Superpave設(shè)計(jì)方法與SMA混合料

Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)方法

中國杭州2013.05.10

主講人：張瑜浙江省交通工程建設(shè)集團(tuán)有限公司測試中心高級(jí)工程師公路工程一級(jí)注冊建造師市政工程一級(jí)建造師公路、橋梁工程試驗(yàn)檢測工程師聯(lián)系電話Q號(hào)碼：651285157郵箱：651285157@歡迎聯(lián)系！Superpave混合料？還是采用Superpave設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的混合料？Superpave混合料就是高性能瀝青路面、超級(jí)路面嗎？“Superpave

級(jí)配范圍”、“Superpave

級(jí)配中值”的說法是否合理？Superpave

級(jí)配禁區(qū)不可穿越？Superpave設(shè)計(jì)方法有需要完善之處嗎？

Superpave？1瀝青混合料設(shè)計(jì)方法1.1概述瀝青混合料設(shè)計(jì)是一個(gè)模擬過程；模擬拌和、施工和使用過程；設(shè)計(jì)內(nèi)容：材料、級(jí)配、瀝青含量；設(shè)計(jì)目標(biāo)：高低溫性能；水穩(wěn)定性；疲勞；抗滑；和易性；設(shè)計(jì)流程：材料選擇；級(jí)配優(yōu)化；最佳瀝青用量；性能驗(yàn)證；設(shè)計(jì)方法：成型不同瀝青含量試件；測試特征參數(shù)；最佳瀝青含量；1.2傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法1.2.1馬歇爾方法（MarshallMethod）（1）歷史與發(fā)展1939年，美國密西西比公路局布魯斯·馬歇爾（BruceMarshall）開發(fā)；1943年，美國陸軍工兵水道試驗(yàn)室（WES）進(jìn)行改進(jìn)，用于機(jī)場道面設(shè)計(jì)；50年代，WES不斷完善馬歇爾方法，以適應(yīng)不同交通量、氣候條件等要求；1958年，馬歇爾方法被列入ASTMD1559；當(dāng)前，美國、日本、中國等很多國家采用。（2）原理與方法體積參數(shù)設(shè)計(jì)方法；基于不同瀝青含量的混合料試件體積參數(shù)，確定最佳瀝青用量；體積參數(shù)－經(jīng)驗(yàn)值確定；成型方法不能模擬現(xiàn)場混合料碾壓，與交通量關(guān)系不顯著；1.2.2維姆方法（HveemMethod

）（1）歷史與發(fā)展1920年初期，美國加州采用鄉(xiāng)村道路采用“oilmix”混合料（性能介于常規(guī)熱拌瀝青混合料和貫入式瀝青混合料），但是沒有方法確定配比；1920～1930年，加州運(yùn)輸部道路材料和設(shè)計(jì)工程師FrancisHveem開發(fā)了維姆混合料設(shè)計(jì)方法；Hveem開發(fā)了維姆穩(wěn)定度儀，可測量在瀝青混合料抵抗垂直荷載下瀝青混合料抗側(cè)向流動(dòng)的能力；維姆混合料設(shè)計(jì)方法現(xiàn)仍在美國加州和西部地區(qū)應(yīng)用。（2）原理與方法瀝青混合料強(qiáng)度來源于石料嵌擁和瀝青粘附，增加瀝青膜厚度有利于耐久性，但將影響高溫穩(wěn)定性；存在最佳瀝青膜厚度，保障耐久性與高溫穩(wěn)定性；通過離心煤油當(dāng)量（CKE）預(yù)估集料對(duì)瀝青吸收能力，結(jié)合集料比表面積預(yù)估瀝青用量；采用揉搓試驗(yàn)機(jī)成型試件（直徑4in，高2.5in）；采用維姆穩(wěn)定度儀測試維姆穩(wěn)定度；（3）最佳瀝青含量確定4.0%4.5%5.0%5.5%6.0%4.5%5.0%5.5%4.5%5.0%5.0%最佳瀝青含量最佳瀝青用來參考維姆穩(wěn)定度、孔隙率和密度確定；一般采用滿足維姆穩(wěn)定度要求的最高瀝青用量；通常采用“金字塔”方法；（4）優(yōu)缺點(diǎn)成型方法－模擬現(xiàn)場；維姆穩(wěn)定度試驗(yàn)－模擬抗剪能力；設(shè)備復(fù)雜；維姆穩(wěn)定度范圍有限；（30～37）1.2.3GTM方法（旋轉(zhuǎn)壓實(shí)剪切試驗(yàn)方法）（1）歷史與發(fā)展20世紀(jì)60年代，美國工程兵團(tuán)為解決重型轟炸機(jī)反復(fù)起降造成跑道損壞而開發(fā)了旋轉(zhuǎn)壓實(shí)剪切試驗(yàn)機(jī)GTM（GyratoryTestingMachine）。1978年列入美國ASTM規(guī)范。80年代初期首先應(yīng)用于美國軍用機(jī)場；90年代被應(yīng)用于重交通瀝青路面材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；1995年天津市政院由美國引進(jìn)了國內(nèi)第一臺(tái)GTM設(shè)備；（2）原理與方法采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法（類似Superpave方法）成型試件；可根據(jù)車輛荷載選擇旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過程中接觸壓強(qiáng)和旋轉(zhuǎn)角度；不固定壓實(shí)功，而是以極限平衡狀態(tài)（相鄰兩次壓實(shí)密度小于0.016）作為結(jié)束條件，避免車輛荷載再度壓密；（3）最佳瀝青含量確定主要設(shè)計(jì)參數(shù)：旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定系數(shù)、抗剪安全系數(shù)、最大密度；旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定系數(shù)GSI

：指混合料最終應(yīng)變和穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)應(yīng)變的比值，表征瀝青混合料在壓實(shí)到平衡狀態(tài)時(shí)是否能保持穩(wěn)定性；抗剪安全系數(shù)GSF

：混合料被壓實(shí)到平衡狀態(tài)時(shí)的抗剪強(qiáng)度與汽車荷載產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力的比值,瀝青混合料在行車荷載作用過程中的抗剪切破壞能力參數(shù)；最大密度：混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)到最終狀態(tài)即平衡狀態(tài)時(shí)的密度,與實(shí)際路面在行車荷載作用下的最終密度相當(dāng)。根據(jù)不同用油量對(duì)應(yīng)的GSI、GSF、毛體積相對(duì)密度畫出圖形,確定出初步用油量范圍(GSI≤1.05、GSF≥1.3)及相應(yīng)毛體積相對(duì)密度。1.2.4馬歇爾方法與GTM方法設(shè)計(jì)結(jié)果比較技術(shù)指標(biāo)馬歇爾方法GTM方法油石比（％）5.04.7相對(duì)密度2.3922.457孔隙率（％）4.62.5礦料間隙率（％）16.814.2瀝青飽和度（％）72.982.5壓實(shí)功（J）50003050AC-13瀝青混合料設(shè)計(jì)結(jié)果2Superpave設(shè)計(jì)方法Superpave是SHRP的瀝青研究部分的最終系列成果的代稱，是以下幾個(gè)單詞的首字母縮寫：SuperiorPerformingAsphaltPavements2.1關(guān)于Superpave瀝青性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)－PGasphaltbinderspecification基于體積特性的瀝青混合料設(shè)計(jì)分析體系混合料測試方法和性能預(yù)估模型主要包括：2.1Superpave設(shè)計(jì)方法簡單介紹一、設(shè)計(jì)步驟選擇瀝青選擇集料試樣準(zhǔn)備(包括確定材料配比和壓實(shí)成型)基本性質(zhì)測試選擇最佳級(jí)配確定最佳瀝青用量性能評(píng)價(jià)1材料選擇2優(yōu)化級(jí)配3確定瀝青4性能檢驗(yàn)（1）瀝青選擇根據(jù)氣候條件、交通量、車速選擇瀝青等級(jí)；提出基于性能的瀝青分級(jí)(PG分級(jí))。性能分級(jí)（PG）車轍施工疲勞開裂低溫開裂（RV）（DSR）（DSR）（BBR）（DT）RTFO

–老化PAV老化

PG46 PG52PG58 PG64 PG70 PG76 PG82(RotationalViscosity)RV90 90 100 100 100(110) 100(110) 110(110)(FlashPoint)FP46 52 58 64 7076 8246 52 58 64 7076 82(ROLLINGTHINFILMOVEN)RTFOMassLoss<1.00%(DirectTension)DT(BendingBeamRheometer)BBRPhysicalHardening28-34-40-46-10-16-22-28-34-40-46-16-22-28-34-40-10-16-22-28-34-40-10-16-22-28-34-40-10-16-22-28-34-10-16-22-28-34Avg7-dayMax,oC1-dayMin,oC

(PRESSUREAGINGVESSEL)PAVORIGINAL>1.00kPa

<5000kPa

>2.20kPa

20Hours,2.07MPa107425221916131072522191613312825221916343128

252219373431282540373431(DynamicShearRheometer)DSRG*sind

(BendingBeamRheometer)BBR“S”Stiffness&“m”-value-24-30-360-6

-12-18-24-30-36-6-12-18-24-300-6-12-18-24-300-6-12-18-24-300-6-12-18-240-6-12-18-24-24-30-360-6-12-18-24-30-36-6-12-18-24-300-6-12-18-24-300-6-12-18-24-300-6-12-18-240-6-12-18-24(DynamicShearRheometer)DSRG*/sind

(DynamicShearRheometer)DSRG*/sind

>230oCCECRWM<

3

Pa.s

@

135oCDetermineCriticalCrackingTemperatureasdescribedinPP42CreepStiffness,TP1:ReportValueDirectTension,TP3:DetermineCriticalCrackingTemperatureasdescribedinPP42AASHTOMP1aSpecifications

PG46 PG52PG58 PG64 PG70 PG76 PG82(RotationalViscosity)RV90 90 100 100 100(110) 100(110) 110(110)(FlashPoint)FP46 52 58 64 7076 8246 52 58 64 7076 82(ROLLINGTHINFILMOVEN)RTFOMassLoss<1.00%(DirectTension)DT(BendingBeamRheometer)BBRPhysicalHardening28-34-40-46-10-16-22-28-34-40-46-16-22-28-34-40-10-16-22-28-34-40-10-16-22-28-34-40-10-16-22-28-34-10-16-22-28-34Avg7-dayMax,oC1-dayMin,oC

(PRESSUREAGINGVESSEL)PAVORIGINAL<5000kPa

>2.20kPa

S<300MPa

m>0.300ReportValueF.Strain>1.00%20Hours,2.07MPa107425221916131072522191613312825221916343128

252219373431282540373431(DynamicShearRheometer)DSRG*sind

(BendingBeamRheometer)BBR“S”Stiffness&“m”-value-24-30-360-6

-12-18-24-30-36-6-12-18-24-300-6-12-18-24-300-6-12-18-24-300-6-12-18-240-6-12-18-24-24-30-360-6-12-18-24-30-36-6-12-18-24-300-6-12-18-24-300-6-12-18-24-300-6-12-18-240-6-12-18-24(DynamicShearRheometer)DSRG*/sind

(DynamicShearRheometer)DSRG*/sind

>230oCCECRWMTestTemperatureChangesSpecRequirementRemainsConstant>1.00kPa

<

3

Pa.s

@

135oC5258瀝青等級(jí)確定確定7天最高路面溫度平均值的n年數(shù)據(jù)的中值和標(biāo)準(zhǔn)差；從路表以下20cm處測得(n>20)；確定1天路表極端最低氣溫的n年數(shù)據(jù)的中值和標(biāo)準(zhǔn)差(n>20)；計(jì)算路面設(shè)計(jì)高溫和設(shè)計(jì)低溫確定滿足高低溫要求的最低PG分級(jí)；根據(jù)交通條件（交通量，車速）調(diào)整設(shè)計(jì)高溫；根據(jù)有無添加再生材料調(diào)整設(shè)計(jì)高溫。SHRP溫度模型T(pav)＝(T(air)－0.00618Lat2＋0.2289Lat＋42.4)0.9545-17.78

其中：T(pav)為路面下20mm處的溫度值，單位℃

Lat為工程所在地的地理緯度T(d)=T(air)+0.051d-0.000063d2

其中：T(d)是路面下d(mm)深處的溫度，單位℃據(jù)交通條件調(diào)整溫度高限20年累積ESALs1/百萬調(diào)整幅度車速更慢2慢速3標(biāo)準(zhǔn)4<0.3考慮1－－0.3~<321－3~<1021－10~<3021考慮1>=30211基質(zhì)瀝青可能采用改性瀝青改性瀝青改性瀝青選擇（2）集料選擇礦質(zhì)特性洛杉磯磨耗損失堅(jiān)固性密度(包括粗細(xì)集料)生產(chǎn)加工品質(zhì)粗集料棱角性(CAA)細(xì)集料棱角性(FAA)扁平顆粒含量砂當(dāng)量洛杉磯磨耗試驗(yàn)堅(jiān)固性試驗(yàn)（3）級(jí)配設(shè)計(jì)粗集料太多，難以壓實(shí)，離析粗集料太少，高溫、抗滑性能級(jí)配禁區(qū)級(jí)配控制點(diǎn)細(xì)集料太多，高溫性能不足避免產(chǎn)生駝峰，細(xì)集料級(jí)配不良，影響高溫穩(wěn)定性級(jí)配選擇具體步驟準(zhǔn)備集料的配比選擇瀝青并測試其密度準(zhǔn)備集料，并清洗，測定粗集料的毛體積密度和表觀密度，測定細(xì)集料的表觀密度，測定礦粉的毛體積密度按照幾種比選級(jí)配混合集料憑經(jīng)驗(yàn)預(yù)估初始瀝青用量，或者按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算按照每個(gè)級(jí)配至少2個(gè)試件的量拌合混合料將混合料置于保溫箱約2小時(shí)，保溫箱溫度控制為試件成型溫度使用SGC按照Ndesign成型試件并測試試件毛體積密度確定試件的最大理論密度計(jì)算試件的體積特性參數(shù)預(yù)估每種級(jí)配在通過調(diào)整瀝青用量達(dá)到設(shè)計(jì)空隙率4％后的其他體積特性參數(shù)的取值比較每種級(jí)配在4％空隙率條件下的體積參數(shù)取值確定滿足Superpave標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)級(jí)配幾個(gè)壓實(shí)次數(shù)概念Ninitial

：用來反映施工時(shí)混合料的壓實(shí)特性.Ndesign：使試件達(dá)到實(shí)際路面在指定交通量后的空隙率所需要的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)。通常目標(biāo)空隙率是4％.Nmax：試件在達(dá)到現(xiàn)場路面的限制最大密度時(shí)所需要的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)，反映混合料抗車轍性能.

20年累積ESALs(百萬)壓實(shí)次數(shù)NinitialNdesignNmax<0.3650750.3~<37751153~<308100160≥309125205據(jù)設(shè)計(jì)交通量選擇壓實(shí)次數(shù)它們都相同嗎?旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)備Troxler4140動(dòng)態(tài)角度校驗(yàn)(DAV)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)備校檢壓實(shí)次數(shù)（次）8084889296100Gmm（％）Ninitial=9<89％=96％Ndesign=125Nmax=205<98％（4）最佳瀝青用量選擇4個(gè)用量：預(yù)估最佳，＋0.5％，＋1.0％，－0.5％拌合混合料，并置于壓實(shí)溫度下的鼓風(fēng)式保溫箱2小時(shí)使用SGC對(duì)每種瀝青用量在Ndesign次加載條件下成型試件確定每個(gè)試件的毛體積密度用以下步驟確定Ndesign次加載條件下4％空隙率對(duì)應(yīng)的瀝青用量：計(jì)算Ndesign次加載條件下的空隙率、VMA、VFA計(jì)算粉膠比P0.075/Pbe計(jì)算三種壓實(shí)次數(shù)下的壓實(shí)度畫出Ndesign條件下的空隙率、VMA、VFA以及壓實(shí)度與瀝青用量的關(guān)系圖確定滿足規(guī)范要求的瀝青用量驗(yàn)證Ninitial條件下的壓實(shí)度是否滿足規(guī)范在Nmax條件下成型至少2個(gè)試件，驗(yàn)證壓實(shí)度是否滿足規(guī)范要求確定Ndesign/4%對(duì)應(yīng)的用油量（4）性能檢驗(yàn)截至2005年，只有水穩(wěn)性測試被正式應(yīng)用到Superpave混合料設(shè)計(jì)；正在完善中的簡單性能測試(SimplePerformanceTests)有望引入Superpave混合料設(shè)計(jì)體系。3Superpave設(shè)計(jì)方法先進(jìn)性（1）材料選擇提出了基于氣候條件和交通量選擇瀝青和集料；根據(jù)極端溫度選擇瀝青，建立了PG分級(jí)方法；重視集料棱角性，建立交通量－棱角性關(guān)系；PG分級(jí)PG分級(jí)集料棱角性（2）旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法可模擬實(shí)際路面壓實(shí)狀態(tài)；建立成型方法－交通量關(guān)系；壓實(shí)過程獲得壓實(shí)曲線，可用來評(píng)價(jià)材料壓實(shí)特性；可成型150mm試件，適用大粒徑混合料設(shè)計(jì)；混合料進(jìn)行短期老化，模擬混合料實(shí)際拌和工況。（3）體積參數(shù)瀝青飽和度VFA與交通量相聯(lián)系，交通量小，VFA70~80；交通量大，VFA65~75；提出了有效瀝青、集料有效密度等概念，直接影響VMA等參數(shù)；一些思想已經(jīng)被我國F40規(guī)范引用。4Superpave設(shè)計(jì)方法幾個(gè)問題（1）Superpave混合料？Superpave混合料？還是采