沥青混合料设计的五条经验法则

思阔 2024-06-17 发布于黑龙江

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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VMA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1000-2000g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25%的铣刨料，新集料的加热温度应提高25*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“92法则”时应看具体的条件，我们将列举“92法则”的许多例外情况，最好将其称为有限制条件的“92法则”。

需要强调的第一件事是，“92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，“92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，“92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RAP混合的沥青不适用于“92法则”。例如，30% RAP的未改性沥青与PG（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“92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。“92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RAP中仅有60% 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RAP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。