施和解决方案
提出适合于工程特点的施工及控制要求
二、沥青混合料设计思路
混合料设计原则：
•
• • • •
设计
施工
足够的高温稳定性
良好的低温抗裂性 良好的耐久性 良好的水稳性 足够的抗滑能力
√
√
√
√ √
√ √ ×
•
•
良好的防渗能力
良好的施工性能
？
？
√
√
沥青混合料试验（三个途径）：
(1)模拟性试验
压入试验、轮迹试验、环道试验以及铺筑试验路 接近实际，但工作量大，费用高，故主要用于科研及特殊情况；
（3）矿物骨架结构
a)悬浮密实结构 b)骨架空隙结构 c)骨架密实结构


悬浮密实结构
骨架空隙结构 骨架密实结构
如AC；
如OGFC； 如SMA；
3．沥青与矿料的相互作用
（1）吸附过程
①物理吸附（图2） ·吸附剂与被吸附物之间仅有分子作用力，可能有 几个分子层的厚度。 ·被吸附的沥青为结构沥青，结构沥青的粘结强度
筛孔(mm)
1） 富勒最大密度级配曲线方程
1901 年 ～ 1907 年 美 国 富 勒 （ W.B.Fuller ） 与 汤 姆 逊
（ Thompson）根据实验提出了矿料的理想级配，认为颗粒
级配曲线愈接近抛物线则其密实度就愈大，提出了理想最大
密度连续级配组成的计算公式：
d d P 100 % 100 % D D


滚轮旋转时，试件便随着试模夹具在设定垂直压力下被不断揉搓、 剪切、压实，直到平衡状态 试件成型时，GTM自动采集试件的应力、应变数据，并显示抗剪强 度变化曲线。试件的应变是通过机器角的大小来表征的，抗剪强度 S。则是用滚轮压力推理换算而得的。
6）Superpave设计方法
1987～1993年，美国耗资1.5亿美元，开展SHRP计划，
与路面实际受力状况差别较大； 适应以粘结力为主混合料，不适用以摩 阻、嵌挤力为主的沥青混合料； 仅以抗压强度来表征也有其一定的局限 性

3）Hubbard-Field法
特点：
较早被用作沥青混合料的一种试验方法1920，目前在美、法等一 些国家还有使用。
最初主要用于沥青砂，其最大颗粒尺寸不超过2mm。
(2)简单应力状态试验
抗压、抗拉、抗剪等 实际应力状态和试验条件差距大，只能分析问题或以半经验方式 使用；
(3) 经验方法试验
marshall法、Hubbard Field法，Superpave法 目前仍缺乏较简便的模拟试验来全面反映混合料的技术性质
三、设计方法的变化
最早
试饼法 无侧限抗压强度法 （二十年代）
试验参数：
根据最大粒径， ＝h＝5（7、10）cm 试件成型：压力机成型，（300kg/cm2，稳压3分钟） 加有速率：3mm／min 试验温度：20℃（R20）、50℃（R50）（60℃或65℃）
试验评价：
R20（R60、R50） 水稳性（R20，水/R20） 空隙率、饱水率、膨胀率
4）维姆（HVeem）试验方法