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

1superpave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2001年底82%的热拌沥青混合料采用superpave混合料设计和施工。我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2001年我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。通过控制高温车辙、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。并且，经江苏省交通科学院研究院通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。所以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℃。2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）60~806962延度(5cm/min,15℃)，不小于（cm）100100100软化点（环球法）（℃）44~454650.5溶解度（三氯乙稀）不小于（%）99.099.5399.43闪点（COC）不小于（℃）230255341含蜡量（蒸馏法）不大于（%）3.02.31.6密度（15℃）（g/cm3）实测1.0451.041薄膜加热试验163℃，5h质量损失，不大于0.80.090.08针入度比，不小于5560.964.5延度（5cm/min,25℃），不小于（cm）50100100延度(5cm/min,15℃)，不小于（cm）----100B、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集料的统一特性在我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/cm32.7892.8032.82.769≥2.5毛体积密度g/cm32.7662.7752.7532.689≥2.5吸水率（%）0.310.370.611.7≤2针片状含量（％）11.611.4//≤15粗集料﹤0.075mm颗粒含量（％）0.40.30.4/≤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≤283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（%）4640%扁平颗粒（%）11.510%*粘土含量（砂当量）（%）68.050%坚固性（%）13.235~45%安定性（%）2.012~20%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，而我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。我们发现通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。下面层SUP-25目标配合比初始设计级配曲线02040608010031.526.51913.29.54.752.361.180.60.30.150.075筛孔通过率级配3级配1级配24中面层Sup-20目标配合比设计初始级配曲线02040608010031.526.51913.29.54.752.361.180.60.30.150.075筛孔通过率级配3级配1级配2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(%)444.0VMA(%)13.113.4≥12VFA(%)70.972.065~75DP(%)1.301.350.6~1.2*%Gmm@N=887.287.0≦89%Gmm@N=16097.996.0≦98注：*表示当级配通过禁区下方，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他性质例如粒料间隙（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。三种级配完全是通过试验来选择（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。5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=100VA(%)VNA(%)VFA(%)下面层3.65.413.760.51.4985.994.64.13.913.170.31.2987.196.14.63.113.476.81.1485.795.45.12.914.780.31.0285.494.9中面层3.95.013.763.41.5086.695.04.43.413.474.61.3187.096.64.92.213.583.61.1688.197.85.41.413.889.81.0488.898.6根据沥青用量和空隙率的关系曲线，通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=1004.2(下面层)4.013.270.91.3087.296.04.3(中面层)4.013.472.01.3587.096.04、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=160VA(%)VNA(%)VFA(%)DP4.2(下面层)3.813.872.41.2887.297.94.3(中面层)3.413.174.01.3487.697.75、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。6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）123平均要求Sup254.21800163219691800≥800Sup204.31500128610501279≥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（%）Sup254.2加2%水泥11.1610.2291.6≥75Sup204.3加2%水泥12.5912.4799.0≥756、马歇尔试验结果验证表10为了对施工过程进行有效控制，同时提供适合我国规范的标准（除饱和度指标外）。表10Sup25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）757575稳定度(KN)10.112.6﹥7.5流值(0.1mm)24.933.520~40空隙率(%)5.65.13~6沥青饱和度(%)64.766.570~85残留稳定度(%)101.799.0﹥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的通过量。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，所以它的拌合温度比常规AC-I混合料温度要提高10℃-15℃