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1、美国美国SHRP计划计划Superpave沥青混合料设计方法主讲人：张起森主讲人：张起森 教授、博导教授、博导20122012年年3 3月月12一、SHRP简介（Strategic Highway Research program）SHRP是美国国会1987年批准的为期五年(19871993）的研究项目，耗资一亿五千万美元（按当时汇率换算约占13.5亿人民币）。由美国国家科学研究院(NRC)管理，由联邦公路局（FHWA）和美国州公路和运输工作者协会（AASHTO）合作完成。22主要研究内容四个：主要研究内容四个：公路运营公路运营混凝土与结构混凝土与结构沥青（研究经费，沥青（研究经费，50005
2、000万美元）万美元）路面长期性能路面长期性能32024/7/8 取得主要成果130多项，1991年11月美国联邦政府又拨款一亿零八百万美元，作为成果推广及路面长期性能（LTPP）观测的研究经费，所以整个SHRP的经费达到二亿伍仟八百万美元（约合人民币23.32亿元）42主要研究内容有主要研究内容有六六个个 沥青胶结料和混合料的路用性能规范沥青胶结料和混合料的路用性能规范 沥青胶结料性能试验沥青胶结料性能试验 沥青混合料的加速性能试验沥青混合料的加速性能试验 沥青水敏感性沥青水敏感性 沥青样品准备和条件沥青样品准备和条件沥青炼制指南及沥青成分分析技术。沥青炼制指南及沥青成分分析技术。二、沥青研
3、究的主要内容52024/7/8沥青研究项目总经费5千万美元（约4.5亿人民币），整个SHRP经费的1/3。有世界各国30个多个单位参加，经世五年时间取得22项成果，其中superpave混合设计方法就是其中最重要的成果之一。62SHRPSHRP沥青研究主要任务有三个：沥青研究主要任务有三个：*制定以路面性能为基础的沥青胶结料规范；制定以路面性能为基础的沥青胶结料规范；*制定混合料设计规范；制定混合料设计规范；*将沥青的物理、化学性质、沥青混合料的性将沥青的物理、化学性质、沥青混合料的性 质与路用性能联系起来，并进行验证。质与路用性能联系起来，并进行验证。72 三、沥青胶结料性能规范特点：*沥青
4、的相关指标直接与现场性能建立联系；以路面温度（最高、最低温度）作为沥青分级的依据；*研究了一套全新的试验设备（旋转压实仪SGC），动力剪切流变仪（DSR），弯曲梁流变仪（BBR）,直接拉力仪（DDT）等。*适用于普通沥青和改性沥青。Superpave结合料性能分级规范见下表82沥青使用性能等级PG 46PG 5234404610162228344046平均7天最高路面设计温度a4652最低路面设计温度a34404610162228344046初始结合料闪点温度，T48：最小 a 230粘度，ASTM D4402：b最大，3pas，试验温度，135动态剪切，TP5：cG*/sin，最小1.00k
5、pa试验温度 10rad/s/，4652R T F O T (T 240)或 T F O T（T179）残 留 沥 青质量损失，最大，%1.00动态剪切，TP5：G*/sin，最小，2.20kpa试验温度 10rad/s/，4652P A V 残 留 沥 青（P P 1）PAV 老化温度，d9090动态剪切，TP5：G*sin，最大5000kpa试验温度 10rad/s/,10742522191613107物理硬化指数e 报 告蠕变劲度，TP1：fS，最大，300MPa，m值，最小，0.300试验温度 60s，243036061218243036直接拉伸，TP3：f破坏应变，最小，1.0%试验
6、温度1.0mm/min，24303606121824303692沥青使用性能等级PG 58PG 641622283440101622283440平均7天最高路面设计温度a5864最低路面设计温度a1622283440101622283440初始结合料闪点温度，T48：最低 230粘度，ASTM D4402：b最大，3pas，试验温度，135动态剪切，TP5：cG*/sin，最小1.00kpa试验温度 10rad/s/，5864R T F O T (T 240)或 T F O T（T179）残 留 沥 青质量损失，最大，%1.00动态剪切，TP5：G*/sin，最小，2.20kpa试验温度 10
7、rad/s/，5864P A V 残 留 沥 青（P P 1）PAV 老化温度，d100100动态剪切，TP5：G*sin，最大5000kpa试验温度 10rad/s/,2522191613312825221916物理硬化指数e 报 告蠕变劲度，TP1：fS，最大，300MPa，m值，最小，0.300试验温度 60s，6121824300612182430直接拉伸，TP3：f破坏应变，最小，1.0%试验温度1.0mm/min，6121824300612182430102沥青使用性能等级PG 70PG 761016222834401016222834平均7天最高路面设计温度a7076最低路面设计
8、温度，a1016222834401016222834初 始 结 合 料闪点温度，T48：最低 230粘度，ASTM D4402：b最大，3pas，试验温度，135动态剪切，TP5：cG*/sin，最小1.00kpa试验温度 10rad/s/，7076R T F O T(T 2 4 0)或 T F O T（T 1 7 9）残 留 沥 青质量损失，最大，%1.00动态剪切，TP5：G*/sin，最小，2.20kpa试验温度 10 rad/s/，7076P A V 残 留 沥 青（P P 1）PAV 老化温度，d100（110）100（110）动态剪切，TP5：G*sin，最大，5000kpa试验温
9、度 10rad/s/,3431282522193734312825物理硬化指数e 报 告蠕变劲度，TP1：fS，最大，300MPa，m值，最小，0.300试验温度 60s，061218243006121824直接拉伸，TP3：f破坏应变，最小，1.0%试验温度1.0mm/min，061218243006121824112沥青使用性能等级PG 821016222834平均7天最高路面设计温度a82最低路面设计温度，a1016222834初 始 结 合 料闪点温度，T48：最低 230粘度，ASTM D4402：b最大，3pas，试验温度，135动态剪切，TP5：cG*/sin，最小1.00kpa
10、试验温度 10rad/s/，82R T F O T(T 2 4 0)或 T F O T（T 1 7 9）残 留 沥 青质量损失，最大，%1.00动态剪切，TP5：G*/sin，最小，2.20kpa试验温度 10 rad/s/，82P A V 残 留 沥 青（P P 1）PAV 老化温度，d100（110）动态剪切，TP5：G*sin，最大，5000kpa试验温度 10rad/s/,4037343128物理硬化指数e 报 告蠕变劲度，TP1：fS，最大，300MPa，m值，最小，0.300试验温度 60s，06121824直接拉伸，TP3：f破坏应变，最小，1.0%试验温度1.0mm/min，0
11、6121824122表中，沥青性能等级是按PG（performance grade）进行分级的。如PG6422，前面一个数字为“路面高温等级”，后一数字为“空气低温等级”。对于PG6422等级的沥青，可以满足路面最高温度（距路表2cm，统计年份七天平均最高路面设计温度（）64的物理特性要求；同样，可满足一年一天最低的空气温度22的要求。132Superpave 结合料分为七级，每级温差6，见表，高温等级（）低温等级（）PG 4634 40 46 5210 16 22 28 34 40 46 5816 22 28 34 40 6410 16 22 28 34 40 7010 16 22 28 3
12、4 40 7610 16 22 28 34 8210 16 22 28 34142 其中，PG76和PG82只适用于慢速或长期荷载（如交叉口附近），或有超重载货车交通流的路段设计。Superpave结合料规范取代了在固定温度进行试验而改变试验规定值要求的传统做法，采用了试验要求值是固定的，而达到此规定值的温度是变化的（根据当地温度而定）。152 Superpave 结合料规范解释如下：沥青使用性能等级PG 52PG 581016222834404616227d平均路面最高设计温度5258最低路面设计温度101622283440461622原 始 结合料闪点温度，T48：最小 230粘度，AST
13、M D4402：最大，3pas，（3000cp）试验温度，135动态剪切，TP5：G*/sin，最小1.00kpa试验温度（）5258规范要求保持常量改变试验温度162沥青使用性能等级动态剪切，TP5：G*/sin，最小1.00kpa试验温度,10rad/s/，旋转薄膜烘箱（T240）质量损失，最大，%动态剪切，TP5G*/sin，最小，2.20kpa试验温度 10rad/s/，控制路面车辙而定的指标控制路面车辙而定的指标172PAV路面老化温度，动态剪切，TP5：G*sin，最大5000kpa试验温度，10rad/s/,物理硬化指数e蠕变劲度，TP1：S，最大，300MPa，m值，最小，0.
14、300试验温度 60s，直接拉伸，TP3：破坏应变，最小，1.0%试验温度，1.0mm/min，为控制疲劳开裂而设定的指标为控制疲劳开裂而设定的指标 低温开裂控制指标标低温开裂控制指标标182路面最常见的 破坏现象提出三个控制路面性能的指标：永久变形（车辙）永久变形（车辙）疲劳开裂疲劳开裂 低温（热）开裂低温（热）开裂192温度的确定：superpave搜集了美、加7500个气象的天气信息数据库，多于20年的时间，计算七天平均最高气温平均值和标准差；同样也计算每年一天最低气温和七天平均最高气温平均值和标准差。202 路面最高温度：路表以下20mm的温度，计算公式：式中：位于20mm深度处的最高
15、路面设计温度；七天平均最高气温，；项目的地理纬度，度。对于最低路面设计温度计算公式为(加拿大提出)：平均年最低气温，；212Superpave结合料规范的另一个特点，模拟结合料寿命期三个临界阶段进行沥青结合料试验：*第一阶段第一阶段：原始沥青试验代表运输储存和 装卸阶段的性质；*第二阶段第二阶段：老化沥青(RTFO)试验代表拌合 铺筑过程中的沥青；*第三阶段第三阶段：物理硬化后的沥青(PAV)试验代 表热拌沥青铺筑后的长期老化阶段。222Superpave结合料试验设备和目的见下表设备目的旋转薄膜烘箱（RTFO）压力老化箱（PAV）模拟结合料老化（施工、储运过程）模拟路面服务期老化（硬化，使用
16、过程）动力剪切流变仪（DSR）测试结合料高温和中温性能，测定复数剪切模量G*和相位角，确定车辙因子G*/sin(注1)，G*sin确定疲劳因子旋转粘度仪（RV）测定结合料高温性能(135，旋转粘度3Pas，施工泵送和摊铺方便)弯曲梁流变仪（BBR）直接拉力仪（DDT）测试结合料低温性能测定入编重力度S和m值（注2）测定破坏应变232压力老化仪 弯曲梁流变仪242024/7/8旋转粘度仪 动态剪切流变仪252024/7/8旋转薄膜烘箱262024/7/8路面温度与superpave结合料等级选择如下图示温度图272四、矿质集料规范1、集料特性集料特性：粗、细集料的棱角性，扁平、细长颗粒含量，以及
17、粘土含量，还有韧性、安定性和有害物质等。要求与交通量和层位发生联系。2、级配设计的特点级配设计的特点Superpave用0.45次方分级配图确定为容许级配。如图282集料尺寸定义：集料尺寸定义：最大尺寸：大于公称最大尺寸的筛孔尺寸。最大公称尺寸：不超过10%的集料颗粒保留的最大粒径筛孔 尺寸。最大密度级配曲线292Superpave级配控制点与限制区控制点和限制区：控制点和限制区：控制点控制点：为级配必须通过其间的校正范围。它位于公称最大尺寸，中等尺寸（2.36mm）和最小尺寸（0.075mm）。限制区限制区：沿最大密实度级配线位于中等尺寸（2.36mm）与0.3mm尺寸之间的一个区域，这区区
18、域是级配不得通过的。“驼峰级配驼峰级配”不易压实及稳定（VMA不当）。302Superpave按公称最大集料尺寸规定了如下的五种混合料级配Superpave编号公称最大尺寸，毫米最大尺寸，毫米37.5毫米25.0毫米19.0毫米12.5毫米9.5毫米37.525.519.012.59.55037.525.019.012.5312五、沥青混合料体积配合比设计 体积特性：*孔隙率(Va)、*矿质集料间隙率（VMA）*沥青饱和度（VFA）*有效沥青含量Pbe。定义 测试集料比重的三种方法：*毛体积比重*视比重*有效比重 322说明毛体积比重、视比重和有效比重及在压实铺路混合料中的有效沥青结合料332
19、体积特性有关参数的定义如下图Superpave混合料设计方法用集料毛体积比重Gsb计算压实铺路混合料VMA，不能用其他比重计算。342体积特性相关参数：Vmb压实混合料毛体积；Va空隙体积；Vmm压实混合料无空隙体积；Vb沥青体积；Vse矿质集料体积；Vma集料中空隙体积；Vsb矿质集料体积（按毛体积比重）；Vfa沥青填充空隙体积；Vba被吸收沥青体积；352压实铺路混合料分析压实铺路混合料分析基础资料：*测试粗集料和细集料的毛体积比重；*测试沥青和矿粉的比重；*计算混合料中集料混合料的毛体积比重；*测试松铺混合料最大比重；*测试压实铺路混合料毛体积比重；362 集料毛体积比重集料毛体积比重：
20、单位体积的可渗透材料（包括可渗透空隙和不可渗透空隙）在规定温度下空气中的质量与同体积无气蒸馏水在同样温度条件下空气中的质量之比。式中：=总集料毛体积比重；=占集料质量的单个百分率；=单个集料毛体积比重。，计算分析：计算分析：372集料有效比重：集料有效比重：单位体积的不可渗透材料（不计入由沥青渗透的空隙）在规定温度下在空气中的质量与同体积无气蒸馏水的质量比。式中：=集料的有效比重；=混合料的最大比重（无空隙）；=松铺混合料总质量百分数，为00；=沥青含量，混合料总质量的百分 =沥青比重。382不同沥青含量混合料的最大比重：不同沥青含量混合料的最大比重：式中：G Gmm mm=压实铺路混合料最大
21、比重（无空隙）；=集料含量，以混合料总质量百分数表示；=集料的有效比重；被吸收的沥青量被吸收的沥青量 式中：=被吸收的沥青，以集料质量百分数表示 =集料毛体积比重。392混合料有效沥青含量：混合料有效沥青含量：式中：=有效沥青含量，以混合料总质量百分数表示矿质集料空隙率：矿质集料空隙率：式中：VMA=矿质集料空隙（毛体积百分数）；=总集料毛体积比重；=压实铺路混合料毛体积比重；402压实混合料空隙率：压实混合料空隙率：式中：=压实混合料中空隙率，总体积百分数 =压实混合料毛体积比重；沥青饱和度：沥青饱和度：式中：VFA=沥青饱和度，VMA百分数；412六、superpave三个水准设计和对应的
22、交通量、试验内容和相关设备superpave混合料设计分为三个等级或三个水准（与交通量有关），如下表Superpave设计水准交通量，ESALs试验要求1ESALs106材料选择和体积配合比2106ESALs107水准1+性能预测试验3ESALs107水准1+扩大的性能预测试验422Superpave两个新的特点：1、室内压实试验旋转压实仪（SGC）模拟路上压路机的搓揉作用。旋转压实仪试模示意图4322、性能试验剪切试验机（SST)和间接拉力试验机（IDT）SST获得路面抗车辙G*/sin和抗疲劳G*sin参数IDT获得路面抵抗低温开裂参数 蠕变劲度 S 蠕变率M 以及抗疲劳开裂力FC。SST
23、IDT442三个设计水准试验内容：水准水准1 1：用SGC压实试件，体积配合比设计选择沥 青用量 水准水准2 2：水准1的内容，增加一组SST和IDT试验，获得G*,sin，S，M,FC等，路面抗车辙 、抗疲劳、抗低温开裂性能预测；适合106ESALs107；水准水准3 3：水准1+水准2的内容，并在更大温度范围 （4，20，40）（0，-10，-20，），）进行SST和IDT试验。性能预测模更复杂，在此不详说。性能预测模更复杂，在此不详说。452七、superpave水准1混合料设计（重点）1 1、试验设备：、试验设备：旋转压实仪（SGC）：加载头压力660kpa；底座旋转速度 30r/mi
24、n；压实角 1.25度。试模 150mm（内径）；115mm（高度）462 压实功能水准是设计旋转次数Ndes的函数，Ndes又是气候和交通水准的函数。Ndes混合料设计，空隙率达4%，选择沥青含量；Ni（初值）衡量混合料适应性的标尺，空隙率至少应 为11%；Nm(最大值)是工地上绝对不应超过的试验室密实度的旋 转次数。空隙率至少为2%。Ndes、Ni、Nm三者关系如下：Ni=（Nd）0.45或lgNi=0.45 lgNdNm=（Nd）1.10或lgNm=1.10 lgNd附加设备还有：附加设备还有：恒温控制烘箱、拌和机（10kg），拌合器，天秤等4722 2、选择设计集料结构、选择设计集料结
25、构评定和选择原材料：评定和选择原材料：集料、沥青，改性剂（添加剂）等 A、沥青选择：借助气息站资料选择气温资料 选定设计可靠度（98%）确定路面设计最高温度和最低气温 确定沥青结合料等级（如PG7010）确定室内拌合压实用的粘度温度曲线B、集料选择：组合级配，粗、细集料棱角性，扁平、细长颗粒、粘土含量（砂当量）比重、韧度、安定性、有害物质等。C、改性剂选择（如SBS、抗车辙剂，温拌剂、阻燃剂，纤维等）482设计集料结构设计集料结构A、确定试验混合料a a、试验三种混合料、试验三种混合料superpave沥青混合料集料级配要求（五种）如下表37.5毫米标称尺寸筛孔（毫米）控制点限制区界限最小最大
26、50100.037.590.0100.0251912.59.54.7534.734.72.361541.023.327.31.1815.521.50.60011.715.70.30010.010.00.1500.0750.00.649225毫米标称尺寸 筛孔（毫米）控制点 限制区界限 最小 最大 37.5100.0 2590.0 100.0 1912.59.54.7539.539.52.3619.045.026.830.81.1818.124.10.60013.617.60.30011.411.40.1500.0751.07.0502024/7/819毫米标称尺寸 筛孔（毫米）控制点 限制区界
27、限 最小 最大 25100.0 1990.0 100.0 12.59.54.752.3623.049.034.634.61.1822.328.30.60016.720.70.30013.713.70.1500.0752.08.0512024/7/812.5毫米标称尺寸 筛孔（毫米）控制点 限制区界限 最小 最大 19100.0 12.590.0100.0 9.54.752.3628.058.039.139.11.1825.631.60.60019.123.10.30015.515.50.1500.0752.010.0522024/7/89.5毫米标称尺寸 筛孔（毫米）控制点 限制区界限 最小
28、最大 12.5100.0 9.590.0 100.0 4.752.3632.067.047.247.21.1831.637.60.60023.527.50.30018.718.70.1500.0752.010.0532024/7/8假设给出A、B、C三个级配，进行superpave初试级配设计粒径（mm）通过百分率（%）控制点限制区级配A级配B级配C25.010010010010019.099.899.699.79010012.591.885.989.0909.577.969.577.54.7535.640.260.02.3623.528.344.8234934.61.1818.421.834
29、.222.328.30.612.214.322.316.720.70.38.49.414.013.70.156.56.99.90.0755.15.27.128542集料19mm公称尺寸级配曲线由表中数据和级配曲线可以看出，初试设计级配全部满足superpave规范控制点与限制区的要求。初试级配设计比较理想。552024/7/8b b、评价组合集料特性、评价组合集料特性：包括级配、粗、细集料棱角性、韧度等，还要计算：有效比重 被吸收沥青 结合料体积 有效结合料 体积 式中：混合集料公称最大尺寸（mm）562沥青含量 式中：集料质量，克，由下式计算572B、压实试验混合料试件a、确定试用沥青结合料
30、用量（按上述公式计算）b、确定混合料试验尺寸：内径150mm，高115mmc、确定Nini,Ndes,Nmax d、配制试件e、压实试件，对以下四种沥青含量每种至少压实 三个试件：估称沥青含量 估称沥青含量0.5%估称沥青含量1.0%。并编制密实度表。f、确定混合料特性Gmm和Gmb582试验混合物的密实资料Gmm（实测）=2.563 试件1试件2平均旋转数高度mmGmb(est)Gmb(corr)%Gmm高度mmGmb(est)Gmb(corr)%Gmm%Gmm5129.02.1362.18285.2130.02.1542.20986.285.78127.02.1702.21786.5128
31、.12.1912.24787.687.110125.72.1922.24087.3126.72.2152.27288.688.015123.52.2302.27988.9124.72.2502.30890.189.520122.22.2542.30389.9123.42.2752.33391.090.430120.12.2942.34491.4121.52.3092.36892.491.940119.02.3152.36592.3120.22.3342.39493.492.850118.02.3342.38593.0119.32.3532.41394.293.660117.22.3512.40
32、297.7118.52.3692.43094.894.380116.02.3762.42894.7117.32.3932.45595.895.2100115.22.3922.44495.4116.42.4112.47396.595.9109114.92.3982.45095.6116.12.4172.47996.796.2125114.42.4092.46196.0115.62.4272.48997.196.6150113.72.4242.47796.6115.02.4402.50397.797.2174113.12.4362.48997.1114.52.4512.51498.197.6Gsb
33、（实测）2.489 C=1.022 2.514 C=1.026592试验混合物密实曲线602024/7/8C、评价试验混合物a a、确定在、确定在 的的%G%Gmmmm%Gmm为修正的毛体积比重Gmb与最大理论比重Gmm 之比，%。b b、确定、确定%Va%Va和和%VMA%VMA%Va=100%GmmNdes 式中：%GmmNdes在Ndes下的最大理论比重，612c c、估计、估计4%4%空隙率的沥青结合料含量空隙率的沥青结合料含量式中：初始(试验)的结合料总质量百分率 在Ndes的空隙率(试验)d d、评价在估算沥青结合料含量时混合料特性、评价在估算沥青结合料含量时混合料特性 汇总沥青混
34、合料体积与压实特性计算结果，把估算沥青用量条件下的体积与压实特性与superpave规范标准进行比较，以确定最终用于选择设计沥青胶结料用料的级配。622e e、确定粉料、确定粉料沥青比（粉胶比）：沥青比（粉胶比）：对于粉料比有个要求范围，粉胶比是：式中：=通过0.075mm筛孔的集料含量，以集料质 量的百分率表示 其中：某级配集料含量，以混合料总质量的 百分率表示 沥青比重 沥青（估算）含量632f f、设计混合料特性与、设计混合料特性与superpavesuperpave标准比较标准比较空隙、VFA、VMA与沥青含量关系 在4.7%结合料含量时的设计混合料特性混合料特性结果标准空隙率%4.0
35、4.0VMA%13.2最小13.0VFA%70.06575粉料比0.90.61.2%GmmNini=887.1小于89%GmmNmax=17497.5小于98642D、进一步分析选择最有希望的设计混合料结构，重复上述试验，分析计算，最终选定设计混合料和最佳沥青用量。用用AASHTO T283AASHTO T283设计评价混合料的水敏感性设计评价混合料的水敏感性AASHTO T283“压实沥青混合料抗水损害能力”标准试验方法，是采用压实到7%空隙率的两组沥青混合试件，分别以经过冻融和常温条件后，进行间接拉力试验，以抗拉强度比表示其抗水害能力。Superpave抗拉强度比标准最小为8%。652结语：Superpave沥青混合料设计方法较原来马歇尔设计方有许多改进，也更符合道路使用实际。对于它的一些新理念、新方法、新设备等，我们可以逐步消化吸收，应用到我们的设计中去。但对于全面推广superpave设计方法应该说，目前我国条件还不够成熟，需要慎重行事。662 谢 谢672