美国SHRP计划幻灯片

美国SHRP计划Superpave沥青混合料设计方法 主讲人 张起森教授 博导 2012年3月 1 2 一 SHRP简介 StrategicHighwayResearchprogram SHRP是美国国会1987年批准的为期五年 1987 1993 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 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 2 2 主要研究内容四个 公路运营混凝土与结构沥青 研究经费 5000万美元 路面长期性能 3 2020 4 24 取得主要成果130多项 1991年11月美国联邦政府又拨款一亿零八百万美元 作为成果推广及路面长期性能 LTPP 观测的研究经费 所以整个SHRP的经费达到二亿伍仟八百万美元 约合人民币23 32亿元 4 2 主要研究内容有六个沥青胶结料和混合料的路用性能规范沥青胶结料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 二 沥青研究的主要内容 5 2020 4 24 沥青研究项目总经费5千万美元 约4 5亿人民币 整个SHRP经费的1 3 有世界各国30个多个单位参加 经世五年时间取得22项成果 其中superpave混合设计方法就是其中最重要的成果之一 6 2 SHRP沥青研究主要任务有三个 制定以路面性能为基础的沥青胶结料规范 制定混合料设计规范 将沥青的物理 化学性质 沥青混合料的性质与路用性能联系起来 并进行验证 7 2 三 沥青胶结料性能规范 特点 沥青的相关指标直接与现场性能建立联系 以路面温度 最高 最低温度 作为沥青分级的依据 研究了一套全新的试验设备 旋转压实仪SGC 动力剪切流变仪 DSR 弯曲梁流变仪 BBR 直接拉力仪 DDT 等 适用于普通沥青和改性沥青 Superpave结合料性能分级规范见下表 8 2 9 2 10 2 11 2 12 2 表中 沥青性能等级是按PG performancegrade 进行分级的 如PG64 22 前面一个数字为 路面高温等级 后一数字为 空气低温等级 对于PG64 22等级的沥青 可以满足路面最高温度 距路表2cm 统计年份七天平均最高路面设计温度 64 的物理特性要求 同样 可满足一年一天最低的空气温度 22 的要求 13 2 Superpave结合料分为七级 每级温差6 见表 14 2 其中 PG76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 Superpave结合料规范取代了在固定温度进行试验而改变试验规定值要求的传统做法 采用了试验要求值是固定的 而达到此规定值的温度是变化的 根据当地温度而定 15 2 Superpave结合料规范解释如下 规范要求保持常量 改变试验温度 16 2 控制路面车辙而定的指标 17 2 为控制疲劳开裂而设定的指标 低温开裂控制指标标 18 2 路面最常见的破坏现象 提出三个控制路面性能的指标 永久变形 车辙 疲劳开裂低温 热 开裂 19 2 温度的确定 superpave搜集了美 加7500个气象的天气信息数据库 多于20年的时间 计算七天平均最高气温平均值和标准差 同样也计算每年一天最低气温和七天平均最高气温平均值和标准差 20 2 路面最高温度 路表以下20mm的温度 计算公式 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 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 21 2 Superpave结合料规范的另一个特点 模拟结合料寿命期三个临界阶段进行沥青结合料试验 第一阶段 原始沥青试验 代表运输储存和装卸阶段的性质 第二阶段 老化沥青 RTFO 试验 代表拌合铺筑过程中的沥青 第三阶段 物理硬化后的沥青 PAV 试验 代表热拌沥青铺筑后的长期老化阶段 22 2 Superpave结合料试验设备和目的见下表 23 2 压力老化仪 弯曲梁流变仪 24 2020 4 24 旋转粘度仪动态剪切流变仪 25 2020 4 24 旋转薄膜烘箱 26 2020 4 24 路面温度与superpave结合料等级选择如下图示 温度图 27 2 四 矿质集料规范 1 集料特性 粗 细集料的棱角性 扁平 细长颗粒含量 以及粘土含量 还有韧性 安定性和有害物质等 要求与交通量和层位发生联系 2 级配设计的特点Superpave用0 45次方分级配图确定为容许级配 如图 28 2 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 不超过10 的集料颗粒保留的最大粒径筛孔尺寸 最大密度级配曲线 29 2 Superpave级配控制点与限制区 控制点和限制区 控制点 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尺寸之间的一个区域 这区区域是级配不得通过的 驼峰级配 不易压实及稳定 VMA不当 30 2 Superpave按公称最大集料尺寸规定了如下的五种混合料级配 31 2 五 沥青混合料体积配合比设计 体积特性 孔隙率 Va 矿质集料间隙率 VMA 沥青饱和度 VFA 有效沥青含量Pbe 定义 测试集料比重的三种方法 毛体积比重 视比重 有效比重 32 2 说明毛体积比重 视比重和有效比重及在压实铺路混合料中的有效沥青结合料 33 2 体积特性有关参数的定义如下图 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VMA 不能用其他比重计算 34 2 体积特性相关参数 Vmb 压实混合料毛体积 Va 空隙体积 Vmm 压实混合料无空隙体积 Vb 沥青体积 Vse 矿质集料体积 Vma 集料中空隙体积 Vsb 矿质集料体积 按毛体积比重 Vfa 沥青填充空隙体积 Vba 被吸收沥青体积 35 2 压实铺路混合料分析基础资料 测试粗集料和细集料的毛体积比重 测试沥青和矿粉的比重 计算混合料中集料混合料的毛体积比重 测试松铺混合料最大比重 测试压实铺路混合料毛体积比重 36 2 集料毛体积比重 单位体积的可渗透材料 包括可渗透空隙和不可渗透空隙 在规定温度下空气中的质量与同体积无气蒸馏水在同样温度条件下空气中的质量之比 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 计算分析 37 2 集料有效比重 单位体积的不可渗透材料 不计入由沥青渗透的空隙 在规定温度下在空气中的质量与同体积无气蒸馏水的质量比 式中 集料的有效比重 混合料的最大比重 无空隙 松铺混合料总质量百分数 为00 沥青含量 混合料总质量的百分 沥青比重 38 2 不同沥青含量混合料的最大比重 式中 Gmm 压实铺路混合料最大比重 无空隙 集料含量 以混合料总质量百分数表示 集料的有效比重 被吸收的沥青量式中 被吸收的沥青 以集料质量百分数表示 集料毛体积比重 39 2 混合料有效沥青含量 式中 有效沥青含量 以混合料总质量百分数表示矿质集料空隙率 式中 VMA 矿质集料空隙 毛体积百分数 总集料毛体积比重 压实铺路混合料毛体积比重 40 2 压实混合料空隙率 式中 压实混合料中空隙率 总体积百分数 压实混合料毛体积比重 沥青饱和度 式中 VFA 沥青饱和度 VMA百分数 41 2 六 superpave三个水准设计和对应的交通量 试验内容和相关设备 superpave混合料设计分为三个等级或三个水准 与交通量有关 如下表 42 2 Superpave两个新的特点 1 室内压实试验 旋转压实仪 SGC 模拟路上压路机的搓揉作用 旋转压实仪试模示意图 43 2 2 性能试验 剪切试验机 SST 和间接拉力试验机 IDT SST 获得路面抗车辙G sin 和抗疲劳G sin 参数IDT 获得路面抵抗低温开裂参数蠕变劲度S蠕变率M以及抗疲劳开裂力FC SST IDT 44 2 三个设计水准试验内容 水准1 用SGC压实试件 体积配合比设计选择沥青用量水准2 水准1的内容 增加一组SST和IDT试验 获得G sin S M FC等 路面抗车辙 抗疲劳 抗低温开裂性能预测 适合106 ESALs 107 水准3 水准1 水准2的内容 并在更大温度范围 4 20 40 0 10 20 进行SST和IDT试验 性能预测模更复杂 在此不详说 45 2 七 superpave水准1混合料设计 重点 1 试验设备 旋转压实仪 SGC 加载头压力660kpa 底座旋转速度30r min 压实角1 25度 试模150mm 内径 115mm 高度 46 2 压实功能水准是设计旋转次数Ndes的函数 Ndes又是气候和交通水准的函数 Ndes 混合料设计 空隙率达4 选择沥青含量 Ni 初值 衡量混合料适应性的标尺 空隙率至少应为11 Nm 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 空隙率至少为2 Ndes Ni Nm三者关系如下 Ni Nd 0 45或lgNi 0 45lgNdNm Nd 1 10或lgNm 1 10lgNd附加设备还有 恒温控制烘箱 拌和机 10kg 拌合器 天秤等 47 2 2 选择设计集料结构 评定和选择原材料 集料 沥青 改性剂 添加剂 等A 沥青选择 借助气息站资料选择气温资料选定设计可靠度 98 确定路面设计最高温度和最低气温确定沥青结合料等级 如PG70 10 确定室内拌合压实用的粘度 温度曲线B 集料选择 组合级配 粗 细集料棱角性 扁平 细长颗粒 粘土含量 砂当量 比重 韧度 安定性 有害物质等 C 改性剂选择 如SBS 抗车辙剂 温拌剂 阻燃剂 纤维等 48 2 设计集料结构A 确定试验混合料a 试验三种混合料superpave沥青混合料集料级配要求 五种 如下表 49 2 50 2020 4 24 51 2020 4 24 52 2020 4 24 53 2020 4 24 假设给出A B C三个级配 进行superpave初试级配设计 54 2 集料19mm公称尺寸级配曲线 由表中数据和级配曲线可以看出 初试设计级配全部满足superpave规范控制点与限制区的要求 初试级配设计比较理想 55 2020 4 24 b 评价组合集料特性 包括级配 粗 细集料棱角性 韧度等 还要计算 有效比重被吸收沥青结合料体积有效结合料体积式中 混合集料公称最大尺寸 mm 56 2 沥青含量式中 集料质量 克 由下式计算 57 2 B 压实试验混合料试件a 确定试用沥青结合料用量 按上述公式计算 b 确定混合料试验尺寸 内径150mm 高115mmc 确定Nini Ndes Nmaxd 配制试件e 压实试件 对以下四种沥青含量每种至少压实三个试件 估称沥青含量估称沥青含量 0 5 估称沥青含量 1 0 并编制密实度表 f 确定混合料特性Gmm和Gmb 58 2 试验混合物的密实资料Gmm 实测 2 563 59 2 试验混合物密实曲线 60 2020 4 24 C 评价试验混合物a 确定在的 Gmm Gmm为修正的毛体积比重Gmb与最大理论比重Gmm之比 b 确定 Va和 VMA Va 100 Gmm Ndes式中 Gmm Ndes 在Ndes下的最大理论比重 61 2 c 估计4 空隙率的沥青结合料含量式中 初始 试验 的结合料总质量百分率 在Ndes的空隙率 试验 d 评价在估算沥青结合料含量时混合料特性汇总沥青混合料体积与压实特性计算结果 把估算沥青用量条件下的体积与压实特性与superpave规范标准进行比较 以确定最终用于选择设计沥青胶结料用料的级配 62 2 e 确定粉料 沥青比 粉胶比 对于粉料比有个要求范围 粉胶比是 式中 通过0 075mm筛孔的集料含量 以集料质量的百分率表示其中 某级配集料含量 以混合料总质量的百分率表示 沥青比重 沥青 估算 含量 63 2 f 设计混合料特性与superpave标准比较 空隙 VFA VMA与沥青含量关系在4 7 结合料含量时的设计混合料特性 64 2 D 进一步分析选择最有希望的设计混合料结构 重复上述试验 分析计算 最终选定设计混合料和最佳沥青用量 用AASHTOT283设计评价