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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Superpave沥青混合料设计方法,中国 杭州,2013.05.10,主讲人：张瑜,浙江省交通工程建设集团有限公司测试中心,高级工程师,公路工程一级注册建造师,市政工程一级建造师,公路、桥梁工程试验检测工程师,联系电话：[phone],QQ号码：651285157,邮箱：,651285157,欢迎联系！,Superpave,混合料？还是采用,Superpave,设计方法设计的混合料？,Superpave,混合料就是高性能沥青路面、超级路面吗？,“,Superpave,级配范围”、“,Superpave,级配中值”的说法是否合理？,Superpave,级配禁区不可穿越？,Superpave,设计方法有需要完善之处吗？,Superpave？,1 沥青混合料设计方法,1.1 概述,沥青混合料设计是一个模拟过程；,模拟拌和、施工和使用过程；,设计内容：,材料、级配、沥青含量；,设计目标：,高低温性能；水稳定性；疲劳；抗滑；和易性；,设计流程：,材料选择；级配优化；最佳沥青用量；性能验证；,设计方法：,成型不同沥青含量试件；测试特征参数；最佳沥青含量；,1.2 传统设计方法,1.2.1 马歇尔方法（,Marshall Method,）,（1）历史与发展,1939,年，美国密西西比公路局布鲁斯,马歇尔（,Bruce Marshall,）开发；,1943,年，美国陆军工兵水道试验室（,WES,）进行改进，用于机场道面设计；,50,年代，,WES,不断完善马歇尔方法，以适应不同交通量、气候条件等要求；,1958,年，马歇尔方法被列入,ASTM D1559,；,当前，美国、日本、中国等很多国家采用。,（2）原理与方法,体积参数设计方法；,基于不同沥青含量的混合料试件体积参数，确定最佳沥青用量；,体积参数经验值确定；,成型方法不能模拟现场混合料碾压，与交通量关系不显著；,（3）最佳沥青含量确定,4.0%,4.5%,5.0%,5.5%,6.0%,4.5%,5.0%,5.5%,4.5%,5.0%,5.0%,最佳沥青含量,最佳沥青用来参考维姆稳定度、孔隙率和密度确定；,一般采用满足维姆稳定度要求的最高沥青用量；,通常采用“金字塔”方法；,（4）优缺点,成型方法模拟现场；,维姆稳定度试验模拟抗剪能力；,设备复杂；,维姆稳定度范围有限；（,30,37,）,1.2.3 GTM 方法（旋转压实剪切试验方法）,（1）历史与发展,20,世纪,60,年代，美国工程兵团为解决重型轰炸机反复起降造成跑道损坏而开发了旋转压实剪切试验机,GTM,（,Gyratory Testing Machine,）。,1978,年列入美国,ASTM,规范。,80,年代初期首先应用于美国军用机场；,90,年代被应用于重交通沥青路面材料和结构设计；,1995,年天津市政院由美国引进了国内第一台,GTM,设备；,（2）原理与方法,采用旋转压实方法（类似,Superpave,方法）成型试件；,可根据车辆荷载选择旋转压实过程中接触压强和旋转角度；,不固定压实功，而是以极限平衡状态（相邻两次压实密度小于,0.016,）作为结束条件，避免车辆荷载再度压密；,（3）最佳沥青含量确定,主要设计参数：旋转稳定系数、抗剪安全系数、最大密度；,旋转稳定系数,GSI,：指混合料最终应变和稳定状态时应变的比值，表征沥青混合料在压实到平衡状态时是否能保持稳定性；,抗剪安全系数,GSF,：混合料被压实到平衡状态时的抗剪强度与汽车荷载产生的最大剪应力的比值,沥青混合料在行车荷载作用过程中的抗剪切破坏能力参数；,最大密度：混合料旋转压实到最终状态即平衡状态时的密度,与实际路面在行车荷载作用下的最终密度相当。,根据不同用油量对应的,GSI,、,GSF,、毛体积相对密度画出图形,确定出初步用油量范围,(GSI1.05,、,GSF1.3),及相应毛体积相对密度。,1.2.4 马歇尔方法与GTM 方法设计结果比较,技术指标,马歇尔方法,GTM 方法,油石比（）,5.0,4.7,相对密度,2.392,2.457,孔隙率（）,4.6,2.5,矿料间隙率（）,16.8,14.2,沥青饱和度（）,72.9,82.5,压实功（J）,5000,3050,AC-13沥青混合料设计结果,2 Superpave设计方法,Superpave是SHRP的沥青研究部分的最终系列成果的代称，是以下几个单词的首字母缩写：,Sup,erior,Per,forming Asphalt,Pave,ments,2.1 关于Superpave,沥青性能分级标准,PG asphalt binder specification,基于体积特性的沥青混合料设计分析体系,混合料测试方法和性能预估模型,主要包括：,2.1 Superpave设计方法简单介绍,一、设计步骤,选择沥青,选择集料,试样准备,(,包括确定材料配比和压实成型,),基本性质测试,选择最佳级配,确定最佳沥青用量,性能评价,1 材料选择,2 优化级配,3 确定沥青,4 性能检验,（1）沥青选择,根据气候条件、交通量、车速选择沥青等级；,提出基于性能的沥青分级(PG分级)。,性 能 分 级（PG）,车辙,施工,疲劳开裂,低温开裂,（RV）,（DSR）,（DSR）,（BBR）,（DT）,RTFO,老化,PAV老化,PG 46 PG 52 PG 58 PG 64 PG 70 PG 76 PG 82,(Rotational Viscosity),RV,90 90 100 100 100(110)100(110)110(110),(Flash Point),FP,46 52 58 64 70 76 82,46 52 58 64 70 76 82,(ROLLING THIN FILM OVEN),RTFO,Mass Loss,1.00 kPa,2.20 kPa,20 Hours,2.07 MPa,10 7 4 25 22 19 16 13 10 7 25 22 19 16 13 31 28 25 22 19 16 34 31 28,25 22 19 37 34 31 28 25 40 37 34 31,(Dynamic Shear Rheometer),DSR,G*sin,d,(Bending Beam Rheometer),BBR,“S”,Stiffness&,“m”,-value,-24 -30 -36 0 -6,-12 -18 -24 -30 -36 -6 -12 -18 -24 -30 0 -6 -12 -18 -24 -30 0 -6 -12 -18 -24 -30 0 -6 -12 -18 -24 0 -6 -12 -18 -24,-24 -30 -36 0 -6 -12 -18 -24 -30 -36 -6 -12 -18 -24 -30 0 -6 -12 -18 -24 -30 0 -6 -12 -18 -24 -30 0 -6 -12 -18 -24 0 -6 -12 -18 -24,(Dynamic Shear Rheometer),DSR,G*/sin,d,(Dynamic Shear Rheometer),DSR,G*/sin,d,230,o,C,CEC,RWM,3,Pa,.,s,135,o,C,Determine Critical Cracking Temperature as described in PP42,Creep Stiffness,TP1:,Report Value,Direct Tension,TP3:,Determine Critical Cracking Temperature as described in PP42,AASHTO MP1a Specifications,PG 46 PG 52 PG 58 PG 64 PG 70 PG 76 PG 82,(Rotational Viscosity),RV,90 90 100 100 100(110)100(110)110(110),(Flash Point),FP,46 52 58 64 70 76 82,46 52 58 64 70 76 82,(ROLLING THIN FILM OVEN),RTFO,Mass Loss,1.00%,(Direct Tension),DT,(Bending Beam Rheometer),BBR,Physical Hardening,28,-34 -40 -46 -10 -16 -22 -28 -34 -40 -46 -16 -22 -28 -34 -40 -10 -16 -22 -28 -34 -40 -10 -16 -22 -28 -34 -40 -10 -16 -22 -28 -34 -10 -16 -22 -28 -34,Avg 7-day Max,o,C,1-day Min,o,C,(PRESSURE AGING VESSEL),PAV,ORIGINAL,2.20 kPa,S,0.300,Report Value,F.Strain,1.00%,20 Hours,2.07 MPa,10 7 4 25 22 19 16 13 10 7 25 22 19 16 13 31 28 25 22 19 16 34 31 28,25 22 19 37 34 31 28 25 40 37 34 31,(Dynamic Shear Rheometer),DSR,G*sin,d,(Bending Beam Rheometer),BBR,“S”,Stiffness&,“m”,-value,-24 -30 -36 0 -6,-12 -18 -24 -30 -36 -6 -12 -18 -24 -30 0 -6 -12 -18 -24 -30 0 -6 -12 -18 -24 -30 0 -6 -12 -18 -24 0 -6 -12 -18 -24,-24 -30 -36 0 -6 -12 -18 -24 -30 -36 -6 -12 -18 -24 -30 0 -6 -12 -18 -24 -30 0 -6 -12 -18 -24 -30 0 -6 -12 -18 -24 0 -6 -12 -18 -24,(Dynamic Shear Rheometer),DSR,G*/sin,d,(Dynamic Shear Rheometer),DSR,G*/sin,d,230,o,C,CEC,RWM,Test Temperature,Changes,Spec Requirement,Remains Constant,1.00 kPa,20)；,确定1天路表极端最低气温的n年数据的中值和标准差(n20)；,计算路面设计高温和设计低温,确定满足高低温要求的最低PG分级；,根据交通条件（交通量，车速）调整设计高温；,根据有无添加再生材料调整设计高温。,SHRP温度模型,T(pav)(T(air)0.00618Lat,2,0.2289Lat42.4)0.9545-17.78,其中：T(pav)为路面下20mm处的温度值，单位,Lat为工程所在地的地理纬度,T(d)=T(air)+0.051 d-0.000063d,其中：T(d)是路面下d(mm)深处的温度，单位,据交通条件调整温度高限,20年累积ESALs,1,/百万,调整幅度,车速,更慢,2,慢速,3,标准,4,0.3,考虑1,0.33,2,1,310,2,1,10=30,2,1,1,基质沥青,可能采用改性沥青,改性沥青,改性沥青选择,（2）集料选择,矿质特性,洛杉矶磨耗损失,坚固性,密度(包括粗细集料),生产加工品质,粗集料棱角性(CAA),细集料棱角性(FAA),扁平颗粒含量,砂当量,洛杉矶磨耗试验,坚固性试验,（3）级配设计,粗集料太多，难以压实，离析,粗集料太少，高温、抗滑性能,级配禁区,级配控制点,细集料太多，高温性能不足,避免产生驼峰，细集料级配不良，影响高温稳定性,级配选择具体步骤,准备集料的配比,选择沥青并测试其密度,准备集料，并清洗，测定粗集料的毛体积密度和表观密度，测定细集料的表观密度，测定矿粉的毛体积密度,按照几种比选级配混合集料,凭经验预估初始沥青用量，或者按规范标准计算,按照每个级配至少,2,个试件的量拌合混合料,将混合料置于保温箱约,2,小时，保温箱温度控制为试件成型温度,使用,SGC,按照,Ndesign,成型试件并测试试件毛体积密度,确定试件的最大理论密度,计算试件的体积特性参数,预估每种级配在通过调整沥青用量达到设计空隙率,4,后的其他体积特性参数的取值,比较每种级配在,4,空隙率条件下的体积参数取值,确定满足,Superpave,标准的设计级配,几个压实次数概念,N,initial,：用来反映施工时混合料的压实特性.,N,design,：使试件达到实际路面在指定交通量后的空隙率所需要的旋转压实次数。通常目标空隙率是4.,N,max,：试件在达到现场路面的限制最大密度时所需要的旋转压实次数，反映混合料抗车辙性能.,20年累积ESALs(百万),压实次数,N,initial,N,design,N,max,0.3,6,50,75,0.33,7,75,115,330,8,100,160,30,9,125,205,据设计交通量选择压实次数,它们都相同吗?,旋转压实设备,Troxler 4140,动态角度校验(DAV),旋转压实设备校检,压实次数（次）,80,84,88,92,96,100,Gmm（）,N,initial,=9,89,=96,N,design,=125,N,max,=205,98,（4）最佳沥青用量,选择,4,个用量：预估最佳，,0.5,，,1.0,，,0.5,拌合混合料，并置于压实温度下的鼓风式保温箱,2,小时,使用,SGC,对每种沥青用量在,Ndesign,次加载条件下成型试件,确定每个试件的毛体积密度,用以下步骤确定,Ndesign,次加载条件下,4,空隙率对应的沥青用量：,计算,Ndesign,次,加载条件下的空隙率、,VMA,、,VFA,计算粉胶比,P0.075/Pbe,计算三种压实次数下的压实度,画出,Ndesign,条件下的空隙率、,VMA,、,VFA,以及压实度与沥青用量的关系图,确定满足规范要求的沥青用量,验证,Ninitial,条件下的压实度是否满足规范,在,Nmax,条件下成型至少,2,个试件，验证压实度是否满足规范要求,确定N,design,/4%对应的用油量,（4）性能检验,截至2005年，只有水稳性测试被正式应用到Superpave混合料设计；,正在完善中的简单性能测试(Simple Performance Tests)有望引入Superpave混合料设计体系。,3 Superpave设计方法先进性,（1）材料选择,提出了基于气候条件和交通量选择沥青和集料；,根据极端温度选择沥青，建立了PG分级方法；,重视集料棱角性，建立交通量棱角性关系；,PG分级,PG分级,集料棱角性,（2）旋转压实成型方法,旋转压实方法可模拟实际路面压实状态；,建立成型方法交通量关系；,压实过程获得压实曲线，可用来评价材料压实特性；,可成型150mm试件，适用大粒径混合料设计；,混合料进行短期老化，模拟混合料实际拌和工况。,（3）体积参数,沥青饱和度VFA与交通量相联系，交通量小，VFA70,80；,交通量大，VFA6575；,提出了有效沥青、集料有效密度等概念，直接影响VMA等参数；,一些思想已经被我国F40规范引用。,4 Superpave设计方法几个问题,（1）Superpave混合料？,Superpave混合料？还是采用Superpave设计方法设计的混合料？,Superpave设计方法同样可应用于SAM、橡胶沥青混合料、热再生沥青混合料设计！,（2）Superpave混合料高性能沥青混合料？,Superpave,混合料就是高性能沥青路面、超级路面吗？,Superpave,是一种设计方法，是一个商标，反映了制订者美化愿望！,Superpave,设计方法目前只是停留在体积设计阶段，美国自己也提出了很多要改进地方。,Brown,认为,Superpave,Enters Modification Era.,（3）Superpave 级配范围？,Superpave,只是提出关键筛空控制点；,国内很多文章提出“,Superpave,级配范围”、“,Superpave,级配中值”；,所提出的,SUP-13,其实就是,AC-13C,。,（4）Superpave 级配禁区不可穿越？,禁区设置是为了限制细集料不能通过某区域，保证高温稳定性；初衷是控制天然砂的使用；禁区范围很小，施工难以控制；,美国很多学者提出质疑：即使穿越禁区，高温稳定性也很好（奥本大学，,Sousa,等）；,高温性能来源与集料嵌挤，,Superpave,级配设计缺乏理论依据。,（5）沥青用量合理吗？,Superpave,方法压实功大于马歇尔方法，采用较粗的级配，沥青含量比马歇尔方法低,0.3,0.5,；,这样高温问题是解决了，但是耐久性呢？,压实问题产生了！高温强压能解决问题吗？,减少旋转压实次数,；,阿拉巴马州,从125,次降低为,100,次，最后减低为,60,次；,维吉尼亚州,采用65,次，认为比,75,次马歇尔压实功还高。,降低设计空隙率；科罗拉多州将孔隙率从,4,降低为,3,；马里兰州采用,3.5,。,对策：,4 Superpave设计方法总结,Superpave,混合料是采用,Superpave,设计的沥青混合料；,Superpave,混合料不等于高性能沥青混合料、高性能沥青路面、超级沥青路面；,Superpave,设计方法采用了基于使用性能的沥青规范选择沥青，改进了沥青混合料成型方法并和交通量建立联系，这些是其先进性；,Superpave,设计方法进入改进时代（,Modification Era,），仍有许多完善之处，不可盲目照搬、崇拜。,汇报结束,谢谢,报告人：孙大权,Tel,：,136 4197 6616,Email,：,dqsun,