对沥青混合料最佳沥青用量预测方法的分析

仝 城 王道洪 朱德武

(1.山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061； 2.潍坊市路桥工程建设二处，山东 潍坊 261031)



对沥青混合料最佳沥青用量预测方法的分析

仝 城1王道洪2朱德武2

(1.山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061； 2.潍坊市路桥工程建设二处，山东 潍坊 261031)

罗列了几种沥青混合料最佳沥青用量的典型预估方法，并对各方法进行了分析与比较，指出几种预测方法均基于体积分析建立，原理不尽相同，方法存在差异，若联合使用并相互校核，效果应更好。

沥青混合料，最佳沥青用量，预测方法，配合比

0 引言

沥青混合料配合比设计是一项十分重要的工程技术问题，设计质量将直接决定着沥青路面的使用性能[1]。长期以来，我国一直采用马歇尔试验设计法[2,3]；美国Superpave设计法具有重要国际影响[4,5]，我国现行的马歇尔设计方法吸取了其部分先进设计理念。级配设计和最佳沥青用量OAC的确定是沥青混合料配合比设计的两大核心任务[6]，一般情况下OAC的确定是在级配设计完成后通过大量试验进行的，在级配确定之后通过繁琐的试验确定OAC之前，对OAC进行预测是工程实践或科学研究所需。预测的OAC可作为级配选择制件时的初始沥青用量，为级配设计提供重要基础。本文对已有诸多预测OAC的方法加以总结分析，为选择应用提供参考。

1 OAC预测的典型方法

1.1 基于Superpave体系的试算法(方法1)

级配拟定后，文献[7]给出以下步骤确定初始沥青含量：

1)计算合成级配矿料的有效相对密度：

γse=γsb+C(γsa-γsb)。

其中，γse为集料的有效相对密度；γsa为集料的表观相对密度；C为系数，Superpave法规定，一般用0.8，如集料面干吸水率大时可用0.6甚至0.5[4]。

2)计算单位体积的沥青混合料中集料开口孔隙部分吸入的沥青体积Vba：

其中,Ws为混合料中集料的质量，可由下式计算：

其中，Pb为预先假定的沥青含量，%；Ps为混合料中集料百分率，%；γb为沥青密度，g/cm3；Vv为空隙率。

3)计算单位体积的沥青混合料中有效沥青体积Vbe：

Vbe=0.181-0.067 5lg(D)

(1)

其中，D为集料合成级配的公称最大筛孔尺寸，mm。

文献[8]建议式(1)的常数项采用0.176和0.186的平均值，即0.181。

4)计算初始沥青含量Pbi：

(2)

式(2)计算值Pbi即为制件的初始沥青含量。基于上述计算Pbi的过程，文献[2]中提出了一种确定最佳沥青含量的方法，即如果式(2)计算的Pbi与初始拟定的Pb值不相等，则以计算的Pbi代替Pb，然后重复式(2)～式(4)进行复算，直到计算值与代入值相等为止，此时的沥青含量即为最佳沥青含量。

1.2 Superpave的预测方法(方法2)

Superpave体系认定空隙率为4%时的沥青含量为最佳沥青含量。基于拟定的矿料级配(一般为3条级配曲线)，Superpave建立了确定初始沥青含量的方法。根据确定的初始沥青含量制备沥青混合料试件，实测试件的毛体积相对密度等，计算得到空隙率和矿料间隙率，如果空隙率不等于4%，则需通过给定的沥青含量换算公式和矿料间隙率计算公式，分别进行换算得到空隙率为4%时的沥青含量和矿料间隙率，并据此时的矿料间隙率进行级配选择。其中沥青含量换算公式如式(3)所示。

Pbm=Pbi-0.4×(4-VV)

(3)

其中，Pbm为预测的空隙率为4%时的最佳沥青含量；Pbi为确定的初始沥青含量；VV为初始沥青含量时的空隙率；0.4为系数。

文献[1]详细论述了式(3)中系数0.4的由来，并论述了式(3)的合理性，即式(3)可用来进行最佳沥青含量的预测。

1.3 基于物理模型预测最佳沥青含量的方法(方法3)

文献[9]基于空隙率和矿料间隙率的计算公式，通过数学推导，建立了计算油石比的物理模型，如式(4)所示。

(4)

其中，VMA为试件的矿料间隙率。

当级配拟定后，γsb容易计算确定；而γse可分为两种情况，如果是改性沥青，宜根据文献[10]确定，如果是基质沥青可按Superpave方法确定。

对于确定的级配，可根据式(4)进行最佳油石比预测，预测时空隙率VV和矿料间隙率VMA是输入的关键参数，可根据沥青混合料的类型由相应的技术标准确定。

2 各方法的比较分析

方法1是在Superpave体系确定初始沥青含量的原理与方法基础上，提出了通过试算使方程两边相等的试算结果作为最佳沥青含量的思想，并通过诸多工程实例表明了其有效性。一般情况下，按照Superpave体系，其中的空隙率取值4%(但后文的工程案例中按给定的空隙率标准取值为4.5%)。其特点是利用了诸多经验性成果，计算工作量大。

方法2的核心在于式(3)，该式表明换算的最佳沥青含量是针对空隙率为4%而言的；当空隙率设计值不为4%时，按照文献[1]的分析，只要空隙率在适当的范围内，式(3)仍可使用。该法基于初始沥青含量试件的空隙率试验结果对最佳沥青含量进行预测，原理性强，具有试验基础，而采取计算和试验相结合的方法可使确定的最佳沥青含量更为准确[11]；但该法试验工作量大，耗时较长。

方法3基于物理模型建立的预测方法，由于是根据空隙率、矿料间隙率计算公式推导而来，且基于空隙率、矿料间隙率与沥青饱和度等体积指标的技术标准，因而具有较强的原理性，计算也简便。

3 工程案例分析

某高速公路工程沥青混凝土AC-16配合比设计。设计的矿质混合料配合比为：碎石(10 mm～20 mm)∶碎石(5 mm～10 mm)∶碎石(3 mm～5 mm)∶机制砂(0～3 mm)∶矿粉= 41∶13∶7∶35∶4。合成级配矿料的毛体积相对密度、表观相对密度和有效相对密度分别为2.688，2.730和2.722；所用沥青为SBS改性沥青，相对密度为1.030。设计文件给定的空隙率标准范围为4%～6%，配合比设计时拟定目标空隙率为4.5%。现采用上述方法分别进行最佳沥青含量预测。

方法1：拟定计算输入的初始沥青含量Pb=4.5%，则Ps=95.5%；已知目标空隙率选为VV=4.5%；按照Superpave法的式(2)计算初始沥青含量Pbi：Ws=2.312 g/cm3，Vba=0.010 7 cm3/cm3，Vbe=0.100 cm3/cm3，Pbi=4.7%。以Pbi=4.7%复算仍为4.7%。即按该法预测的最佳沥青含量为4.7%。

方法2：该法与其他方法不同的是，需要利用初始沥青含量制件的试验结果。首先确定制件用的初始沥青含量。拟定计算输入的初始Pb=5%，则Ps=95%。已知目标空隙率选为VV=4.5%；按照式(3)得Pbi：Ws=2.282 g/cm3，Vba=0.010 6 cm3/cm3，Vbe=0.095 cm3/cm3，Pbi=4.5%。以4.5%的沥青含量制备4个试件，计算得空隙率为4.59%；按空隙率4.5%考虑，用4.5替换式(3)中的4，计算得Pbm=4.54%。

方法3：依据Superpave规定，公称最大粒径D=16 mm的矿料间隙率VMA最小值为13.5%，计算输入值选为14.0%,VV=4.5%。代入式(4)计算得油石比，再换算成沥青含量，算得Pb=4.5%。

该工程采用马歇尔试验方法进行沥青混合料配合比设计，不同沥青含量的击实试验结果如表1所示。

表1 不同沥青含量的马歇尔试验结果

按照文献[10]，根据表1试验结果，最终确定的最佳沥青含量为4.5%，对应的VV=4.6%。各预测方法的结果与试验结果对比见表2。

表2 各方法预测结果与试验结果偏差 %

由表2可知，各方法预测的结果不尽相同，除方法1的结果与试验结果有较大的偏差外，其余2个方法的偏差均较小，方法3预测值与试验结果还恰好相等。这基本表明，方法2，方法3具有较好的预测效果。

4 结语

本文针对最佳沥青用量预测的一些典型方法进行了总结与分析。各预测方法均基于体积分析建立，但原理不尽相同，公式的形式也各具特色。工程案例显示了各方法的预测偏差，也表明了这些方法的预测效果较为理想，因此，各方法均可使用。实际工程中，这些方法可单独使用，也可联合使用；若互相校核，综合分析，取各预测方法的平均值，可得出更为合理的预测结果。

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Analysis of estimation methods of optimum asphalt content of hot mix asphalt

Tong Cheng1Wang Daohong2Zhu Dewu2

(1.SchoolofCivilEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China; 2.No.2DepartmentofWeifangRoadBridgeEngineeringCompany,Weifang261031,China)

The paper lists up the typical prediction methods for the optimum asphalt content for the asphalt mixture, undertakes the analysis and comparison of these methods, and points out the prediction methods are based on the establishment of the volumetric analysis with different principles and methods and if they can be used together and checked mutually, the effect can be better.

asphalt mixture, optimal asphalt volume, prediction method, proportional ratio

1009-6825(2017)06-0129-02

2016-12-11

仝 城(1991- )，男，在读硕士

TU525

A