高性能沥青路面.doc

浅谈高性能沥青路面徐 鹏 华1前言由于交通量的剧增，轮胎气压和轴载的增加，许多完全满足现行规范的沥青路面却达不到设计的寿命，主要表现为车辙、剥落、低温开裂等病害，即现行的规范无法控制沥青路面的某些早期损坏。从1987年开始，美国公路战略研究计划(SHRP)进行了一项为期5年、耗资5000万元的沥青课题研究，占整个SHRP经费的三分之一，旨在制定一套新的沥青和沥青混合料规范、试验和设计方法。这就是高性能沥青路面(Superpave)。Superpave技术不仅对沥青工业界产生巨大影响，也引起了世界各国的普遍关注，很多国家均在进行相关的对比试验和验证。我国从1997年引入Superpave，近年来各省市科研单位都在研究探索中，也有不少省份已将Superpave应用于高速公路建设中。西安户县高速公路上面层是陕西省第一条高性能沥青路面，是施工单位中铁十二局路面公司同长安大学课题组合作完成的。现就Superpave的主要研究方法和在西户高速公路上的设计施工情况作一介绍。2级配要求Superpave混合料体积设计的级配选择是通过设置控制点和限制区来进行的。设置控制点是要求集料级配必须通过其间的范围,控制点分别设于公称最大尺寸，中等尺寸(2.36mm)和最小尺寸(0.075mm)处，而限制区则为不允许级配线通过的区域,它沿最大密实度曲线(0.45次方级配线)存在于中等尺寸(2.36mm)和0.3mm尺寸之间。由于限制区具有驼峰特征，故通过限制区的级配称为“驼峰级配”。设置限制区的目的有两个，一是为了限制砂的用量；二是为了使矿料具有足够的矿料间隙率（VMA）。在多数情况下，驼峰级配表示为含砂过多的混合料或相对于总砂量来说细砂太多的混合料，这种级配的混合料在施工期间经常存在压实问题，并表现为在使用期抗永久变形能力不足，而且级配通过限制区容易造成VMA过小，这种级配对沥青含量极为敏感，因此，应使集料设计级配位于控制点之间并避开限制区以满足Superpave的要求。图1示出了Sup19矿料的控制点和限制区。图1 Sup19矿料级配控制图3配合比设计3.1原材料选择3.1.1沥青沥青采用美国科氏AH90沥青，必须同时符合“重交通道路石油沥青技术要求”和美国SHRP规范PG6428的规定。3.1.2粗集料：粗集料采用小峪石料厂生产的1020、1015、510三档料，该石料为斜长角闪岩，石质坚硬，各项指标满足规范要求。由于该石料粘附性等级为34级，因此采用西安公路研究所生产的抗剥落剂，型号为PA1，掺量为沥青的0.4%，掺加抗剥落剂后粘附性可达5级。3.1.3细集料：细集料采用沣河产水洗砂，泾阳产石灰岩石屑。3.1.4填料：填料采用泾阳产石灰岩磨细矿粉，各项指标满足规范要求 ，试验结果见表1。 矿 粉 试 验 结 果 表1试验项目单位试 验 结 果视 密 度g/cm32.67SiO2含量%8.82含 水 率%0.31亲水系数0.73矿 粉 级 配筛孔尺寸(mm)通过百分率(%)0.301000.1591.70.07578.4 3.2设计集料结构的选择西户高速公路上面层选择Sup19型，控制点与限制区见下表2。 Sup19集料级配控制点及禁区界限 表2筛孔尺寸控 制 点禁 区最 小最 大最 小最 大25.010019.09010012.5909.54.752.36234934.634.61.1822.328.30.616.720.70.313.713.70.07528根据室内试验，确定目标配合比为1020碎石：1015碎石：510碎石：石屑：砂：矿粉=18：22：15：30：9：6，目标级配见表3所示，生产配合比设计时级配应尽量接近表3 所列。 Superpave目标级配曲线值 表3筛孔尺寸1912.59.54.752.361.180.60.30.150.075通过量(%)10085.267.747.229.921.415.911.08.76.83.3设计沥青用量的选择Superpave混合料设计与传统的马歇尔试验方法不同，它的主要设备为Superpave旋转压实仪(SGC)，SGC用来制备进行体积分析的试件，还可在压实过程中记录供测试试件密实度的资料。它的主要目的是力图将混合料试件逼真地压实到在实际路面气候和荷载条件下所达到的密实度。在确定设计集料结构之后，针对设计集料用几种不同的沥青用量，用Superpave旋转压实仪成型试件，计算体积指标，确定最佳沥青用量。Superpave规定在设计压实次数Ndes 时，空隙率为4%的沥青用量为设计沥青用量。经室内试验，确定设计油石比为4.8%（沥青用量4.58%）。3.4生产配合比按目标配合比上料，由热料仓的四种热集料与填料重新进行级配组合，使合成级配最大限度地与目标设计级配相一致。关键筛孔4.75mm通过量与设计值相差不超过3%；2.36mm及2.36mm以下不超过2%；与0.075mm的通过量的偏差不得大于1%；根据试配，得出生产配合比4仓：3仓：2仓：1仓：矿粉=30：18：18：28：6，油石比4.8%,抗剥落剂用量为沥青用量的0.4% 。 4混合料施工4.1施工温度 （1）根据科氏AH90沥青的粘温曲线确定沥青混合料拌合温度为148154，压实温度为136141。现场的拌和与压实温度允许提高15。（2）沥青混合料施工各环节温度控制见表 4 高性能沥青路面施工温度 表4施 工 工 序90号沥青施工温度规定 ()沥青加热温度150160矿料加热温度比沥青温度高1030沥青混合料出厂温度150165混合料储料仓储存温度储料过程中温度降低不超过10混合料废弃温度190运输到现场温度不低于155摊铺温度不低于150开始碾压温度不低于150碾压终了时的表面温度不低于90开放交通的路表温度不高于504.2运输、摊铺Superpave沥青混合料的运输、摊铺与普通沥青混合料基本相同。Superpave集料级配有控制点和禁区的要求，使我们通常的1号料大为减少，而2号料占粗集料的绝大比例，由于粗、细集料角砾性要求高，因此施工和易性比普通沥青混合料差一些。为了减轻离析，提高沥青混合料的均匀性，拌合厂要选择合理的振动筛筛孔，达到既能将超粒径料排除，又不会将合格料排出以造成混合料无大料和浪费。4.3碾压Superpave混合料粗集料含量较高，内摩阻力大，需要的压实功比普通混合料大，压实的关键是“高温、强振、紧跟压路机”。由于混合料的特性，该混合料高温压实时很少出现起浪推挤现象。在碾压过程中，应注意各种机械的衔接，同时应控制碾压温度及速度。对于某些Superpave混合料，当温度在93115时有一个敏感区，混合料可以在这个温度以上或以下压实，但在这个温度范围内却很难压实。4.3.1初压1)初压应紧跟在混合料摊铺后较高温度下进行,并不得产生推移、开裂；2)初压采用1113T双钢轮压路机前进静压，后退振动，从外侧向中心碾压。3)初压通常碾压1遍或2遍，其线压力不宜低于35N/mm。初压后应检查平整度、路拱、必要时应修整。 4.3.2复压1) 复压先采用26T胶轮压路机进行搓揉碾压，轮胎充气压力不小于0.55Mpa 。胶轮压路机碾压12遍。2)1113T双钢轮压路机振动碾压2遍，压路机的振动频率宜为3550Hz，振幅宜为0.30.8mm。3)复压后路面必须达到要求的压实度，且无显著轮迹。4.3.3终压终压应紧跟在复压后进行。终压可选用12T左右双钢轮压路机静压2遍。5施工质量检测虽然Superpave在设计及试验方法上已脱离了传统的马歇尔试验，但在我国目前这套试验设备还未普及，仅有部分科研单位配备了这套设备。因此只有在设计时应用，施工控制还仍然沿用马歇尔试验方法。压实度以最大理论密度为标准，要求面层的压实度为理论最大密度的93%以上。以每天马歇尔密度为标准，要求压实度为马歇尔密度的98%以上，现场钻芯取样空隙率宜在6.3%以下。6 Superpave混合料性能分析现行的路面结构设计与沥青混合料设计并不相关，符合了马歇尔稳定度和流值以及其它体积性质要求的沥青混合料却不一定达到了路面设计时所假定的模量等参数。Superpave技术注意到了这种脱节，企图通过对第一阶段设计出来的混合料进行一系列加速性能试验，并通过性能预测与路面的破坏联系起来，如图2所示。项目数据：层的资料，交通量，气候车 辙疲劳开裂低温开裂 路面破坏模型路面反应模型环境影响模型 材料特性模型性能试验结果 图2 路面性能预测模型方块图 材料模型将试验结果变成一系列粘弹性、非线性、塑性和断裂特性的特性参数，由于沥青混合料是一种粘弹性材料，所有试验结果都与温度有关，因此，环境影响模型将路面不同部位的温度作为空气温度的函数计算出来，从而计算出所需温度的材料特性参数。路面反应模型利用环境影响模型的结果来计算路面内在交通作用下的应力、应变和位移。路面破坏模型主要考虑了沥青路面的车辙、疲劳开裂和低温开裂。整个Superpave混合料分析的工作，包括各种模型的检验，尚未达到很成熟的地步，因此，目前对于模型研究课题和其它的研究课题还正在研究完善之中。与现行密级配沥青混合料马歇尔试验方法相比，Superpave混合料设计体系在以下几个方面有了明显的改进： Superpave胶结料规范，是一个基于道路所在地区气候特点的性能标准，不仅有高温指标，也有低温指标，揭示了沥青胶结料的高低温性能和流变特性，建立了沥青胶结料与路用性能之间的联系，使对沥青的选择更为科学合理；旋转压实仪更接近现场的压实过程，其压实试件的工程性质更接近于现场取芯试件；增加了混合料短期老化，使压实和空隙率计算更为符合实际；加大了试件尺寸（150mm直径），能适合于大粒径（2550mm）的集料；实时测量试件高度与旋转次数，画出压实曲线，从而能评价混合料的压实特性；在初始压实次数时规定了一个最大压实度，避免了不稳定混合料的产生；在最大压实次数时规定了一个最大压实度，使混合料的抗车辙能力更有保障；Superpave采用最大理论密度作为现场压实度控制指标，也就是说用空隙率作为现场路面压实度控制指标，这比用马歇尔密度标准更为合理。7结束语Superpave在混合料设计体系上的改进是