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1、沥青与沥青混合料试验 配合比设计,2014.2,沥青混合料设计方法的发展,目的: 获得符合设计要求的、经济的集料与沥青的混合物 已有的沥青混合料设计方法 马歇尔法 维姆法 新方法 Superpave旋转压实法,沥青混合料设计的要求,有足够的沥青保证路面的耐久性 在交通荷载作用下有足够的稳定性 有足够的空隙率 不能过大，以防止环境破坏 不能过小，以便在交通荷载作用下有进一步压密的空间 有足够的工作性,维姆沥青混合料设计法,该方法仅在美国少数几个州存在。 技术指标与路用性能符合较好。 试验方法、设备较复杂。,马歇尔混合料设计,在20世纪30年代末由美国密西西比州公路局 Bruce Marshall
2、发明。 试验方法、试验设备较简单。,马歇尔设计方法的主要缺点,不能精确地判别不同交通量对沥青混合料技术指标的要求； 与路面结构设计不挂钩； 不能预防路面早期破坏； 不适用于大粒径沥青混合料； 不适用某些聚合物改性沥青； 试件成型方法不能模拟行车压实； 不适用于开级配沥青混合料； 沥青混合料没有老化过程，与现场条件不符。,1987年美国公路战略研究计划（SHRP）进行一项为期五年耗资5000万美元的沥青课题研究，旨在制定一个新的沥青和沥青混合料规范、试验和设计方法。SHRP沥青课题的最终研究成果称为Superpave，即高性能沥青路面的意思，包括一个胶结料规范、混合料设计体系和分析方法。,Sup
3、erpave混合料在设计过程中充分考虑到了气候环境条件和交通量的影响，在试件成型过程中模拟路面的实际施工过程。由于采用了新的沥青混合料设计方法，其集料级配更趋于嵌挤、密实，高温稳定性好，适于交通量大和抗车辙要求高的公路。在施工确保合适空隙率的前提下，抗水害性能和抗疲劳性能也较好。Superpave与传统的AK型和AC型沥青混合料相比，施工难易程度和工程造价基本相当，也被称为“穷人的SMA”。美国近十年的使用表明，这种混合料抗车辙性能好，实际使用中也不易发生早期破坏，Superpave是美国目前应用最多的混合料，2001年占美国热拌沥青混合料总量的82%。目前仅有个别州未使用该技术。,Super
4、pave沥青混合料设计法,原材料选择,沥青胶结料 矿质集料 其它外掺剂,沥青混合料配合比设计,沥青胶结料,针入度规范常规试验 Superpave采用了全新系统来试验、规范和选择沥青结合料,针入度沥青胶结料规范,三大指标 针入度 延度 软化点 针入度指数 密度 闪点 溶解度 含蜡量,针入度沥青结合料规范,60粘度 135粘度 TFOT后残留物 质量损失 针入度比（25C） 延度（不可用RTFOT替代）,试验结果影响因素：,针入度 标准针 试验温度 试样均匀性（无气泡） 延度 刮模方式（从中间向两边） 拉伸速度 试验温度 试件浸入水中深度（不小于10厘米）,试验结果影响因素：,软化点 刮模（表面与
5、环面齐平） 使用蒸馏水 水温均匀 水温上升速度 针入度指数（感温性能） 同针入度 计算方法 温度区间,试验结果影响因素：,密度 试样勿粘附瓶口、瓶壁上方 试样无气泡 试样在干燥器中干燥 使用蒸馏水 试验温度 闪点 升温速度 一瞬即灭的蓝色火焰,试验结果影响因素：,溶解度 清洗至滤液无色透明为止,闪点 (安全性),溶解度 (纯度),试验结果影响因素：,含蜡量 试验温度 真空干燥箱的使用 分样质量 试验方法 计算方法,试验结果影响因素：,薄膜加热试验 试验前后，试样均放入干燥器中冷却 烘箱达到恒温（163）后放入试样 烘箱温度回升至162开始计时,薄膜加热试验,烘箱外部,旋转架,盘子,温度计6mm
6、,Superpave 沥青结合料规范,分级体系在气候的基础上提出,PG 64 - 22,Performance Grade（性能等级）,平均7天最高路面温度,最低路面温度,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 1.0
7、0 %,(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, oC,1-day Min, oC,(PRESSURE AGING VESSEL) PAV,ORIGINAL, 1.00 kP
8、a, 5000 kPa, 2.20 kPa,S 300 MPa,m 0.300,Report Value, 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 ,( Bending Beam Rheometer) BBR “S” Stiffness 然后按照空隙率较小的原则，以沥青玛蹄脂填充骨架的空隙，形成一种骨架
9、密实结构的沥青混合料。,最大公称尺寸：筛余大于10的筛孔的上一级筛孔尺寸。 最大尺寸：大于公称最大尺寸的筛孔尺寸。,25mm 100.0 19mm 97.6 12.5mm 89.5 9.5mm 77.7 4.75mm 44.3 2.36mm 31.9 1.18mm 22.2 0.6mm 14.5 0.3mm 7.9 0.15mm 4.1 0.075mm 3.5,最大理论密度线：最大尺寸与零点的连线。 VMA：矿料间隙率,空气,沥青,被吸收沥青,集料,干捣VCA：没有其它集料、结合料存在时的粗集料集合体在捣实状态下的间隙率。 VCAmix：压实沥青混合料试件中，粗集料骨架以外的间隙占整个试件的体
10、积的百分数。 粉胶比：0.075mm通过率与有效沥青的比值。,Superpave25配合比设计,初选级配 试验级配的评价 选择设计级配的沥青用量 验证 性能检验,集料试验 确定粘温曲线 设计集料结构的选择,Superpave特点,均匀、嵌挤、密实 中间集料多，粗、细集料少 难压实，应增大压实功 用旋转压实仪成型,改性沥青SMA-13配合比设计,SMA的特点,嵌挤的骨架高温稳定性好,抗车辙能力强 粗集料用量多路表粗糙抗滑、行车安全 空隙率较小抗水害、耐老化 沥青用量多抗裂性好 “三多一少”：粗集料多、矿粉多、沥青多、细集料少,马歇尔击实次数 正反各50次 空隙率 4 矿料间隙率 17 粗集料骨架
11、间隙率VCAmix =6.0KN 流值 实测,设计标准,设计粗集料骨架，以4.75mm通过率为关键性筛孔，选用高、中、低3个档次，设计3组级配,初试级配,初试沥青用量,根据合成集料毛体积相对密度选择初试沥青用量 合成集料毛体积密度 最小油石比 2.9 5.6 2.8 5.8 2.7 6.0 2.6 6.2,在满足最小沥青用量要求的情况下，拟定一个初试沥青用量。根据我省玄武岩的状况，集料的合成毛体积密度约为2.9g/cm3左右，因此最小沥青用量为5.7%(油石比为6.04%)。,干捣VCA,将级配中大于4.75mm的粗集料部分装入容量筒中捣实，测定松散的粗集料间隙率VCADRC。,确定最佳级配,
12、VCAmix=17 多个级配符合时，选择4.75通过率较大的一个,选定最佳沥青用量,对于选择的设计级配，以初试沥青用量、初试沥青用量+0.20.4、初试沥青用量-0.20.4制作试件 测试马歇尔稳定度、流值、空隙率、VFA、VCAmix、VMA等技术指标 按设计空隙率4，确定最佳沥青用量，并检查对应的技术指标是否满足要求,性能验证试验,谢伦堡析漏试验 肯塔堡飞散试验 低温小梁弯曲劈裂试验 动稳定度试验 水稳定性试验 残留马歇尔稳定度 冻融劈裂残留强度比 AASHTO T283试验,水敏感性试验,3 条件试件,3 非条件试件,真空饱水试件（饱和度6575%） 浸于 60oC水浴中 24小时 浸于
13、 25oC水中 2小时,AASHTO T283,计算劈裂强度比 (TSR),=80%,确定两组试件的抗拉劈裂强度,水敏感性试验,AASHTO T283,改性沥青AK-13配合比设计,马歇尔击实次数 正反各75次 稳定度 =7.5KN 流值 2050 空隙率 36 沥青饱和度VFA 7085 矿料间隙率 宜15,设计标准,初选级配,充分运用最大理论密度线，配制粗、中、细三种级配,运用最大理论密度线,AK13试击,对于所选23个初始级配，根据经验选一个初始沥青用量（对江苏省集料，初试油石比一般为5.0），试击后依据体积性质情况定级配。,确定最佳级配,重点考察VMA指标 考虑级配均匀、嵌挤,按0.5
14、%间隔变化，取五个不同的油石比，制备五组马歇尔试件。测定试件的密度、空隙率、沥青饱和度、稳定度和流值，分别绘制各项指标的曲线。 取相应于密度最大值的油石比a1、稳定度最大值的油石比a2和空隙率范围中值的油石比a3，按下式取三者的平均值作为最佳油石比初始值OAC1。 OAC1=（a1+a2+a3）/3,确定最佳沥青用量,求出能满足沥青混凝土各项标准的最大油石比OACmax和最小油石比OACmin，取中值OAC2。 OAC2=（OACmax +OACmin）/2 如果最佳油石比的初始值OAC1在OACmax和OACmin之间，则认为设计结果是可行的，可取OAC1和OAC2的中值作为目标配合比最佳油
15、石比OAC，其对应的试件空隙率在3.5%5%范围内。如OAC1处在上述范围之外，应调整级配，重新进行配合比设计。,确定最佳沥青用量,VMA在选择级配和确定沥青用量起着一个非常重要的作用。但我国规范中并不严格要求VMA满足指标要求。据研究发现若VMA油石比成凹形抛物线关系，当VMA处于谷底附近时，混合料对沥青用量敏感性较小，有利于施工现场控制和质量保证。,VMA,%油石比,VMA,VMA油石比关系曲线图,性能验证试验,水稳定性试验 残留马歇尔稳定度 冻融劈裂残留强度比 AASHTO T283试验 动稳定度试验 低温小梁弯曲劈裂试验,配合比设计的注意事项,最大理论密度的确定,沥青混合料的最大理论密度应尽量采用实测法，
