SHRP高性能沥青混凝土技术与发展.ppt

shrp高性能沥青混凝土技术 应用与发展现状 硅酸盐建筑材料国家重点实验室 吴少鹏 2012年4月 n沥青混合料的特性 n沥青胶结料与混合料 nshrp的起源及发展现状 内容提要 沥青混合料的特性 沥青胶结料的性能 n沥青胶结料的性能 （另一ppt已有介绍） n矿料的性能 n沥青混合料的性能 n 永久变形 n 疲劳变形 n 低温开裂 n现有的沥青指标确定方法 n现有的沥青混合料设计步骤 矿料的性能 集料的棱角 n不管集料的来源，要求提供的集料有一定的强度和表 面特性以抵抗重复荷载的作用。 n多边形及具有粗糙纹理表面的集料比圆和光滑的纹理 能提供更强的强度。 n粗糙纹理的集料可以相互嵌锁，而光滑纹理不能相互 嵌锁，其表面可能相互滑动。 圆形颗粒材料 立方形颗粒材料 矿料的性能 集料的堆积特性 立方形颗粒材料 圆形颗粒材料 为了保证路面有较高的抗剪强度，最好使用立 方形颗粒集料，避免使用圆形颗粒集料！ 矿料的性能 集料的受力特性 荷载作用前 荷载作用后 集料的剪切变形，在公路转弯处尤为明显！ 沥青混合料的性能 混合料系统 n虽然沥青混合料中单个物质的性能对混 合料的性能十分重要，但是，由于沥青 混合料中沥青和集料是统一的系统，其 组合特性对沥青混合料的性能影响更大 。了解沥青混合料性能的目的是工程技 术人员希望避免沥青路面发生破坏，即 永久变形、疲劳开裂、低温开裂。 沥青混合料的性能 永久变形 第一原因是作用在土基、底基层、基层和 沥青表面层的重复应力较大 沥青混合料的性能 永久变形 第二个重要原因是路面面层在重复荷载的作用 下沥青面层抵抗重复荷载的抗剪强度较小。 沥青混合料的性能 疲劳变形 沥青路面的疲劳开裂是重复荷载的作用在行车道出现 的一种破坏。疲劳开裂的早期现象是路面出现在纵向 出现不间断的裂缝，之后，路面出现更多的变形。这 种疲劳开裂有时被称为“龟裂”。 沥青混合料的性能 疲劳变形 n克服路面过早出现疲劳开裂有以下途径 ： l充分考虑路面设计年限内的重载交通； l利用隔水措施，保证路面土基干燥； l用厚的路面； l路面材料在水的作用下不致出现多的减弱 ； l路面材料有一定的刚度。 沥青混合料的性能 低温开裂 沥青混合料的性能 低温开裂 n路面的低温开裂一般出现在温度的单一循环中 。也有人认为是路面的温度疲劳引起的。 n路面的低温开裂与路面材料有关，一般硬的材 料比柔的材料更容易出现低温开裂。 n 沥青在环境因素的作用下出现氧化就会更容易 出现低温开裂。 n 因此，为了减少低温开裂，必须选用软的沥青 ，减少沥青混合料的空隙率。 沥青胶结料与混合料 沥青胶结料与混合料 基本试验 旋转式簿膜烘箱（rtfo） 压力老化容器（pav） 动态剪切流变仪（dsr） 旋转式粘度计（rtv） 弯曲梁流变仪（bbr） 直接拉伸试验（dtt） 沥青胶结料与混合料 基本试验-短期老化试验 旋转式簿膜烘箱（rtfo）-模拟施工期的老化 沥青胶结料与混合料 基本试验-长期老化试验 压力老化容器（pav）试验-模拟路面使用期的老化 沥青胶结料与混合料 沥青胶结料基本试验-动态剪切流变仪 检验沥青胶结料的粘弹性特性，它通过测定沥青的复合 剪切模量g*和相位角的关系来表明沥青的温度特性。 沥青胶结料与混合料 沥青胶结料基本试验-动态剪切流变仪 复合剪切模量g*和相位角的关系。 沥青胶结料与混合料 沥青胶结料基本试验-动态剪切流变仪 n试验目的： n通过控制高温时的劲度，保证沥青胶结 料在高温时的剪切强度， n限定沥青胶结料低温时的劲度在中间状 态就能保证沥青混合料的疲劳性能。 沥青胶结料与混合料 沥青胶结料基本试验-旋转式粘度计（ rtv） 旋转式粘度计（rtv）（brookfield粘度计） 试验目的：保证沥青在泵送和拌和时的具有足够的流动性。 沥青胶结料与混合料 沥青胶结料基本试验-弯曲梁流变仪（ bbr） 弯曲梁流变仪（bbr）试验-主要测定沥青的 蠕变劲度（s）和沥青劲度变化率（m） 沥青胶结料与混合料 沥青胶结料基本试验-弯曲梁流变仪（ bbr） n弯曲梁流变仪（bbr）试验-测定低温时劲度，即蠕变 劲度（s）和沥青劲度变化率（m） a：测定小梁所施加荷载和小梁的弯曲变形，应用工程 中梁的理论就可以计算小梁的劲度。 b：通过测定沥青小梁试件在蠕变荷载作用下的劲度就 可以确定沥青的性质。 c：大的m值将促使沥青路面在温度发生变化时内应力 能及时消散，从而减少路面的温度开裂。 d：胶结料规范规定了路面实际的气候条件下的蠕变劲 度和m值。 沥青胶结料与混合料 沥青胶结料基本试验-直接拉伸试验（ dtt） 直接拉伸试验（dtt）示意图 沥青胶结料与混合料 沥青胶结料基本试验-直接拉伸试验（ dtt） n直接拉伸试验（dtt）目的： a：对一些胶结料，尤其是聚合物改性沥青， 其低温时的劲度比设计的要小，但其裂缝率仍 然比较小的原因是低温时的沥青劲度变化率较 大。 b：因此，如果沥青在低温时具有较小的直接 拉伸试验（dtt）结果，沥青胶结料规范规定 容许沥青可以具有较高的蠕变劲度。 沥青胶结料与混合料 nsuperpave对沥青胶结料的选择 superpave 气候数据库 可靠性 原始气温 路面温度的转化 选择胶结料的等级 荷载等级对胶结料选择的影响 交通等级对胶结料选择的影响 沥青胶结料与混合料 superpave对沥青胶结料的选择 nsuperpave气候数据库 superpave软件提供美国和加拿大6500个观测 站的温度数据库，设计人员可以根据所在地区 的温度选择胶结料的等级。 每个观测站根据观测结果，计算7天最高温度 的区间及对应的温度的平均值，通过对所有这 些观测计算的平均值和标准差计算分析； 同样，可以计算最低温度的平均值和标准差。 沥青胶结料与混合料 superpave对沥青胶结料的选择 n可靠性 superpave设计系统中，可靠性指某一年的实 际温度不超过设计温度的百分率。 superpave设计系统提供不同的可以采用的高 温和低温的可靠度水平。 假定在topeka和kansas的平均最高气温为36 ，标准差为2，7天的平均最高温度为36， 但温度超过40的概率仅有2%，即设计温度 为40的可靠度为98%。 沥青胶结料与混合料 superpave对沥青胶结料的选择 可靠性 沥青胶结料与混合料 superpave对沥青胶结料的选择 n原始气温 topeka的设计事例。下图为设计气温最高和 最低温度分布曲线。对一般的夏天，平均7天 的最高温度为36，标准差为2，在一般的 冬天，平均7天的最低温度为-23，标准差为 4。对某一非常冷的冬天，其最低温度为- 31。 沥青胶结料与混合料 superpave对沥青胶结料的选择 原始气温 沥青胶结料与混合料 superpave对沥青胶结料的选择 n路面温度的转化 superpave提供了计算路面下20mm的最 高温度和路表最低温度的计算办法。 对路表磨耗层，假定可靠度为50%的 topeka地区的路面温度为56和-23 。 假定可靠度为98%的topeka地区的路面 温度为60和-31。 如下图 沥青胶结料与混合料 superpave对沥青胶结料的选择 路面温度的转化 沥青胶结料与混合料 superpave对沥青胶结料的选择 n路面最高温度的转化 在superpave路面设计体系中，在路面下 20mm的路面最高设计温度按下式计算： n式中：t20mm-路面下20mm的路面最高设计温度； n tair最高7天的温度的平均值； n lat工程所处的纬度，。 沥青胶结料与混合料 superpave对沥青胶结料的选择 n路面最低温度的转化 有两种确定路面最低温度的方法，第一，路面最 低温度简单地假定与最低气温相同，这种方法最初 由shrp研究人员提出，这是一种很保守的假定， 因为在冬天，路面的温度高于气温，在topeka和 kansas使用这种方法。第二用以下由加拿大研究人 员提出的方法： n式中：tmin-路表的最低设计温度； n tair最低温度的平均值。 n这样，topeka的路面最低温度为0.895*-23+1.7= -18 沥青胶结料与混合料 superpave对沥青胶结料的选择 n选择胶结料的等级（如下图） 温度的可靠度至少必须达到50%。 topeka的最高温度（56）至少应该大于 pg58，实际上pg58这个等级的可靠度达到 85%；另一个稍低的等级为pg52，其可靠度 将小于50%。 低温（-23）等级应该为pgxx-28，实际上 该低温等级的可靠度将达到90%。 对98%的可靠度，其高温等级应该为pg64； 低温等级应该为pgxx-34。 沥青胶结料与混合料 superpave对沥青胶结料的选择 选择胶结料的等级 沥青胶结料与混合料 superpave对沥青胶结料的选择 n荷载等级对胶结料选择的影响 a:shrp胶结料选择方法假定路面承受快速移动荷载。 b:动态剪切流变仪的荷载变化速率是10转/分，对应的 汽车速度为90km/h，小的旋转速度对交叉口和收费站 比较合适，其它一些场合的荷载静止，胶结料必须具 有高的劲度以抵抗材料的蠕变。 c:为了满足以上特殊情况，胶结料必须至少提高一到 二个等级。 d:如果基于温度的胶结料等级为pg64-22，为了减少 低速荷载对路面的破坏，设计的胶结料等级应该为 pg70-22，对静止荷载，设计的胶结料等级应该为 pg76-22， e:荷载速率对低温等级没有影响。 沥青胶结料与混合料 superpave对沥青胶结料的选择 n交通等级对胶结料选择的影响 superpave的胶结料等级必须考虑交通等级 。 当设计的交通等级超过107的当量单轮荷载 （eswl），设计人员必须将胶结料提高一个 等级。 同荷载等级一样，交通等级对低温等级没 有影响。 对topeka选择的温度等级为pg58-28，当 承受很高的交通等级时，温度等级应该为 pg64-28 沥青胶结料与混合料 shrp级配理论 nshrp采用了对原来方法改进的级配方法，它 采用0.45次方最大级配线图来规定容许级配。 这种级配图利用单一绘图技术来确定集料粒径 在横轴上的分布，纵座标为集料的通过百分率 。横座标是以mm为单位的粒径的计算刻度， 它是粒径的0.45次方。 在下图上，粒径4.75mm的位置在距原点 2.02处，2.02为集料筛孔尺寸4.75mm的0.45 次方，通常在横座标上不绘制粒径的 0.45次方 的值，而是直接绘制粒径值。 沥青胶结料与混合料 shrp级配理论 沥青胶结料与混合料 shrp级配理论 最大密度线是最大粒径100%通过量与原点的连线。 沥青胶结料与混合料 shrp级配理论 n为了说明集料级配，在0.45次方图上的另两个级配控 制点：控制点和禁区。控制点为级配曲线必须通过的 几个特定的尺寸范围，禁区为最大密度线附近0.3- 2.36mm范围不希望级配通过的区域。 禁区的范围在中间粒径（2.36mm或4.75mm）与 0.3mm之间的最大密度线附近，这一范围级配曲线不 能通过。通过禁区的级配的一般称为“驼峰级配”。 在大多数情况下，驼峰级配中细砂的含量较高，这种 级配可能导致混合料软化，使得施工时难以压实和混 合料抵抗永久变形的能力下降。沥青混合料的强度主 要由胶结料的粘结力提供，集料的骨架作用较小。这 种混合料同时对沥青用量很敏感及极容易塑性化。 沥青胶结料与混合料 shrp级配理论 沥青胶结料与混合料 沥青混合料体积需求 n混合料的体积标准包含空隙率、矿料间 隙率、沥青的填隙率。混合料空隙率是 一个很重要的标准，因为它跟沥青的用 量关系密切。在superpave混合料设计中 ，混合料的空隙率规定4%。 沥青胶结料与混合料 沥青混合料体积需求 nsuperpave矿物集料骨架空隙率（vma）为不 为集料所占的体积，即压实混合料减去集料毛 体积。对4%的空隙率规定的最小vma是集料 公称最大粒径的函数。具体的规定。 superpave 矿料间隙率标准 集料公称最大粒径 最小的vma 9.5mm 15.0 12.5mm 14.0 19.0mm 13.0 25.0mm 12.0 37.5mm 11.0 沥青胶结料与混合料 沥青混合料体积需求 n沥青饱和度（vfa）为规定的vma中沥青的百分率。 因此，vfa为沥青的体积百分率与vma之比。 superpave 沥青饱和度标准 当量单轮荷载累计交通量 *106 设计的vfa % 300.0 6575 shrp的起源及发展现状 shrp的起源及发展现状 shrp的起源 superpave是美国耗资 1.5亿美元的战略公路研 究计划(shrp)的重要组成部分之一，1987年 1993年，美国公路战略研究计划(shrp)进行 了一项为期5年耗资5000万美元的沥青路面研 究，最终提出了一套全新的沥青混合料设计方 法(superpave设计方法)，而用superpave设计 方法设计的沥青混合料也叫superpave shrp的起源及发展现状 n1992年shrp计划结束后，在美国联邦公路局 (fhwa)的大力推广下，美国大部分州已开始 修建superpave路面，1996年新建superpave工 程项目93个，1997年316个，2000年达3900 个。200年一年生产沥青混合料13400万吨， 占沥青混合料总量的62%，2001年采用 superpave方法设计施工的沥青混合料占总量 的82%。 shrp的起源及发展现状 superpave在我国的发展 我国对美国shrp计划的研究进展及其成 果一直十分关注。 1989年在申报“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， 意在把国内的专题研究搞成中国的战略 公路研究计划c-shrp。 shrp的起源及发展现状 superpave在我国的发展 “九五”以来，superpave的成果陆续发 布，除了沥青结合料规范外，沥青混合 料的配合比设计等也开始影响我国，我 国公路沥青路面施工技术规范 (jtgf40一2004)中也体现了其许多设计 理念，2008年7月中华人民共和国交通 运输部发布了旋转压实仪 (jt/t724 一2008)标准。 shrp的起源及发展现状 superpave在我国的发展 1995年江苏省交通科学研究院在国内率先引进 了superpave设备与技术; 2000年在江苏京沪高速淮阴南连接线铺筑了第 一段试验路，全长7km; 2001年在连徐、宁宿徐高速铺筑了 10km的试 验路; 2002年在连徐、汾灌、宁靖盐高速推广应用， 全长70km;在宁连改造、无锡太湖大道推广应 用，约50km; shrp的起源及发展现状 superpave在我国的发展 2003年在宁连、锡宜、徐宿、沪宁东段使用; 2004年在通启、扬州西北绕城、润扬大桥南 接线、沪宁扩建应用; 2005至2006年在连盐高速、京福高速徐州西 北绕城等中下面层中应用。 2009年在104国道徐州段、204国道盐城段中 上面层中应用，至2009年底，我国已修筑了近 2000公里的superpave路面。 shrp的起源及发展现状 国外研究现状 n日本也对shrp研究十分关注。 在supeprvae出台后，立即以建设省土 木研究所为中心对该计划的研究成果进行 全面调查。1994年引进沥青结合料的试 验设备，1996年引进沥青混合料试验设 备，开始开展试验研究。 shrp的起源及发展现状 国外研究现状 n欧洲从一开始就对沥青结合料的研究设备感兴趣。 目前，superpave设计系统的部分实验装置及路面性能 预测模型等已在欧洲部分国家开始使用。 罗马尼亚和墨西哥也已引进了superpave技术，并建立 了国家试验中心，正将该技术本土化并加以推广应用 。 地处北欧的芬兰等国也同样开发出了旋转压实设备sgc 。作为目前世界上最为先进的沥青路面技术之 一， superpave逐渐得到了世界各国的普遍认同。 shrp的起源及发展现状 国外研究现状 n自1993年superpave设计方法发布实施以 来，美国仍然在继续未完成的研究项 目，尤其是关于superpave的禁区 (restricted zone)问题