Superpave配合比设计

建筑设计第4卷第22期GCONSTRUCTION2014年8月Superpave配合比设计刘慧兰中铁十四局集团一公司山东日照 2716826摘要: 简述了Superpav概况，结合湖南省桂阳至临武高速公路工程实例，介绍了高性能沥青路面原材料的试验及选取，理论配合比及施工配合比的设计以及验证混合料配合比优化设计。实践证明，达到了指导施工和验证、反馈、修正的效果，对类似工程具有积极的借鉴意义。关键词: Superpave混合料;原材料试验;理论配合比;施工配合比中图分类号: U416.217文献标识码: A1工程概况材料选择湖南省桂阳至临武高速公路是湖南省规划的“五纵七横”高速公粗集料、细集料。填料.路网的第三纵岳阳(湘鄂界)至临武(湘粤界)高速公路的南段，全纤维稳定剂材料试验长107.807km。路面结构形式:低剂量水泥稳定碎石20cm底基层+水泥沥青胶结料稳定碎石40cm基层+Supepave--25高性能沥青混凝土8cm下面层+SBS改性沥青Superpave-20高性能沥青混凝土6em中面层+SMA-13SBS改性选择初试级配测定粗集料的VCAnmC沥青马蹄脂碎石5em上面层。级配良好的Sup可以抵抗较大的塑性和剪切的变形，承受重载交通的作用，具有较好的抗车辙能力，提高了沥青路面的高温稳定性和低温抗裂性，设计合理的Sup是解决重载交通下按照控制点和禁区的要求，设计粗、 中细三组配比，计算初始用油量,旋转压实成型试件Superpave 结构特点Superpave 的中文意思就是“ 高性能沥青路面”，简称“Sup"。 Sup计算4%空隰时沥青用量及体积参数级配特点: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。二I2.1 Sup混合料设计方法按spepave设计要求。确定设计级配不合格Sup混合料采用旋转压实仪模拟沥青路面在运行时搓、揉、压的__↓受力特征成型试件，依据沥青混合料初始、设计和最大旋转压实次数对设计级配变化沥青用量制作试件时的密度以及在设计压实次数时的空隙率、矿料间隙率、沥青填隐率、填料与有效沥青之比进行沥青混合料的组成设计。分析体积参数指标等，确定设计沥青用量2.2 Sup技术与我国现行马歇尔设计方法的比较马歇尔设计方法中混合料室内试验是通过冲击进行的，很明显,L不合格进行马歇尔试验，检验马歇尔拍标旋转搓揉后的混合料体积状况和力学性能更接近路用真实情况。以湖南省桂武高速公路LM32标SBS改性沥青Sup 20中面层施工为例来说明Sup混合料配合比优化设计与施工技术质量控制，从而反映Sup技术与进行各种配合比设计检验。确定配合比通常沥青混合料配合比设计的不同之处，领会Sup混合料配合比优化设图3-1 Sup 目标配合比设计流程图计的全新理念。并搭棚防雨。3 Sup 混合料配合比设计3.1.2.2细集料3.1 Sup目标配合比设计对于Sup -20, Sup-25 粒径<2.36mm的集料称为细集料，用于填充3.1.1 Sup目标配合比设计流程与步骤Sup的粗集料骨架的间隙，增强路面的抗渗能力，同时起到粘结作用，Sup目标配合比按图3-1设计流程及步骤进行。要选取表面粗糙、洁净、棱角性能好、有嵌挤能力和松散状态下空隙3.1.2原材料选择与性质试验率丈45%的机制砂，要搭棚覆盖以防受潮。集料的生产工艺采用二级破碎加工，-级破碎采用鄂式破碎机破3.1.2.3填料碎至100mm以下，二级破碎采用反击破或整形机加工，二级除尘装填料采用由石灰石等碱性岩石经磨细而得的矿粉，矿粉的主要作置，根据中面层sup 20矿料级配通过率范围，我们确定选取石灰岩石用是 和沥青组成- -种粘结剂， 提高沥青混合料的粘结力及稳定性。料，集料规格分别为13.2 ~ 19mm(1*号料)、4.75 ~ 13.2mm (2"料、3.1.2.4沥青胶结料2.36 ~ 4.75mm(3"料)、0~ 2.36mm(4*料)。按照该破碎工艺所生沥青胶结料的性质对沥青路面使用性能有多方面的影响，在选取产的集料具有针片状含量少,颗粒形状近似立方体，粉尘含量低，级沥 青品种时主要考虑高温抗车辙能力和低温抗裂能力，这两个方面在配变异性小等特点。沥青品种选择时趋向相反，沥青是决定混合料质量的关键，应综合平3.1.2.1粗集料衡考虑。桂武高速公路中面层Sup- 20混合料选取中石油“高富”牌Sup的粗集料是指在Sup混合料中形成嵌挤起到骨架作用的集料部SBS 改性沥青。分，对于Sup-20、Sup-25是指粒径>2.36mm的集料，Sup的高温稳定依据Sup设计要求进行了相关的试验检测，集料的性质试验、密度性是基于含量多达68% ~ 73%的粗集料之间的嵌挤作用，在很大程度试验 和沥青密度试验上取决于集料石质的坚韧性、颗粒形状和棱角性，粗集料的这些性质3.1.3 设计集料级" 中国煤化工是Sup成败与否的关键，所以在选择原材料时- -定要选取压碎值小、磨3.13.1矿料的级:0H| CNMHG耗值小、针片状含量少，有一定棱角性的集料，同时要经过水洗洁净中面层Sup-20集科级配迪过率范围见表3-1。第4卷第22期建筑设计2014年8月CONSTRUCTION表1集料性质试验结果汇总表表3-4三种初始级配各档矿 料比例及合成级配试验项目试验结果Sup技术要求1"料2*料 3"料| 4*料 矿粉 |级配1 31.0| 29.0 15.0 23.0 2.0粗集料棱角性(%)10010级配2 27.0| 31.0| 15.0| 25.0 2.0|合成级配集料细集料棱角性(S)46.0≥30级配3 22.0| 34.0 15.27.0认同特性粗集料针片状(%)9.2≤12筛孔mm通过率(%)级配1 |级配2|级配细集料砂当量(%)72.0>6526.5 100.0| 100.0 100.0 100.0 100.0| 100. | 100| 10019.0 87.5| 100.0 100.0 100.0 100.0| 96.1| 96.6| 97.3石料压碎值(%)21.8≤24 .|-石料高温压碎值(% )25.913.2 12.0| 94.8 100.0| 100.0 100.0| 71.2| 74.6| 78.9|100.0| 100.0 100.0| 59.62.5洛杉矶磨耗值(%)25.2≤284.75.1| 4.74.099.8 100.0 3739.7料源特性坚固性(%)3.02.36.2| 0.1.18 0.2| 0.4.0 | 62.4 | 100.0| 17.1| 18.3| 19.6软石含量(%)2.(≤3.00.6 0.2| 0.2.9| 38.9| 100.0| 11.5 | 12.3| 13.1对沥青的粘附性(级)≥50.3 0.2| 0.0.3| 23.3 999 7..0 8.5表2集料密度试验结果汇总表0.15 0.2| 0.3| 0.3| 14.0 95.8| 5..6 5.9矿料名称表观相对密度毛体积相对密度|吸水率 (%)0.075).2| 0.0.7 85.6| 4..6.|4.8|1f料2.7262.7090.23_2*料2.7332.7080.322.6934"料2.7312.6460.84矿粉| 2.688 (表观密度g/cm’)表3SBS改性沥青密度试验结果材料名称相对密度8日售当SBS改性沥青1.031表3-1中面层 Sup- 20集料级配通过率范围图3-1三种试验级配曲 线表3-5估算沥青用量汇总表筛孔尺寸nm)|26.5 19 | 16 13.29.5 4.752.361.18 0.6 0.3 0.150.075集料毛集料表|集料有 |集料吸收有效沥青每立方厘米估算沥|通过率(%)试验体积相混合料中集吸配对密度| 观相对效相对|沥青胶结胶结料体料质量Ws|青用量上限100100|8683|70483222|17|12|117|Csb密度Gsa|密度Gse料体积Vba积VbePbi (% )F限 10090747158382212|8| 5 | 3 21| 2.691 2 7 : 32| 2. 7240.010| 0.090| 2. 3434.21注: 表中数字下有横杠者为严格控制值。2 2.690 2.732| 2.724 0.011 0.090 2.3434.23Sup-20混合料矿料级配限制区界限见表3-2，级配控制点见表.32.689 2.733| 2.7240.011 0.0902.3434.23-3。3.1.3.3 试验级配的评价表3-2 Sup- -20设计集料级配限制区界限根据各个级配的估算沥青用量,并结合设计经验拟用4.2%的沥青用筛孔尺寸(mm)|量成型试件，沥青混合料的拌和温度和压实温度依据沥青试验中的粘温曲0.3 | 0.6| 1.18| 2.36|线，采用旋转压实仪成型试件,设定旋转压实仪的单位压力0.6MPa。选择| 限制区范围(通过率% )压实次数为N最初=8次，N设计=100次，N最大=160次。根据Sup的最新最小13.7| 16.7| 22.3| 34.6设计标准，在进行估算用油量成型试件时，将旋转压实次数设定在N设计13.7| 20.7 28.3 34.6|=100次，估算沥青用量下各级配旋转压实试验结果汇总见表3 -6。表3- -3 Sup- -20设计集料级配控制点界限表3-6三种试验级配旋转压实试验结果汇 总表筛孔尺寸(mm级配级配2级配3压实次数)| 13.2| 2.36| 0.075试件1-1|试件1-2|试件2-1|试件2- -2|试件3- |试件3-2|限制区范围(通过率% )N初始(8次)128.5| 128.4 127.2| 127.4 126.2 126.390-|23|2|高度(mm)最大100 90| 48N设计( 100次)114.2| 114.1| 13.3| 113.5 112.2| 112.53.1.3.2 初选级配高度( mm)依据Sup设计的一般方法 ，在选择集料结构时，首先调试选出粗、空气中重(g)764.7 4758.9| 4754.4 4763.8 4768.5| 4772.4中、细三个级配，根据集料的性质(密度和吸水率)计算出三个级配水中重(g) 2810.3| 2804.2 2816.7 2823.4 2839.3 2843.0的初始用油量。然后用初始用油量成型试件。根据试验结果，计算出饱和面千重(g) 4776.5. 4770.6 4763.5 4773.2. 4775.6 4779.6 _这三种级配的沥青混合料在空隙率为4%时所需的沥青用量及相应的沥毛体积相对密度| 2.423| 2.420 2.442 2.443| 2.463| 2.464青混合料性质，如矿料间隙率( VMA).饱和度( VFA)、矿粉与有效最初压实度(% )5285.9沥青之比(FA )、初始旋转次数的压实度( %Gmmatin)。表3-4为各种设计次数中国煤化工6.5集料的筛分试验结果，三种初试级配各档料比例以及三种试验级配各l 最大理论相对密度压实度(% )ITYTHCNMH G2.554筛孔尺寸矿料通过率明细表，表3-5为估算沥青用量汇总表。建筑设计第4卷第22期后|CONSTRUCTION2014年8月表3-7三种级配估算沥 青用算试验结果评价表3.1.3.5最佳沥青用量体积指标验证级配| 4.0%空隙率沥VMA (%)| VFA (%)| 粉/有效| 初始次数依据第3.4节中得到的设计沥青用量4.2%,采用沥青用量4.2%成青用量(%) |(设计次数)(设计次数)|沥青比例压实度(% )|型试件， 验证采用4.2%的沥青用量在压实次数设定在N最大时(本次4.6713.70.585.5N最大=160次)对应的体积性质指标，验证试验结果汇总于表3-10。4.2513.069.1.1885.6表3-10设计沥青用量验证试验结果表.0167.41.36_85.5在压实次数时[Sup标准≥13.065- 75 0.6~ 1.6≤ 89.0沥青用量压实度(%)矿料间隙率饱和度粉胶比初始压实最大压实表3-7为三种级配在4.0%空隙率时估算沥青用量试验结果评价表。(%) |( 设计次数)| (VMA%)|(VFA%)| (F/A) 度 (%)|度(%)依据表3-7的评价指标，可以得出级配I和级配2均满足Sup-20技术要96.0求，考虑到路面的耐久性，本次选择级配2(1°料: 2*料: 3*料:4 Ssup 标准≥13.0| 65 ~ 750.6~ 1.6|≤89≤98*料:矿粉=27: 31: 15: 25: 2)为设计级配。3.1.3.6设计结果3.1.3.4.选择设计级配的沥青用量设计级配确定后，根据Superpave设计方法，- -般选择四种沥青用.通过以上试验和分析，级配2为设计级配，配合比为1*料: 2*料:3"料:4"料:矿粉=27:31:15:25:2。其对应的混合料特性如表.量，具体为PB、Pb+0.5%、 Pb+1%。 由表3-7取PB为4.2%， 根据实际3-11。设计经验，四种沥青用量分别为: 3.7%、4.2%、 4.7%、 5.2%。在进行表3-11混合料体积性质表确定选择级配沥青用量的试验时，压实次数设定在N设计=100次。试混合料特性设计结果Sup标准验结果见表3-8。空隙率(%)4.4.0表3-8设计级配四种 沥青用量试验结果汇总表矿料间隙率(%)13沥青用量(%)3.74.24.75.2饱和度(% )69.7_65~ 75最大理论相对密度2.5632.5432.5242.505粉胶比1.200.6~ 1.6 .试件编号初始旋转次数(8)压实度(%)_85.≤89|高度 8次128.2 128.4 127.3 127.2| 126.4 | 126.3 125.2| 125.4最大旋转次数( 160)压实度(%)97.3. |( mm)| 100次 114.3| 114.5| 113.4 113.3| 112.5 112.3 11.1| 11.23.1.4 马歇尔试验空气中重(g) 4764773.74758.451.455.24744.473244750.0依据Sup设计方法得到的沥青混合料，采用马歇尔试验方法成型试水中重(g)_ 2815.620.2820.1 2181.821.1211.2807.82819.2#，得到对应的马歇尔指标，试验结果汇总于表3-12。| 饱和面干重(g) 4775.714785.24767.34760.4.4761.64750.54736.74754.5表3-12 Sup-20 马歇尔试验技术指标表毛体积相对密度2.431 2.429 2.444 2.441 2.451 2.447 2.453 2.454试验项目试验结果指导意见要求_[ 初始压实度(%) 84.5_85.686.386.9击实次数(次正反各75次[设计压实度(%)949697.08.0稳定度(kN)11.03≥8.014.0「流值(cm) _2.2.0 ~ 5.0空院率(%)5.4.5 ~ 6.040 t沥青饱和度(%)63.860~ 7014.2≥1312.013.1.5 高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性试验4周由量2)1.7 5.2为了检验Sup-20混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性,0.0 H按照有关规范进行了60C车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试@7.0-验、-10C小梁弯曲试验，试验结果汇总于表3-13、3-14、3-15、3-16。6m.o-表3-13车辙试验结果汇总表混合料|沥青用量动稳定度(次/mm)so类型| (%)3平均要求图3-2体积指标与沥青用量关系曲线Sup-20.24150 40004150 4100| ≥ 3000根据表3- 8中, 3.7%、4.2%、4.7%、5.2%四种沥青用量的体积性质，表3-14冻融劈 裂试验结果通过图表插值法得到设计沥青用量为4.2%及其对应的体积性质，汇总混合料类型无条件劈裂强度条件劈裂强度TSR(%)|要求(%)表3-9( MPa)(Mpa)表3-9四种沥青 用量沥青混合料体积性质0.53670.50403.9≥80表3-15浸水 马歇尔稳定度试验结果沥青用量(9压实度(%)|矿料间隙率|饱和度粉/有 效初始压实度马歇尔稳定度浸水马歇尔稳定度残留稳定度|(设计次数) (VMA%) ( VFA% )|沥青比例 (%)(kN)(%)要求(%)94.8 .13.160.41.3884.5Sup-20 .9.798≥85表3-16 -10C小梁 弯曲试验结果13.3 _77.71.06| 混合料最大载荷跨中挠度抗弯拉强度|劲度模量破坏应变| 要求98.013.685.00.95类型中国煤化工e) (μe)4.2(取用值)69.7 1.20≥2500Sup- 20| 0.99≥13.0| 65 ~ 750.8 ~ 1.6≤ 89YHCNMHGno(冬温区)第4卷第22期建筑设计2014年8月CONSTRUCTION3.1.6 目标配合比设计结论青混合料，做浸水48小时马歇尔试验，检验残留稳定度。根据所用的集料、矿粉、SBS改性沥青等原材料,按照美国Sup-3.3生产配合比验证20设计标准进行室内配合比设计，得到的目标配合比为1"料: 2"料:用生产配合比进行试拌，沥青混合料的体积指标满足Sup技术要求3#料: 4*料:矿粉=27: 31: 15: 25: 2.最佳沥青用量为4.2% (油石后 铺筑试铺段。取试铺段用的沥青混合料进行旋转压实试验，马歇尔比为4.4% )。通过车辙试验可知该级配配制的沥青混合料抗高温性能试验， 检测沥青含量和级配，检验标准配合比矿料合成级配中，至少良好，通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验可知该级配配制的沥青混包括0.075mm、 2.36mm、 4.75mm 及公称最大粒径筛孔的通过率接近目合料抗水损害性能良好，通过- 10C小梁弯曲试验可知该级配配制的沥标配合 比级配值,并避免在03 ~ 0.6mm 处出现驼峰。由此确定正常生青混合料低温抗裂性能良好，所检指标均满足设计要求，因此我们就产用的标准配合 比。作为工地生产配合比设计依据。在主线外匝道上做200m试铺段,在试铺过程中,对生产的沥青混3.2生产配合比设计合料按照Sup标准进行检测，发现沥青混合料的空隙率偏小，针对这个在完成目标配合比设计工作后,拌和站应根据施工组织设计的安问 题我们就适当增加集料中的中间料,另外对沥青用量也作了少量的排适时转人拌和楼的调试工作，如供料系统的运行、导热油系统的检调整， 这样便达到了预期目的。查、热料振动筛网的配备、拌和部分的操作训练以及计量系统的校准4试验和检测等，这一切都要达到良好的工作状态。4.1试验3.2.1 冷料斗配料流量试验Sup混合料的质量控制重点是检测混合料的油石比、级配、试件的根据Sup- 20的级配特点，采用四档集料(矿粉另设有储存罐)配密度、 空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度等指标，应使其保制。供料系统使用四个冷料斗，各料斗按目标配合比的比例向拌和机持- -定的稳定性， 由于Sup混合料对级配和油石比要求非常严格，可能供料，要求每个冷料斗必须保持各自的稳定流量,这样才能满足矿料级配和油石比发生小的波动就会导致以上指标不合格，造成施工质量级配和拌和机生产能力的要求，力求使冷料与热料供给平衡，避免或大的波动， 在取混合料时特别小心，注意样品的代表性，燃烧炉要经减少溢料和待料的现象。常进行标定，特别注意其燃烧是否充分，以免使油石比结果失真，只3.2.2冷料流量的计算有试验结果真实可靠，才能有效地指导施工。如拌和机的生产能力为320/h，油石比为4.4%，1"碎石的.4.2检测比例为27%，确定该种集料流量方法如下: f碎石料斗固定流Sup.路面在我国起步较晚，还没有形成一-套完整理论，所以主要还量为320x0.27 x0.956-82.6th，1* 碎石堆积密度为1.504，则得要看路面的使 用效果，因而要加强施工过程检测，综合起来看成型路82.6/1.504-54.9m/h; 以此类推便可分别计算出其它集料的流量。面的各项指标是否满足要求，在检测过程中既要保证正常的检测频率3.2.3 热料筛分试验又要加强对薄弱环节的检测控制，发现问题及时反馈。利用在刚碾压通过冷料流量试验就应该相对固定各个冷料斗的斗门开启度，全成型的路面上做渗水试验来检查，初步判断路面的压实质量,这样现面启动拌和机运转系统，为下一步的热料试验做好准备。冷料经皮带场跟班作 业的技术人员也能随时掌握施工质量，随时根据情况进行调输送到滚简加热烘干后，被提升到拌和机上部进行二二次筛分分档,每整， 并把信息及时反馈到试验室和拌和楼。一档分别流人各自的热料仓。我们根据混合料的结构类型配备符合5结语要求的6层筛网，筛网尺寸分别为3x 3mm、6x 6mm、12 x 12mm、Sup结构经实践证明较传统的密实悬浮类混合料的抗车辙性能有了16x 16mm、22 x 22mm、31 x 31mm,这样分档能有效地增加筛面面积，明 显的改善，这- -设计方法的最大亮点即为引用了混合料的体积性质,提高筛分效率，尽管如此仍有部分集料未被充分筛分，因此必须从热作 为设计的关键标准，同时旋转压实的成型工艺也较传统的马歇尔击实料仓分别取出集料再次进行室内筛分试验和密度试验等，根据筛分结成型方法更能模拟实际路面车轮的搓揉压作用，其集料级配更趋于嵌果通过人工或计算机计算及反复的调试与目标配合比确定的合成级配挤、 密实，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，曲线比较，使矿质混合料的级配接近目标配合比，以确定各热料仓矿在施 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。料和矿粉的用料比例，供拌和机控制室使用。参考文献:确定最佳沥青用量。取目标配合比设计的最佳沥青用量0AC和[]公路沥青路面施工技术规范( JTC F40 2004 )0AC士0.3%,取以上计算的矿"质混合料，用试验室的小型拌和机拌制[2]湖南省高速公路Superpave沥青路面施工指南.2012.沥青混合料进行旋转压实试验和马歇尔试验，检验沥青混合料体积性作者简介:刘慧兰(1974-), 女，工程师。2011年1月毕业于东质，确定生产配合比最佳沥青用量。北财经大学工程管理专业，现任中铁十四局集团第一工程发展有限公.残留稳定度检验。按以上生产配合比，用室内小型拌和机拌制沥司 工程部副部长。文章被我刊收录，以上为全文。此文章编码: 2014A4738中国煤化工MHCNMHG