Superpave沥青混合料配合比设计方法的实践应用

1、Superpave沥青混合料配合比设计方法的实践应用作者：张国辉 关长禄 陈波 郭宏斌 来源：本站原创 时间：2006-1-14 阅读： 1613 张国辉1，关长禄2，陈波1，郭宏斌11.吉林省公路重点工程建设管理办公室长春市130021；2.吉林省公路质检站 摘要：运用美国Superpave热拌沥青混合料配合比设计理念，采用旋转压实仪(SGC)方法，通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的可行性，并进一步指导路面施工。关键词：Superpave；剪切旋转压实仪(SGC)

2、；SMA-16；级配 目前国内热拌沥青混合料配合比设计大多采用马歇尔试验方法，其特点是它注意到沥青混合料的密实度和空隙特性，进行这样的分析以确保满足HMA混合料耐久性要求所适合的空隙比例；但是，随着各种功能性路面结构的出现，如多碎石沥青混合料、开级配抗滑磨耗层(OGFC)、SMA结构等采用的是间断级配或开级配形式的沥青混合料。而美国沥青协会出版的沥青混合料设计中规定马歇尔法仅适用于连续级配密实沥青混合料。同时由于马歇尔试验采用的击实方式不可避免地会造成集料破碎，影响试件的最终试验结果，如空隙率和用油量等。更为重要的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的抗剪

3、强度，正是在充分考虑上述各种因素情况下，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的机械模拟。它可以近似地模拟荷载在公路上行驶时轮胎与路面的相互作用，通过旋转压实，使试件中沥青混合料的密实度达到汽车轮胎实际作用于路面时所产生的密实度，既模拟荷载在路面上产生的垂直压应力。在试件压实的过程中，剪切旋转压实仪能够通过采集的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)，建立与旋转压实次数的对应关系，根据在一定条件下的Superpave交通水准及路面设计交通荷载情况，确定级配的合理性及沥

4、青混合料最佳用油量。1单质材料要求1.1集料要求集料应采用坚硬、洁净、干燥、无风化、无杂质的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，并特别强调集料的破碎面含量(三个破碎面含量至少为90%)和一定的粗糙度。矿粉采用石灰石研磨而成。主要检测结果见表1。1.2改性沥青由于长余高速公路所处地理位置属于东北寒冷地区及根据SMA结构特点，长余高速公路采用热塑橡胶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级配选择通过将个别材料的级配数学组合为单一级配混合料的方式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

5、进行比较。级配设计根据4个控制筛孔和限制区要求，按照Superpave规定合成级配尽量避开限制区，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旋转压实参数的确定根据美国沥青协会(AASHTOPP28-00)试验规程，SMA沥青混合料旋转压实参数与单轴荷载(ESALs)能力的对应关系见表4。长余高速公路设计交通期望值在10×106和30×106单轴载之间，因而旋转压实参数采用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

6、进行沥青混合料试件的旋转压实。3.2粗集料的间隙率VCADRCVCADRC是根据4.75mm以上粗集料毛体积相对密度rca及用捣实法测定4.75mm以上粗集料的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至少压实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2000g即可。为最大限度模拟沥青混合料拌和情况，对选定的PG64-34结合料，在相应的拌和温度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

7、短期老化的试样置于另一烘箱，使其温度达到压实温度135145，然后取出试样冷却至室温以便测定混合料最大理论密度。3.4数据处理分析采用Superpave旋转压实仪，按确定的旋转压实次数，初始油石比采用6.2%，得到有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。粗集料的吸水率可以满足交通部规范要求，鉴于集料的吸水率与吸附沥青没有直接的关系，因此本试验采用集料的有效比重代替合成集料的毛体积比重方式，即：Gse = Gsb + 0.8(Gsa-Gsb) (1)式中：Gse为合成集料的有效密度，g/cm3；Gsb为合成集料的毛体积密度，g/cm3；Gsa为合成集料

8、的表观密度，g/cm3。比较表5和表6，可以发现2号(粗级配上限)的VCAmix小于VCADRC，而且VMA小于17.0%的最低要求，同时从表4亦可发现2号试验级配4.75mm通过率达30%，这说明2号级配偏细，无法形成粗集料的嵌挤，也没有足够的空间供玛蹄脂填充。在同样压实次数(100次)时的压实度高达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)尽管可以实现SMA嵌挤结构，但空隙率(5.43%)高于4%的要求，100次压实的压实度(94.4%)也小于95%的最低要求，4.75mm通过率为22%，级配偏粗，可以通过调整级配或增加用油量进行微调。3号(粗级配中值)和4

9、号(细级配中值)可以完全满足要求。用3号和4号试验级配通过变化油石比(±0.3%)，测定空隙率，确定最佳油石比。试验结果见表7。从表7可以发现，如果试验采用5.9%的油石比，尽管其他各项指标满足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%的要求，如果按4%的空隙率控制，则此时油石比应提高到6.03。试验采用油石比为6.5%可以满足SMA结构各项指标要求，而此时按4%的空隙率控制，油石比可以降低到6.24%。从节省沥青用量的角度出发，长余高速公路最终确定采用最佳油石比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

10、按公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTJ0522000)进行油石比为6.2%的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的要求。5水损害试验结果按AASHTOT283规程进行了油石比为6.2%的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%的要求。6粉胶比由于回收矿粉中不可避免会含有少量泥土和其他不洁杂质，相当一部分含量并不是真正意义上的矿粉(研细的石灰石

11、)，回收矿粉的存在将严重影响到沥青混合料的动稳定度和马歇尔稳定度，因此长余高速公路不允许使用回收矿粉。长余高速公路统计表明回收矿粉占矿粉总量的10%。同时考虑矿料要吸收一部分沥青，因此在计算粉胶比时采用有效沥青含量。采用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结构的粉胶比在2%左右，这是由于国外的集料比较洁净，允许使用回收矿粉的缘故。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4.75

12、mm通过率达到30%以上时由于细集料含量较大，已不能有效形成SMA-16粗骨架结构，因此比较长余高速公路级配上限可以发现4.75mm通过率达到30%，因此有必要调整级配4.75mm通过率到22%28%，但是由于4.75mm通过率范围较窄，在实际工程中较难控制，同时也会造成材料成本上升，因此放宽到22%30%还是切实可行的。(2)通过4个试验级配试验表明在工程实践中尽量采用接近长余高速公路级配规范的中值，即尽量接近3号和4号试验级配，较理想的SMA结构级配应当是粗集料偏低些，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的缘故，否则会造成沥青玛蹄脂填充效果不明显，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量采用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的角度出发，长余高速公路实际采用油石比为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的95%控制，通过对长余高速公路8个拌和站沥青混合料拌和及路