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美国SHRP计划Superpave沥青混合料设计方法张起森 教授、博导二0一二年 三月目 录一、SHRP（美国公路战略研究计划）简介1二、沥青研究项目主要内容1三、沥青胶结料性能规范2四、矿质集料规范12五、沥青混合料体积配合比设计175.1 定义175.2 压实铺路混合料分析205.3 集料毛体积比重215.4 集料的有效比重215.5 不同沥青含量混合料的最大比重225.6 被吸收沥青量235.7 沥青吸收量235.8 压实铺路混合料的VMA百分数245.9 压实混合料孔隙率245.10 压实混合料的沥青填隙率(VFA)25六、superpave三水准设计和对应的交通量、内容和相关设备25七、superpave水准混合料设计277.1试验设备superpave旋转压实仪及附加设备277.2 选择设计集料结构287.3 试件准备与压实307.4 数据分析和计算32八、superpave水准2和3混合料设计和性能预测378.1 性能预测378.2 Superpave 剪切试验机408.3 间接拉力试验机448.4 资料分析和整理45九、superpave水准1混合料设计实例479.2选择设计集料结构509.3选择设计沥青含量659.4水敏感性评价71十、结语72一、SHRP（美国公路战略研究计划）简介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）。经费来源于联邦政府，占公路基金的1.25%，项目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。SHRP包括下面四个研究内容：* 公路运营* 混凝土与结构* 沥青* 路面长期性能整个计划于1993年3月31日结束。取得了130多项成果，包括新的规范、标准、试验方法、设备、指南、手册和研究报告，全部出版物140多本，相带20盒。1991年11月美国联邦政府又拨款一亿零八百万美元，作为SHRP成果推广以及今后15年长期路面性能（LTPP）观测的研究经费。二、沥青研究项目主要内容“沥青”方面的研究主要内容有：* 沥青和混合料的路用性能规范；* 沥青的性能试验；* 沥青混合料的加速性能试验；* 沥青水敏感性；* 沥青样品准备和条件；* 沥青炼制指南及沥青成分分析技术整个“沥青”课题经费5千万美元（约4.5亿人民币），占整个1/3。参加单位有30多个（沥青协会、宾州大学、加州大学、蒙大拿州立大学（加拿大）、丹麦国立道路研究所，诺丁汉大学（英）、芝加哥试验室等）。经世五年时间，共取得22项成果，其中规范2个，试验方法18个，软件/手册2个。这些成果中，superpave混合设计方法就是其中最重要的成果之一。沥青路面占美国公路路面约93%，（美国道路总里程643万公里）数量远远超过水泥砼路面。美国每年花上100亿美元（约占670亿人民币）用于修建和养护沥青路面，要用2000万吨沥青。仅热拌沥青砼（HMA）一年就生产5亿吨，价值100多亿美元，从业人员超过100万人。所以这是一个很大的建筑市场。由于沥青路面使用环境很复杂，有车辆、气候、土壤地质条件、材料状况等影响。所以仅靠目前的三大指标和其他的简单物理性质指标，不能很好预测路面的使用变化。SHRP的研究主要任务有三个：一是制定一个以路面性能为基础的沥青胶结料规范；二是制定一个混合料规范，以及相配套的混合料设计规范。基本思路是：研究沥青的物理和化学性质分别与路用性能的关系；研究沥青的物理和化学性质之间的关系；研究沥青混合料的性质与路用性能的关系，并将研究结果用路用性能试验结果加以验证。可见，SHRP的沥青研究项目较之前的研究更加深入和广泛。三、沥青胶结料性能规范Superpave沥青胶结料规范不同于其他的沥青规范，在该规范中那些用来测试的试验通过工程原理能直接与现场性能的物理量建立联系。它需要一套全新的试验设备和方法，而不是过去常用到针入度仪、延度仪、软化点仪等设备。它对改性沥青和非改性的沥青两者都适用。Superpave结合料规范的一个显著特点在于，它取代了在固定温度进行试验而改变规范值的作法，而用规定值是固定的，但达到此规定值的温度是变化的来代替。Superpave结合料性能分级规范见下表（1994.3）72沥青性能分级规范表沥青使用性能等级PG 46PG 52PG 58PG 64344046101622283440461622283440101622283440平均7天最高路面设计温度a46525864最低路面设计温度a344046101622283440461622283440101622283440原 样 沥 青闪点温度，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/，46525864R 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/，46525864P A V 残 留 沥 青 （ P P 1）PAV老化温度，d9090100100动态剪切，TP5：G*sin，最大5000kpa试验温度 10rad/s/, 107425221916131072522191613312825221916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 ，2430360612182430366121824300612182430直接拉伸，TP3：f破坏应变，最小，1.0%试验温度1.0mm/min，2430360612182430366121824300612182430沥青使用性能等级PG 70PG 76PG 8210162228344010162228341016222834平均7天最高路面设计温度a707682最低路面设计温度，a10162228344010162228341016222834原 样 沥 青闪点温度，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/，707682R 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/，707682P A V 残 留 沥 青 （P P 1）PAV老化温度，d100（110）100（110）100（110）动态剪切，TP5：G*sin，最大，5000kpa试验温度 10rad/s/, 34312825221937343128254037343128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 ，06121824300612182406121824直接拉伸，TP3：f破坏应变，最小，1.0%试验温度1.0mm/min，06121824300612182406121824注：a.路面温度用superpave软件中的公式计算，由主管部门提供或，从标有PPX字样的试验方法中寻找。b如果沥青供应商能保证沥青在符合安全条件温度下能容易泵送和拌和，主管部门可以不要求这个指标。c对非改性沥青质量控制来说，原样沥青的粘度可代替试验温度时动态剪切G*/sin的测量，这时沥青为牛顿流体。任何标准的粘度测量都可以应用，包括毛细和旋转粘度计（AASHTO T201或T202）。dPAV老化温度根据模拟气候条件在90、100或110三个温度中选用一个，除非沙漠气候，PG 58以上都用100。e物理硬化同TP1试验方法，不过试验条件温度延长到24小时，测定的蠕变劲度模量和M值仅作为报告。f如果蠕变劲度模量小于300MPa，不要求进行直接拉伸试验，如果蠕变劲度模量在300600MPa之间，用破坏应变要求代替蠕变劲度模量要求。两种条件下m值都必须大于0. 3。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“64”为“高温等级”，即结合料具有适应至少高到64温度的物理特性。64是根据统计年内得到的七天平均最高路面设计温度（）；同样，后面的数字“22”为“低温等级”意思是结合料具有适应路面温度降低至22的物理特性。22是每年一天的最低气温。Superpave的结合料等级如表（七个等级，每级温差6）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 34 40 7610 16 22 28 34 8210 16 22 28 34PG76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。下面我们把结合料性能规范解释一下。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，ASTM 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改变试验温度规范要求保持常量PAV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，0.300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控制路面车辙而定的指标沥青使用性能等级动态剪切，TP5：G*/sin，最小1.00kpa低温开裂控制指标标试验温度, 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/，从上述性能等级表可知，superpave沥青规范以路用性能为控制指标，主要提出了三个主要性能参数：永久变形（车辙），疲劳开裂和低温（热）开裂。这三个方面正好是路面最常见的破坏现象。Superpave软件包括了7500个美国和加拿大气象站的天气信息数据库。基于多于20年的数据，计算出7d平均温度、最高空气温度的平均值和标准差。同样也建立了每年1d最低空气温度和7d平均温度、最高空气温度的平均值和标准差。在PG分级中，其中的温度是路面温度而不是气温，所以要把气象站观测的气温换算成路面温度。对于面层，最高路面设计温度定在路面表面下20毫米，而把低温定在路面表面。对于最高路面温度按下列公式计算：式中：位于20mm深度处的最高路面设计温度； 七天平均最高气温，C； 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，C；路面温度等级与superpave结合料等级选择Superpave结合料规范的另一个特点，就是在模拟结合料寿命期三个临界阶段的情况下进行沥青结合料试验。用原始沥青进行的试验，代表运输储存和装卸的第一阶段。老化沥青(RTFO)阶段，代表在拌合铺装过程中的沥青，规范利用在旋转薄膜烘箱中老化结合料的方法进行模拟(第二阶段)，代表将结合料置于热和空气条件下。物理硬化后的残留沥青(PAV)阶段，代表热拌沥青铺装路面后的长期老化。规范中用压力老化箱来模拟这一阶段（第三阶段），该方法将沥青试样至于热和压力作用下。Superpave结合料试验设备如下表。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)旋转粘度仪（RV）测定结合料高温性能(135C,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）测定破坏应变粘性成分弹性成分GG *G沥青粘弹性质注1： 挠度(t)时间t（s）60秒S(t)t=60秒实时蠕变劲度；P恒载，100g；L梁支点间距离，102mm；B梁宽，12.5mm；h梁高，6.25mm；(t)t=60秒挠度。注2： tlgsM斜率压力老化仪 弯曲梁流变仪旋转粘度仪 动态剪切流变仪旋转薄膜烘箱四、矿质集料规范SHRP研究认为，集料特性在减少永久变形方面起着主导作用，而对疲劳开裂和低温开裂则影响不明显。因此他们把集料特性分为二类：一类是认同性特性；一类是以资源性特性。所谓“认同性”就是指这些特性因其在使用和规范值上存在着广泛的一致性，如粗集料的棱角性，细集料的棱角性，扁平、细长颗粒含量，以及粘土含量等。1粗集料棱角与集料的内摩擦阻力和抗车辙能力相关。它定义为：具有一个或多个破碎面的大于4.75mm集料的重量百分率。Superpave根据交通量和所处路面位置的粗骨料棱角值的最小要求值如下表。粗集料（4.75mm）棱角标准交通量，百万（ESALs）距路表深度100mm100mm0.31.03.010.030.0100.010055/-65/-75/-85/8095/90100/100100/100-/-/-50/-60/-80/7595/90100/100注：ESALs当量单轴荷载数，标准单轴载80KN；85/80表明85%的粗集料有一个或多于一个破碎面，而80%具有两个或多个破碎面。2、细集料棱角特性也是与内摩阻力和抗车辙能力有关。它定义为：在小于2.36mm的未压实集料中存在的空隙百分率。AASHTOTP33规定了试验方法。较高的孔隙率说明破碎面较多。试验简图如下：漏斗细集料已知体积V的圆筒未压实细集料孔隙率=Gsb细集料毛体积比重细集料棱角性标准见下表。交通量，百万（ESALs）距路表深度100mm100mm0.31.03.010.030.0100.0100.0-404045454545-40404045453、扁平和细长颗粒定义为，具有最大与最小尺寸比值大于5的粗集料（4.75mm）的质量百分数。试验方法规定在ASTMD4791中。扁平和细长颗粒标准要求见下表。交通量，百万（ESALs）最大值，%0.31.03.010.030.0100.0100-1010101010粘土含量指在细于4.75mm筛孔的集料组成中所含粘土百分数。按AASHTOT175“用砂当量试验ASTMD2419”进行测定。砂当量值按砂对粘土高度读书的比值确定，以百分数表示。1、集料资源特性资源特性是原材料所持有的，其临界值靠认同不可能得到。例如韧度，安定性和有害物质。韧度通过洛杉矶磨耗值试验（AASHTOT96或ASTMC131或C535）。试验用大于2.35mm的集料用铜球冲击和研磨来完成。最大质量损失值为3545%，其结果用于评价粗集料的抗磨能力和在使用过程中的机械退化。安定性是集料混合料通过硫酸钠或硫酸镁安定性试验（AASHTOT104或ASTMC88）的材料损失百分率。他是评价集料对气候变化的抗力。最大损失值5个循环为1020%。有害物质是指在混合料中诸如粘土快、页岩、木屑、云母、煤块等杂质的质量百分率(AASHTOT112或ASTMC142)。杂质含量不超过0.210%。2、级配Superpave用0.45次方分级配图确定为容许级配。图的纵坐标为通过百分率，横坐标为通过自乘0.45次方的筛孔尺寸计算刻度，以mm表示。如图4.1。图4.1 0.45次方图的基础例如，将4.75mm筛孔表在2.02刻度上，因为。该图的重要特色是最大密实度级配，该机配绘制以最大集料尺寸至原点的一条直线。Superpave使用以下集料尺寸定义：最大尺寸：大于公称最大尺寸的筛孔尺寸。最大公称尺寸：比筛余大于10%的第一筛孔更大的的筛孔尺寸。图4.2表示最大尺寸19mm的最大密集配曲线，它代表集料颗粒互相排列进入最紧密的状态。图4.2 最大尺寸19毫米的最大密度级配Superpave级配的另一个特点是，对0.45次方图增加了两个特殊点来规范集料的级配：3、控制点和限制区控制点的作用是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）。限制区沿最大密实度级配线位于中等尺寸（2.36mm）与0.3mm尺寸之间。限制区为级配不得通过的区域。通过限制区的级配叫做“驼峰级配”。这种级配会使混合料不易压实，这降低其抵抗永久变形的能力。同时，限制区也防止级配按最大密实度曲线进入细集料尺寸区，以防止不适宜的VMA，影响沥青用量的确定，减少了混合料的耐久性。这样的级配对沥青含量特别敏感，即使沥青含量少许变化都会使混合料成为塑性体。图4.3 Superpave级配控制点与限制区Superpave按公称最大集料尺寸规定了五种混合料级配(如下表)Superpave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37.525.019.012.59.55037.525.019.012.5五、沥青混合料体积配合比设计压实的铺路混合料的体积特征包括空隙率(Va)、矿质集料间隙率（VMA）、沥青饱和度（VFA）和有效沥青含量Pbe。这些体积特征对混合料的路用性能影响很大。下面对其定义和分析方法作一说明。5.1 定义矿质集料是多空隙的，并能不同程度地吸收水分和沥青，而且水分与沥青吸收比例随每一种集料而异。测试集料比重的三种方法作了以下不同考虑。这些方法为毛体积比重、视比重和有效比重：毛体积比重Gsb单位体积的可渗透材料（在正常情况下材料包括可渗透空隙和不可渗透空隙）在规定温度、在空气中的质量，对相同体积同一密度的无气蒸馏水在规定温度在空气中的质量的比值。见图5.1.图5.1 说明毛体积比重、视比重和有效比重计在压实铺路混合料中的有效沥青结合料视比重Gsa单位体积的不可渗透材料在规定温度在空气中的质量对相同体积同一密度的无气蒸馏水在规定温度在空气中的质量的比值，见图5.1.有效比重Gse单位体积的不可渗透材料（排除可由沥青渗透的空隙）在规定的温度在空气中的质量对相同体积同一密度的无气蒸馏水在规定温度在空气中的质量的比值，见图5.1.矿质集料空隙（VMA），有效沥青含量（Pbe）,空隙（Va）及沥青填充的空隙（VFA）的定义为：矿质集料空隙VMA压实铺路混合料集料颗粒间的空隙体积，包括以试样总体积百分率表示的空隙体积和有效沥青含量，见图5.2。=集料中空隙体积； =压实混合料毛体积；=铺路混合料无空隙体积=沥青填充空隙体积；=空隙体积；=沥青体积；=被吸收沥青体积=矿质集料体积(按毛体积比重)；=矿质集料体积（按有效比重）图5.2 HMA压实试件成分图解有效沥青含量（Pbe）铺路混合料沥青总量减去集料颗粒吸收的部分沥青。空隙（Va）压实铺路混合料在已涂覆集料间空气小穴总体积，以压实铺路混合料毛体积的百分率表示，见图5.2.沥青填充的空隙VFA由有效沥青占据的集料颗粒间空隙体积百分率，表示为（VFA-Va）对VMA的比值，见图5.2.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的VMA值，采用其他集料比重计算VMA意味着该VMA标准不再适用，且混合料不能满足Superpave的要求。有效比重Gse应为计算压实沥青铺路混合料中空隙的基础。矿质集料空隙（VMA）与空隙（Va）都以铺路混合料的体积百分数表示，沥青填充空隙（VFA）为VMA被有效沥青填充的百分率。根据如何规定沥青用量，有效沥青含量可以用铺路混合料的总质量的质量百分数，也可以用铺路混合料中集料质量百分数表示。由于空隙VMA和VFA均为体积量，不能被称量，所以铺路混合料必须首先以体积为基础进行设计和分析。为设计目的，这种体积方法可容易地转换为以质量为基础提供现场配方。5.2 压实铺路混合料分析进行空隙分析所需的测试和计算为：（a）测试粗集料（AASHTO T85或ASTM C127）和细集料（AASHTO T84或ASTM C128）的毛体积比重。（b）测试沥青（AASHTO T85或ASTM D70和矿粉（AASHTO T84或ASTM D854）的比重。（c）计算铺路混合料中集料组合体的毛体积比重。（d）测试松铺混合料最大比重（ASTM D204或AASHTO T209）。（e）测试压实铺路混合料毛体积比重（ASTM D1188/D2726或AASHTO T166）。表5.1 铺路混合料试样基础资料混合料成分比重试验方法混合料组成材料毛体积AASHTOASTM占混合料总质量百分率占混合料中集料总质量百分率沥青1.030（Gb）T228D705.3 (Pb)5.6（Pb）粗集料2.716（G1）T85C12747.4 (P1)50.0（P1）细集料2.689（G2）T84C12847.3 (P2)50.0 (P2)矿粉T100D854铺路混合料压实铺路混合料式样毛体积比重Gmb=2.442铺路混合料最大比重Gmm=2.535（f）计算集料有效比重。（g）计算在其他沥青含量时的最大比重。（h）计算集料的沥青吸收量。（i）计算铺路混合料有效沥青含量。（j）计算压实铺路混合料中集料空隙百分率。（k）计算压实铺路混合料中空隙百分率。（l）计算压实铺路混合料中沥青填隙百分率。以上计算的公式如下面所述。表5.1列出一种铺路混合料的基础资料。本章剩余部分的试样计算将采用这些设计资料。5.3 集料毛体积比重当总集料由具有不同比重的粗集料、细集料和矿粉各个部分组成时，则总集料的毛体积比重用下式计算。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。精确确定矿粉毛体积比重是困难的，然而，如用矿粉的视比重代替，误差通常可忽略。用表5.1资料：5.4 集料的有效比重当以铺路混合料的最大比重Gmm为基础时，集料的有效比重Gse包含除吸收沥青的空隙外的集料颗粒内的全部空隙。用下式确定Gse：式中：=集料的有效比重； =铺路混合料的最大比重（无空隙）（ASTM D2041/AASHTO T209）;=松铺混合料总质量百分数=100；=按ASTM D2041/AASHTO T209进行试验的沥青含量，为混合料总质量的百分数；=沥青比重。采用表5.1资料：注：被集料吸收的沥青结合料体积几乎总是小于吸水的体积。因而，集料有效比重值应介于其毛体积比重和视比重之间，当有效比重落在次界限之外时，必须认为该值不正确。应当重新校核这些计算，包括按ASTM D2041/AASHTO T209确定的总混合料的最大比重与根据集料和总沥青含量的混合料组成，以找出错误根源。5.5 不同沥青含量混合料的最大比重用给定集料设计铺路混合料时，需要用在每一沥青含量的最大比重Gmm来计算在每一沥青含量的空隙百分数。对每一沥青含量都可按ASTM D2041/AASHTO T209确定最大比重，但当混合料最接近设计沥青含量时，试验的进度最佳。同样，以两组或三组方式测试最大比重更好。在根据每次测试的最大比重计算集料有效比重并将Gse加以平均之后，可用下式得到相应于其他任何沥青含量的最大比值。公式假定集料的有效比重为常数。由于沥青吸收量不随沥青含量的变化明显改变，因而假定是可靠的。式中： =铺路混合料的最大比重（无空隙）；=松混合料总质量百分数=100；=集料含量，以混合料总质量百分数表示；=沥青含量，以混合料总质量表示=集料的有效比重；=沥青比重。采用表5.1的比重资料，有效比重和沥青含量=4（%）：5.6 沥青吸收量吸收量表示为集料质量的百分数而非混合料总质量百分数，沥青吸收量用下式确定：式中： =被吸收的沥青，以集料质量百分数表示；=集料的有效比重；=集料毛体积比重;=沥青比重。采用早先确定的集料的毛体积比重和有效比重计表5.1的沥青比重：5.7 铺路混合料的有效沥青含量铺路混合料的有效沥青为总沥青含量减去吸入集料颗粒的沥青损失数量。指保持涂覆于集料颗粒外面的那一部分沥青，即支配沥青铺路混合料性能的沥青量。公式为：式中： =有效沥青含量，以混合料总质量百分数表示；=沥青含量，以混合料总质量百分数表示；=沥青吸收量，以集料总质量百分数表示；=集料含量，以混合料总质量百分数表示；采用表5.1资料：5.8 压实铺路混合料的VMA百分数集料中空隙VMA定义为压实铺路混合料中集料颗粒间孔隙，包括空隙和有效沥青含量，以总体积的百分数表示。VMA根据集料的毛体积比重计算，并以压实铺路混合料的毛体积的百分率表示。因此，VMA可从压实铺路混合料的毛体积减去集料体积来计算，而集料体积则根据毛体积比重确定。对每种混合料百分含量的计算都给予说明。如混合料组成按混合料总质量百分数确定：式中： VMA=矿质集料空隙（毛体积百分数）；=总集料毛体积比重；=压实混合料毛体积比重（ASTM D1118或D2726/AASHTO T166）；=集料含量，以混合料总质量百分数表示；采用表5.1资料：或者，如混合料组成按集料质量百分数确定：式中：=沥青含量，以集料总质量百分数表示；采用表5.1资料：5.9 压实混合料孔隙率总压实铺路混合料中的空隙，由涂覆的集料颗粒之间的微小空隙组成。压实混合料中空隙的体积百分数可用下式确定：式中： =压实混合料中空隙率，总体积百分数；=铺路混合料最大比重；=压实混合料毛体积比重；采用表5.1资料：5.10 压实混合料的沥青填隙率(VFA)矿质集料中填充沥青的空隙百分率VFA(不包括被吸收的沥青)，用下式确定：式中： VFA=沥青填隙率，VMA百分数；VMA=集料空隙率，毛体积的百分数；=压实混合料的孔隙率，总体积百分率；采用表5.1资料：六、superpave三水准设计和对应的交通量、内容和相关设备superpave混合料设计和分析取决于所设计HMA路面的交通水准，分为三个等级或三个水准，见下表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注：不在superpave交通范围的可以自行调整在所有情况下，水敏感性都用AASHTO T283评价Superpave系统两个新的特点是室内压实试验和性能试验。室内压实用旋转压实仪（SGC）进行，见图6.1。图6.1 旋转压实仪试模示意图性能试验采用了superpave剪切试验机（SST）和间接拉力试验机（IDT）。然后按性能预测模型（详后）将这些试验资料用来预估实际路面性能。 图6.2 SST示意图图6.3 间接拉力试验（IDT）在三个设计水准中，其相应的试验内容为：水准1设计要求用SGC压实试件并根据体积设计要求选择沥青用量。水准2混合料设计以混合料体积设计为起点，加上一组SST和IDT试验以获得系列性能预测。水准3设计包括水准1和水准2的试验，并在更广泛的温度范围进行附加的SST和IDT试验。为路面提供更可靠的性能预测。七、superpave水准混合料设计7.1试验设备superpave旋转压实仪及附加设备旋转压实仪（SGC）：加载头压力660kpa；试模 150mm（内径）；115mm（高度）底座旋转速度 30r/min；压实角 1.25度。Superpave旋转压实机旋转次数的选择如下表：设计ESALs（百万次）平均设计高气温39394041424344NiniNdesNmaxNiniNdesNmaxNiniNdesNmaxNiniNdesNmax0.37681047741147781217821270.3177611778312978813889314613786134895150810015881051673108961528106169811318191191921030810917491211959128208913522030100912620491392289146240101532531009143233101582621016527510172288设计水准是设计旋转次数Ndes的函数，它是气候和交通水准的函数。在混合料设计中，应选择混合料压实为Ndes，且间隙率达4%的沥青含量。Ni是N-初值，是衡量混合料适应性的标尺。在Ni次数压实时空隙率至少应为11%。否则该混合料通常为较细混合料，可能含有大量天然砂。在路面使用中表现为稳定性不足。Nm是N-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。Nm时空隙率至少为2%。如果Nm时空隙率低于2%，则这种混合料也容易产生车辙。当交通量和气温确定时，则可根据Nd确定Ni和Nm，其关系如下：Ni=（Nd）0.45或lgNi=0.45lgNdNm=（Nd）1.10或lgNm=1.10lgNdSuperpave沥青混合料试验所需主要附加设备有： 恒温控制烘箱 大型拌和器，5公斤容量钵 拌和机，10公斤或更大 冷却试件用的风扇 温度计10235 容器（加热沥青用） 天秤：称量10kg，感量1g（称集料和沥青用）；称量10kg，感量0.1g（称压实试件用） 纸盘（150mm直径），大刮刀，小镘刀等。7.2 选择设计集料结构在选择设计集料结构之前，必须分别选择和审定沥青和集料。 为选择设计集料结构，通过将各种集料级配数学组合成单一级配的方法来建立试验混合物。然后将混合级配同规范相应筛孔的控制要求进行比较。 试验混合物包括改变每种集料的料堆百分率来获得满足特定混合料级配要求的混合级配。没有设定最初应尝试的试验混合物的数目。通常覆盖级配范围的三种混合物作为起点是足够的。注意虽然superpave建议级配在限制区以下通过，但这并非要求。试验级配可标绘在限制区之上。当机构或承包商应用superpave系统着手进行材料试验时，对多种试验混合物进行分析来确定当地材料的混合料性能将是有利的。 一旦选定试验混合物，有必要对混合集料特性进行初步评价。包括四种认同特性，集料的毛体积比重与视比重及集料的资源特性。对个别集料特性的这些数值开始可进行数学评价，最终批准则应进行集料的实际试验。 在对集料特性已进行评价之后，下一步是压实试件并确定每种试验混合物的体积特性。每一种试验混合物的试验沥青结合料含量是通过评价混合物的有效比重并用下列公式计算确定。混合物的有效比重()用下式估算； 式中： 集料混合物的有效比重 集料混合物的毛体积比重 集料混合物的视比重 系数0.8可以凭设计者的判断改变。对吸收性集料可要求该值接近0.6或0.5。 被集料吸收的沥青结合料体积()由下式估算：式中： 被吸收的结合料体积，为混合料的cm3cm3 结合料百分率(假定0.05) 集料百分率假定0.95) 结合料比重(假定1.02) 空隙体积(假定为混合料的0.04cm3cm3有效结合料体积()由下式确定：式中；=集料混合物标称最大大尺寸(毫米计)。最后，由下式计算初始试验沥青结合料含量式中： 结合料为混合料质量的百分率 集料质量，克，由下式计算对每种试验混合物用Superpave旋转压实仪压实至少两个试件。为确定混合料的最大试验比重还要准备一个试样。对压实试件通常4700克的集料质量足够了。通常2000克集料质量对确定最大理论比重()所用试样也足够了，虽然AASHTO T209(ASTM D2041)对各种混合料均应考虑确定其所要求的最小试样尺寸。7.3 试件准备与压实本方法概述应用Superpave旋转压实仪(SGC)如何制备HMA试件。包括拌和压实试件的指南。1、集料准备准备一份表明每种集料成分和沥青结合料分配重量的配量表。称量进入盘中每种集料成分的适当重量。按其最终用途采用三种试样尺寸。对将用于Superpave水准1混合料设计的压实试件，试件尺寸为直径150毫米，高度115毫米，且需要集料约4700克。应用粘度对温度的关系图(图7.1)来确定拌和和压实温度。选择拌和温度和压实温度相应的结合料粘度分别为0.170.02PaS和0.280.03PaS。注意这些粘度范围对改性沥青结合料并非有效。当使用改性沥清时，对拌和压实温度的推荐要去咨询改性剂的制造者。图7.1 温度粘度关系将装集料的盘置于烘箱中，温度设置约比拌合料温度高15，为达到拌和温度，集料需要在烘箱中放置二至四小时，在加热集料的同时，加热所有拌和工具如刮刀、拌和钵及其他工具。 将沥青结合料加热到要求的拌和温度。这一步骤所需时间随沥青数量及加热方法而异。将压力鼓风烘箱预热到135用于拌和后试样的立即短期老化。2、混合料准备将热拌钵放置于秤盘上并将秤盘调零，将加热集料装进拌钵并充分干拌，在混合集料中形成弧坑，称所需沥青加入混合料达到期望的配量。从秤盘取下拌钵，用机械式拌和器将沥青与集料进行拌和待试样拌和到集料被充分涂覆后，将混合料以2122公斤米2的等厚倒入平底浅盘，然后将盘放进135的压力鼓风烘箱，对试样进行4小时的短期老化。重复这样的步骤直至生产出所要求数量的试样。在拌和每一试样之间有大约20分钟间隙，以此可达到与旋转压实步骤的适当协调。在短期老化结束时，如将混合料用来确定最大理论比重，则进行AASHTOT209ASTMD2041试验否则，着手进行压实。3、按体积控制(Volumetric)的试件的压实在进行混合料试样短期老化的同时，进行压实仪的准备。包括检验压实压力，将压实角和旋转速度设置到适合数值，设定期望的旋转数Nmax，还要保证资料采集设备(计算机或RS232串行口(serialport)处于运行状态。在第一个试件压实前约4560分钟，将压实试模与底顶板放入设定在压实温度的烘箱内。在四小时的短期老化之后，将混合料从烘箱中取出，如压实温度低于135，将混合料放入另一烘箱不超过30分钟以达到期望的压实温度，如压实温度高于135，则将混合料置于室温直至达到压实温度。从烘箱中取出试模和底板，将底板置于试模中，并将纸盘置于底模顶面。在短期老化之后，混合料达到压实温度。将其装入试模，整平混合料，将纸盘置于整平的混合料顶面，将装满试样的试模放进压实仪。将荷载头下的试模对中，并启动系统使荷载头向下伸入试模圆柱体并与试件接触，当压力达到600KPa时荷载头停止加压。使用1.25的旋转角，并启动旋转压实仪，压实将进行到Nmax完成。在压实过程中，荷载头加载系统将保持600KPa的常压力。在压实过程中连续检测试件高度，每转一次后记录高度量测值。在达到Nmax后压实仪将停止压实，旋转角将松开，加载头升起。从压实仪取出盛压实试件的试模，并将试件从试模中挤压脱出，5分钟的冷却时间有利于无破损地取出试件。从试件的顶面和底面去掉纸盘，并使试件无破损地冷却。将试模和底板放回烘箱达到压实温度，以避免因此步骤可能延误另外的试模。对每个试件重复此压实方法，确认每个试件都有适合的标识。7.4 数据分析和计算superpave旋转压实资料系根据计算被估算的毛体积比重，经改正的毛体积比重和相应于每一期望旋转数的经改正的最大理论比重百分率进行分析。压实过程中在每次旋转后均量测并记录高度。量测压实试件的和混合料的，用混合料质量除以压实试模体积来估算任一旋转值时的： 式中： (估算)在压实过程中试件估算的毛体积比重 试件质量(克) 水的密度 压实试模体积(cm3)用