沥青混合料油石比设计方法

马歇尔设计方法
试验所用的仪器设备主要有马歇尔试仪、恒温 水槽、烘箱、天平、温度基、开尺 马歇尔自动试验 仪包括主机、测力装 置、流值测量装置、 打印装置及相关附件。
马歇尔设计方法
原理和步骤：
1、准备工作 (1) 按标准击实法成型马歇尔试件，其尺寸应符合规范规定，一组试 件的数量最少不得少于4个。 (2) 量测试件的直径及高度。 (3) 按规范规定的方法测定试件的密度、计算有关物理指标。 (4) 将恒温水槽调节至要求的试验温度。
沥青体积法
综合确定总油石比
混合料中总的沥青用量应包括被集料 吸收的沥青、成膜沥青和自由沥青，即沥 青膜厚法确定结构油石比和空隙体积法确 定自由油石比方法中确定的沥青用量之和 。
沥青体积法
关于沥青体积法的讨论
沥青体积法运用了混合料中沥青膜的 厚度估算和空隙率反推沥青用量的方法， 得出的油石比最大。此方法优点在于试验 量较小且易于操作，但是由于细集料比表 面积较大，因此会造成空隙率反推自由沥 青用量时重复计算了一部分细集料表面的 成膜沥青，因此结果偏大，准确性还有待 提高。
最大粘结力法
最大粘结力法的原理
最大粘结力法
依据莫尔强度理论，沥青浑浑燃料的抗 压强度R和抗拉强度r取决于其内摩阻力φ 和粘结力C：
由此可以推出： 即沥青混合料 黏结力C可以通过抗压强度R和抗拉强度r的 乘积来确定，即可用R和r的乘积为指标来 确定最佳油石比。
最大粘结力法
最大粘结力法确定油石比的步骤：
沥 青 体 积 法
沥青膜厚法确定 结构油石比
空隙体积法确定 自由油石比
沥青体积法
沥青膜厚法确定结构油石比
沥 青 混 合 料 中 沥 青 的Βιβλιοθήκη 组 成1.被集料表面吸收的部分
2.形成沥青膜裹覆在集料表面的部分，即“成膜沥青”
结 构 沥 青
3.富余的自由沥青，既不被集料吸收，又不参与成膜
沥青体积法
为了保证沥青路面具有良好的抗车辙、抗低 温开裂、抗水损害和耐久性，必须保证集料表面 粘附足够厚度的沥青膜。沥青混合料中沥青膜厚 对沥青混合料性能影响甚大。通常认为沥青膜太 薄，沥青不足以形成薄膜粘结矿料颗粒，混合料 的水稳定性、疲劳性能等路用性能都显著降低； 沥青膜太厚，则会成为集料产生相对滑移的润滑 剂，因此，应当确定一个合理的沥青膜厚度。沥 青混合料平均沥青膜厚度通常为5—15 μm ，研究 认为，连续级配混合料的最薄沥青膜厚度为6 μm ，间断级配的最薄沥青膜厚度为8tLm。对于空隙 率在4％左右的沥青混合料，一般认为平均膜厚在 6—8 μm之间时混合料性能最好
最大疲劳寿命法
为保证沥青路面在荷载作用下不至于产生重复 弯拉疲劳破坏，在确定混合料最佳油石比时可以参 考疲劳寿命这一关键性指标。研究表明，油石比对 混合料的疲劳性能的影响是显著的。存在一个使混 合料疲劳寿命最大的油石比，这个油石比通常要比 马歇尔稳定度所确定的最佳油石比稍大。因此，如 果疲劳损坏是路面存在的一个主要病害，则稍许增 加油石比就有可能减少疲劳裂缝的产生。
最大疲劳寿命法
关于最大疲劳寿命法的讨论
最大疲劳寿命法针对沥青路面的疲劳破坏进行 油石比设计，混合料疲劳寿命较高，但是油石比 的增多会造成沥青混合料劲度降低，路面抗变形 能力将下降。此方法需要利用专用设备进行疲劳 试验，成本高且耗时。因此，最大疲劳寿命法适 用于沥青路面的抗疲劳层混合料设计。
沥青体积法
结语
在沥青路面设计中，油石比和空隙率 是关注的2大主要指标，而油石比对沥青混 合料的路用性能有重要影响。 综上所述，沥青混合料确定最佳油石 比时应从路用性能出发，因此建议综合考 虑最大粘结力法和最大疲劳寿命法确定油 石比，既能提高沥青混合料的抗疲劳性能 ，又能兼顾到高温抗车辙变形的能力，所 得出的油石比介于两者之间，而比现行马 歇尔设计方法得出的最佳油石比大。
马歇尔设计方法
注意事项：
1、如标准马歇尔试件高度不符合63.5mm±1.3mm的要求或 两侧高度差大于2mm时，此试件应作废。 2、从恒温水槽中取出试件至测出最大荷载值的时间，不得超 过30s。 3、当一组测定值中某个测定值与平均值之差大于标准差的k 倍时，该测定值应予舍弃，并以其余测定值的平均值作为试 验结果。当试件数目n为3、4、5、6个时，k值分别为1.15、 1.46、1.67、1.82。
最大粘结力法
对AC一16和AC一20型级配分别成型马歇尔试件进行 抗压试验和劈裂试验。图中显示了两种级配在不同油石比 下的劈裂强度、抗压强度试验和两者的乘积结果。
结果表明，由最大粘结力法确定的油石比基本上比马 歇尔方法确定的油石比高0．5％左右。
最大粘结力法
关于最大粘结力法的讨论
(1) 和传统的马歇尔方法比较，最大粘结力法试验方法概念明确 ，设计指标与路用性能密切相关，试 验方法也比较简单。 (2) 不同油石比下沥青混合料的粘结力曲线呈现非常明显的驼峰 ，显示在一定试验条件下确实存在一个最佳油石比，使得混 合料的粘结力达到最大，因此最大粘结力法是可行的 。 (3) 最大粘结力法保证了拥青混合料在最佳沥青用量时混合料的 粘结力达到最大，保证了混合料有很好的抗永久变形能力， 而且试验表明，混合料具有很好的抗疲劳性能。因此，采用 该方法设计的沥青混料，能够满足沥青稳定基层的性能要求 ，是一种简单 而有效的方法。 (4) 最大粘结力法是一种新的设计方法，还需要结合大量的工程 实践不断地进行验与完善。
确定结构沥青用量：
根据集料比表面积算出成膜沥青用量，再加上被集 料表面吸收的沥青用量，作为用沥青膜厚法确定的结 构沥青用量。
沥青吸收率公式为： 成膜沥青的计算公式：
沥青体积法
由以上各式求出的两组级配的数据见表4。
由表4可知，利用沥青体积法，AC一16和AC一20 的最小沥青用量分别为4．1％和3．6％，折算成油石比分 别为4．3％和3．7％。此油石比可以看作是沥青混合料成 型时所需添加的最小油石比。
(1)采用大马歇尔击实仪或旋转压实仪(SGC)成型试件， 测定不同油石比下的沥青混合料试件毛体积密度，计 算混合料的空隙率和矿料间隙率； (2)将试件进行抗压强度和劈裂强度试验，得到不同油石 比下的R、r值； (3)绘制R×r与油石比关系曲线图，确定最佳油石比范围 ； (4)综合考虑空隙率、矿料间隙率，确定最佳油石比。
马歇尔设计方法
优点：设备简单、价格低廉，测定方便、 易于操作，因此被广泛应用。
缺点：马歇尔法针对性不强，不能模拟 路面实际碾压状态，并且稳定度和流值 指标不足以评价路面高温抗车辙和抗剪 能力。所得的油石比较小，用马歇尔方 法确定油石比的沥青路面往往会产生早 期破坏。因此建议在马歇尔方法确定的 油石比基础上对混合料性能进行进一 步检验。
(一) 标准马歇尔试验方法
2、将试件置于已达规定温度的恒温水槽中保温。 3、将马歇尔试验仪的上下压头放入水槽或烘箱中达到同样温度。 4、当采用自动马歇尔试验仪时，连接好接线。 5、启动加载设备，使试件承受荷载，加载速度为50±5mm/min。 6、记录或打印试件的稳定度和流值。 (二) 浸水马歇尔试验方法：与标准马歇尔试验方法的不同之处在 于，试件在已达规定温度恒温水槽中的保温时间为48h，其余均与标准 马歇尔试验方法相同。
马 歇 尔 试 验 的 优 缺 点
最大粘结力法
最大粘结力法的提出与发展
最大粘结力法是2005年高建立等人提出的， 用于沥稳定基层的设计。在实际工程应用中，对 于沥青稳定基层与沥青面层的性能要求有一定的 差别，沥青稳定基层要有很好的抵抗永久变形和 弯拉疲劳的能力，对于抗磨耗、防滑、抗低温开 裂等不必重点考虑。最大粘结力法这一方法的出 发点是寻求最佳的沥青用量以使得混合料的粘结 力达到最高，从而使得沥青稳定基层具有最好的 抗变形和抗疲劳的能力。
最大疲劳寿命法
对2组级配的沥青混合料在UTM万能试验机上进行应 变控制下的疲劳试验，小梁尺381 mm X 63．5 mm×50 mm，三分点加载模式，试验温度15℃，控制应变800με 。不同油石比下的混合料疲劳寿命见图4。 试验结果可知，对应于最大 疲劳寿命的AC—16和AC一20型 混合料的最佳油石比分别为 6．6％和6．I％，均比传统马 歇尔试验确定的最佳油石比增 加1．5个百分点左右。
沥青体积法
研究表明，影响级配矿料比表面积的首要因素是通过 0.075 mm筛孔的矿粉含量，其次是通过0.15、0.3、0.6 、1.18、2.36和4.75 mm筛孔的集料 含量。所有粒径大于 4．75 mm筛孔的各级集料对比表面积没有大的影响。美 国沥青学会给出的经验 比表面积系数见表3。
沥青体积法
沥青混合料油石比的设计方法
油 石 比 常 用 的 设 计 方 法
马歇尔设计方法 最大粘结力法 最大疲劳寿命法 沥青体积法
马歇尔设计方法
马歇尔方法的发展和应用
马歇尔设计方法由Bruce Marshall提出并由美 国陆军工程兵部队加以改进并增加某些性能，作 为ASTM D1559和AASHTO T245正式方法固定下 来。 马歇尔试验是确定沥青混合料油石比的试验。 其试验过程是对标准击实的试件在规定的温度和 湿度等条件下受压，测定沥青混合料的稳定度和 流值等指标，经一系列计算后，分别绘制出油石 比与稳定度、流值、密度、空隙率、饱和度的关 系曲线，最后确定出沥青混合料的最佳油石比。
《沥青及沥青混合料》第23组
沥青混合料油石比设计方法
沥青混合料油石比的设计方法
• 本 次 讲 课 的 主 要 内 容
1. 沥青混合料的油石比设计方法有哪些
2. 这些方法的发展史和主要应用
3. 分别介绍每种方法的原理和步骤
4. 存在的问题和注意事项
沥青混合料油石比的设计方法
油石比的概念：
油石比是指沥青混合料中沥青与矿料质 量比的百分数，简而言之 就是沥青的含量 。它是沥青用量的指标之一。它的用量高 低直接影响路面质量，油石比大则路面容 易出现高温车辙，泛油等病害；油石比过 小，易出现疲劳破坏和水损害等问题，且 影响压实。
沥青体积法
空隙体积法确定自由油石比
混合料内部除了结构沥青外，填充在颗粒之间空隙的 自由沥青对混合料的性能也有极大的影响。但是目前还没 有通行的测试自由沥青量的方法。集料表面沥青膜的厚度 通常在 0.00005m左右，和肉眼可见的空隙相比几乎可以 忽略不计，因此膜厚不影响骨架的形成。给出以下假定： ①集料不加沥青击实，与集料添加结构沥青击实，两者形成 相同的骨架结构； ②细集料(<2．36 mm)填充在粗集料空隙之间。 基于以上假设，只要测出击实后集料之间的空隙体积 就可以根据设计目标空隙率计算出空隙中填充的自由沥青 的体积。