张登良讲座――沥青混合料配合比设计的理论基础PPT课件
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沥青混合料配合比设计的理论基础 张登良 教授
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1．沿革 ·1920 Hubbard-Field法
2in， h 1in ·修正的Habbard-Field法
6in， h 3in （交通荷载增大，碎石加粗） ·40年代初，Bruce Marshall 提出马歇尔稳定度试验方法以及初期的马歇尔稳定度 标准。 ·随后又陆续出现维姆法、单轴压缩试验法、三轴压缩 试验法、以及GTM法和Superpave法等。
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） ·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。
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4．矿料级配 园球理论： ·单一粒径园球的VMA决定于其排列状态，最 松48%，最密26%，有棱角时使VMA约增大 3%。 ·贝雷法：单一粒径园球的4种组合，其空隙率 的大小分别为园球直径的0.15、0.20、0.24、 0.29倍，平均为0.22，实际采用0.25。
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（1）确定原则 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 ·<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） 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。
a 100(k 1) kn 1
中间粒级的重量，按下式计算
ax
10(0k1) kn 1
kx1
14
·递减系数越小，混合料中粗粒料的含量就会越多。 K法为有限级数，对<0.075mm含量有控制，但过多。 ③富勒最大密度级配曲线方程
p100(d )Baidu Nhomakorabea D
式中：p——各粒级集料的通过率（%）； D——最大粒径(mm）；
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②H.H.伊万诺夫级配曲线
·虽然粒级比为16时，具有最大的密实度，但属间断级配，在施工中 易离析。
·建议采用连续级配，粒径按比值2的顺序递减，同时，相邻粒级的重 量比为0.6～0.9；（）
·级配曲线方程：
a(1kk2 kn 1)1% 00
式中：a——最大粒径的重量； k——递减系数； n——粒级数。 从上式可得
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• （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。）
通常i=0.65～0.75。
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⑤粒子干涉理论（根据G、A、G.Wegmouth） ·为达到最大密度，前一级颗粒之间的空隙应由 次一级颗粒所填充，其余空隙又由再次小颗粒所 填充，但填隙的颗粒粒径不得大于其间隙之距离。 适用于骨架型，也适用于密实型。 ·从临界干涉情况下可导出前一级颗粒间距应为
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（2）级配理论 ①B.B.奥赫钦理论（原苏联1929）
·砂（0.1～2mm）经压实后，空隙率比较稳定，平均为33.4%， 随着砂中<0.1mm含量的增多，空隙率增大； ·混合料的空隙率，随着砂量的增加而减少，当砂量与碎石的 空隙容积相等时，混合料的空隙率最小； ·当矿物混合料的全部颗粒尺寸的变化为同一倍数时，其空隙 率仍不变； ·当填充粗颗粒之间空隙的颗粒尺寸连续减少1/16时,可达到混 合料的最小空隙率，这时下一粒级的重量为上一粒级的43%。 实际上，这种重量比变化在25～50%范围内时，空隙率的变 化很少； ·随着填充粒级和被填充粒级的尺寸逐渐接近，填充粒级的重 量就增大。
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2．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；沥青在沥青混合料中的分布特征和矿 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。 ·沥青混合料结构是这种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。
• ·沥青混合料的结构强度取决于：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。
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（3）矿物骨架结构（图1）
·悬浮密实结构 ·骨架空隙结构 ·骨架密实结构
如AC； 如OGFC； 如SMA；
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图1 沥青混合料典型结构示意图 a)悬浮密实结构 b)骨架空隙结构 c)骨架密实结构
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（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，其深度 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。
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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。
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图2 矿料与沥青的关系
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d——各粒级集料粒径(mm)； n——常数。n=0.3～0.5时有较大密实度。 按富勒 n=0.5 实际 n=0.45密度最大——Super pave 通常使用范围 n=0.3～0.7。 n法为无限级数，无法控制<0.075mm含量。
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④i法 px=100ix-1% 式中：px——当粒径按1/2递减时，矿料在第x 级筛的通过量； x——矿料粒径的级数； i——通过百分率的递减系数，，当n=0.45时， i=0.732
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1．沿革 ·1920 Hubbard-Field法
2in， h 1in ·修正的Habbard-Field法
6in， h 3in （交通荷载增大，碎石加粗） ·40年代初，Bruce Marshall 提出马歇尔稳定度试验方法以及初期的马歇尔稳定度 标准。 ·随后又陆续出现维姆法、单轴压缩试验法、三轴压缩 试验法、以及GTM法和Superpave法等。
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） ·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。
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4．矿料级配 园球理论： ·单一粒径园球的VMA决定于其排列状态，最 松48%，最密26%，有棱角时使VMA约增大 3%。 ·贝雷法：单一粒径园球的4种组合，其空隙率 的大小分别为园球直径的0.15、0.20、0.24、 0.29倍，平均为0.22，实际采用0.25。
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（1）确定原则 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 ·<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） 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。
a 100(k 1) kn 1
中间粒级的重量，按下式计算
ax
10(0k1) kn 1
kx1
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·递减系数越小，混合料中粗粒料的含量就会越多。 K法为有限级数，对<0.075mm含量有控制，但过多。 ③富勒最大密度级配曲线方程
p100(d )Baidu Nhomakorabea D
式中：p——各粒级集料的通过率（%）； D——最大粒径(mm）；
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②H.H.伊万诺夫级配曲线
·虽然粒级比为16时，具有最大的密实度，但属间断级配，在施工中 易离析。
·建议采用连续级配，粒径按比值2的顺序递减，同时，相邻粒级的重 量比为0.6～0.9；（）
·级配曲线方程：
a(1kk2 kn 1)1% 00
式中：a——最大粒径的重量； k——递减系数； n——粒级数。 从上式可得
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• （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。）
通常i=0.65～0.75。
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⑤粒子干涉理论（根据G、A、G.Wegmouth） ·为达到最大密度，前一级颗粒之间的空隙应由 次一级颗粒所填充，其余空隙又由再次小颗粒所 填充，但填隙的颗粒粒径不得大于其间隙之距离。 适用于骨架型，也适用于密实型。 ·从临界干涉情况下可导出前一级颗粒间距应为
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（2）级配理论 ①B.B.奥赫钦理论（原苏联1929）
·砂（0.1～2mm）经压实后，空隙率比较稳定，平均为33.4%， 随着砂中<0.1mm含量的增多，空隙率增大； ·混合料的空隙率，随着砂量的增加而减少，当砂量与碎石的 空隙容积相等时，混合料的空隙率最小； ·当矿物混合料的全部颗粒尺寸的变化为同一倍数时，其空隙 率仍不变； ·当填充粗颗粒之间空隙的颗粒尺寸连续减少1/16时,可达到混 合料的最小空隙率，这时下一粒级的重量为上一粒级的43%。 实际上，这种重量比变化在25～50%范围内时，空隙率的变 化很少； ·随着填充粒级和被填充粒级的尺寸逐渐接近，填充粒级的重 量就增大。
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2．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；沥青在沥青混合料中的分布特征和矿 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。 ·沥青混合料结构是这种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。
• ·沥青混合料的结构强度取决于：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。
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（3）矿物骨架结构（图1）
·悬浮密实结构 ·骨架空隙结构 ·骨架密实结构
如AC； 如OGFC； 如SMA；
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图1 沥青混合料典型结构示意图 a)悬浮密实结构 b)骨架空隙结构 c)骨架密实结构
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（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，其深度 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。
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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。
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图2 矿料与沥青的关系
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d——各粒级集料粒径(mm)； n——常数。n=0.3～0.5时有较大密实度。 按富勒 n=0.5 实际 n=0.45密度最大——Super pave 通常使用范围 n=0.3～0.7。 n法为无限级数，无法控制<0.075mm含量。
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④i法 px=100ix-1% 式中：px——当粒径按1/2递减时，矿料在第x 级筛的通过量； x——矿料粒径的级数； i——通过百分率的递减系数，，当n=0.45时， i=0.732