【任务描述】
本任务是在学习马歇尔试验法确定沥青混合料最佳沥青用量步骤的基础上，确定热拌沥青混合料的最佳沥青用量(油石比)。
【学习目标】
①熟悉马歇尔试验法确定沥青用量(油石比)的步骤。
②能根据教师给定数据绘制各项物理力学指标随沥青用量变化的关系图，并根据关系图确定沥青最佳用量；能规范、完整地填写试验检测记录表。
《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)规定的方法是采用马歇尔试验法确定最佳沥青用量。
1.马歇尔试件制备
（1）试件制作温度的选择
沥青混合料试件的制作温度应与施工实际温度一致，普通沥青混合料可参照表10.10执行，改性沥青混合料的成型温度在此基础上提高10～20℃。
表10.10 热拌沥青混合料试件的制作温度 单位：℃
（2）预估沥青混合料适宜的油石比或沥青用量
按式(10.10)或按式(10.11)预估沥青混合料适宜的油石比或沥青用量。
式中 Pa——预估的最佳油石比(与矿料总量的百分比)，%；
Pb——预估的最佳沥青用量(占混合料总量的百分数)，%；
Pa1——已建类似工程沥青混合料的标准油石比，%；
γsb——集料的合成毛体积相对密度；
γsb1——已建类似工程集料的合成毛体积相对密度。
注：作为预估最佳油石比的集料密度，原工程和新工程均可采用有效相对密度。
（3）成型马歇尔试件
以预估的油石比为中值，按一定间隔(对密级配沥青混合料通常为0.5%，对沥青碎石混合料可适当缩小间隔为0.3%～0.4%)，取5个或5个以上不同的油石比分别成型马歇尔试件。每组试件的试样数按现行试验规程的要求确定，对粒径较大的沥青混合料宜增加试件数量。
2.测定（计算）物理、力学指标
（1）测定并计算物理指标
①测定压实沥青混合料试件的毛体积相对密度γf和吸水率，取平均值。通常采用表干法测定毛体积相对密度；对于吸水率大于2%的试件，宜改用蜡封法。
②确定沥青混合料的理论最大相对密度。对非改性沥青混合料用真空法实测各组沥青混合料的理论最大相对密度，对于改性沥青混合料用计算法计算理论最大相对密度。
③计算空隙率(VV)、矿料间隙率(VMA)及沥青饱和度(VFA)等参数。
（2）测定力学指标
测定物理指标后的试件，在60℃下测定其马歇尔稳定度和流值，并计算马歇尔模数。
3.确定最佳沥青用量
（1）绘制沥青用量与物理-力学指标关系图
以油石比或沥青用量为横坐标，以马歇尔试验的各项指标为纵坐标，将试验结果绘制成油石比或沥青用量与各项指标的关系曲线，如图10.6所示。确定均符合规范规定的沥青混合料技术标准(表10.3)的沥青用量范围OACmin～OACmax(选择的沥青用量范围必须涵盖设计空隙率的全部范围，并尽可能涵盖沥青饱和度的要求范围，并使密度及稳定度曲线出现峰值)。如果没有涵盖设计空隙率的全部范围，试验必须扩大沥青用量范围重新进行。
（2）根据曲线走势，确定沥青混合料的最佳沥青用量OAC1
①在曲线图10.6上求取相应于密度最大值、稳定度最大值、目标空隙率(或中值)、沥青饱和度范围的中值的沥青用量a1，a2，a3，a4，按式(10.12)取平均值作为OAC1。
②如果在所选择的沥青用量范围未能涵盖沥青饱和度的要求范围，按式(10.13)求取三者的平均值作为OAC1。
③对所选择试验的沥青用量范围，密度或稳定度没有出现峰值(最大值经常在曲线的两端)时，可直接以目标空隙率所对应的a3沥青用量作为OAC1，但OAC1必须介于OACmin～OACmax的范围内，否则应重新进行配合比设计。
（3）确定沥青混合料的最佳沥青用量OAC2
以各项指标均符合技术标准(不含VMA)的沥青用量范围OACmin～OACmax的中值作为OAC2，按式(10.14)计算。
（4）确定沥青混合料的最佳沥青用量OAC
通常情况下取OAC1及OAC2的中值作为计算的最佳沥青用量OAC，按式(10.15)计算。
（5）检验VMA值
按式(10.15)计算的最佳油石比OAC，从图10.6中得出所对应的空隙率和VMA值，检验是否能满足规范(表10.3)关于最小VMA值的要求(OAC宜位于VMA凹形曲线最小值的贫油一侧)。当空隙率不是整数时，最小VMA按内插法确定，并将其画入图10.6中。
（6）检查马歇尔试验各项指标
检查图10.6中相应于此OAC的各项指标是否均符合马歇尔试验技术标准。
图10.6 沥青用量与马歇尔试验结果关系图
注：①图中a1＝4.2%，a2＝4.25%，a3＝4.8%，a4＝4.7%，OAC1＝4.49%(由4个平均值确定)，OACmin＝4.3%，OACmax＝5.3%，OAC2＝4.8%，OAC＝4.64%。
②绘制曲线时含VMA指标，且应为下凹形曲线，但确定OACmin～OACmax时不包括VMA。
（7）调整确定最佳沥青用量OAC
根据实践经验和公路等级、气候条件、交通情况，调整确定最佳沥青用量OAC。
①调查当地各项条件相近的工程的沥青用量及使用效果，论证适宜的最佳沥青用量。
②对炎热地区公路以及高速公路、一级公路的重载交通路段，山区公路的长大坡度路段，预计有可能产生较大车辙时，宜在空隙率符合要求的范围内将计算的最佳沥青用量减小0.1%～0.5%作为设计沥青用量。
③对寒区公路、旅游公路、交通量很少的公路，最佳沥青用量可以在OAC的基础上增加0.1%～0.3%，以适当减小空隙率，但不得降低压实度要求。
4.配合比设计检验
对用于高速公路和一级公路的密级配沥青混合料，需在配合比设计的基础上按要求进行各种使用性能的检验。不符合要求的沥青混合料，必须更换材料和重新进行配合比设计。
（1）高温稳定性检验
对公称粒径小于或等于19 mm的混合料，必须按最佳沥青用量OAC制作车辙试件进行车辙试验，动稳定度应符合表6.6的要求。
（2）水稳定性检验
按最佳沥青用量OAC制作试件，进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，残留稳定度及残留强度比均应符合表6.7的要求。
（3）低温抗裂性能检验
对公称最大粒径小于或等于19 mm的混合料，可以按规定方法进行低温弯曲试验，破坏应变宜不小于表6.8的要求。
（4）渗水系数检验
利用轮碾机成型的车辙试件，脱模架起进行渗水试验，并符合表10.11的要求。
表10.11 沥青混合料试件渗水系数技术要求
5.配合比设计报告
①配合比设计报告应包括工程设计级配范围选择说明、材料品种选择与原材料质量试验结果、矿料级配、最佳沥青用量及各项体积指标、配合比设计检验结果等。试验报告的矿料级配曲线应按规定的方法绘制。
②应根据实践经验和公路等级、气候条件、交通情况，调整沥青用量作为最佳沥青用量，宜报告不同沥青用量条件下的各项试验结果，并提出对施工压实工艺的技术要求。
【案例10.3】试设计某二级公路沥青混凝土两层式路面下面层用AC-20型沥青混凝土的目标配合比组成。
【设计资料】①气候条件：最热月平均最高气温为27℃，年极端最低气温为-22℃，年降水量为470 mm。
②使用材料：70＃-A级道路石油沥青、10～20 mm碎石、5～10 mm碎石、石屑、水洗天然砂、矿粉。
③工程设计文件要求矿料级配范围见表10.12。
表10.12 矿质混合料要求级配范围
【解】（1）原材料的检验结果
①10～20 mm碎石检验结果见表10.13。
表10.13 10～20mm碎石检验结果
②5～10 mm碎石检验结果见表10.14。
表10.14 5～10 mm碎石检验结果
③0～5 mm石屑检验结果见表10.15。
表10.15 0～5 mm石屑检验结果
④水洗天然砂检验结果见表10.16。
表10.16 水洗天然砂检验结果
⑤矿粉检验结果见表10.17。
表10.17 矿粉检验结果
⑥70＃-A级道路石油沥青检验结果见表10.18。
表10.18 70＃-A级道路石油沥青检验结果
⑦组成矿料的筛分试验结果见表10.19。
表10.19 组成矿料的筛分试验结果
（2）矿质混合料组成设计(www.xing528.com)
①矿质混合料配合比计算。用图解法计算组成材料配合比，如图10.7所示。由图解法确定各种材料用量为：10～20mm碎石∶5～10mm碎石∶0～5 mm石屑∶砂∶矿粉＝35∶23∶21∶12∶9。各种材料组成配合比计算见表10.20，将表中合成级配曲线及级配范围绘于图10.8中。从图10.8中可以看出，计算结果的合成级配曲线0.15～4.75 mm筛孔的通过量偏向于上限，0.075 mm通过量超出级配上限，说明砂、矿粉用量偏多。
图10.7 矿质混合料配合比计算图
表10.20 矿质混合料组成配合计算表
续表
图10.8 矿质混合料级配范围和初次计算合成级配曲线图
②调整配合比。经过调整（表10.18中单元格下方数字），各种材料用量为：10～20 mm碎石∶5～10 mm碎石∶0～5 mm石屑∶砂∶矿粉＝37∶27∶18∶13∶5。将调整后合成级配绘于图10.9中，可以看出，调整后的合成级配为一光滑平顺、接近级配中值，且0.6 mm以下筛孔偏于级配下限的曲线。
（3）最佳沥青用量确定
①试件成型。当地气候条件属于2-2-3夏热冬寒半干区。
以预估油石比4.5%为中值，采用0.5%变化，拟定5个油石比3.5%，4.0%，4.5%，5.0%，5.5%，制备5组试件。采用标准马歇尔试件，正反各击50次，矿料加热温度为170～180℃，沥青加热温度为155～163℃，拌和温度选择160～165℃，击实温度选择140～145℃。
图10.9 矿质混合料级配范围和调整后合成级配曲线图
②马歇尔试验：
a.物理指标测定。分别测定每组试件的毛体积密度、毛体积相对密度及理论最大相对密度，并计算其空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等物理指标。
b.力学指标测定。在60℃条件下测定各组试件的马歇尔稳定度和流值。将马歇尔试验结果列于表10.21中。
表10.21 马歇尔物理-力学指标测定结果汇总表
③马歇尔试验结果分析：
a.绘制油石比与物理-力学指标关系图。根据表10.21马歇尔试验结果汇总表，绘制油石比与毛体积密度、空隙率、饱和度、矿料间隙率、稳定度、流值的关系图，如图10.10所示。
b.确定沥青用量初始值OAC1。从图10.10得，相应于密度最大值的油石比a1＝4.93%，相应于稳定度最大值的油石比a2＝4.38%，相应于空隙率范围中值的油石比a3＝4.21%，相应于沥青饱和度范围中值的油石比a4＝4.37%。
OAC1＝（a1＋a2＋a3＋a4）/4＝（4.93%＋4.38%＋4.21%＋4.37%）/4＝4.47%
c.确定沥青用量初始值OAC2。由图10.10得，各指标符合沥青混合料技术指标的沥青用量共同范围：OACmin＝4.16%，OACmax＝4.61%，则：
OAC2＝（OACmin＋OACmax）/2＝（4.16%＋4.61%）＝4.38%
图10.10 沥青用量与马歇尔物理-力学指标关系图
d.通常情况下取OAC1及OAC2的中值作为计算的最佳沥青用量OAC，则：
OAC＝（OAC1＋OAC2）/2＝（4.47%＋4.38%）＝4.4%
e.从图10.10中找出最佳油石比4.4%所对应的空隙率为3.9%，对应的矿料间隙率为13.1%，满足表6.3关于最小矿料间隙率12.9%的要求。
f.AC-20型沥青混合料在最佳油石比4.4%时，马歇尔试件各项技术指标结果见表10.22。
表10.22 最佳沥青用量时马歇尔试件结果
（4）结论
根据配合比设计，确定目标配合比矿料比例为10～20 mm碎石∶5～10 mm碎石∶0～5 mm石屑∶砂∶矿粉＝37∶27∶18∶13∶5，最佳油石比为4.4%。
【案例10.4】试设计某高速公路三层式路面下面层用ATB-25型沥青稳定碎石的目标配合比组成。
【设计资料】①气候条件：使用地区沥青混合料气候分区为2-2-2夏热冬寒湿润区。
②使用材料：70＃-A级道路石油沥青、20～30 mm碎石、10～20 mm碎石、5～10 mm碎石、3～5 mm碎石、0～3 mm机制砂、矿粉。
③工程设计文件要求矿料级配范围见表10.23。
表10.23 矿质混合料要求级配范围
【解】（1）原材料的检验结果
①20～30 mm碎石检验结果见表10.24。
表10.24 20～30mm碎石检验结果
②10～20 mm碎石检验结果见表10.25。
表10.25 10～20mm碎石检验结果
③5～10 mm碎石检验结果见表10.26。
表10.26 5～10 mm碎石检验结果
④3～5 mm碎石检验结果见表10.27。
表10.27 3～5 mm碎石检验结果
⑤0～3 mm机制砂检验结果见表10.28。
表10.28 0～3 mm机制砂检验结果
⑥矿粉检验结果见表10.29。
表10.29 矿粉检验结果
⑦70＃-A级道路石油沥青检验结果见表10.30。
表10.30 70＃-A级道路石油沥青检验结果
⑧组成矿料的筛分试验结果见表10.31。
表10.31 组成矿料的筛分试验结果
（2）矿质混合料的组成设计
①矿质混合料组成设计借助Excel表格用试配法进行。确定矿质混合料比例为20～30 mm碎石∶10～20 mm碎石∶5～10 mm碎石∶3～5 mm碎石∶机制砂∶矿粉＝31∶18∶23∶9∶14∶5。
②矿质混合料级配计算见表10.32，合成级配如图10.11所示。
表10.32 矿质混合料级配计算表
图10.11 矿质混合料合成级配图
（3）最佳沥青用量确定
①试件成型。以预估油石比3.5%为中值，采用0.5%变化，拟定5个油石比2.5%，3.0%，3.5%，4.0%，4.5%，制备5组试件，采用标准马歇尔试件，正反各击75次。矿料加热温度为175～180℃，沥青加热温度为155～163℃，拌和温度选择160～165℃，击实温度选择150～155℃。
②马歇尔试验：
a.物理指标测定。分别测定每组试件的毛体积密度、毛体积相对密度及理论最大相对密度，并计算其空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等物理指标。
b.力学指标测定。在60℃条件下测定各组试件的马歇尔稳定度和流值。
将马歇尔试验结果列于表10.33中。
表10.33 马歇尔物理-力学指标测定结果汇总表
③马歇尔试验结果分析：
a.绘制油石比与物理-力学指标关系图。根据表10.33马歇尔试验结果汇总表，绘制油石比与毛体积密度、空隙率、饱和度、矿料间隙率、稳定度、流值的关系图，如图10.12所示。
b.确定沥青用量初始值OAC1。从图10.12中可以看出，由于密度没有峰值，目标空隙率VV＝4.5%的油石比a3＝3.55%，最佳沥青用量初始值OAC1＝a3＝3.55%。
c.确定沥青用量初始值OAC2。由图10.12得，各指标符合沥青混合料技术要求的沥青用量共同范围：OACmin＝3.0%，OACmax＝3.8%，则：
OAC2＝（OACmin＋OACmax）/2＝（3.0%＋3.8%）＝3.40%
d.通常情况下取OAC1及OAC2的中值作为计算的最佳沥青用量OAC，则：
OAC＝（OAC1＋OAC2）/2＝（3.55%＋3.40%）＝3.48%≈3.5%
e.从图10.12中找出最佳油石比3.5%所对应的空隙率为4.6%，对应的矿料间隙率为12.8%，满足表6.4关于最小矿料间隙率12.6%的要求。
f.ATB-25型沥青稳定碎石混合料在最佳油石比3.5%时，马歇尔试件各项技术指标结果见表10.34。
图10.12 沥青用量与马歇尔物理-力学指标关系图
表10.34 最佳沥青用量时马歇尔试件结果
（4）配合比路用性能检验
ATB-25型沥青稳定碎石混合料用于高速公路路面，在配合比基础上对其路用性能进行检验。配合比路用性能检验结果见表10.35。
表10.35 ATB-25沥青混合料配合比路用性能检验结果
（5）结论及建议
根据配合比设计及路用性能试验结果，确定目标配合比矿料比例为20～30 mm碎石∶10～20 mm碎石∶5～10 mm碎石∶3～5 mm碎石∶机制砂∶矿粉＝31∶18∶23∶9∶14∶5，最佳油石比为3.5%。
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