浅谈Superpave混合料的设计方案方法及应用前景.docx

浅谈Superpave混合料的设计方法及应用前景余涛<重庆交通大学 重庆400067）摘 要：由于沥青路面优点众多，沥青混凝土目前已成为公路主要结构类型，并得到了广泛的使用。选择合适沥青混合料设计方法，是满足沥青的路面性能要求的关键。本文分别介绍马歇尔设计方法和Superpave设计方法，通过对比分析两种设计方法，得出它们比有良好的相关性。根据我国国情，指出Superpave混合料的设计方法中的不足，最后Superpave设计方法在我国有良好的应用前景。关键词：沥青混合料设计 ；Superpave设计方法 ；应用前景 0. 引言随着国民经济的持续增长，我国道路交通事业也在迅速发展，公路建设日新月异，道路在综合运输中发挥着越来越重要的作用，尤其是高速公路发展更为迅猛。人们对公路行驶质量的要求也越来越高。沥青路面具有施工便利、施工期短、行车平稳舒适、噪音低且易于养护修补等优点，在国内外公路和城市道路中，作为高级路面的主要结构类型而广为应用1。高等级路面中，大部分路面选用热拌沥青混合料作为沥青面层材料，并取得了良好的效果。热拌沥青混合料是一种相当复杂的材料，它必须拥有耐久性、行车舒适，能够抵抗变形、开裂、水损坏，同时还要达到经济和施工和易性等方面的要求。一般的沥青混合料配合比设计通过集料的选择、胶结料的选择和确定最佳用油量三个方面来达到这些要求的。为了满足沥青的路面性能，选择合适沥青混合料的设计方法，变得越来越重要。1. 公路沥青混合料配合比设计方法自20世纪初以来，有关沥青混合料设计方法如哈费氏设计方法、维姆设计方法、马歇尔设计方法和高性能沥青路面(Superpave>设计方法等相继产生。沥青混合料设计方法的不断发展、完善，不仅扩大了沥青的使用范围，同时对承受不断增加的交通量和荷载的混合料提出了更高的要求。目前。目前沥青混合料设计方法大致有三种：Marshall、Hveem以及Superpave，本文主要对介绍Marshall和Superpave设计方法。1.1Marshall混合料设计方法Marshall混合料设计方法是在1939年左右由Bruce Marshall最先发展起来的，随后在美国工程兵部队的应用中得到完善。该方法主要是通过满足合适的稳定度和流值条件下的密实度来控制和选择沥青用量。Marshall设计主要包括以下六个步骤：集料的选择。包含三个部分：确定集料的物理特性；确定其他的物理指标，对所有采用的集料进行级配组成设计。沥青胶结料的选择。在这方面并没有明确的步骤，主要是通过实验确定沥青胶结料的粘温关系。试样的制备。需要先试拌几种不同沥青含量的混合料，然后根据每一种试拌混合料的性能来确定最佳用油量。试拌试件的油量范围应该包含最佳油量，因此要先根据经验预估一下最佳油量。稳定度和流质实验。该实验为Marshal方法提供了混合料性能预测。稳定度实验可以测定试件在50mmminute的加载速率下的最大承受能力，加载逐步提升直至最大值开始回落，记录最大值。同时，流值以0.25mm的单位记录下来。密度和空隙率分析。所有的设计方法都会使用密度和空隙率来确定混合料的基本物理特性，密度一般采用毛体积密度和理论最大毛体积密度，之后用这些密度来计算体积参数确定最佳沥青用量。经过上面两个步骤，可以确定最佳油量。首先画出沥青含量分别与密度、稳定度、流值、空隙率、VFA的关系图表，然后根据规定的范围选取中值作为最佳用油量.Marshall沥青混合料设计方法的优点在于它关注了空隙率、强度和耐久性，实验设备相对便宜经济，实验过程易于控制、简洁易推广。但是它的缺点有很多，譬如冲击式的压实方法会对沥青混合料产生不良影响、稳定度和流值实验中的加载方向与压实方向垂直以及没有考虑剪应力的作用等等。道路工程师不断提出新的设计方法，来优化沥青混合料的设计方法。1.2 Superpave设计方法1.2.1 Superpave设计方法来源Superpave是Superior Performing Asphalt Pavement的缩写，中文意思就是“高性能沥青路面”。Superpave沥青混合料设计法是一种全新的沥青混合料设计法，包含沥青结合料规范，沥青混合料体积设计方法，计算机软件及相关的使用设备、实验方法和标准。Sp-erpave混合料设计分为三个水准： 混合料体积设计也称水准I设计，使用旋转压实机<SGC）并根据体积设计要求选择沥青用量。 混合料中等路面性能水平设计也称水准II设计，以混合料体积设计为基础，附加一组SST和IDT实验以达到一系列性能预测。 混合料最高路面性能水平设计也称水准III设计，以混合料体积设计为基础，附加的SST和IDT实验是在一个较宽温度变化范围内进行实验。由于包含了更广泛的实验范围和结果，完全分析可提供更可靠的性能预测水平。 Superpave沥青混合料设计系统是根据工程所在地的气候和设计交通量，把材料选择与混合料设计都集中在体积设计法中，该方法要求在设计沥青路面时，充分考虑在服务期内温度对路面地影响，要求路面在最高设计温度时能满足高温性能地要求，不产生过量地车辙；在路面最低温度时，能满足低温性能地要求，避免或减少低温开裂；在常温范围内控制疲劳开裂。对于沥青结合料，采用旋转薄膜烘箱实验来模拟沥青混合料在拌和和摊铺工程中的老化；采用压力老化容器模拟沥青在路面使用工程中的老化。对于集料，在进行混合料级配设计时，采用控制点和限制区的概念来限定，优选实验级配设计。对于沥青混合料，在拌好后，采用短期老化来模拟沥青混合料在拌和摊铺压实过程中的老化，沥青混合料试件采用旋转压实仪准备。试件压实过程中，记录旋转压实次数与试件高度的关系，从而对沥青混合料体积特性进行评价。 Superpave混合料体积设计是根据沥青混合料的空隙率、矿料间隙率、沥青填隙率等体积特性进行热拌沥青混合料设计的，方法主要有设计材料选择、沥青混合料拌和、沥青混合料体积分析以及混合料验证，包括体积性质和水敏感性。沥青混合料体积设计过程主要由四部分组成：材料选择；集料级配选择；确定沥青混合料最佳沥青含量；评估沥青混合料的验证，包括体积性质和水敏感性。 Suerpave沥青混合料体积设计法对材料、集料级配、混合料均有严格的规定，并制定了相应的严格规范要求，包括胶结料规范、集料规范、混合料规范。Marshall和Hveem设计方法为它提供了体积设计的基础。它将沥青胶结料和集料的选择纳入混合料设计的过程中，同时考虑了交通和气候因素。而且，不同于Marshall和Hveem，它用旋转压实仪替代了以往的压实设备，并且和预期交通量联系在一起。Superpave的预期进展主要包括三个方面：体现交通荷载和环境条件的混合料设计新方法；新的沥青胶结料评价方法以及新的混合料分析方法。尽管第三方面还没有完成，但是已经很好的建立了沥青混合料的设计方法。1.2.2 Superpave的混合料设计步骤Superpave的混合料设计主要包含以下步骤：集料的选择。Superpave的不同之处在于：首先，它用控制点来限制集料的级配；其次，它对粗细集料的棱角性、扁平和细长颗粒以及粘土含量有一致的要求。胶结料的选择。它采用自己的基于使用地区预期路面温度极值PG的性能分级体系来选择沥青，并且开发了分级计算软件。试件的制备。同样也是先进行最佳油量预估，然后用旋转压实仪进行压实。性能实验。这一部份的实验还没有完全开发出来。密实度和空隙率分析。密实度分析采用毛体积密度Gmb和理论最大密度Gmm来计算混合料的体积参数。选择最佳的沥青用量。最佳的沥青用量应是在Ndesign的旋转次数下空隙率达到4的用量，同时还要满足其他的一些要求，比如Nmax和Ninitial下的空隙率、VMA以及VFA的要求。水敏感性评价。用拉伸比(TSR>来评价，要求不小于8 0。2.Marshall与Superpave设计方法的对比马歇尔设计方法是我国沥青路面建设中正在遵循的设计方法。其基于沥青混合料的密度孔隙率分析，强调的是稳定度流值实验，目的是获得适用的、耐久的沥青混合料。在马歇尔设计方法中，实验用试件的成型方法为击实成型法，即按照规定的击实高度、击实次数，将标准质量的击实落锤沿导向柱自由、垂直落下，从而获得实验用圆柱体试件<击实试件及方法见下图）。标准马歇尔击实仪标准马歇尔试件马歇尔设计方法作为我国公路设计、材料实验和道路施工、验收的标准方法，目前已普遍得到推广和应用。但是，随着我国公路运输量逐年的快速增长，运输工具的不断变化(如轴载、轮胎压强等>，以及新材料、新工艺、新结构的不断涌现，马歇尔设计方法的局限性也逐渐显露出来，其表现在以下几个方面：a>不能精确判断不同交通量对沥青混合料技术指标的要求，无法模拟不同交通量等级、不同行驶速度、不同交通环境条件对沥青混合料路面性能的影响：b>由于马歇尔实验结果的稳定度、流值等来源于实验室的技术指标，不足以评价沥青路面的某些性能(如抗剪强度、抗车辙能力>，因此无法从时间上、空间上预测沥青路面的早期变形和破坏，造成公路养护工作滞后；C>马歇尔设计方法中实验用试件的成型方法为击实法成型，力的形式为冲击夯实产生的垂直冲击力，与压路机械施工或车辆行驶过程中，在搓揉碾压作用下产生的力的形式截然不同，因此不能准确反映沥青路面的各项性能指标；d>仅适用于普通的连续密级配的沥青混合料设计，不适用开级配的沥青混合料设计。为了克服马歇尔设计方法的局限性，1987年，美国国会批准建立了美国公路战略研究计划(SHRP>，目的是改进沥青道路的性能及耐久性，提高沥青道路行驶的安全性和舒适性。SHRP计划历时5年，取得了圆满成功。高性能沥青路面(Superpave>是SHRP计划中的重要研究内容，它是一个全新的、内容广泛的沥青混合料设计和分析体系，是一种改进了的基于性能的体系。就沥青混合料的实验意义而言，它使实验室的实验结果与沥青路面现场的实际性能联系得更加紧密，较马歇尔设计方法，更具有科学性、实用性和经济性，可以有效地提高沥青路面的施工质量，保证沥青路面上车辆行驶的舒适性和安全性，因此体现了热拌沥青混合料设计的科技发展。为了学习、推广SHRP计划，提高沥青路面的使用性能，延长沥青路面的使用寿命。我国公路建设在继续采用马歇尔设计方法的同时，已经对高性能沥青路面(Superpave>设计方法开展了积极的科学研究工作。高性能沥青路面(Superpave>设计方法中实验用试件的成型方法为旋转压实仪成型方法，即模拟实际路面材料体积性质和工程属性，在恒定的垂直压强、恒定的压实角度、规定的压实转速三个主要技术条件下，通过揉搓方法，使试件循偏心角度作匀速圆周旋转，并用以恒压压实，再去除偏心角度恒压旋转整平，完成热拌沥青混合料圆柱体试件的成型。整个压实过程中，沥青混合料同时受到垂直压强和水平剪切力的作用，使集料颗粒定向形成骨架，从而较形象地模拟了荷载运动过程中对沥青路面的揉搓压实作用。通过实验获知，旋转压实仪成型的试件与现场钻芯取样的试件，在体积特性及物理特性等方面不仅可以建立起相关关系，而且相关性良好。因此，旋转压实仪自然成为了高性能沥青路面(Superpave>设计方法中的关键设备<旋转压实仪及标准试件如下图）。SGC旋转压实成型标准试件3.Superpave设计方法的主要优缺点3.1 Superpave设计方法主要优点美国Superpave混合料体积设计方法与传统的马歇尔设计方法相比较在许多方面作了很大改进，具有以下优点：3.1.1 材料选择与评价配制沥青昆合料主要材料是集料与沥青。对于这两类材料Superpave设计规范最基本的思想是根据道路所处的自然和交通条件来进行选择。对于集料，规范特别重视集料的棱角性要求。棱角性与交通量相挂钩，交通量越大要求棱角性越好。对于针片状颗粒含量要求限制在1O以内。对于沥青结合料的选择即根据路面的最高温度与最低设计温度和交通条件加以选择。如路面最高温度为64最低气温为一16，则可选择PG6416等级的沥青若交通量大于10xl0 ，则高温还应该提高一个等级，即选择PG7016。传统的混合料设计虽然也考虑当地温度，但往往比较粗略，或用7O号沥青或用9O号沥青没有更仔细地考虑。3.1.2 试件成型采用旋转压实仪压实过程是一种搓揉运动集料能够重新调整位置而获得密实不会发生压碎损伤现象。同时在压实过程中仪器能够画出压实曲线，可以用来评价混合料的压实特性。旋转压实仪可以成型直径为150mm试件，因而对最大粒径25mm以上的混合料都能够适用。马歇尔试件采用锤击方式成型只能成型直径为100mm的试件压实方式为重锤击实，与现场施工压实有所差别，如碎石材料比较软弱则可能被锤击破碎。该设计方法规定在压实成型试件之前沥青混合料要先进行短期老化目的在一定程度上模拟实际施工时所产生的老化。3.1.3 试件成型的压实次数按交通量大小分成4个等级。交通量不同，试件成型的压实功应该有所不同，Superpave合料体积设计方法的压实次数与交通量挂钩是正确的，相对于马歇尔实验方法只粗略分为5O次和75次要合理得多。3.1.4 混合料设计方法对于混合料的沥青饱和度VFA根据交通量不同提出相应的控制标准，交通量小VFA为70一80交通量大，VFA为65-75。这是考虑到不同交通量情况下，对路面的压实程度是不同的显然交通量大初始沥青饱和度小一些，以便预留较多的空隙起到防止在车辆压实下空隙率减小而使混合料失稳的作用。3.1.5 混合料体积设计方法考虑了集料开口空隙吸收沥青的现象将这部分沥青不作为有用沥青，为此提出了有效沥青含量的概念。因为对于某些空隙率较大的碎石材料有可能吸收较多的沥青，而这部分沥青实际上是无效的。由于碎石会不同程度地吸收一定数量的沥青，无论采用表干密度、毛体积密度，都不能真实反映集料在混合料中的状态，因而对于集料也提出采用有效密度的概念和相应的计算方法。由于考虑碎石材料吸收沥青的特性，对于沥青混合料体积参数的计算方法也都发生了改变，其中包括矿料间歇率VMA、饱和度以及沥青用量等重要参数。可以认为，按有效沥青、有效密度等概念是比较合理的。Superpave混合料体积设计方法对我国已经产生了积极的影响，其中一些正确、合理的思想和方法已得到国内许多学者的认可，并且在我国2005年实施的公路沥青路面施工技术规范(JTG F402004>中有所体现。3.2 Superpave设计方法存在的主要问题美国SHRP所制订的Superpave设计规范，与传统的马歇尔方法相比较有了很大的进步，其一些思路和方法值得我们学习和借鉴。在2005年实施的公路沥青路面施工技术规范(JTG F402004>中已在很多方面有所体现，如有效沥青含量、集料有效相对密度、粗细级配关键筛孑L的通过率、矿料间歇率计算方法等都作了修改，体现了科学技术的进步。另一方面，我们也要看到Superpave规范还处于不断改进与完善的过程中，它自身也存在不少的问题，需要解决。3.2.1 设置级配限制区缺乏充分依据Superpave混合料设计规范关于集料级配重要的一点。就是提出了限制区。也即级配曲线在0.3475mm细集料部分不能通过某一区域，否则将认为混合料的稳定性会严重下降，路面容易出现车辙。级配限制区提出貌似有理。但在美国国内早就受到很多人的质疑。Sousa等人认为，级配线通过禁区或通过禁区的上方，虽然其结合料用量要多一些，但其稳定度却比按Superpave方法设计的混合料稳定度要高，抗剪强度也大，而如果按Superpave求，为提高抗车辙性能，将级配线通过禁区的下方，则根据实验其疲劳实验性能并不理想。美国奥本大学Kandhal与Mallick为评价混合料级配对其抗车辙性能得影响，分别采用花岗岩、石灰岩以及砾石拌制成沥青混合料，级配分别通过禁区、禁区上方和下方，用旋转压实仪成型试件，然后用沥青路面分析仪(APA>进行轮辙实验，经过8000次后测量车辙深度。实验结果表明，虽然不同岩石的碎石材料车辙深度有明显差别，但发现通过禁区下面的级配车辙量最大，在禁区上面的级配车辙量中等，而通过禁区的最小。国内近几年也就这一问题进行了许多实验，也得出与美国学者相类似的结果。可见禁区的提法未必是合理的。研究表明，沥青混合料的高温稳定性，重要的是其级配要能形成骨架结构，能够支撑车轮荷载。Superpave设计方法并没有明确的级配理论，只是让设计者先画出三条级配线，然后进行比较这本身就显得设计方法的随意性和不成熟性。Superpave设置禁区的目的是为了限制砂的使用，过多地使用天然砂肯定是不好的，必须限制，这是人们早就知道的，无须通过设置限制区来解决这一问题。更何况如果采用机制砂则更不存在这一问题。实际上现场生产集料级配不可能没有波动，禁区的范围很小即使它非常合理，实际施工时也难以控制。所以禁区的提法是没有必要的。正因为如此，现在美国Superpave设计方法的制订者也认为应该废止禁区的提法。3.2.2 设计沥青用量明显偏低而影响路面耐久性美国许多州采用Superpave设计方法所设计的沥青混合料铺筑路面。虽然车辙的问题少了，但近年来发现路面的耐久性差了，路面有渗水引起的病害，如松散、坑洞、裂缝等。究其原因是因为按Superpave方法进行设计用油量明显偏低0.2一0.4。他们研究发现。旋转压实虽然与交通量挂钩是对的，但实验室压实比施工压实功实际上大得多，导致密度偏大，用油量偏小，造成压实困难，结果空隙率大，路面渗水，影响了路面的耐久性。近期作为纠正措施。美国有些州采取降低设计空隙率，如马里兰州<Maryland>将设计空隙率由4降低为3.5；科罗拉多州(Colorado>则降为3.0，以达到增加沥青用量的目的。他们研究认为，空隙率降低1，沥青用量则可增加0.20.3。也有的州采取降低设计压实水平，如维吉尼亚州(Virginia>将旋转压实次数改为65次。阿拉巴马州(Alabama>对于大交通量道路则将旋转压实次数从125次减为100次，以后又减为85次。他们研究发现，当设计压实次数由80次降低为60次时，其混合料沥青用量则可增加0.20.4，而在现场则变得容易压实，使路面的渗水现象减少，从而提高了路面的耐久性。美国国家沥青研究中心(NCAT>针对上述问题研究认为，由于室内压实标准的改变，将对矿料问歇率(VMA>以及沥青用量等产生一系列影响，所以关于Superpave设计方法还需要深入进行研究。他们认为Superpave设计方法现在已经进入了“整改时期”(M0dification Era>。近两年我国许多单位在应用Superpave方法进行混合料设计时，同样感到沥青用量明显偏低，施工时难以压实。为此大多认为需要采取提高温度、使用重型压实机械等措施。而很少从该方法本身提出质疑或修改意见。3.2.3 混合料设计过程十分繁琐而复杂Superpave方法整个设计过程包括以下步骤：材料选择；集料级配的确定；计算实验级配初始沥青用量；成型各实验级配的混合料试件；评价实验级配混合料的压实特性；设计沥青用量的选择；对所设计的沥青混合料进行水敏感性评价。其中关于初始沥青用量的估算，试件体积参数的计算与调整，计算公式多达十多个，整个过程非常复杂，需要花费很多时间和精力，很不适合于工程应用。因而在实际采用Superpave方法进行设计时，往往都回避了其中很多计算过程与调整过程，也就是说并没有完全按照该方法所规定的步骤进行。这说明Superpave设计方法过于理想化，实用性有待改进。3.2.4 所用设备十分昂贵按Superpave设计规范所规定的设计水平1，即体积设计，主要需要一台旋转压实仪。但这台旋转压实仪则需要花费几万美元购置，现在虽然已经有不少的研究机构购置了，甚至有某些工程单位也买了该设备，即便如此，总体来说其普及率还是非常低的。俗话说曲高和寡，大量的教案、科研以及施工单位因为经费问题并未能购买，这就给推广应用带来了困难。如果按照设计水平2和设计水平3进行设计，则还需要购置大量昂贵的仪器设备，其费用估计需要几百万美元。设计水平2与设计水平3远还未到实用的阶段，而仪器过于昂贵和实验的烦琐也可能是主要原因。所以该方法还是停留在体积法阶段，并未能与沥青混合料路用性能直接挂起钩来。4.应用前景我国对美国SHRP的SUPERPAVE的研究进展及其成果一直十分关注。SHRP计划的信息刚传到中国，就引起了我们的注意，1989年我国在申报“八五”国家科技攻关计划重点专题“道路沥青及沥青混合料的路用性能”的可行性报告及立项计划时，就以跟踪美国最新研究成果为宗旨，意在把我国的专题搞成中国的战略公路研究计划C-SHRP，在19911995的五年科研过程中，课题组经常关注SHRP研究的新进展，充分吸取SHRP成果的新思想、新方法，立足于我国的国情，力求使我国的广大科技人员既能很快掌握，并在生产中得到应用，又能与SHRP的最新成果保持良好的相关关系。经过几年努力，提出了一整套道路沥青及沥青混合料的新指标，尤其是提出了新的“重交通道路沥青技术要求”的建议，经过对比验证，证实我国的指标虽然简单，但与美国的最新方法之间有十分良好的相关关系，课题鉴定时专家们一致认为研究成果达到了当代国际先进水平。目前采取实施Superpave规范中出现的问题,路面出现这些病害的主要原因在于按Superpave设计的沥青路面沥青含量明显偏低，沥青混合料比较干涩，因此需要采取措施以增加沥青用量。主要采取以下两种措施：(1>减少旋转压实次数对于重交通道路将设计压实次数从125次减少为100次，以后又减少为85次。后来又从85次降低为60次。经实验比较，旋转压实60次的沥青用量要比85次平均增加0204。经这样调整，沥青混合料性能有明显改善，变得易于压实，路面渗水性降低，耐久性提高。研究认为，旋转压实65次还是比马歇尔实验压实水平高。(2>降低设计空隙率Superpave规范规定设计空隙率为4。将设计空隙率由4 降低为3 ，以增加沥青用量。这样空隙率降低1，沥青用量约增加03 。我国目前的施工条件在路面难以达到相应的压实条件，易出现空隙率偏大的问题，因此建议在我国采用SGC进行沥青混合料设计时，对美国的规范进行修改，降低旋转压实的次数以适应我国的施工条件。相信在未来的沥青道路中，我们将越来越多的用到Superpave的设计方法及相关理念。参考文献：1 沈金安，李福普，陈景，高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策.人民交通出版社 2004.2 沈金安, 沥青及沥青混合料路用性能M 北京：人民交通出版社 2001.Discussion on the Design Methods of Superpave and theApplication ProspectsAbstract: With many advantages of asphalt pavement, asphalt concrete road has become the main structure types, which has been widely used. It becomes very important to Choose a suitable mixture design method of asphalt pavement to meet the critical performance requirements. This paper describes the Marshall design method and the Superpave design method, by comparing this two design methods, finding out they have obtained good correlation.There are many the deficiencies of the Superpave mixture design method nowadays. The Superpave Design Methodfinally would have a good prospects in china.Key words:the design method of asphalt pavement 。the Design Method of Superpave。the applicationprospects