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沥青混合料设计的5条经验法则

发布于:2025-02-08 10:34:08 来自:道路桥梁/道路工程

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只要人们努力工作,他们就会想出经验法则,让工作变得更容易。我们为沥青混合料设计者提供了这五条方便的经验法则。


1  每变化0.3%的沥青用量,混合料空隙率大约变化1%

在混合料配合比设计过程中,经常是一组试件非常接近于目标空隙率,但实际上并没有 达到目标值。如果试件的 VMA ( 矿料间隙率 )低于最小值,那么仅仅增加或减少 沥青用 量以 达到目标空隙率 是不够的 ,必须通过对每档集料的相对比例进行调整。如果 V MA 满足最低要求(至少 0 .5 % 左右),则可以简单地通过增加或减少沥青用量调整空隙率,以达到目标值,问题是需要调整多少呢?  

 
尽管沥青用量(Pb)和理论最大相对密度(Gmm)之间的关系是完全线性的,但沥青用量和空隙率之间的关系并不是完全线性。随着沥青用量的增加,混合料空隙率逐渐降低原因有两个:1)沥青填充了试件中原先被空气占据的体积空间;2)沥青充当润滑剂,使混合料压实过程骨料颗粒更加紧密地嵌挤在一起。对于设计者来说,在混合料设计时,这种关系是相当线性的,随着混合料越来越密实,这种关系趋于平缓。

 
对于大多数 密级配沥青混合料 ,每变化0.3%的沥青用量,混合料空隙率变化1%。沥青用量增加0.3%,混合料空隙率减小1%,沥青用量减少0.3%,混合料空隙率增加1%。例如,实验室设计目标空隙率为4%,而我们采用5%的沥青用量,第一次试验时混合料空隙率为5.3%,但混合料间具有足够的矿料间隙率,因此我们可能不需要改变混合料的骨架结构,根据我们的经验法则,第二次试验时我们选择5.4%的沥青用量,预计混合料的空隙率大约降低1.3%,满足4.0%的目标空隙率。  

2  混合料中添加铣刨料时,每增加1%的铣刨料掺量,骨料加热温度应提高0.9°F(0.5℃)

对于普       通沥青混合料,将集料分档、混合,可以在合适的温度下放置于烘箱中加热一夜。对于再生沥青混合料,由于铣刨料中含有沥青,因此不能以相同的方式对集料加热,以避免影响混合料的性能。在集料称重、混合之前应确保铣刨料中不含有水分,通常将铣刨料分为 1       000       -       2000       g 一盘放置于       230°F ( 110°C )       烘箱中       加热不超过两小时       ,以保证具有足够的时间去除铣刨料表面的水分,研究表明,加热时间过长或加热温度过高会影响铣刨料的性能。    

   
为了补       偿铣刨料较低的加热温度,应使新集料的加热温度高于混合料温度,从而使两种材料混合后达到设计的混合料温度。尽管实际应用时混合料的设计温度并不相同,但有一个很好的经验法则是:每掺加 1% 的铣刨料,骨料加热温度应提高 0       .9       °       F       ( 0       .5       ℃)。例如混合料中掺加 2       5       % 的铣刨料,新集料的加热温度应提高 2       5       *       0.9°F = 22.5°F (12.5°C).    

   
不应       该调整沥青胶结料的温度。    

   
为了使       混合料拌和均匀,先将加热后的新集料添加至拌锅中,然后添加加热的铣刨料(不超过       230°F ( 110°C )),       并与新集料快速拌合均匀,待混合料干拌均匀后,在标准温度条件下添加适量的沥青,然后继续拌合。    

   

   


3 有效相对密度和 毛体积相对密度 每相差0.060-0.070,被矿料吸收的沥青质量占矿料总质量的百分率大约增加1.0%

混合料       设计者必须考虑沥青混合料中被矿料吸收的沥青质量占矿料总质量的百分率( P       ba       ),这一基本性质是由矿料密度确定的:有效相对密度(       G       se       )       和       毛体积相对密度(       G       sb       )       。    



如上述公式,       毛体积相对密度计算时体积包括集料矿质实体体积和集料的空隙体积;有效相对密度计算时体积包括集料矿质实体体积和集料的空隙体积减去开口空隙体积。通过       两者之间的关系我们能够计算沥青混合料中       被矿料吸收的沥青质量占矿料总质量的百分率       。    

   
   
请注意       ,该方程不能简单地理解为:沥青被矿料吸收的比例 = 沥青用量 - 有效沥青含量(       P       ba       =P       b       –P       be       )       ,因为       沥青被矿料吸收的比例(       P       ba       )       表示为总骨料重量的百分比,而       沥青用量(       P       b       )       和       有效沥青含量(       P       be       )       表示为总混合料重量的百分比       ,在进行计算时需要乘以沥青的密度(       G       b       )       进行转换。    

   
经验法则借       用了这一规律,即随着有效相对密度       和       毛体积相对密度       之间       差值的       增加,       混合料中的沥青       吸收       率       也       随之       增加。随着       有效相对密度       和       毛体积相对密度的差值       每       增加       0.060 至 0.070 ,       被矿料吸收的沥青质量占矿料总质量的百分率大       约增加 1.0% 。    

   
“大约”一词很       重要,因为增长率会根据比重值的大小而变化,在极端条件下证明这一事实是非常容易说明问题的。例如,       100 和 98 之间的差值 2       仅       是 100 的 2% ,但 4 和 2 之间同       样       差值 2       ,但却       是 4 的 50% 。    

   
例如矿料的       有效相对密度为       2.700 ,       毛体积相对密度       也是 2.700 ,则       沥青       没有       被       吸收,       被矿料吸收的沥青质量占矿料总质量的百分率为 0       。       若       两者之间的差值       为       0.070       ,       意味着       毛体积相对密度       为 2.630       ,       假设       沥青密度(       G       b       )       为 1.01 ,则       被矿料吸收的沥青质量占矿料总质量的百分率       P       ba       =0.996% 。    

   
同样,假设       沥青密度       G       b       =1.01 ,如果混合       料采用较小密度       的       集       料,如       矿料的有效相对密度       G       se       =2.500 ,       若       两者之间的差值       为       0.060       ,       意味着       毛体积相对密度       G       sb       为 2.440 ,       被矿料吸收的沥青质量占矿料总质量的百分率       P       ba       =0.993% 。    

   
这条经验法则对       设计者来说很方便,因为他们在选择集料时,可以很好地估计集料吸收了多少沥青。    

   

   


4  有限制条件的“92法则”

用温度区间 ( UTI ) 来表征 粘弹性 材料的 最 高温度和最低温度范围 ,以 °C 为单位,在该温度范围内, 沥青结合料 在使用时能 够 正常工作。例如,如果 沥青结合料 的 PG 等级为 64-22 ,则其 温度区间( UTI )为 64– ( -22 ) =86°C 。从 经验 上看, 92 法则 规定,如果 温度区间( UTI )小于 92 ,则 沥青结合料 是未改性的;如果 温度区间( UTI )恰好为 92 ,则 沥青结合料 可能被改性;如果 温度区间( UTI )大于 92 ,则 沥青结合料是 改性 的 。


事实上 , 在使用 “ 9 2 法则” 时应看具体的条件, 我们将列举 “ 9 2 法则” 的许多例外情况,最好将其称为有限 制条件的“ 9 2 法则” 。


需要强调 的第一件事是, “ 9 2 法则” 仅 适用于以 6°C 增量 的 PG 分级沥青,而 沥青结合料 的真实等级( TG )则精确到十分之一。例如,如果 沥青结合料 被指定为 PG 64-22 ,则意味着等级的高端和低端都没有达到下一个 6°C 增量,例如 PG 70-22 、 PG 64-28 或 PG 70-28 。然而, 沥青结合料 可以具有 69.9-27.9 的 真实等级( TG ) ,并且仍然被认为是 PG 64-22 。该 PG 64-22 的 温度区间( UTI )小于 92 ,但其 69.9-27.9 的 真实等级( TG ) 明显具有大于 92 的 温度区间( UTI ) 。请记住, “ 9 2 法则” 适用于 PG 分级的沥青 ,而不是 真实等级的沥青 。


还应注意的是 , “ 9 2 法则”仅 适用于未与 RAP 或其他硬质 沥青结合料 (如空气吹制沥青或精制硬沥青)混合的 PG 分级 沥青。 与 R AP 混合的沥青不适用于 “ 9 2 法则” 。例如, 3 0 %  RAP 的未改性沥青与 P G ( 82-16 )的沥青混合 ,这导致 沥青的温度区间( UTI ) 为 98 , 该 法 则对于 RAP 混合物或其他含有硬 质 沥青的混合物来说 并不适用。


“92法则”具有 一定的限制条件 。尽管最初的 92 法则 规定: “ 温度区间( UTI )低于 92 ,沥青是未改性的 ”—— 但这一假设没有坚实的基础。 “ 改性剂 ” 的定义通常指聚合物改性剂,即 SBR 胶乳、 SBS 、 SEBS 、聚烯烃、乙烯共聚物、反应性弹性体 三元共聚物 、 橡胶屑、 PPA 等。这些 聚合物 改性剂 通常掺量较高, 倾向于通过增加高温 PG 来扩大 温度区间( UTI ),而对低温等级的影响 较 小。然而,这些改性剂 掺量较低时,并 不会超过 92 的 温度区间( UTI )。例如,阿拉巴马州交通部( ALDOT )粘合剂规范对 PG 64-22 ( UTI 为 86 )规定如下: “ 对于改性 PG 58-22 或 PG 76-22 的沥青,必须至少掺加 1 .5 % 的聚合物改性剂 ,以形成 PG 64-22 。根据定义,这是一种具有 温度区间( UTI )的改性 沥青结合料。


最后一个例 外是,限制条件近年来似乎有所扩大。该定义现在是否包括其他“改性”沥青的添加剂,如再精炼机油底油( REOBs )、再生剂、温拌剂、 抗剥落 剂和抗老化添加剂等?如果 “ 改性剂 ” 一词包括这些其他类型的添加剂,则 “ 9 2 法则” 也不适用 。


总之,许多人都 听说过这条法则,但我们应该意识到它的局限性。 “ 9 2 法则” 主要适用于传统改性沥青的检测, 这些改性 沥青中 添加 了较高掺量的改性剂 到原始 PG 沥青中。



5 每掺加20%的RAP,外掺沥青用量下降约1%

该规则的基 础是,沥青结合料约占沥青混合料(包括 RAP 混合物)重量的 5% ;因此,如果混合 料 中包含 20%RAP ,则得出 20%RAP  *  5% 沥青用量 = 混合 料 中的 1% 沥青用量 。这就是 “ 每 20%RAP 更换 1% 沥青用量 ” 规则的由来。这可能是一条方便的经验法则,但正如我们 需 要解释的那样,在应用这条规则时 需要 注意一些 限制条件 。      

     
首先,RAP 混合 料 中的实际 沥青用量 P b 通常不精确为 5% 。根据混合料类型(密实、 OGFC 、 SMA )、骨料级配、 公称最大粒径 和其他因素,实际 沥青用量 可能在 4% - 8% 之间。然而, 4.5% - 6% 沥青用量 是 RAP 料 中 更常见的范围,也是大多数 RAP 混合 料 中 沥青含量 近似值。取该范围的 20% ( 4.5% 至 6.0% ),得出的 沥青用量 替代范围为 0.9% 至 1.2% 。正如你所看到的,考虑到 沥青含量 的潜在可变性,假设 1% 仍然是一个不错的经验法则。      

     
“每20%RAP更换 1% 沥青用量 ” 经验法则的一个更具影响力的考虑因素可能是,它假设 RAP 中沥青与新沥青 混合时 100% 有效 , 这一假设在专家 看来 并不完全一致。例如,佐治亚州交通部( GDOT )工程师先前的研究 制定 一项规范, 指出 R AP 中仅有 6 0 %   的沥青是有效的 。根据 该 规范,即修正的最佳沥青含量( COAC ), 1% 规则将变为 0.6% 规则。换句话说,每 掺加 20% 的 RAP , 只能 替换大约 0.6% 的沥青 。其他机构 对 最佳沥青含量( COAC ) 也进行了修改 ,包括 SCDOT , 指出 R AP 中仅有 75 %   的沥青是有效的 —— 在这种情况下, 1% 规则将变成 每 20%RAP 更换 0.75% 沥青用量规则 。      

     

     

     
在许多情况下 , 1% 规则 能够快速确定混合料最佳沥青用量 ,而不太关心材料规格 或变异性 。但是, 需要注意使用这一规则的限制条件 。      

     

经验法则绝不 能用来偷工减料。我们应该始终为高质量的工作而奋斗。但这五条经验法则是方便的工具,可以帮助设计者做出更容易达到目标的决定:混合料设计不仅需要符合规范要求,更需要保障路面的质量和使用寿命。


本文作者:Dr. Amma Agbedor, Ph.D., P.Eng.

Agbedor是加拿大沥青研究所和加拿大研究工程师

来源:道可道网

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