高性能沥青路面superpave技术

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• 确定最高路面温度
• 确定最低路面温度
• 选择可靠度
• 结合料性能级调整
根据交通速度和交通量选择沥青
——考虑交通量与速度对高温的影响
设计ESALsb
(106)
<0.3
0.3~<3
3~<10
10~<30
≥30
调整胶结料高温等级a
交通加荷速率
停滞交通c
慢速交通d
标准交通e
–f
2
1
2
1
2
1
–f
2
1
1
பைடு நூலகம்
根据交通速度和交通量选择沥青
-20
0
-10
强度, MPa
温度应力
, MPa
8
沥青老化
• 短期老化:旋转薄膜烘箱试验( R T F O T )
• 模拟沥青在加热、拌和、运输、摊铺、碾压期间的老化。
• 长期老化:压力老化箱( P A V )
• 模拟沥青在路面使用5 ~7 年后产生的老化。
短期老化
——旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)
T 170, 阿布森法沥青结合料回收
T 176, 用砂当量试验确定级配集料中的塑性细颗粒和粘土
T 283, 压实沥青混合料抗水损坏阻力
T 304,细集料未压实空隙含量
T 308, 用燃烧法确定热拌沥青混合料(HMA)的沥青含量
T 312, 用Superpave旋转压实机准备并测定热拌沥青混合料
(HMA)试件的密度
生产安全性
• 闪点仪
• 闪点温度 ≥ 230 ℃
Superpave混合料体
积设计
AASHTO M 323
标准技术要求
适用性
• 该S u p e r p a v e 体积混合料设计规范使用集料和混合料性质去产生热拌沥青混合料生产配合比
• 该标准为S u p e r p a v e 体积混合料设计而对结合料、集料和热拌沥青混合料规定了最低质量要求
同(最大相差两个性能等级:12℃)
主要内容
• 沥青结合料性能分级: A A S H T O M 3 2 0
• S u p e r p a v e 混合料体积设计:A A S H T O M 3 2 3
• S u p e r p a v e 热拌沥青混合料(H M A )体积设计: A A S H T O R 3 5
T 315, 用动态剪切流变仪测定沥青结合料的流变
(DSR)
T 316, 用旋转粘度仪测定沥青结合料的粘度
TP 70, 用动态剪切流变仪进行沥青结合料的多级应力
蠕变恢复试验(MSCR)
试验汇总
施工
车辙
低温开裂
疲劳开裂
[DTT]
[RV]
原样沥青
[DSR]
[BBR]
RTFO
短期老化
PAV
长期老化
动态剪切流变试验
背景
• 1 9 8 3 ~1 9 8 4 年,N R C 提出一项特别研究报告 — — “美国公路,加速寻求新技术”
• 1 9 8 4 年,A A S H T O 向美国国会游说支持S H R P 计划
• 1 9 8 6 年,提出S H R P 最终研究计划报告
• 1 9 8 7 年,S H R P 正式开始执行
• 对于S u p e r p a v e体积混合料,该标准可用于选择和评价材料
相关标准、方法与文献
• AASHTO 标准











M 320, 沥青结合料性能分级
R 35, Superpave 热拌沥青混合料(HMA)体积设计
T 11, 矿粉水洗筛分
T 27, 粗、细集料筛分
T 164, 沥青结合料的抽提
• 混合料体积设计3 项
• 混合料分析与性能预测 8 项
• ——S u p e r p a v e技术
(SUperior PERforming Asphalt PAVEment)
• ——相关试验设备、方法、软件
Superpave技术
• 沥青结合(胶结)料性能规范( P G -)
• MP1
• M320
1984年,AASHTO向美国国会游说支持SHRP计划
在今后20年用于研究、开发、推广Superpave胶结料规范,还需花费2.
都有RTFOT或TFOT后的质量损失指标要求
选择可靠度
——年最低气温分布图
f、应考虑增加一个高温等级。
18mm粒径附近,常会观察到“驼峰”现象,也就是说0.
热拌沥青混合料(HMA)设计要求
沥青结合料性能分级
AASHTO M 320
沥青性能分级标准
• 性能分级体系(P e r f o r m a n c e G r a d e )
——基于气候的分级体系
性能等级
7天最高路面温度
最小路面温度
沥青结合料性能分级
• M P1
• M P1a
• M 320-03
• G*/sinδ——高温劲度;
两种沥青指标体系比较
• 沥青的针入度等级和性能等级之间没有直接关系。
沥青品种
A
B
C
D
针入度级
AH-90
AH-70
AH-70
AH-70
性能等级 PG58-22 PG58-22 PG64-22 PG58-16
1、虽然沥青A、B的针入度等级不同,但其性能等级却相同
2、虽然沥青B、C、D的针入度等级相同,但其性能等级却不相
相关标准、方法与文献
• ASTM 标准:
• D 4791, 粗集料扁平、细长颗粒
• D 5821, 确定粗集料破碎颗粒百分率
• 沥青协会出版物:
• MS-2, 沥青混凝土和其他热拌类混合料设计方法
• 全国沥青路面协会出版物:
• IS 128, HMA 路面混合料类型选择指南
• 其他参考文献:
• LTPP 季节性沥青混凝土路面温度模型 LTPPBind 3.1
A
B
粘度
soft
-15
25
温度, ℃
60
135
C
沥青针入度指标体系
• 原样沥青
• 针入度:分级指标
• 针入度指数:感温性指标
• 软化点:高温指标
• 60℃动力粘度:高温指标
• 10℃延度:低温指标
• 15℃延度:
• 蜡含量:与沥青高、低温特性有关
• 闪点:安全指标
• 溶解度:纯度(质量)指标
• 密度:与沥青组分组成有关
• NCHRP Report 452: 回收沥青路面在Superpave 混合料设
计方法中的使用建议:技术员手册
• TRB 项目 D9-12,
Washington, DC, 2001.
结合料要求
• 性能等级的结合料,满足 M 3 2 0 的要求,适合项目现场的气候、交通、荷载条件或合同文件的规定。
• G*×sinδ——中温劲度。
• M 320-05
• 对于表2,按PP 42,结合T 313和T 314方法确定临界低温开裂温度。
• M 320-09
• 对于表2,按R 49(PP 42),结合T 313和T 314方法确定临界低温开裂温度;
• 对于表3,按TP 70-09(MSCR)确定不能回收结合料的蠕变柔量,其中“S”、
a、不管实际道路的设计寿命多少,总以设计车道20年的预期交通量作为设计的ESALs。
98%可靠度:PG60-31 PG64-34
确定试验室拌和与压实温度
最接近现场钻芯取样(%)
用选定的集料级配,在估算沥青用量、估算沥青用量±0.
设计
剪切速率高,且是一个变量
PG 64 - 22
0%等四个用油量下准备复份混合料
“H”、“V”分别对应标准、高、非常高的交通量。
主要试验方法









T 44, 沥青材料溶解度
T 48, 克利夫兰开口杯闪点‘与燃点
T 240, 沥青旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)
R 28, 沥青加速老化(PAV)
T 313, 用弯曲梁流变仪测定沥青结合料的弯曲蠕变劲
度 (BBR)
T 314, 直接拉伸测定沥青结合料的断裂性质(DT)
动态剪切流变仪
动态剪切流变仪原理
粘弹性材料应力应变关系(DSR)
沥青材料的粘弹特性
弯曲梁流变试验
• R T F O T + P A V 后的沥青— — 低温性能:
• 蠕变劲度S ≤3 0 0 M P a
• 蠕变劲度曲线斜率m ≥0 . 3 0 0
弯曲梁流变仪(BBR)
BBR试验原理
BBR试验应力与变形曲线
当要求调整高温等级导致需要大于PG82时,应仍规定
PG82-XX并增加设计ESALs1个等级(如10~30×10 6
增加到≥30×10 6 )。”
根据回收沥青混合料选择沥青
建议的纯沥青等级
RAP百分比
不改变
<15
比通常使用沥青软一个等级
15~25
由掺合料产生的图表确定
>25
根据回收沥青混合料选择沥青
c、粗集料棱角性标准不适合于4.
与路面设计相关性不好;
进行沥青混合料设计时考虑了再生沥青混合料 的使用;
AASHTO T96、 ASTM C131
——考虑交通量与速度对高温的影响
• a、根据表示等级数(1级相当于6℃),增加高温等
级,低温等级不变。
• b、设计的ESALs是设计车道20年预估的累计当量轴
• 原样沥青—— 沥青分级与验证:
G * / S i n δ≥1 . 0 k P a
• R T F O T 后的沥青— — 高温性能: G * / S i n δ≥2 . 2 k P a
• R T F O T + P A V 后的沥青— — 疲劳性能: G * • S i n δ≤5 0 0 0 k P a
长期老化
——压力老化容器(PAV)
沥青可工作性
——泵送、拌和
• 旋转粘度计(B r o o k f i e l d )
• 1 3 5 ℃时的粘度 ≤ 3 P a . s
Brookfield旋转粘度计
applied torque
from motor
spindle
asphalt
sample
sample chamber
• 当25℃针入度相似时,不能反映沥青特性的较大差异
两种沥青指标体系比较
• 性能级与针入度级是两种完全不同的指标体系
• 主要相同点:
• 都有闪点指标
• 都采用RTFOT或TFOT进行短期老化
• 都有RTFOT或TFOT后的质量损失指标要求
• 主要不同点:
• 分级指标不同
• 指标体系不同
• 针入度是经验性指标,性能级是流变指标
Strategic Highway Research Program
• 1 9 8 7 ~1 9 9 3
——
“公路战略研究计划”(SHRP)
• 1 亿5 千万美元
• 四个领域
• ——沥青
• ——混凝土与结构
• ——公路运营
• ——路面长期性能(LTPP )
沥青项目研究成果
• 21项
• 沥青结合料1 0 项
• TFOT(或RTFOT)后残留物:老化指标
• 质量变化:
• 残留针入度比:
• 残留延度:
沥青针入度指标体系
• 满足同一标准的沥青可能有不同的温度敏感性(组分不同);
• 沥青指标与沥青路用性能的相关性并不显著;
• 软化点可能存在假象
• 10℃(延度)不能代表真正的 “低温”
• 针入度指数曲线的外延并不可靠(特别是对于改性沥青)
Constant (Creep) Load
deflection
Load
Deflection
Time
Time
弯曲蠕变曲线
BBR试验之m值
直接拉伸试验(DT)
stress
strain
确定低温开裂温度
8
7
温度应力,MPa
7
6
强度,MPa
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
0
-50
临界开裂温度
-40
1
-30
温度, C
荷载次数,不管实际道路的设计寿命多少,总以20年
的ESALs并以此选择合适的N 水平。
• c、停滞交通––––平均交通速度小于20km/h。
• d、慢速交通––––平均交通速度20~70km/h。
• e、标准交通––––平均交通速度大于70km/h。
• f、应考虑增加一个高温等级。
• 注“从实际出发,应避免使用性能等级大于PG82-XX,
• 沥青混合料体积设计方法( S G C )
• MP2
• M323
• R35
• 沥青混合料性能预测( S S T )
沥青分级标准
• 针入度分级标准 (2 5 ℃ )
• 粘度分级标准(6 0 ℃ )
• 性能分级标准(达到相同标准下的试验温度)
沥青针入度/粘度分级
稠度
(针入度或粘度)
针入度
粘度
hard
不同油源生产的100#沥青——BTDC图
沥青针入度
• 主要优点:
• 针入度分级试验温度接近沥青的平均使用温度
• 试验与检测速度快
• 可方便地应用于现场实验室
• 设备费用较低
• 试验精度较确定
• 可测定沥青的温度敏感性
沥青针入度
• 主要缺点:
• 经验性的试验方法
• 剪切速率高,且是一个变量
• 不能获得拌和与压实温度数据
该标准为Superpave体积混合料设计而对结合料、集料和热拌沥青混合料规定了最低质量要求
LTPP 季节性沥青混凝土路面温度模型 LTPPBind 3.
都有RTFOT或TFOT后的质量损失指标要求
确定试验混合料的体积要求
d、对于公称最大尺寸为25.
不仅可以评价密实过程中某一点的压实情况,还可以评价沥青混合料在整个服务期间的密实特征。
• N C H R P P r o j e c t 9 - 1 2 项目的研究结果指出,高劲度 R A P (回收沥青为P G 8 8 - 4 )比中、低劲度(分别为
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