Superpave瀝青混合料配合比設(shè)計方法的實踐應(yīng)用

1、Superpave瀝青混合料配合比設(shè)計方法的實踐應(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：運用美國Superpave熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計理念，采用旋轉(zhuǎn)壓實儀(SGC)方法，通過對改性瀝青結(jié)合料、SMA-16瀝青混合料試驗檢測及各項指標分析，綜合評定長余高速公路SMA-16結(jié)構(gòu)改性瀝青混合料級配的可行性，并進一步指導(dǎo)路面施工。關(guān)鍵詞：Superpave；剪切旋轉(zhuǎn)壓實儀(SGC)

2、；SMA-16；級配 目前國內(nèi)熱拌瀝青混合料配合比設(shè)計大多采用馬歇爾試驗方法，其特點是它注意到瀝青混合料的密實度和空隙特性，進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、開級配抗滑磨耗層(OGFC)、SMA結(jié)構(gòu)等采用的是間斷級配或開級配形式的瀝青混合料。而美國瀝青協(xié)會出版的瀝青混合料設(shè)計中規(guī)定馬歇爾法僅適用于連續(xù)級配密實瀝青混合料。同時由于馬歇爾試驗采用的擊實方式不可避免地會造成集料破碎，影響試件的最終試驗結(jié)果，如空隙率和用油量等。更為重要的是馬歇爾試驗方法無法模擬路面碾壓實際情況，不能正確評價瀝青混合料的抗剪

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

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經(jīng)三級破碎加工而成，并特別強調(diào)集料的破碎面含量(三個破碎面含量至少為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，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等級要求。改性瀝青檢測指標及結(jié)果見表2。2SMA瀝青混合料試驗檢測2.1級配選擇通過將個別材料的級配數(shù)學(xué)組合為單一級配混合料的方式來確定設(shè)計集料結(jié)構(gòu)，然后將混合料級配同長余高速公路規(guī)范

5、進行比較。級配設(shè)計根據(jù)4個控制篩孔和限制區(qū)要求，按照Superpave規(guī)定合成級配盡量避開限制區(qū)，表3為試驗用4種合成試驗級配和長余高速公路SMA-16級配規(guī)范要求，合成級配見圖1。3SMA-16面層級配Superpave旋轉(zhuǎn)壓實評價3.1旋轉(zhuǎn)壓實參數(shù)的確定根據(jù)美國瀝青協(xié)會(AASHTOPP28-00)試驗規(guī)程，SMA瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實參數(shù)與單軸荷載(ESALs)能力的對應(yīng)關(guān)系見表4。長余高速公路設(shè)計交通期望值在10×106和30×106單軸載之間，因而旋轉(zhuǎn)壓實參數(shù)采用N初試=8、N設(shè)計=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、進行瀝青混合料試件的旋轉(zhuǎn)壓實。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密度rca及用搗實法測定4.75mm以上粗集料的松方毛體積相對密度rs計算得到。4種試驗級配VCADRC計算結(jié)果見表5。3.3試件制備用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀，對每種試驗級配混合料至少壓實2個試件。為確定混合料最大理論密度還需準備2個試樣，對壓實試件通常4700g集料質(zhì)量即可，對確定最大理論密度測定通常2000g即可。為最大限度模擬瀝青混合料拌和情況，對選定的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135烘箱放置2h對試樣進行短期老化。然后將

7、短期老化的試樣置于另一烘箱，使其溫度達到壓實溫度135145，然后取出試樣冷卻至室溫以便測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)壓實儀，按確定的旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)，初始油石比采用6.2%，得到有關(guān)瀝青混合料各項性能指標數(shù)據(jù)，4種試驗級配SMA-16旋轉(zhuǎn)壓實試驗結(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(粗級配上限)的VCAmix小于VCADRC，而且VMA小于17.0%的最低要求，同時從表4亦可發(fā)現(xiàn)2號試驗級配4.75mm通過率達30%，這說明2號級配偏細，無法形成粗集料的嵌擠，也沒有足夠的空間供瑪蹄脂填充。在同樣壓實次數(shù)(100次)時的壓實度高達99.2%，這說明2號級配不是SMA結(jié)構(gòu)，需要進行調(diào)整。1號(粗級配下限)盡管可以實現(xiàn)SMA嵌擠結(jié)構(gòu)，但空隙率(5.43%)高于4%的要求，100次壓實的壓實度(94.4%)也小于95%的最低要求，4.75mm通過率為22%，級配偏粗，可以通過調(diào)整級配或增加用油量進行微調(diào)。3號(粗級配中值)和4

9、號(細級配中值)可以完全滿足要求。用3號和4號試驗級配通過變化油石比(±0.3%)，測定空隙率，確定最佳油石比。試驗結(jié)果見表7。從表7可以發(fā)現(xiàn)，如果試驗采用5.9%的油石比，盡管其他各項指標滿足SMA結(jié)構(gòu)要求，但3號和4號空隙率分別為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，則此時油石比應(yīng)提高到6.03。試驗采用油石比為6.5%可以滿足SMA結(jié)構(gòu)各項指標要求，而此時按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%，目標空隙率為3%4%。4瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗

10、按公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTJ0522000)進行油石比為6.2%的SMA-16粗級配中值(3號)瀝青混合料車轍試驗，試驗檢測結(jié)果見表8，其動穩(wěn)定度滿足改性瀝青混凝土配合比設(shè)計檢測指標中車轍動穩(wěn)定度大于3000次/mm的要求。5水損害試驗結(jié)果按AASHTOT283規(guī)程進行了油石比為6.2%的SMA-16粗級配中值(3號)瀝青混合料凍融劈裂試驗，檢測結(jié)果見表9。其凍融劈裂殘留強度比TSR平均值為92.7%，滿足改性瀝青混凝土配合比設(shè)計檢驗指標中凍融劈裂強度比大于80%的要求。6粉膠比由于回收礦粉中不可避免會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(研細的石灰石

11、)，回收礦粉的存在將嚴重影響到瀝青混合料的動穩(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)計表明回收礦粉占礦粉總量的10%。同時考慮礦料要吸收一部分瀝青，因此在計算粉膠比時采用有效瀝青含量。采用3號(粗級配中值)試驗級配，計算結(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)本試驗在考慮骨料吸收部分瀝青后，利用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀驗證4個試驗級配后，2號試驗級配4.75

12、mm通過率達到30%以上時由于細集料含量較大，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配上限可以發(fā)現(xiàn)4.75mm通過率達到30%，因此有必要調(diào)整級配4.75mm通過率到22%28%，但是由于4.75mm通過率范圍較窄，在實際工程中較難控制，同時也會造成材料成本上升，因此放寬到22%30%還是切實可行的。(2)通過4個試驗級配試驗表明在工程實踐中盡量采用接近長余高速公路級配規(guī)范的中值，即盡量接近3號和4號試驗級配，較理想的SMA結(jié)構(gòu)級配應(yīng)當(dāng)是粗集料偏低些，礦粉含量偏高些，這是因為考慮到部分礦粉同粉塵一同被廢棄的緣故，否則會造成瀝青瑪蹄脂填充效果不明顯，空隙率偏高。比較3號和4號試驗級配，在實際施工過程中應(yīng)盡量采用3號級配作為目標配合比。(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)，長余高速公路實際采用油石比為6.0%6.2%，空隙率控制在3%4%，壓實度按瀝青混合料最大理論密度的95%控制，通過對長余高速公路8個拌和站瀝青混合料拌和及路