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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 浅谈 Superpave 混合料的设计方法及应用前景余涛 设计方法等相继产生；沥青混合料设计方法的不断进展、完善,不仅扩大了沥青的使用范畴,同时对承担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：主要对介绍 Marshall 和Superpave 设计方法；1.1Marshall 混合料设计方法Marshall 、Hveem以及 Superpave ,本文Marshall 混合料设计方法是在1939年左右由 Bruce Marshall最先进展起来的,随后在美国工程兵部队的应用中得到完善；该方法主要是
2、通过满意合适的稳固度和流值条件下的 密实度来掌握和挑选沥青用量；Marshall 设计主要包括以下六个步骤：集料的挑选；包含三个部分：确定集料的物理特性；确定其他的物理指标,对全部 采纳的集料进行级配组成设计；沥青胶结料的挑选；在这方面并没有明确的步骤,主要是通过试验确定沥青胶结料 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,然后依据每一种试拌混合料 的性能来确定正确用油量；试拌试件的油量范畴应当包含正确油量,因此要先依据体会预 估一下正确油量；稳固度和流质试验；该试验为Marshal 方法供应了混合料性能猜测；稳固度试验可以测定试件在 50mm minute 的加载速率下的最
3、大承担才能,加载逐步提升直至最大值开头回 落,记录最大值；同时,流值以 0.25mm的单位记录下来；密度和间隙率分析；全部的设计方法都会使用密度和间隙率来确定混合料的基本物 理特性,密度一般采纳毛体积密度和理论最大毛体积密度,之后用这些密度来运算体积参 数 确定正确沥青用量；经过上面两个步骤,可以确定正确油量；第一画出沥青含量分别与密度、稳固度、流值、间隙率、佳用油量 . VFA的关系图表,然后依据规定的范畴选取中值作为最Marshall 沥青混合料设计方法的优点在于它关注了间隙率、强度和耐久性,试验设备 相对廉价经济,试验过程易于掌握、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
4、对沥青混合料产生不良影响、稳固度和流值试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2 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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
5、混合料体积设计方法,运算机软件及相关的使用设备、试验方法和标准；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 来评判,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,强调的是稳固度流值试验,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,试验用试件的成型方法为击实成型法,即依据规定的击实高度、击实次数,将标准质量的击实落锤沿导向柱自由、垂直落下,从而获得试验用圆柱体试件 ,以及新材料、新工艺、新结构的不断涌现,马歇尔设计方
6、法的局限性也逐步显露出来,其表现在以下几个方面：a不能精确判定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由于马歇尔试验结果的稳固度、流值等来源于试验室的技术指标,不足以评判沥青路面的某些性能 如抗剪强度、抗车辙才能 早期变形和破坏,造成大路养护工作滞后；,因此无法从时间上、空间上猜测沥青路面的C马歇尔设计方法中试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,因此不能精确反映沥青路面的各项性能指标；d仅适用于一般的连续密
7、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大路战略讨论方案 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服性；SHRP方案历时 5年,取得了圆满胜利；高性能沥青路面Superpave 是SHRP方案中的重要研究内容,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；就沥青混合料的试验意义而言,它使试验室的试验结果与沥青路面现场的实5 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 际
8、性能联系得更加紧密,较马歇尔设计方法,更具有科学性、有用性和经济性,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服性和安全性,因此表达了热拌沥青混合料设计的科技进展；为了学习、推广 长沥青路面的使用寿命；SHRP方案,提高沥青路面的使用性能,延我国大路建设在连续采纳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讨论工作；高性能沥青路面Superpave 设计方法中试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
9、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；通过试验获知,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中有所表达；3.2 Superpave 设计方法存在的主要问题2005年实施的大路美国 SHRP所制订的 Superpave 设计规范,与传统的马
10、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年实施的大路沥青路面施工技术规范JTG F40 2004中已在很多方面有所表达,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、矿料间歇率运算方法等都作了修改,表达了科学技术的进步；另一 方面,我们也要看到 Superpave 规范仍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 0.3 475mm细集料部分不能通过某一区域,否就将认为混合料的稳固性会严
11、峻下降,路面简洁显现车辙；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固度要高,抗剪强度也大,而假如按 Superpave 求,为提高抗车辙性能,将级配线通过禁区的下方,就依据试验其疲惫试验性能并不抱负；美国奥本高校 Kandhal 与Mallick为评判混合料级配对其抗车辙性能得影响,分别采纳花岗岩、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进行轮辙试验,经过8000次后测
12、量车辙深度；试验结果说明,虽然不同岩石的碎石材料车辙深度有明显差别,但发觉通过禁区下面的级 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很多试验,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；讨论说明,沥青混合料的高温稳固性,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便性和不成熟性；8 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - Sup
13、erpave 设置禁区的目的是为了限制砂的使用,过多地使用自然砂确定是不好的,必需限 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；更何况假如采纳机制砂 就更不存在这一问题；实际上现场生产集料级配不行能没有波动,禁区的范畴很小即使 它特别合理,实际施工时也难以掌握；所以禁区的提法是没有必要的；正由于如此,现在 美国 Superpave 设计方法的制订者也认为应当废止禁区的提法；3.2.2 设计沥青用量明显偏低而影响路面耐久性 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 美国很多州采纳 了,但近年来发觉路面的耐久性差了,路面有渗水引起的病害,如松散、坑洞
14、、裂缝等；究其缘由是由于按Superpave 方法进行设计用油量明显偏低0.2 一 0.4 ；他们讨论发觉；旋转压实虽然与交通量挂钩是对的,但试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,结果间隙率大,路面渗水,影响了路面的耐久性；近期作为订正措施；美国有些州实行降低设计间隙率,如马里兰州 将设计间隙率由 4降低为 3.5 ；科罗拉多州Colorado 就降为 3.0 ,以达到增加沥青用量的目的；他们讨论认为,间隙率降低 1,沥青用量就可增加 0.2 0.3 ；也有的州实行降低设计压实水平,如维吉尼亚州 Virginia 将旋转压实次数改为 65次；阿拉巴马州
15、Alabama对于大交通量道路就将旋转压实次数从 125次减为 100次,以后又减为 85次；他们讨论发觉,当设计压实次数由 80次降低为 60次时,其混合料沥青用量就可增加 0.2 0.4 ,而在现场就变得简洁压实,使路面的渗水现象削减,从而提高了路面的耐久性；美国国家沥青讨论中心NCAT针对上述问题讨论认为,由于室内压实标准的转变,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 设计方法仍需要深化进行讨论；他们认为 Superpave 设计方法现在已经进入了“ 整改时期”M0dification Era；近两年我国很多单位在应用Superpave 方法进行
16、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；为此大多认为需要实行提高温度、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看法；3.2.3 混合料设计过程特别繁琐而复杂 Superpave 方法整个设计过程包括以下步骤：材料挑选；集料级配的确定；运算 试验级配初始沥青用量；成型各试验级配的混合料试件；评判试验级配混合料的压实 特性；设计沥青用量的挑选；对所设计的沥青混合料进行水敏锐性评判；其中关于初 始沥青用量的估算,试件体积参数的运算与调整,运算公式多达十多个,整个过程特别复 9 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 11 页精选学习资料 -
17、- - - - - - - - 杂,需要花费很多时间和精力,很不适合于工程应用；因而在实际采纳 Superpave 方法进行设计时,往往都回避了其中很多运算过程与调整过程,也就是说并没有完全依据该方法所规定的步骤进行；这说明 Superpave 设计方法过于抱负化,有用性有待改进；3.2.4 所用设备特别昂贵按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；但这台旋转压实仪就需要花费几万美元购置,现在虽然已经有不少的讨论机构购置了,甚 至有某些工程单位也买了该设备,即便如此,总体来说其普及率仍是特别低的；俗语说曲 高和寡,大量的教案、科研以及施工单位由于经费
18、问题并未能购买,这就给推广应用带来了困难；假如依据设计水平2和设计水平 3进行设计,就仍需要购置大量昂贵的仪器设备,其费用估量需要几百万美元；设计水平 2与设计水平 3远仍未到有用的阶段,而仪器过于昂贵和试验的烦琐也可能是主要缘由；所以该方法仍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的讨论进展及其成果始终特别关注；SHRP方案的信息刚传到中国,就引起了我们的留意,1989 年我国在申报“ 八五” 国家科技攻关方案重点专题“ 道路沥青及沥青混合料的路用性能” 的可行性报告及立项方案时,就以跟踪美国最新讨论成果为宗旨,意在把
19、我国的专题搞成中国的战略大路讨论方案C-SHRP,在 19911995 的五年科研过程中,课题组常常关注SHRP讨论的新进展,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把握,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,特殊是提出了新的“ 重交通道路沥青技术要求” 的建议,经过对比验证,证明我国的指标虽然简洁,但与美国的最新方法之间有特别良好的相关关系,课题鉴定时 专家们一样认为讨论成果达到了当代国际先进水平；目前实行实施 Superpave 规范中显现的问题, 路面显
20、现这些病害的主要缘由在于按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,因此需要实行措施以 增加沥青用量；主要实行以下两种措施：1 削减旋转压实次数对于重交通道路将设计压实次数从125次削减为 100次,以后又削减为85次；后来又从 85次10 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 降低为 60次；经试验比较,旋转压实60次的沥青用量要比85次平均增加 02 04；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；讨论认为,旋转压实 65次仍是比马歇尔
21、试验压实水平高；2 降低设计间隙率Superpave 规范规定设计间隙率为 4；将设计间隙率由 4 降低为 3 ,以增加沥青用量；这样间隙率降低 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,易显现间隙率偏大的问题,因此建议在我国采纳 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；信任在将来的沥青道路中,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,高速大路沥青路面早期损坏分析与防治计策. 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
22、通出版社 2001. Discussion on the Design Methods of Superpave and theApplication Prospects Abstract: 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 asp
23、halt 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 11 / 11 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 11 页