高速公路沥青混合料均衡均匀设计与工程应用

广西交通科学研究院广西道路结构与材料重点试验室2013年11月广西高速公路沥青混合料均衡、均匀设计与工程应用汇报提纲本次报告将从以下三个方面进行汇报：一、广西地方特点（级配优化的前提与基础）二、沥青混合料均衡、均匀设计与性能验证三、优化改良级配的工程应用题外的话(第二届公路路面结构学术沙龙)“科学—技术—工程”的三元论科学即反映人们对自然、社会、思维等的客观规律分科的知识体系。一项“技术”是关于某一领域有效的科学（理论和研究方法）的全部，以及在该领域为实现公共或个体目标而解决设计问题的规则的全部。知识产权组织把世界上所有能带来经济效益的科学知识都定义为技术。“工程项目”是以工程建设为载体的项目，以建筑物或构筑物为目标产出物，需要支付一定的费用、按照一定的程序、在一定的时间内完成，并应符合质量要求。“工程”的本体论，工程是实践的过程，运用了创造价值的方法与手段，采用这些技术的时候不自觉或者自觉地应用了客观规律，即”工程问题”应包括“科学、技术“问题。背景1.广西地处中国西南方，高速公路起步晚于其他省市。2.04年以前高速公路以水泥路面为主，05年底南友高速公路建成通车。3.近几年所建及在建高速公路均为沥青路面（发展快、要求高），交科院承担了近80%的沥青混合料配合比设计与近60%的施工技术服务工作。这两年新建成通车的、经过级配改良的沥青路面极少出现车辙病害。我国区域辽阔，各地区差异影响，对修筑沥青路面来讲，必须立足区域性地方特点，有针对性的做些沥青路面优化工作。对于影响沥青路面修筑质量的关键性地方特点就是当地气候与交通条件、地方沥青路面主要病害、地方材料、地方施工技术水平等。其中，进行适用于地方的沥青级配优化设计要首先考虑并量化地方气候、交通、路面病害的基本特征。一、广西地方特点考虑地方特点的目的：一、广西地方特点——气候总体上属于亚热带气候，并受海洋气候影响明显，气候特征复杂多样，总体特征是“高温、多雨”桂北山区偏山地气候桂南沿海偏海洋气候10.015.020.025.030.035.0012345678910111213月份平均最高气温(℃)钦州南宁百色桂林河池梧州高温明显且持续时间长：5-9月月平均日高温＞30℃，7-8月月平均日高温接近35℃。0.05.010.015.020.025.030.0012345678910111213月份平均最低气温(℃)钦州南宁百色桂林河池梧州夏长无低温且时间短：仅12月、1月平均日低温在10℃左右。(仅桂林一带冬季低温在5℃左右)冬短02004006008001000120014001600180020002200百色地区南宁地区河池地区梧州地区钦州地区桂林地区年降水量mm0.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0012345678910111213月份降水量(mm)钦州南宁百色桂林河池梧州沿海地区年降水量＞1000mm沿海地区＞2000mm雨热同期降水多高温值与持续时间长，路面积温值大（热），对沥青路面抗车辙不利；降水特征突出多且沿海暴雨集中区（湿）、雨热同期，同样对水作用下的沥青路面抗车辙性能更是不利。广西现有的一些车辙损坏多发生在雨季后的高温时段。一、广西地方特点——交通往广东出海大西南注：图中红点标示为实测交通量自然交通量中的比例组成客货通行总比例约为2:1；货车每24小时2000辆左右，部分路段4000辆左右；双联轴及三联轴等特大型货车10%~20%。货车交通量中的比例组成货车通行量以三联轴及双联轴等特大货车为主，占到70%左右；代表轴型为后轴三联轴(双轮)、双联轴(双轮)。重型货车多重型货车代表车型交通特征主要是突出广西过境交通量（出海、内陆通道）尤其是货车多，在自然通行量中特大型货车占到10-20%，并且货车中70%以上的为特大型货车即代表轴型，重载交通特征明显。考虑到这些因素，加之广西地区初期建设的沥青路面早期车辙病害又比较严重，未发现大面积水损害、疲劳损坏出现，须对本地区沥青混合料组成设计进行优化。一、广西地方特点——路面病害项目组通过对多条高速公路的长期检测，车辙是广西地区2011年前建成沥青路面第一病害形式，并且病害来源主要是中下面层。问题与思考---车辙原因分析表面层对车辙的贡献率不到30%，而下面层对车辙的贡献率超过40%。沥青路面中下面层采用基质沥青。级配失控或设计级配失误是沥青路面出现车辙的一个重要原因。沥青混合料混合料骨架存在迁移的问题，也就是说骨架密实结构是不稳定的，中、下面层级配有待改进优化同时需要严格控制施工级配和油石比。广西地处亚热带，辐射较强，气温较高，长大纵坡、急弯这些特殊路段没有进行采用三层改性沥青等针对性的设计。问题与思考？上面层均使用了优质的SBS改性沥青，为何车辙病害出现的还如此之快，程度如此严重，明显？迫使我们去思考，分析表明发现：跟沥青混合料级配设计密切相关，调查的几条路级配均相对偏细！应该针对广西地区特点做些改变，对级配进行优化改良。对客观规律的认识是个逐步递进的、渐进的过程。目的：针对广西高温潮湿气候，重载交通，车辙是第一病害等地方特点(前提与基础)，有针对性地对沥青混合料进行优化改良，提高沥青混合料在广西地区的适用性。二、沥青混合料均衡、均匀设计与性能验证优化改良目标：形成骨架密实型沥青混合料组成结构，达到首先抗车辙、再者抗水损、抗疲劳的作用。车辙水损害背景工作目标通过技术创新，采用合理路面结构组合、级配改良，工艺优化，全力打造“三无”路面（在设计年限内）；为社会提供优质公共服务产品---耐久、安全、舒适。技术路线（总）以“工艺上易于保证施工质量、实现设计意图”为主线，考虑当地交通、气候环境的特点，对路面结构组合设计、材料设计、工艺控制进行“一体化设计”。通过技术创新、工艺改良，以“质量优先”为战略，实现质量、经济效益、社会效益的三结合，提高“资源利用率”，合理降低“能源浪费”。技术路线（总）优化的沥青混合料组成设计---前提精细化、清洁化、机械化施工工艺—保证合理的沥青路面结构组合设计---基础均衡、均匀设计方法（具体的）传统AC类优化型级配悬浮密实骨架密实无骨架；易失稳；易变形整体骨架响应强；更稳定设计意图简化示意图为达到上述骨架密实型结构，获得优良的抗车辙性能，就要将级配做粗，同时在获得级配骨架的考虑防离析与密实性。结合贝雷法等级配设计方法，提出了均匀化设计。实例:优化型AC25NMPS：26.5mmPCS：13.2mm[CA]=(P13.2-P4.75)/(100-P13.2)=0.58均匀化设计即：①整体骨架要好，≥9.5mm以上的碎石要多；②减少≥26.5mm最大公称粒径的含量(防离析)，同时压缩3-5mm(干涉料)、5-10mm(次干涉料？)的用量；③足够的细料≤(2.36mm)等沥青砂（胶）浆用来填充密实。尚显单一，不足以评价该级配，优化改良型级配解释理论与评价指标正在。。？2.1均衡、均匀设计方法-优化型AC-25C防离析抗车辙合理控制最粗档集料用量级配下限级配上限增加9.5mm以上中间档集料用量注：红色曲线为优化级配，黄色曲线为偏中值的传统AC类。减少3-5mm、5-10mm用量27对比效果(骨架形态特征变化)角砾岩AC25优化均衡、均匀型级配的沥青混合料密度变化表相同材料，相同条件下，优化后级配沥青混合料马歇尔密度是最大的来自贵梧高速公路广东清远试验室11月14日同行PK结果。2.1均衡、均匀设计方法-优化型AC-20C-抗车辙注：红色曲线为优化级配，黄色曲线为偏中值的传统AC类。大幅增加9.5mm-19mm集料用量合理增加19-26.5mm用量压缩3-5mm、5-10mm用量对比效果(骨架形态特征变化)优化型级配有别于以往的沥青混合料“S形”密级配曲线，优化级配特点如下：最大公称粒径、0.075mm用量相对不多；3～5mm、5～10mm用量不多；增加9.5mm以上的集料用量，中间档粗集料用量相对较多；集料之间能形成骨架稳定、均匀密实的结构，目的①为减少下面层沥青混合料AC-25C的离析，沥青混合料AC-25C组成设计向“ATB-25”转化，即控制AC-25C中19.0mm的通过率在80%左右；目的②为增强中面层沥青混合料AC-20C的抗车辙能力，中面层沥青混合料AC-20C组成设计向“AC-25C”转化，即在AC-20C中增加19～26.5mm的用量；2.2均衡、均匀设计级配特点总结---类似于间断级配级配26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC2596.678.666.55845.333.224.819.513.79.375.2AC2099.188.675.265.545.835.225.619.513.79.375.2已应用工程常用合成级配32已应用工程拌合楼常用级配组成2.2均匀化设计级配特点筛孔（mm）22-2816-2211-167-114-70-4矿粉AC25掺配比例%15231796273AC20掺配比例%7242496273防东高速靖那高速筛孔（mm）22-2816-2211-167-114-70-4矿粉AC25掺配比例%142221104263AC20掺配比例%72723104263传统偏中值的级配这两档总和接近30%。技术特点表面层：设计宜优先采用SMA-13；采用改良的抗滑表层AC-13G中面层：“AC-20”向“AC-25”转化，采用优化设计细的AC-25；下面层：“AC-25”向“ATB-25”转化，采用优化设计的ATB-25；技术特点与传统设计曲线相比：中下面层沥青混合料以19mm、9.5mm（4.75mm）、2.36mm、0.075mm作为关键筛孔；表面层沥青混合料以9.5mm、4.75mm、2.36mm、0.075mm作为关键筛孔。与传统设计曲线相比：下面层关键筛孔通过率控制在78%、42%、24%、5%；中面层关键筛孔通过率控制在88%、44%、24%、5%。与传统设计曲线相比：表面层关键筛孔通过率控制在64%、35%、28%、6%。技术特点与传统设计曲线相比：减少了3~5mm、5~10mm用量，相应增加＞10mm用量；与传统设计曲线相比：控制了＞26.5mm的用量，以13.2mm、16mm、19mm的这些中间大粒径的粗集料做骨架；与传统设计曲线相比：设计的沥青混合料密度增大，沥青混合料呈现“均匀骨架嵌挤密实及传递稳定的特征”；技术特点中下面层“均匀”级配进行了优化“均衡”设计，即“不溢料，不等料”，不损伤其他性能的基础上，提高了沥青混合料的抗车辙性能。在性能得到提升的基础上，与传统型级配相比，由于混合料“适当增粗”带来油石比的合理降低，合理减少了“能源的消耗”。本质上，沥青混合料是“集料、矿粉、沥青”的集合，在摊铺、碾压过程中是集合中的元素随“温度、时间”变化在预定的“空间”不断“排队”的过程，符合马尔科夫链的“随机过程”，“集合”这个空间问题的设计好坏、“排队过程”是否符合“均匀分布”、“沥青混合料粘弹特性”的要求，这直接决定了机械化摊铺、碾压施工是否到达精细化效果，是否符合“快乐工作的要求”，也直接决定了沥青混合料的路用性能。路面标最佳油石比(%)空隙率(%)沥青饱和度(%)间隙率(%)60℃动稳定度（70#）(次/mm)某高速A标3.64.5-5.062~64＞122000-3000某高速B标3.74.0-5.060-65＞122000-3500某高速C标3.64.0-5.060-65＞122000-2500某高速D标3.64.1-4.663-64＞112000-40002.3均衡、均匀设计级配性能验证路面标最佳油石比(%)空隙率(%)沥青饱和度(%)间隙率(%)75℃动稳定度（SBS）(次/mm)某高速A标3.94.565133500-4500某高速B标4.04.5-5.062-65133000-4500某高速C标3.94.565-66132500-3500某高速D标3.94.5-5