国内外确定最佳沥青用量(OAC)的方法与研究.ppt

国内外确定沥青混合料最佳沥青用量 OAC 的方法与研究 一 概述二 国内外几种确定沥青混合料最佳沥青用量方法的比较研究三 结论四 参考文献 一 概述随着公路事业的发展 公路里程在不断迅速增长 沥青路面由于其自身的抗滑性 舒适性和易修复性等优点在路面中占有相当大的比例 沥青路面的主要材料是沥青混合料 沥青混合料中沥青的用量对沥青路面的使用性能有着非常重大的影响 当沥青用量过少时 集料表面沥青膜过薄 混合料呈干枯状而缺乏足够的粘结力 不能形成高的强度 稳定度不高 耐久性差 如水破坏 沥青老化等 随着沥青用量的增加 混合料粘结力逐渐增强 稳定度随之提高 然而随着沥青用量的进一步增加 集料表面沥青薄膜增厚 自由沥青增多 自由沥青就如集料颗粒之间的润滑剂 使颗粒在荷载作用下容易产生滑动位移 从而降低稳定度 产生泛油 壅包和车辙现象 影响行车安全和美观 并对路面产生一定程度的破坏 因此 寻找一种合理的沥青用量确定方法 使得所确定的沥青用量适中 即最佳沥青用量 就显得尤为关键 在1984年的MS 2及其说明中指出 按照 最佳 定义 最佳沥青用量应该是在此含量下所有设计指标 空隙率 稳定度 密度 流值 矿料间隙率VMA和沥青饱和度VFA等 都是最优的或是满意的 而沥青用量本身不是一个混合料设计指标 一般是采用各种混合料类型以最少沥青用量和最大沥青用量的形式采用一个限制范围 但是设计标准的容许范围必须足够适应不同密度的集料组成的混合料 所以都有一个容许的变化幅度 二 国内外几种确定沥青混合料最佳沥青用量方法的比较研究1 国内外有代表性的5种最佳沥青用量确定方法2 Superpave法与马歇尔法确定最佳沥青用量的对比分析3 GTM法确定最佳沥青用量 1 国内外有代表性的5种最佳沥青用量确定方法 我国现行规范的方法 采用OAC1与OAC2的平均值 称为OAC 日本的方法 我国以前规范的方法 采用各项马歇尔试验指标都符合规范要求的沥青用量范围的中值 相当于现在的OAC2 作为OAC 美国MS 2原来的方法 求取密度及稳定度最大值及空隙率中值 相当于4 相对应的3个沥青用量的平均值 相当于我国规范的OAC1 作为OAC MS 21995年版的方法 按空隙率4 确定沥青用量 由此沥青用量检验各项指标是否符合要求 如不符合要求 则采用各项马歇尔试验指标都符合规范要求的沥青用量范围的中值 相当于现在的OAC2 作为OAC 美国Superpave方法 由空隙率4 确定最佳沥青用量 2 Superpave法与马歇尔法确定最佳沥青用量的对比分析 1 马歇尔法 2 Superpave法 3 Superpave法与马歇尔法的对比 4 小结 我国规范确定沥青混合料最佳沥青用量OAC的方法有一个变化过程 在以前的规范中 我国历来采用日本的方法 即求出全部满足设计技术要求的沥青用量范围 以其中值为最佳沥青用量 按此方法使用发现了一些问题 主要是针对高速公路和一级公路 由于采用了高质量的沥青后 在估算沥青用量时 尽管上下变化了5个不同的沥青用量 变化范围达2 0 稳定度值一般都能满足要求 流值也大都满足要求 但稳定度 密度有时连峰值都未出现 最后决定最佳沥青用量的往往只剩下空隙率一个指标 而且能共同满足要求的沥青用量范围往往很窄 所以实际上其相当于现在美国的4 空隙率决定最佳沥青用量的方法 不过设计空隙率范围为3 6 中值是4 5 另外 空隙率的计算过程 除包括最大相对密度 试件密度 沥青被集料吸收等有所不同外 空隙率基本上是唯一指标的体积设计方法 现行规范的方法是马歇尔试验加上经验 即综合以往的方法及实践经验论证决定最佳沥青用量的方法 1 马歇尔法马歇尔试验分3个程序 确定混合料密度 测定混合料的马歇尔稳定度和流值 分析试件的空隙率 为掌握每组试件中各单个试件的特性 需要把马歇尔试验结果在图纸上绘制成特性曲线 在分析特性曲线时 以沥青用量为横坐标 以测定的各项指标为纵坐标 分别将试验结果点入图中 连成圆滑的曲线 要求使密度及稳定度曲线出现峰值 从图中求取相应于密度最大值的沥青用量为a1 相应于稳定度最大值的沥青用量a2 及相应于规定空隙率范围的中值 或要求的目标空隙率 的沥青用量a3 求取三者的平均值作为最佳沥青用量的初始值OAC1 同时求出各项指标均符合沥青混合料技术标准的沥青用量范围OACmin OACmax的中值OAC2 当OAC1相应的各项指标值均符合规范规定的马歇尔设计配合比技术标准时 由OAC1及OAC2 综合确定最佳沥青用量OAC 当不能符合规定时 应调整级配 重新进行配合比设计 直至各项指标均能符合要求为止 规范非常明确地规定在确定最佳沥青用量OAC时 应通过对沥青路面的类型 工程实践经验 公路等级 交通特性 气候条件等诸多因素的综合考虑分析后 加以确定 宜按下列步骤进行 一般情况下 当OAC1及OAC2的结果接近时 可取二者的平均值作为最佳沥青用量OAC 当OAC1及OAC2的结果有一定差距时 不能采用平均的方法确定最终的OAC 而是分别通过随后的水稳定性试验和高温稳定性试验 综合考察后决定 对炎热地区公路及车辆渠化交通的高速公路 一级公路 预计有可能产生较大车辙时 可在OAC2与下限OACmin范围内决定 但不宜小于OAC2的0 5 通常要比试验得到的减小0 1 0 3 对寒冷地区公路以及其他等级公路 最佳沥青用量可以在OAC2与上限OACmax范围内决定 但不宜大于OAC2的0 3 值得注意的是 在实践过程中 往往只根据马歇尔试验得出OAC1及OAC2求出中值就作为最佳沥青用量OAC了 根据气候 交通条件 参照实践经验调整OAC的工作大都没有进行 2 Superpave法Superpave沥青混合料设计方法是美国SHRP研究的代表性成果 主要体现了沥青混合料按体积设计的原则 以混合料体积组成为控制指标来确定最佳沥青用量 所谓体积设计是根据沥青混合料的空隙率 VMA 沥青填隙率等体积特性进行热拌沥青混合料的设计 沥青混合料体积设计过程主要由四部分组成 材料选择 集料级配选择 确定沥青混合料的沥青含量 沥青混合料验证 包括体积特性和水敏感性 Superpave沥青混合料确定最佳沥青用量流程如图所示 用于沥青混合料体积设计的主要设备为Superpave旋转压实仪 SGC SGC能较好的模拟行车的碾压 能容纳最大集料尺寸为50mm 最大公称尺寸为37 5mm 的集料 并可用于现场质量控制和质量保证 SGC是在德克萨斯旋转压实仪的基础上改进设计的 在压实过程中主要对压实的轴向压力 旋转角度和旋转速度3个方面进行控制 并且实现了压实过程的监控 进而可以进一步将混合料的压实性能与混合料性能建立起一定的关系 更好地模拟了现场压实的情况 SGC旋转压实方法与马歇尔击实方法相比主要具有以下优点 将压实条件和交通量建立起更加密切的关系 设计压实次数由交通量来确定 压实过程更接近于实际路面的搓揉压实效果 减少了集料在压实过程中的破碎 15 可编辑 3 Superpave法与马歇尔法的对比马歇尔设计法的优点是试验方法简单 费用较低 考虑到了高温流变特性 强调了混合料必须保持一定的空隙率并重视密度 但是大量实践证明 传统马歇尔设计法的整个指标体系与混合料的路用性能不存在必然的联系 对路面结构的各种破坏现象不能起到有针对性的防治作用 以经验为基础并局限在一定温度范围内的马歇尔设计法 不能准确地反映和控制沥青路面在较大温度范围内表现出的黏弹性力学性能 针对同一种级配采用Superpave和马歇尔2种设计方法来确定最佳沥青用量 通过对比分析2种结果得出 Superpave法比马歇尔法确定的最佳沥青用量低 马歇尔法由于击实功有限 不能很好模拟路面的实际受力状况 所测试件的毛体积密度偏低 试件的空隙率偏大 所确定的沥青最佳用量高 而Superpave法能更好地模拟路面实际受力状况 确定的最佳沥青用量更加合理 2种设计方法相比 Superpave设计方法主要有以下特点 Superpave采用旋转压实方法 提高了压实功和压实效果 使设计的混合料试件矿料间更加密实 从而使许多原来满足马歇尔方法的一些级配不能满足Superpave的体积指标要求 Superpave采用四相体系 空气 吸收沥青 有效沥青和集料 进行混合料的体积关系分析 与马歇尔设计方法相比 考虑了短期老化 集料吸入沥青的实际情况 使压实和空隙率的计算更符合实际 Superpave旋转压实仪将压实过程作为设计控制的一个重要组成部分 增加了集料结构选择过程 使得结构组成更加合理 4 小结 对于同一种级配的沥青混合料 从2种方法确定的最佳沥青用量来看 Superpave方法比马歇尔方法确定的最佳油量大幅度减小 造成2种方法确定的最佳沥青用量偏差较大的原因在于 当采用Superpave旋转100次成型混合料试件的压实功明显大于马歇尔双面击实75次成型的混合料试件 导致Superpave成型的混合料的毛体积密度明显大于马歇尔成型的混合料的毛体积密度 相应的空隙率比马歇尔成型试件的空隙率要小 最佳沥青用量减少 马歇尔方法击实功有限 所确定的沥青混合料最佳油量往往偏大 而Superpave法采用揉搓式成型试件能更好的模拟路面的实际受力状态 更接近于路面实际情况 3 GTM法确定最佳沥青用量 1 GTM法的试验步骤 2 GTM试验与路用性能的相关性 3 最佳油石比的确定 4 小结 GTM设计方法是利用GTM实验机模拟行车作用成型试件 通过旋转压实试件 使其密度达到汽车轮胎实际作用于路面时所产生的最终密度 即通过对试件施加垂直压力 该压力通过实际测试汽车轮胎对路面的实际压强确定 试件在该压力作用下 被旋转压实到平衡状态 所谓平衡状态 是指每旋转100次试件密度变化为0 016g cm3 并测试分析试样被压实到平衡状态过程中剪切强度和最终塑性形变的大小 以判断混合料组成是否合理 在混合料被压实到平衡状态过程中 若机器角上升 滚轮压力下降 说明混合料的抗剪强度降低 变形增加 呈现出了塑性状态 即表明沥青混合料的沥青用量过大 试件的最终塑性形变大小是用旋转稳定系数来表示的 旋转稳定系数 GSI 是试验结束时的机器角与压实过程中的最小机器角的比值 是表征试件受剪应力作用的变形稳定程度的参数 1 GTM法的试验步骤GTM试验压强一般根据汽车轮胎对路面的压强确定 GTM法的试验步骤如下 第一步 沥青混凝土的设计密度 即选用5个不同沥青用量的混合料在规定的温度下旋转成型至平衡状态 测得试件密度 第二步 根据第一步测得密度按路面要求压实数成型试件 再放置至室温 然后在60 条件下养护6h以上 再压实到平衡状态测定试件的应变比和抗剪强度 根据试验结果 绘出沥青用量和密度 应变比 GSI 抗剪安全系数三者的关系曲线 要求应变比小于或等于1 05 抗剪安全系数大于1 0 考虑空隙率 密度 确定出最佳沥青用量 2 GTM试验与路用性能的相关性 GTM试验应用推理的方法 采用应力 应变原理进行设计 以试验结束时的GSI作为确定最佳沥青用量的参数 使得最佳油石比的确定与混合料力学性能相联系 相比马歇尔方法 设计思想更为先进 GTM试验采用旋转成型方式 精确模拟现场碾压工况 能够得到与现场混合料结构基本相同的室内试件 从而准确预测与控制现场工程质量 利用GTM设计沥青混凝土时 充分考虑行车荷载的实际状况 选择不同的设计压强 从而使设计方法更为合理 与Superpave成型方式不同 GTM不固定压实功 而是以极限平衡状态作为旋转结束条件 以避免路面出现因交通荷载作用产生的二次追密 3 最佳油石比的确定首先确定试验材料 之后分别对两种级配选取5种油石比进行拌合 每种油石比进行7次试验 GTM试验的温度为140 145 工作参数模拟重载交通 取垂直压力为1 0MPa 将旋转压实成型试件 达到极限平衡状态 制成7组 将GSI与油石比的变化绘制成曲线 由两种级配的GSI试验结果显示 所有试验的GSI随油石比的变化均表现出相同的特点 即当油石比较小时 GSI变化不大 所拟合曲线比较平坦 曲率半径较大 当油石比达到某个值 即沥青混合料开始出现塑性变形 时 由于GSI急剧增加 曲线曲率在此点处变大 即曲率半径最小 当油石比继续增加 曲线的曲率半径又开始变大 即油石比增大 沥青混合料抗变形能力降低 GSI逐渐增大 但它们均有一个值得关注的现象 即对于不同试验的沥青混合料 随着油石比的增大 GSI普遍存在一个拟合曲线的曲率半径最小的突变点 这个突变点的存在 标志着油石比一旦大于此值 沥青混合料抗变形能力迅速下降 故而可以将该突变点作为沥青混合料最佳油石比的判据 由图1可知 级配Sup 13的最佳油石比为4 8 由图2可知 级配Sup 16的最佳油石比为4 9 4 小结 由于马歇尔试验确定的标准参数与沥青混合料路用性能没有内在联系 在沥青混合料路用成型原理的基础上 分析了GTM试件旋转压实成型可以模拟混合料路用成型的合理性 通过对典型级配不同油石比下的GTM试件成型时的GSI数据分析 GSI值普遍存在一个拟合曲线的曲率半径最小的突变点 它的存在标志着油石比一旦大于此值 沥青混合料抗变形能力便迅速下降 故而可以将该突变点作为沥青混合料最佳油石比的判断依据 通过室内路面加速加载破坏试验和室外路段试验 分别对GTM成型和马歇尔成型确定的最佳沥青用量对比试验路段的路面长期路用性能的观测数据的分析 证实了通过GSI突变点确定的最佳沥青含量是合理的 从而找到了一种与路用性能相联系的沥青混合料最佳沥青用量的确定方法 三 结论1 我国现行OAC方法和美国Superpave方法确定的沥青用量对应的体积指标均满足工程要求 2 Superpave法比马歇尔法在混合料的压实功上更合理 所确定的最佳沥青用量也相应减少 但无视不同公路等级 不同交通量和轴载比例 不同气候条件 不管是高速公路还是其他道路都采用4 同样的空隙率 这是不可取的 3 应用GTM法确定的最佳油石比下的马歇尔试验各项技术指标均满足现行规范要求 但是 GTM法经济性不好 并且GTM实质上提供了一个不易发生车辙的柔性路面设计方法 但是对路面结构的耐久性 抗老化能力 抗疲劳开裂能力等未考虑 故不能得到广泛应用 4 在实践过程中 经常会遇到一个问题 即对同样级配的沥青混合料的最佳油石比曾经有过充分的 成功的经验 换了一个工程以后 试验设计得到的最佳沥青用量却有不小的差别 这就严重妨碍了实践经验的应用 实践中该如何考虑这一影响 四 参考文献 1 陈志一 等 SGC方法与马歇尔方法确定不同级配最佳沥青用量的比较研究 HIGHWAY Sep 2007 No 9 2 JTGF40 2004 公路沥青路面施工技术