新型沥青混合料设计方法的初步研究

新型沥青混合料设计方法的初步研究
作者：朱世战边祥成
来源：《中国科技纵横》2010年第18期
摘要:我国现行沥青混合料设计方法采用的是马歇尔法,这种方法正在逐渐暴露了大量不足。

新型设计方法应运而生。

目前国内外应用最多的是superpave设计方法。

此设计方法的成果是superpave沥青路面即高性能沥青路面。

高性能沥青路面(superpave)是美国公路战略研究计划(SHRP)最重要的研究成果之一。

新型混合料主要介绍SMA,它是一种新型的沥青混合料结构,路用性能良好。

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关键词 : 沥青路面SMA Superpave设计方法
Abstract: At presen, our country standard design method of asphalt mixture is the Marshall law, This method has been gradually exposed the massive insufficiencies. The new design method arises at the historic moment.At present, the domestic and foreign major applications method is the superpave design method. This design method achievement is the superpave asphalt pavement what is the high performance asphalt pavement. The high performance asphalt pavement (superpave) is the American road strategic research plan (SHRP) one of most important research resultses.
Key words:Asphalt PavementSMASuperpave design method
在国内外公路和城市道路中,沥青路面作为高级路面的主要结构类型而广为应用。

传统沥青混合料设计方法采用的是马歇尔法,但是,随着交通量的不断增长和轴载的明显增大,以及高速公路交通车辆的渠化作用,传统的连续级配沥青混凝土路面受到了挑战。

为了满足沥青路面良好的高温稳定性能、抗水损坏性能、抗滑性能、低温抗裂性能、抗疲劳性能,这就要求国内外的科学研究长期以来一直努力从两个方面入手, 一方面改变沥青混合料类型即级配组成,另一方面优化沥青混合料设计方法。

1Superpave设计方法
1.1Superpave技术概略
“superpave”的全称是“高性能沥青路面系统”(Super Performance Asp halt Pavement—SUPERPAVE)。

它是一套全新的系统,用以帮助高速公路工程师和建筑公司设计与建造在极端气候和繁重运输荷载条件下的优质高速公路路面。

高性能沥青路面系统是在美国的“战略性公
路研究项目”( Strategic Highway Research Program—SHRP,简称“夏普计划”)下产生的一项研究成果。

1.2 superpave设计方法先进性
高性能沥青路面(superpave)是美国公路战略研究计划(SHRP)最重要的研究成果之一。

高性能沥青路面作为SHRP研究成果的专有名称,它包含了沥青标准和集料标准、矿料级配曲线的组成规定和混合料的体积设计方法三大内容,提出了控制点和限制区的概念。

高性能沥青路面的先进性在于它开发了一套全新的实验设备和方法,从根本上改变了现行试验方法和规范的纯经验性质,从而避免了由此带来的局限性,高性能沥青路面沥青结合料与混合料规范的新体系将试验方法与指标同沥青路面的路用性能建立起直接关系,通过控制高温车辙、低温开裂和疲劳开裂,来达到全面改进路面性能的目的,形成了一个基于路用性能基础上的沥青——沥青混合料设计新体系。

2 Superpave设计方法工程应用
交通的发展对路面的使用质量提出了越来越高的要求,对路面的使用质量提出了越来越高的要求,目前高等级道路中常见的病害有水损害、开裂、变形及抗滑不足等,而传统的沥青混合料在路用性能方面往往仅在某一方面或某几方面比较突出,但难有综合的全面使用性能。

面对这种情况并借鉴国外先进的经验,结合我国的实际情况,形成了一系列的新型混合料。

本文主要应用Superpave设计方法进行沥青马蹄脂碎石混合料(SMA)新型沥青混合料配合比设计。

2.1沥青玛蹄脂碎石混合料技术
沥青玛蹄脂碎石混合料又称填碎石沥青混凝土(StoneMatrixAsphalt),简称SMA; 1996年美国乔治亚州沥青玛蹄脂碎石混合料路面被联邦公路管理局(FHWA)评为连续四年全美最好德干线公路洲,这些添加纤维的混合料的寿命却显著提高,采用传统密级配混合料铺筑的路面寿命约为7.5年,而SMA路面在需要修复前可使用12～15年。

我国首次试用SMA技术是于1992年修建首都机场高速公路过程中提出,后又在首都机场东跑道、八达岭高速公路修建以及北京长安街旧沥青路面层整修不同程度上采用SMA技术,标志我国采用SMA路面结构技术逐步走向成熟阶段。

实践证明,SMA与普通热沥青混合料相比,具有更好的抗疲劳、抗车辙等性能,高温稳定性、低温抗裂性有明显改善,路面耐久性更为显著。

2.2SMA混合料的材料组成2.2.1集料
SMA的集料级配是间断性级配,4.75mm以上的粗集料,主要是4.75～13mm的比例高达70%～80%,矿粉用量达8%～12%,其粗集料质量要求建议值见表1。

表1SMA用粗集料质量要求建议值
2.2.2纤维增强剂添加纤维的目的是增加砂浆稳定性,避免运输和摊铺过程中产生离析现象,而且纤维可以使混合料加入较多的沥青,增厚沥青膜,从而提高路面的耐久性;用于SMA的纤维稳定剂分为有机纤维(木质素纤维)和无机纤维(矿物纤维);目前德国习惯在SMA沥青混合料中
加入木质素作为稳定剂,用量占骨料重的0.3%～0.5%;有些国家则采用矿物纤维, Fiberand矿物
纤维是在高温条件下将玄武岩熔化后抽丝,然后将其表面特殊处理,增加了纤维与沥青间结合力,并使得纤维与集料、沥青拌合更加均匀;用量一般控制在0.3%～0.4%。

2.2.3 沥青结合料SMA 的沥青用量比普通级配热沥青混合料要多,这是由于在SMA混合料中加入大量的矿粉及少许纤维所致;一般要求选用针入度小、软化点高、温度稳定性好的沥青或改性沥青,因此,聚合物改性沥青通常也被用于SMA, 尤其是铺筑在重交通道路上的混合料。

SMA混合料中沥青含量在
5.5%~7.5%范围内。

2.2.4矿粉
矿粉在SMA混合料中是重要的组成部分,它与沥青混合形成玛蹄脂,从而影响SMA的性能矿粉对混合料产生加劲作用,降低沥青的流动性,增加其粘度,其质量对混合料的稳定性与抗车辙能力有很大关系,矿粉一般应采用石灰石或白云石磨细的石粉,其它粉料不宜使用。

2.3SMA混合料设计
SMA混合料设计原理与普通密级配沥青混凝土设计原理相似,目前SMA混合料的马歇尔
试验方法普遍采用沥青混凝土马歇尔试验, SMA混合料马歇尔试验配合比的设计要求见表2。

表2SMA混合料马歇尔试验配合比的一般设计要求
(1)SMA混合料配合比设计原则:保证粗骨架的形成;考虑最小沥青用量的限制,以保证混合料的耐久性;保证混合料在施工时不产生沥青矿粉胶浆流淌,离析现象;所设计的沥青混合料要满足各技术指标的要求;(2)SMA混合料配合比设计步骤:确定组成材料根据实际情况确定组成材料;
初选沥青用量考虑工程所在地,控制最初沥青用量;确定集料级配;确定沥青用量;SMA混合料性能检验指标要求见表3。

表3SMA混合料配合比设计检验指标要求
2.3.3SMA混合料级配
(1)SMA混合料的最大粒径。

沥青混合料的最大粒径是指这种集料的最大公称粒径,一般来说,最大公称粒径以上大一级的粒料还可能有5%~10%,所以,在集料级配中公称尺寸的通过率一般为90%~100%。

(2)集料级配。

SMA混合料的集料级配与普通沥青混合料有根本区别。

SMA混合料中
4.75mm 以上颗粒含量则高达70%~80%,可见他们的差别是很大的。

目前世界各国进行了大量的研究实验,取得了初步成果。

就SMA应用而言,主要使用两种类型,即SMA-16和SMA-13。

综合国内外经验和研究成果提出级配范围推荐,见表4。

表4SMA推荐级配
2.4 SMA混合料综合技术要求
我国根据国内外的研究并结合实际情况对SMA混合料提出了技术要求,见表5。

表5SMA混合料技术要求
2. 5SMA混合料的技术特性SMA沥青玛蹄脂碎石混合料是一种间断级配密实型热沥青混合料,SMA混合料中的粗集料多、矿粉多、沥青多、细砂少,并含少许纤维增加剂;由于混合料中粗集料良好嵌锁,形成高稳定性的结构框架,沥青或改性沥青、细集料、粉料和纤维稳定剂组成的沥青玛蹄脂将结构框架组合成一起的高强度沥青混合料,使混合料具有非常好的高温抗车辙能力,更好的抗疲劳能力,高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性有明显的改善;而且混合料的间断级配在表面形成大的孔隙,具有较大的路面构造深度,降噪及防止水雾的性能有所改善,抗滑性能好,同时,由于混合料空隙率低,沥青的耐老化性能、混合料水稳定及耐久性都将明显提高,从而全面提高沥青混合料的路用性能。

3SMA沥青面层在我国的具体运用3.1SMA配合比设计实例
(1)设计混合料类型:SMA-13(加纤维)。

(2)组成材料
a.粗集料:玄武岩(1~1.8cm)、玄武岩(0.5~1cm),
b.细集料:玄武岩(0~0.3cm),
c.矿粉:磨细石灰石粉,
d.沥青材料:采用SBS改性沥青,e纤维:木纤维掺加量为SMA混合料的0.3%。

(3)初选沥青用量。

SMA混合料中沥青含量一般在5.5%~7.5%之间。

选择初试沥青用量为5.8%。

(4)确定集料级配。

(5)对于三种级配选用三种沥青进行混合料技术指标测定,见表6。

表6技术指标
(6)沥青混合料级配和密度图,见图1。

根据矿料空隙率大于或等于17%;空隙率为70%~85%;稳定度大于6.0等条件选择级配2作为最终级配。

图1
(7)确定沥青用量
理想的沥青用量是空隙率为4%时的用量,取6%为设计沥青用量。

(8)SMA混合料性能检验
a.车辙检验。

按沥青含量 6%和选择的设计配比拌制混合料,在60度温度下进行试验,测得动稳定度分别为4200次/mm和3800次/ mm,平均为4000次/mm。

满足大于3000的要求。

b.谢伦堡析漏试验。

按沥青含量 6%和选择的设计配比拌制混合料,测试在170度下的析漏率分别为0.12%和0.14%,满足小于0.2%的要求。

c.肯塔堡飞散试验。

按沥青含量 6%和选择的设计配比拌制混合料,在-10度冰箱中放置2.5小时,然后进行磨耗试验,实验结果分别为11.6%和12.1%,满足小于20%的要求。

d.水稳定性试验。

按沥青含量 6%和选择的设计配比拌制混合料,进行残留稳定度实验和冻融循环试验,结果残留稳定度为90%,满足大于80%的要求。

试件在干燥状态下的劈裂强度为0.904MPa,经冻融循环后劈裂强度为0.869 MPa,则劈裂强度比为96.2%,符合大于70%的要求。

(9)表7SMA混合料设计成果汇总表
(10)SMA混合料技术性能。

上述配合比设计属于目标配合比设计。

进行施工时,还需进行生产配合比设计。

SMA混合料技术性能要求见表8。

表8SMA混合料技术性能
4 结语
(1)SMA实际生产中,4.75 mm通过率20-25%的工程约90%,0.075 mm通过率7-11%的约占80%。

(2) SMA施工中,32%的工程试验室平均空隙率小于3-4%。

约60%的工程达到了6.0%,但不能以降低空隙为代价。

(3) SMA 工程90%以上的车辙量小于4mm,25%的没有车辙。

大多数SMA工程在大交通量下具有良好的抗车辙能力。

(4)温度裂缝和反射裂缝在SMA工程中不多见,SMA比密级配混合料有更好的抗裂能力。

(5)SMA有良好的抗剥落能力。

(6)泛油是路用性能变差的最大原因,这是由于离析、析漏及高含量的沥青或不合理的纤维类型及用量所致。

(7)SMA在大交通量路段上有良好的路用性能,,其多余的造价被所提高的路用性能而远远抵消。

(8)通过对国外先进抗滑磨耗层材料组成和性能的研究,在充分吸收国内外先进技术的基础上,经过大量的试验研究,首次引进借鉴“贝雷法”设计理念并提出多级嵌挤密级配沥青混合料的级配设计方法以及相应的施工工艺和质量控制方法及设计程序。

(9)引进MAC沥青技术,并将该技术与SMA、嵌挤密级配沥青混合料结合使用,提高了混合料的使用性能。

我省采用该结构已成功地铺筑试验路,并在高速公路实体工程中铺筑路面超过370公里,经过几年夏季高温和水损侵蚀以及冻融和重交通荷载的综合作用,该混合料具有密水性强、表面服务性能优和高温稳定性好等优点,为交通沥青混凝土路面混合料设计开辟了一个新的领域。

通过采用新型抗滑磨耗层沥
青混合料,使高速公路沥青路面在保证具有良好表面服务特性的基础上,路面混合料的耐久性可以大幅度提高,减少路面的养护维修费用,提高高速公路的使用寿命。

参考文献
[1]史建方等.高等级公路沥青混凝土路面新技术,人民交通出版社,2002.
[2]严家汲.道路建筑材料,人民交通出版社,1986(2).
[3]吕伟民.沥青混合料设计原理和方法,同济大学出版社,2001.
[4]张肖宁.单一粒径为主的密断级配沥青混合料,哈尔滨工业大学学报,2003.
作者简介:朱世战,男,39岁,大学本科学历,工作单位:山东菏泽通达交通工程监理有限公司。