Superpave技术在开阳高速公路中下面层的沥青配合比设计及应用.doc

Superpave技术在开阳高速公路中下面层的沥青配合比设计及应用

12
2020年4月19日
资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。
superpave技术在开阳高速公路中、 下面层的沥青配合比
设计及应用
苟慧萍 赖灿荣
( 广东冠粤路桥有限公司 广东 广州 510000)

【摘 要】superpave( 高性能沥青路面) 是一种新型路面结构, 沥青混合料均匀, 具有良好的高温稳定性和抗水害性。在广东开阳高速公路部分标段沥青路面施工中采用superpave, 取得了良好效果, 本文介绍了广东开阳高速公路superpave配合比设计、 施工工艺及质量控制等, 供其它公路建设工程参考。
【关键词】superpave 高速公路 应用
一、 概述
1、 superpave技术的简要介绍
superpave技术是美国公路战略研究计划( SHRP) 的重要研究成果。1993年完成后, 美国联邦公路局, 美国各州公路协会与运输研究委员会对superpave技术进行大量推广应用工作, 到 底82%的热拌沥青混合料采用superpave混合料设计和施工。
中国江苏省交通科学研究院1995年开始引进这项技术, 在国外专家的指导下对这项技术进行研究和传播推广工作。到 中国已修筑数百公里的superpave路面。路面质量明显优于传统的马歇尔设计路面。该项技术也将成为21世纪HMA沥青混合料设计标准和常规。
2、 superpave主要特点
superpave体系的三个主要组成部分是沥青胶结料规范, 混合料设计和分析体系及计算机的软件系统。至今, 沥青胶结料规范和混合料设计体系工作进行很顺利。混合料分析方法, 性能模型和计算机软件系统仍在改进中。其特点在于开发了一套全新的试验设备和方法, 并建立了沥青胶结料和混合料规范新体系, 从根本上改变了现行试验方法和规范纯经验性。Superpave沥青胶结料和混合料规范及试验方法和指标是同沥青路面的路用性能直接联系起来。经过控制高温车辙、 低温开裂及疲劳开裂等, 来达到全面改进路面性能目的配合比的。
二、 superpave设计过程
1、 材料选择
A、 沥青胶结料的选择
Superpave沥青路面技术的精华是建立一套全新的沥青胶结料的试验方法和性能标准。这些性能标准较好地与路用性能有机结合起来。应用传统方法按粘度和针入度分级做的沥青规范, 可能把具有不同温度和性能特点的沥青划分为同一等级。而superpave沥青胶结料采用PG等级评定沥青, 选择沥青时可直接根据当地的气候条件和交通量的大小来全面选择具有可靠度的沥青, 并绘制沥青粘温曲线, 选择最佳的混合料拌和及压实温度。表1为开阳高速公路中、 下面层使用的两种沥青的试验结果。从试验结果来看, 两种沥青都能满足规范中设计要求。而且, 经江苏省交通科学院研究院经过试验对这两种进行PG等级分析, 评定等级分别为PG64-22和PG64-16, 根据广东的气象资料和开阳高速的交通量分析, 所用沥青等级应为PG64-16。因此上述两种沥青完全满足设计要求。根据泰普克沥青粘温曲线, 确定混合料的拌和温度为160℃~165℃, 击实温度为140℃~145℃。

表1 沥青试验结果
检验项目
部颁规范要求
泰普克AH-70
台湾中华AH-70
针入度( 25℃, 100g, 5s) ( 0.1mm)
60~80
69
62
延度(5cm/min,15℃), 不小于( cm)
100
>100
>100
软化点( 环球法) ( ℃)
44~45
46
50.5
溶解度( 三氯乙稀) 不小于( %)
99.0
99.53
99.43
闪点( COC) 不小于( ℃)
230
255
341
含蜡量( 蒸馏法) 不大于( %)
3.0
2.3
1.6
密度( 15℃) ( g/cm3)
实测
1.045
1.041
薄膜加热试验163℃, 5h
质量损失, 不大于
0.8
0.09
0.08
针入度比, 不小于
55
60.9
64.5
延度( 5cm/min,25℃) , 不小于( cm)
50
>100
>100
延度(5cm/min,15℃), 不小于( cm)
--
--
>100

B、 集料的选择
Superpave集料的统一性( 即全国强制性标准, 也就是集料共性) 包括粗集料的棱角性, 细集料的棱角性、 扁平与细长颗粒以及粘土含量。另一类是集料的地区性标准, 即料源特性是: 坚固性、 安定性、 有害物质含量。Superpave集料的统一特性在中国规范中已有明确规定, 只要适当的选择原材料, 严格控制材料的生产过程, 集料比较容易满足superpave规范要求。如果在实际生产中除尘不好, 细集料棱角性和砂当量不一定能满足superpave规范要求。表2、 表3为开阳高速公路B03标中、 下面层使用的禄平石场生产的碎石, 该种石料在加工过程中, 我部对其质量进行严格控制, 生产的碎石干净, 软石、 粘土含量少, 级配稳定, 针片状含量低, 完全能够满足Superpave的规范要求。
表2 集料试验结果表
试验项目
2~3石
1~2石
0.5~1石
石屑
技术要求
视密度g/cm3
2.789
2.803
2.8
2.769
≥2.5
毛体积密度g/cm3
2.766
2.775
2.753
2.689
≥2.5
吸水率( %)
0.31
0.37
0.61
1.7
≤2
针片状含量( ％)
11.6
11.4
/
/
≤15
粗集料﹤0.075mm颗粒含量( ％)
0.4
0.3
0.4
/
≤1
细集料﹤0.075mm颗粒含量( ％)
/
/
/
8.7
≤15
砂当量(%)
/
/
/
68
≥60
软石含量( ％)
3.6
≤5
冲击值( ％)
9.4
≤28
压碎值( ％)
10.0
≤28
洛杉矶磨值( ％)
13.2
≤30
碎石坚固性( ％)
2
≤12
与沥青粘附性( 级)
4
≥4

表3 集料共性试验及部分料源特性结果汇总表
试验项目
试验值
Superpave规范要求
粗集料棱角性( %)
100
≥100%
细集料棱角( %)
46
>40%
扁平颗粒( %)
11.5
<10%*
粘土含量( 砂当量) ( %)
68.0
>50%
坚固性( %)
13.2
<35~45%
安定性( %)
2.0
<12~20%
注: *美国集料标准中粗集料扁平颗粒定义是粗集料最小厚度方向和最大长度方向的尺寸之比为5: 1, 而中国
现行规范定义是粗集料最小厚度方向和最大长度方向的尺寸之比为3: 1。
2、 设计集料结构的选择
①、 确定试验的级配
superpave集料的级配控制, 主要采用控制点和限制区来初选级配。控制点范围内的级配使各种粒径的集料比例合适, 避免施工中的离析现象。限制区防止了级配中细集料靠近最大理论密度线。级配接近理论密度线往往会使矿料间隙率( VMA) 偏小, 沥青用量偏少, 这种级配对沥青用量很敏感。当沥青用量微小变化后, 混合料的抗塑性很差, 很容易产生可塑性。我们发现经过禁区的级配混合料在施工过程容易产生推移现象, 不易压实, 且在路面使用过程中抵抗变形能力较差。B03标中、 下面层目标配合比设计级配曲线见图1。表4为开阳高速公路B03标在中、 下面层配合比设计时采用估算的最佳沥青用量来分析选用级配的体积性质。

表4混合料体积性质表
混合料特性
下面层
设计结果
中面层
设计结果
Superpave要求
VA(%)
4
4
4.0
VMA(%)
13.1
13.4
≥12
VFA(%)
70.9
72.0
65~75
DP(%)
1.30
1.35
0.6~1.2*
%Gmm@N=8
87.2
87.0
≦89
%Gmm@N=160
97.9
96.0
≦98
注: *表示当级配经过禁区下方, 粉胶比可增加到0.8~1.6。
②、 评价试验级配并选择最适合的设计级配
superpave沥青混合料设计首先根据交通量的大小选择混合料的压实次数, 再对已初选的三种级配依据旋转压实结果和空隙率为4%时所需的沥青用量及相应沥青混合料其它性质例如粒料间隙( VMA) 、 饱和度( VFA) 、 粉胶比等各种评价指标与标准相比较, 来确定符合要求的最佳级配曲线。这种方法级配选择范围比较宽。三种级配完全是经过试验来选择( 图1、 图2和表4) , 选择了图中的中值曲线。
3、 设计级配的沥青用量选择
superpave规定沥青混合料在设计旋转压实次数时空隙率为4%时对应的沥青用量为最佳沥青用量。但空隙率4%时旋转压实的混合料同时必须满足VMA、 VFA粉胶比等评价要求指标。且目标配合比设计的空隙率为4%时 在路面压实度大于97%时, 能够保证路面的实际空隙率小于7%。因此确定设计空隙率为4%是合理的。
最佳沥青用量的确定方法为用估算的沥青用量±0.5%、 ±1%取四种不同用油量, 在压实次数达到设计要求条件下的各种体积性质来确定空隙率4%时的最佳沥青用量。表5、 表6为开阳高速公路B03标在中、 下面层最佳级配选定的条件下, 最佳沥青用量的选择结果。

表5 四种沥青用量混合料体积性质
沥青
用量
在设计压实次数时
DP
%Gmm@N=8
%Gmm@N=100
VA(%)
VNA(%)
VFA(%)
下
面
层
3.6
5.4
13.7
60.5
1.49
85.9
94.6
4.1
3.9
13.1
70.3
1.29
87.1
96.1
4.6
3.1
13.4
76.8
1.14
85.7
95.4
5.1
2.9
14.7
80.3
1.02
85.4
94.9
中
面
层
3.9
5.0
13.7
63.4
1.50
86.6
95.0
4.4
3.4
13.4
74.6
1.31
87.0
96.6
4.9
2.2
13.5
83.6
1.16
88.1
97.8
5.4
1.4
13.8
89.8
1.04
88.8
98.6
根据沥青用量和空隙率的关系曲线, 经过图表插值法得到空隙率为4%的情况下, 中下面层设计沥青用量分别为4.3%、 4.2%, 并得到该沥青用量下的体积指标如表6所示。
表6设计沥青用量沥青混合料体积性质
沥青用量
( %)
VA
(%)
VNA
(%)
VFA
(%)
DP
%Gmm@N=8
%Gmm@N=100
4.2(下面层)
4.0
13.2
70.9
1.30
87.2
96.0
4.3(中面层)
4.0
13.4
72.0
1.35
87.0
96.0
4、 最大压实次数验证
表7为设计沥青用量确定后, 采用最大压实次数成型试件, 进一步的验证沥青混合料体积性质能否满足superpave设计标准的要求。从结果来看完全满足设计要求。
表7 最大压实次数下沥青混凝土合料体积性质
沥青用量
( %)
在设计压实次数时
%Gmm@N=8
%Gmm@N=160
VA
(%)
VNA
(%)
VFA
(%)
DP
4.2(下面层)
3.8
13.8
72.4
1.28
87.2
97.9
4.3(中面层)
3.4
13.1
74.0
1.34
87.6
97.7
5、 高温稳定性和水稳定性检验
表8、 表9为对已设计好的沥青混合料配合比, 按照规范进行车辙试验和浸水马歇尔试验, 试验结果必须满足规范要求。

表8车辙试验结果汇总表
混合料类型
沥青用量(%)
动稳定度( 次/mm)
1
2
3
平均
要求
Sup25
4.2
1800
1632
1969
1800
≥800
Sup20
4.3
1500
1286
1050
1279
≥1200

表9浸水马歇尔稳定度试验结果
混合料类型
沥青用量(%)
添加剂
用量
马歇尔
稳定度(KN)
浸水马歇尔稳定度(KN)
残留稳定度( %)
要求( %)
Sup25
4.2
加2%水泥
11.16
10.22
91.6
≥75
Sup20
4.3
加2%水泥
12.59
12.47
99.0
≥75
6、 马歇尔试验结果验证
表10为了对施工过程进行有效控制, 同时提供适合中国规范的标准( 除饱和度指标外) 。
表10 Sup25和Sup20马歇尔试验技术指标
试验项目
下面层
试验结果
中面层
试验结果
部颁规范
要求
击实次数( 次)
75
75
75
稳定度(KN)
10.1
12.6
﹥7.5
流值(0.1mm)
24.9
33.5
20~40
空隙率(%)
5.6
5.1
3~6
沥青饱和度(%)
64.7
66.5
70~85
残留稳定度(%)
101.7
99.0
﹥75
三、 superpave沥青混合料试验及路面施工控制
①superpave沥青路面的生产配合比尽可能接近目标配合比的设计, 才能确保目标配合比的设计指标准确性。在实际应用中控制关键筛孔0.075mm、 2.36mm、 4.75mm的经过量。在抽提试验中以生产配合比级配为准。同时控制油石比的误差范围。在施工现场试验用旋转压实和马歇尔击实两种方法来控制, 确保路面的工程质量。
Superpave沥青混合料拌和过程中, 由于粗集料多, 细集料少, 温度降低较快, 因此它的拌合温度比常规AC-I混合料温度要提高10℃-15℃, 而且superpave混合料必须控制高温碾压才不会产生推移现象, 因此要确保施工机械吨位和台数必须满足施工要求。由于superpave粗骨料较多, 在复压过程中必须采用大吨位胶轮压路机跟踪错揉碾压才能满足压实度的要求。Superpave级配的混合料, 当温度在93℃-115℃时含有一个敏感区, 即混合料在该温度以上或以下能够压实, 但这个温度区间无法压实。这就要求施工单位初压、 复压必须大于115℃才可压实。因此, 压路机必须紧跟摊铺碾压才可得到保证, 而且摊铺温度必须大于150℃以上才能确保碾压温度。
②Superpave是一项新技术: 在广东省高速公路上也是首次采用, 从路面的均匀性和混合料体积性能方面, 明显优于传统AC路面,受到上级领导和国内专家的肯定。
参考文献:
1、 《高性能沥青路面superpave技术实用手册》南京江苏省交通科学研究院, .5。
2、 JTJ052- 《公路沥青与沥青混合料试验规程》