Superpave沥青混合料参考配合比设计方法的实践应用.doc

Superpave沥青混合料配合比设计方法实践应用张国辉1，关长禄2，陈波1，郭宏斌11.吉林省公路关键工程建设管理办公室长春市130021；2.吉林省公路质检站摘要：利用美国Superpave热拌沥青混合料配合比设计理念，采取旋转压实仪(SGC)方法，经过对改性沥青结合料、SMA-16沥青混合料试验检测及各项指标分析，综合评定长余高速公路SMA-16结构改性沥青混合料级配可行性，并深入指导路面施工。关键词：Superpave；剪切旋转压实仪(SGC)；SMA-16；级配现在中国热拌沥青混合料配合比设计大多采取马歇尔试验方法，其特点是它注意到沥青混合料密实度和空隙特征，进行这么分析以确保满足HMA混合料耐久性要求所适合空隙百分比；不过，伴随多种功效性路面结构出现，如多碎石沥青混合料、开级配抗滑磨耗层(OGFC)、SMA结构等采取是间断级配或开级配形式沥青混合料。而美国沥青协会出版沥青混合料设计中要求马歇尔法仅适适用于连续级配密实沥青混合料。同时因为马歇尔试验采取击实方法不可避免地会造成集料破碎，影响试件最终试验结果，如空隙率和用油量等。更为关键是马歇尔试验方法无法模拟路面碾压实际情况，不能正确评价沥青混合料抗剪强度，正是在充足考虑上述多种原因情况下，剪切旋转压实仪(ShearGyratoryCompactor简写SGC)应运而生。剪切旋转压实仪(SGC)是柔性路面在荷载作用下机械模拟。它能够近似地模拟荷载在公路上行驶时轮胎和路面相互作用，经过旋转压实，使试件中沥青混合料密实度达成汽车轮胎实际作用于路面时所产生密实度，既模拟荷载在路面上产生垂直压应力。在试件压实过程中，剪切旋转压实仪能够经过采集试件混合料压实数据(空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、压实度及有效沥青含量等)，建立和旋转压实次数对应关系，依据在一定条件下Superpave交通水准及路面设计交通荷载情况，确定级配合理性及沥青混合料最好用油量。1单质材料要求1.1集料要求集料应采取坚硬、洁净、干燥、无风化、无杂质安山岩并要求使用反击和锤式破碎机经三级破碎加工而成，并尤其强调集料破碎面含量(三个破碎面含量最少为90%)和一定粗糙度。矿粉采取石灰石研磨而成。关键检测结果见表1。1.2改性沥青因为长余高速公路所处地理位置属于东北严寒地域及依据SMA结构特点，长余高速公路采取热塑橡胶SBS型改性沥青并满足美国SHRP规范PG64-34等级要求。改性沥青检测指标及结果见表2。2SMA沥青混合料试验检测2.1级配选择经过将部分材料级配数学组合为单一级配混合料方法来确定设计集料结构，然后将混合料级配同长余高速公路规范进行比较。级配设计依据4个控制筛孔和限制区要求，根据Superpave要求合成级配尽可能避开限制区，表3为试验用4种合成试验级配和长余高速公路SMA-16级配规范要求，合成级配见图1。3SMA-16面层级配Superpave旋转压实评价3.1旋转压实参数确实定依据美国沥青协会(AASHTOPP28-00)试验规程，SMA沥青混合料旋转压实参数和单轴荷载(ESALs)能力对应关系见表4。长余高速公路设计交通期望值在10106和30106单轴载之间，所以旋转压实参数采取N初试=8、N设计=100、N最大=160。沥青混合料短期老化条件为135烘箱中烘2h，然后在135条件下进行沥青混合料试件旋转压实。3.2粗集料间隙率VCADRCVCADRC是依据4.75mm以上粗集料毛体积相对密度rca及用捣实法测定4.75mm以上粗集料松方毛体积相对密度rs计算得到。4种试验级配VCADRC计算结果见表5。3.3试件制备用Superpave旋转压实仪，对每种试验级配混合料最少压实2个试件。为确定混合料最大理论密度还需准备2个试样，对压实试件通常4700g集料质量即可，对确定最大理论密度测定通常g即可。为最大程度模拟沥青混合料拌和情况，对选定PG64-34结合料，在对应拌和温度165175拌和试样，再将该混合料放进135烘箱放置2h对试样进行短期老化。然后将短期老化试样置于另一烘箱，使其温度达成压实温度135145，然后取出试样冷却至室温方便测定混合料最大理论密度。3.4数据处理分析采取Superpave旋转压实仪，按确定旋转压实次数，初始油石比采取6.2%，得到相关沥青混合料各项性能指标数据，4种试验级配SMA-16旋转压实试验结果汇总见表6。粗集料吸水率能够满足交通部规范要求，鉴于集料吸水率和吸附沥青没有直接关系，所以本试验采取集料有效比重替换合成集料毛体积比重方法，即：Gse = Gsb + 0.8(Gsa-Gsb) (1)式中：Gse为合成集料有效密度，g/cm3；Gsb为合成集料毛体积密度，g/cm3；Gsa为合成集料表观密度，g/cm3。比较表5和表6，能够发觉2号(粗级配上限)VCAmix小于VCADRC，而且VMA小于17.0%最低要求，同时从表4亦可发觉2号试验级配4.75mm经过率达30%，这说明2号级配偏细，无法形成粗集料嵌挤，也没有足够空间供玛蹄脂填充。在一样压实次数(100次)时压实度高达99.2%，这说明2号级配不是SMA结构，需要进行调整。1号(粗级配下限)尽管能够实现SMA嵌挤结构，但空隙率(5.43%)高于4%要求，100次压实压实度(94.4%)也小于95%最低要求，4.75mm经过率为22%，级配偏粗，能够经过调整级配或增加用油量进行微调。3号(粗级配中值)和4号(细级配中值)能够完全满足要求。用3号和4号试验级配经过改变油石比(0.3%)，测定空隙率，确定最好油石比。试验结果见表7。从表7能够发觉，假如试验采取5.9%油石比，尽管其它各项指标满足SMA结构要求，但3号和4号空隙率分别为4.16和4.17，高于SMA-16空隙率3%4%要求，假如按4%空隙率控制，则此时油石比应提升到6.03。试验采取油石比为6.5%能够满足SMA结构各项指标要求，而此时按4%空隙率控制，油石比能够降低到6.24%。从节省沥青用量角度出发，长余高速公路最终确定采取最好油石比OAC为6.0%6.2%，目标空隙率为3%4%。4沥青混合料高温稳定性试验按公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTJ052)进行油石比为6.2%SMA-16粗级配中值(3号)沥青混合料车辙试验，试验检测结果见表8，其动稳定度满足改性沥青混凝土配合比设计检测指标中车辙动稳定度大于3000次/mm要求。5水损害试验结果按AASHTOT283规程进行了油石比为6.2%SMA-16粗级配中值(3号)沥青混合料冻融劈裂试验，检测结果见表9。其冻融劈裂残留强度比TSR平均值为92.7%，满足改性沥青混凝土配合比设计检验指标中冻融劈裂强度比大于80%要求。6粉胶比因为回收矿粉中不可避免会含有少许泥土和其它不洁杂质，相当一部分含量并不是真正意义上矿粉(研细石灰石)，回收矿粉存在将严重影响到沥青混合料动稳定度和马歇尔稳定度，所以长余高速公路不许可使用回收矿粉。长余高速公路统计表明回收矿粉占矿粉总量10%。同时考虑矿料要吸收一部分沥青，所以在计算粉胶比时采取有效沥青含量。采取3号(粗级配中值)试验级配，计算结果见表10。其中Gb、Pba、Pb、Pbe分别代表沥青密度(g/cm3)、矿料吸附沥青含量(%)、沥青含量和有效沥青含量(%)。国外有些资料统计显示SMA结构粉胶比在2%左右，这是因为国外集料比较洁净，许可使用回收矿粉缘故。7结论(1)本试验在考虑骨料吸收部分沥青后，利用Superpave旋转压实仪验证4个试验级配后，2号试验级配4.75mm经过率达成30%以上时因为细集料含量较大，已不能有效形成SMA-16粗骨架结构，所以比较长余高速公路级配上限能够发觉4.75mm经过率达成30%，所以有必需调整级配4.75mm经过率到22%28%，不过因为4.75mm经过率范围较窄，在实际工程中较难控制，同时也会造成材料成本上升，所以放宽到22%30%还是切实可行。(2)经过4个试验级配试验表明在工程实践中尽可能采取靠近长余高速公路级配规范中值，即尽可能靠近3号和4号试验级配，较理想SMA结构级配应该是粗集料偏低些，矿粉含量偏高些，这是因为考虑到部分矿粉同粉尘一同被废弃缘故，不然会造成沥青玛蹄脂填充效果不显著，空隙率偏高。比较3号和4号试验级配，在实际施工过程中应尽可能采取3号级配作为目标配合比。(3)改性沥青混合料油石比范围在6.0%6.5%之间，但考虑长余高速公路所处地理气候环境和从节省沥青角度出发，长余高速公路实际采取油石比为6.0%6.2%，空隙率控制在3%4%，压实度按沥青混合料最大理论密度95%控制，经过对长余高速公路8个拌和站沥青混合料拌和及路面碾压统计表明按上述要求控制在实际工程施工中是可行。(4)考虑到粗集料吸水率较大，在进行沥青混合VMA和粉胶比计算时，本试验既不采取中国合成毛体积密度也不采取美国表观密度计算法，而是采取集料有效合成密度计算法。(5)沥青混合料粉胶比为1.85%，能够形成有效沥青玛蹄脂胶砂，析漏试验和飞散试验满足交通部规范要求。(6)沥青混合料高温稳定性和水损害试验均表明能够满足交通部规范要求。参考文件：（1） 沈金安.改性沥青和SMA路面M.北京：人民交通出版社，1999.（2） 贾渝.石油沥青M.（3） 余叔藩译.Superpave沥青混合料配合比设计M(美国).（4） SHCF4001，公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南S.（5） JTJ052，公路工程沥青及沥青混合料试验规程S.