Superpave瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法的實(shí)踐應(yīng)用

1、Superpave瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法的實(shí)踐應(yīng)用作者：張國輝 關(guān)長祿 陳波 郭宏斌 來源：本站原創(chuàng) 時(shí)間：2006-1-14 閱讀： 1613 張國輝1，關(guān)長祿2，陳波1，郭宏斌11.吉林省公路重點(diǎn)工程建設(shè)管理辦公室長春市130021；2.吉林省公路質(zhì)檢站 摘要：運(yùn)用美國Superpave熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)理念，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀(SGC)方法，通過對(duì)改性瀝青結(jié)合料、SMA-16瀝青混合料試驗(yàn)檢測(cè)及各項(xiàng)指標(biāo)分析，綜合評(píng)定長余高速公路SMA-16結(jié)構(gòu)改性瀝青混合料級(jí)配的可行性，并進(jìn)一步指導(dǎo)路面施工。關(guān)鍵詞：Superpave；剪切旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀(SGC)

2、；SMA-16；級(jí)配 目前國內(nèi)熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)大多采用馬歇爾試驗(yàn)方法，其特點(diǎn)是它注意到瀝青混合料的密實(shí)度和空隙特性，進(jìn)行這樣的分析以確保滿足HMA混合料耐久性要求所適合的空隙比例；但是，隨著各種功能性路面結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，如多碎石瀝青混合料、開級(jí)配抗滑磨耗層(OGFC)、SMA結(jié)構(gòu)等采用的是間斷級(jí)配或開級(jí)配形式的瀝青混合料。而美國瀝青協(xié)會(huì)出版的瀝青混合料設(shè)計(jì)中規(guī)定馬歇爾法僅適用于連續(xù)級(jí)配密實(shí)瀝青混合料。同時(shí)由于馬歇爾試驗(yàn)采用的擊實(shí)方式不可避免地會(huì)造成集料破碎，影響試件的最終試驗(yàn)結(jié)果，如空隙率和用油量等。更為重要的是馬歇爾試驗(yàn)方法無法模擬路面碾壓實(shí)際情況，不能正確評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗剪

3、強(qiáng)度，正是在充分考慮上述各種因素情況下，剪切旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀(ShearGyratoryCompactor簡寫SGC)應(yīng)運(yùn)而生。剪切旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀(SGC)是柔性路面在荷載作用下的機(jī)械模擬。它可以近似地模擬荷載在公路上行駛時(shí)輪胎與路面的相互作用，通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)，使試件中瀝青混合料的密實(shí)度達(dá)到汽車輪胎實(shí)際作用于路面時(shí)所產(chǎn)生的密實(shí)度，既模擬荷載在路面上產(chǎn)生的垂直壓應(yīng)力。在試件壓實(shí)的過程中，剪切旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀能夠通過采集的試件混合料壓實(shí)數(shù)據(jù)(空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、壓實(shí)度及有效瀝青含量等)，建立與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)在一定條件下的Superpave交通水準(zhǔn)及路面設(shè)計(jì)交通荷載情況，確定級(jí)配的合理性及瀝

4、青混合料最佳用油量。1單質(zhì)材料要求1.1集料要求集料應(yīng)采用堅(jiān)硬、潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)的安山巖并要求使用反擊和錘式破碎機(jī)經(jīng)三級(jí)破碎加工而成，并特別強(qiáng)調(diào)集料的破碎面含量(三個(gè)破碎面含量至少為90%)和一定的粗糙度。礦粉采用石灰石研磨而成。主要檢測(cè)結(jié)果見表1。1.2改性瀝青由于長余高速公路所處地理位置屬于東北寒冷地區(qū)及根據(jù)SMA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，長余高速公路采用熱塑橡膠SBS型改性瀝青并滿足美國SHRP規(guī)范PG64-34等級(jí)要求。改性瀝青檢測(cè)指標(biāo)及結(jié)果見表2。2SMA瀝青混合料試驗(yàn)檢測(cè)2.1級(jí)配選擇通過將個(gè)別材料的級(jí)配數(shù)學(xué)組合為單一級(jí)配混合料的方式來確定設(shè)計(jì)集料結(jié)構(gòu)，然后將混合料級(jí)配同長余高速公路規(guī)范

5、進(jìn)行比較。級(jí)配設(shè)計(jì)根據(jù)4個(gè)控制篩孔和限制區(qū)要求，按照Superpave規(guī)定合成級(jí)配盡量避開限制區(qū)，表3為試驗(yàn)用4種合成試驗(yàn)級(jí)配和長余高速公路SMA-16級(jí)配規(guī)范要求，合成級(jí)配見圖1。3SMA-16面層級(jí)配Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)評(píng)價(jià)3.1旋轉(zhuǎn)壓實(shí)參數(shù)的確定根據(jù)美國瀝青協(xié)會(huì)(AASHTOPP28-00)試驗(yàn)規(guī)程，SMA瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)參數(shù)與單軸荷載(ESALs)能力的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表4。長余高速公路設(shè)計(jì)交通期望值在10×106和30×106單軸載之間，因而旋轉(zhuǎn)壓實(shí)參數(shù)采用N初試=8、N設(shè)計(jì)=100、N最大=160。瀝青混合料短期老化條件為135烘箱中烘2h，然后在135條件下

6、進(jìn)行瀝青混合料試件的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)。3.2粗集料的間隙率VCADRCVCADRC是根據(jù)4.75mm以上粗集料毛體積相對(duì)密度rca及用搗實(shí)法測(cè)定4.75mm以上粗集料的松方毛體積相對(duì)密度rs計(jì)算得到。4種試驗(yàn)級(jí)配VCADRC計(jì)算結(jié)果見表5。3.3試件制備用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀，對(duì)每種試驗(yàn)級(jí)配混合料至少壓實(shí)2個(gè)試件。為確定混合料最大理論密度還需準(zhǔn)備2個(gè)試樣，對(duì)壓實(shí)試件通常4700g集料質(zhì)量即可，對(duì)確定最大理論密度測(cè)定通常2000g即可。為最大限度模擬瀝青混合料拌和情況，對(duì)選定的PG64-34結(jié)合料，在相應(yīng)的拌和溫度165175拌和試樣，再將該混合料放進(jìn)135烘箱放置2h對(duì)試樣進(jìn)行短期老化。然后將

7、短期老化的試樣置于另一烘箱，使其溫度達(dá)到壓實(shí)溫度135145，然后取出試樣冷卻至室溫以便測(cè)定混合料最大理論密度。3.4數(shù)據(jù)處理分析采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀，按確定的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)，初始油石比采用6.2%，得到有關(guān)瀝青混合料各項(xiàng)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，4種試驗(yàn)級(jí)配SMA-16旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果匯總見表6。粗集料的吸水率可以滿足交通部規(guī)范要求，鑒于集料的吸水率與吸附瀝青沒有直接的關(guān)系，因此本試驗(yàn)采用集料的有效比重代替合成集料的毛體積比重方式，即：Gse = Gsb + 0.8(Gsa-Gsb) (1)式中：Gse為合成集料的有效密度，g/cm3；Gsb為合成集料的毛體積密度，g/cm3；Gsa為合成集料

8、的表觀密度，g/cm3。比較表5和表6，可以發(fā)現(xiàn)2號(hào)(粗級(jí)配上限)的VCAmix小于VCADRC，而且VMA小于17.0%的最低要求，同時(shí)從表4亦可發(fā)現(xiàn)2號(hào)試驗(yàn)級(jí)配4.75mm通過率達(dá)30%，這說明2號(hào)級(jí)配偏細(xì)，無法形成粗集料的嵌擠，也沒有足夠的空間供瑪蹄脂填充。在同樣壓實(shí)次數(shù)(100次)時(shí)的壓實(shí)度高達(dá)99.2%，這說明2號(hào)級(jí)配不是SMA結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行調(diào)整。1號(hào)(粗級(jí)配下限)盡管可以實(shí)現(xiàn)SMA嵌擠結(jié)構(gòu)，但空隙率(5.43%)高于4%的要求，100次壓實(shí)的壓實(shí)度(94.4%)也小于95%的最低要求，4.75mm通過率為22%，級(jí)配偏粗，可以通過調(diào)整級(jí)配或增加用油量進(jìn)行微調(diào)。3號(hào)(粗級(jí)配中值)和4

9、號(hào)(細(xì)級(jí)配中值)可以完全滿足要求。用3號(hào)和4號(hào)試驗(yàn)級(jí)配通過變化油石比(±0.3%)，測(cè)定空隙率，確定最佳油石比。試驗(yàn)結(jié)果見表7。從表7可以發(fā)現(xiàn)，如果試驗(yàn)采用5.9%的油石比，盡管其他各項(xiàng)指標(biāo)滿足SMA結(jié)構(gòu)要求，但3號(hào)和4號(hào)空隙率分別為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，則此時(shí)油石比應(yīng)提高到6.03。試驗(yàn)采用油石比為6.5%可以滿足SMA結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)要求，而此時(shí)按4%的空隙率控制，油石比可以降低到6.24%。從節(jié)省瀝青用量的角度出發(fā)，長余高速公路最終確定采用最佳油石比OAC為6.0%6.2%，目標(biāo)空隙率為3%4%。4瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

10、按公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程(JTJ0522000)進(jìn)行油石比為6.2%的SMA-16粗級(jí)配中值(3號(hào))瀝青混合料車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見表8，其動(dòng)穩(wěn)定度滿足改性瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)檢測(cè)指標(biāo)中車轍動(dòng)穩(wěn)定度大于3000次/mm的要求。5水損害試驗(yàn)結(jié)果按AASHTOT283規(guī)程進(jìn)行了油石比為6.2%的SMA-16粗級(jí)配中值(3號(hào))瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見表9。其凍融劈裂殘留強(qiáng)度比TSR平均值為92.7%，滿足改性瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)檢驗(yàn)指標(biāo)中凍融劈裂強(qiáng)度比大于80%的要求。6粉膠比由于回收礦粉中不可避免會(huì)含有少量泥土和其他不潔雜質(zhì)，相當(dāng)一部分含量并不是真正意義上的礦粉(研細(xì)的石灰石

11、)，回收礦粉的存在將嚴(yán)重影響到瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度和馬歇爾穩(wěn)定度，因此長余高速公路不允許使用回收礦粉。長余高速公路統(tǒng)計(jì)表明回收礦粉占礦粉總量的10%。同時(shí)考慮礦料要吸收一部分瀝青，因此在計(jì)算粉膠比時(shí)采用有效瀝青含量。采用3號(hào)(粗級(jí)配中值)試驗(yàn)級(jí)配，計(jì)算結(jié)果見表10。其中Gb、Pba、Pb、Pbe分別代表瀝青密度(g/cm3)、礦料吸附瀝青含量(%)、瀝青含量和有效瀝青含量(%)。國外有些資料統(tǒng)計(jì)顯示SMA結(jié)構(gòu)的粉膠比在2%左右，這是由于國外的集料比較潔凈，允許使用回收礦粉的緣故。7結(jié)論(1)本試驗(yàn)在考慮骨料吸收部分瀝青后，利用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀驗(yàn)證4個(gè)試驗(yàn)級(jí)配后，2號(hào)試驗(yàn)級(jí)配4.75

12、mm通過率達(dá)到30%以上時(shí)由于細(xì)集料含量較大，已不能有效形成SMA-16粗骨架結(jié)構(gòu)，因此比較長余高速公路級(jí)配上限可以發(fā)現(xiàn)4.75mm通過率達(dá)到30%，因此有必要調(diào)整級(jí)配4.75mm通過率到22%28%，但是由于4.75mm通過率范圍較窄，在實(shí)際工程中較難控制，同時(shí)也會(huì)造成材料成本上升，因此放寬到22%30%還是切實(shí)可行的。(2)通過4個(gè)試驗(yàn)級(jí)配試驗(yàn)表明在工程實(shí)踐中盡量采用接近長余高速公路級(jí)配規(guī)范的中值，即盡量接近3號(hào)和4號(hào)試驗(yàn)級(jí)配，較理想的SMA結(jié)構(gòu)級(jí)配應(yīng)當(dāng)是粗集料偏低些，礦粉含量偏高些，這是因?yàn)榭紤]到部分礦粉同粉塵一同被廢棄的緣故，否則會(huì)造成瀝青瑪蹄脂填充效果不明顯，空隙率偏高。比較3號(hào)和4號(hào)試驗(yàn)級(jí)配，在實(shí)際施工過程中應(yīng)盡量采用3號(hào)級(jí)配作為目標(biāo)配合比。(3)改性瀝青混合料油石比范圍在6.0%6.5%之間，但考慮長余高速公路所處地理氣候環(huán)境和從節(jié)省瀝青的角度出發(fā)，長余高速公路實(shí)際采用油石比為6.0%6.2%，空隙率控制在3%4%，壓實(shí)度按瀝青混合料最大理論密度的95%控制，通過對(duì)長余高速公路8個(gè)拌和站瀝青混合料拌和及路