基于Superpave设计方法的沥青混合料级配设计及其性能研究开题报告

由于沥青混合料路面具有强度高、平整性能好、耐久性好等优点，而广泛应用于我国高等级公路路面面层结构。

近年来，我国城市快速干道和高速公路的建设发展很快。其中，高速公路总里程仅次于美国居世界第二位。已通车的高等级公路大部分质量是好的，但也确实存在一些不可忽视的问题，一些高速公路建成通车后不久，短的几个月，长的2-3年就出现早期损坏现象：坑槽、松散、车辙、泛油、水损坏等，不得不进行大面积维修。造成这些损坏的原因虽然是复杂的、多方面的，但是，沥青混合料的配合比设计也是影响沥青混凝土路面质量的重要因素之一。

沥青混合料通常采用经验的实验室设计方法进行设计，这意味着在确定实验室分析是否同路面性能有关时，需要野外的经验。然而，即使完全按照这些方法和提出的混合料设计标准，都不能确保路面性能优良。同样，即使有关机构决定扩充规范，这些规范对建立标准和获得某些性能保证方而也只能作出较小的变动。

因此，我国在理论上提出了高等级道路用石油沥青技术要求，应体现不同地区沥青路面的需要，采用的指标应能反映沥青路面高温抗车辙能力、低温抗裂性能、耐老化性能、质量均匀性等要求。明确了沥青路用性能的气候分区，建立了以针入度为主要指标、以沥青感温性为核心的新指标体系和技术要求。并在原有的马歇尔试验指标基础上，提出沥青混合料高温稳定性和低温抗裂性能等关键指标。增补了反映沥青混合料抗车辙能力、低温抗裂能力、水稳定性等沥青混合料的关键技术指标，以车辙试验动稳定度评价高温稳定性，以弯曲蠕变应变速率评价低温抗开裂性能，以浸水残留马歇尔稳定度及冻融劈裂强度比评水稳定性。

1987年美国公路战略研究项目(SHRP)着手开发规范沥青材料的新体系。SHRP沥青研究项目的最终成果是一个被称为Superpave(Superior Performing Asphalt Pavements)的新体系。Superpave包含一个选择和规范沥青胶结料新体系并详细阐述了矿质集料的要求，同时，Superpave还包括一个全新的热拌沥青混合料设计方法。

SHRP研究小组提出的最初Superpave体系，试图随着交通等级的提高增加复杂试验的要求和标准。对中等交通的路面，混合料体积设计和材料要求必须是最适宜的、最经济的，以保证路面有理想的性能;对重交通道路如城市间州际公路，研究人员认为要增加安全系数来确保路面性能。这些重交通道路项目必须对压实沥青混合料进行一系列试验来测试压实混合料基本工程的力学性能。最初的目标是将这些混合料性能输入SHRP研制的路面性能模型，希望输出的结果能预测随时间或在交通作用下路面的破坏形态，但是由马里兰大学领导的研究认识到性能试验和预测模型有缺陷，正在着手解决这些问题，将来某个时候，整合所有体系要素计算机软件，性能预测模型开发成功后，性能试验和预测将被作为混合料设计的标准方法。

Superpave设计方法是力图将试验方法和指标同沥青路面的道路使用性能建立起直接的联系，通过控制高温车辙、低温缩裂、疲劳开裂，以全面提高路面使用性能。该法对材料的选择十分重视:对结合料的选择是根据各地气象资料(包括高温、低温、地理纬度等)与交通状况转化为路面设计温度而定，以确保所选用的沥青能够适应当地的气象条件和交通状况，避免车辙和裂缝:对集料的选择也有明确规定，其选择标准更加严格。因为集料特性在克服车辙中起骨干作用，可靠的集料性能对沥青路面的使用性能是起决定性作用的，所以研究集料的级配和高温稳定性的关系十分重要。

Superpave胶结料规范和混合料设计体系包括不同的试验设备、试验方法和标准。Superpave体系独具特色在于其基于性能的规范体系。其试验与分析同野外性能具有直接关系。Superpave沥青胶结料试验量测的物理特性，可按工程现场原理直接与野外性能相关。Superpave胶结料试验同样在服务路面所碰到的温度下进行。

作为沥青混合料的级配设计方法除了Superpave，还有AC和SMA两种。

AC叫沥青混凝土，是连续级配，即各档料的用量是连续的，逐级填隙，其混合料属于悬浮密实型骨架。实验室级配设计时采用马歇尔击实成型。因为经验丰富，技术成熟，在我国使用的很多，基本上70、80%的1、2级公路的面层都会采用此级配； SMA叫沥青玛蹄脂碎石，是间断级配，即各档料的用量不是连续的，其特点是粗料多，细料少，用油量高，矿粉多，有时会在混合料内添加纤维以增强其骨架加筋效果，其混合料属于骨架密实型结构，表面的构造深度较好，路面抗滑性能较AC、SUP好。实验室级配设计时采用马歇尔击实成型。此类设计源自德国。成本较高，这种混合料疲劳性能、高温性能都较好； SUP全称Superpave，也是一种连续级配，与AC级配比较类似，混合料也属于悬浮密实型，只是在其级配设计时，有一个禁区，级配曲线是不允许通过的，实验室级配设计时与AC、SMA的设计成型方式不一样，它采用旋转压实，用的是体积设计法。这类级配设计源自美国的AASHTO的SHRP计划研究成果，因为其设计成本较高，目前在我国应用很少，尚处于引用与研究阶段。

本课题的目的在于说明Superpave体系中沥青混合料设计部分，并基于此设计方法对道路面层、底层沥青混合料的级配进行设计，并检测该沥青混合料的基本性能，同时分析全气候条件下面层沥青混合料中沥青老化前后的常规物理性能变化规律及微观组成结构变化规律。

主要研究内容如下：

1 沥青、集料的基本性能分析。

①沥青的三大指标；

②沥青的密度；

③不同粒径集料的密度、吸水率；

④集料的筛分。

2 学习Superpave级配设计方法，并设计面层sup-13和底层sup-25沥青混合料的配合比。

①矿料筛分；

②级配设计；

③最佳沥青掺量选择。

3 对两种沥青混合料基本性能试件成型并检测其基本性能：

①浸水马歇尔稳定度性能检测：检测水稳性能；

②冻融劈裂性能检测：检测水稳性能；

③车辙性能检测：检测高温稳定性；

④小梁弯曲性能检测：检测低温稳定性。

4 对面层sup-13沥青混合料老化性能的研究：

①成型老化马歇尔试件放入全气候老化试验仪，全气候老化试验仪是由道路工程研究中心自主研发的多方位的老化试验仪；

②分别取松散料、新制试件、1000小时老化试件进行抽提，再分别进行沥青的三大指标性能检测，与原沥青三大指标数据一起对比；

③利用AFM、IR等现代测试技术研究沥青老化前后的微观结构和力学性能。

预期目标如下：

1 探究级配对沥青混合料水稳性能、高温稳定性和低温抗裂性等宏观性能的影响；

2 探究在全气候条件下，面层沥青混合料中沥青老化前后物理性能的变化规律及微构组成变化规律。

1沥青、集料的基本性能分析

①沥青的基本性能测试

按照的试验设计内容，选定沥青作为之后试验所用沥青，试验设计参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E42-2005）严格执行，测定针入度（25℃，100g， 5s，0.1mm）、延度（5cm/min，5℃，cm）、软化点（℃）、密度（15℃，g/cm³）、相对密度（25℃）、旋转粘度（135℃，Pa.s），将测定结果与设计要求进行对比来判断该沥青是否合格。以下是沥青的实验项目见表1。

②集料的基本性能测试

Sup-13型路面上铺层沥青混合料目标配合比设计试验所采用的集料粒径规格分别为1号（10～15mm）、2号（5～10mm）、3号（3～5mm）和4号（0～3mm），sup-25则还需要在添加一组大1号（16～26.5mm）.从实际工地取回原材料后，原材料集料试验按照《公路工程集料试验规程》的要求和方法进行粗细集料的筛分试验，其中粗集料用干筛法测其表观密度、毛体积密度，用网篮法测得吸水率。细集料和矿粉(4号料）用水洗法测得其表观密度和毛体积密度，用容量瓶法测得其吸水率。对于做网篮法测吸水率的方法必须让石子浸泡一夜，然后用水洗净石子，一定要洗到水清为止。4号料由于体积过小，用网篮装可能漏出，所以要用容量瓶法。根据《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）的数据计算公式^[5]，可得粗、细集料与填料试验结果分别见表2、表3所列。根据《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）的规范标准，所有集料都要能符合技术要求才能进行之后的试验内容。以《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）的实验规范，进行填料试验。本次实验选用粒度范围＜0.6mm的矿粉，试验结果见表4所列。2 沥青混合料配合比设计

2.1 Sup-13级配设计

2.1.1 选定级配

根据以往的施工经验确定级配，用各种集料的筛分试验结果和试验级配各筛孔尺寸通过率明细建表，并依此做级配曲线图，选取三组级配曲线，级配曲线要在sup控制点上下限之间，并且不能进入集料禁区。

2.1.2 试验级配的评价

根据施工经验和当地气候条件的估算沥青用量，拟用4.9％的沥青用量采用旋转压实仪成型试件，旋转压实仪设定的单位压力为0.6MPa。本次设计选择压实次数N_最初=8次，N_设计=100次，N_最大=160次，压实温度控制在160℃。选择最大理论密度合适的一组级配的两块试件，分别记下压实8次和100次的高度，然后测其干重、水中重和表干重，并计算其毛体积密度、初始次数压实度、设计次数压实度。最后计算该组级配的孔隙率（%）（设计次数）、VMA（％）（设计次数）、VFA（％）（设计次数）、粉胶比（DP）、估算初始次数压实度（％），与Superpave标准对比，满足要求及为合格级配。

通过上表可以看出所选级配满足Superpave标准要求。

2.1.3 选择设计级配的沥青用量

设计级配确定后，由表3-3并根据设计经验，取P_b为4.9%，四个沥青用量分别为：4.4%、4.9%、5.4%、5.9%。在选择设计沥青用量的试验时，压实次数应设定为N_设计=100次。试验时分别记录其最大理论密度、压实8次和100次的高度、干重、水中重、表干重，然后计算出其毛体积密度、初始次数压实度、设计次数压实度。

根据表3-6中4.4%、4.9%、5.4%、5.9%四个沥青用量的体积性质，通过图表插值法得到空隙率4.0%时对应的沥青用量为4.85%，结合以往的经验和当地气候条件取设计沥青用量为4.85%。VV、VMA、VFA、F/A与沥青用量的关系图。

2.1.4 最大次数验证

依据第3节设计结果取沥青用量为4.85%，采用沥青用量4.85%成型试件，验证4.85% 的沥青用量在压实次数设定在N_最大时对应的体积性质指标（本次N_最大=160次），记录其在设计压实次数时的压实度、VMA、VFA、粉胶比、计算其初始次数压实度、最大次数压实度。

2.1.5 设计结果

通过以上试验和分析，确定设计级配，列出其混合料体积性质特征：空隙率VV（%）、矿料间隙率VMA（%）、饱和度VFA（%）、粉胶比F/A、初始次数压实度（%）、最大次数压实度（%），将其与Superpave标准对比，确定其合格。

2.2 Sup-25级配设计

2.2.1初选级配

依据Superpave设计方法，在选择混合料结构时，首先调试选出一个级配，根据以往的施工经验确定初始沥青用量，然后用初始沥青用量成型试件，根据试验结果计算出这个级配的沥青混合料在设计4%孔隙率下所需沥青用量和其它体积性质，如矿料间隙率（VMA）、沥青饱和度（VFA）、粉胶比（F/A）等，用各种集料的筛分试验结果和试验级配各筛孔尺寸通过率明细建表，并依此做级配曲线图，级配曲线要在sup控制点上下限之间，并且不能进入集料禁区。

2.2.2 试验级配的评价

根据施工经验和当地气候条件的估算沥青用量，拟用3.9％的沥青用量采用旋转压实仪成型试件，旋转压实仪设定的单位压力为0.6MPa。本次设计选择压实次数N_最初=8次，N_设计=100次，N_最大=160次，压实温度控制在150℃。选择最大理论密度合适的一组级配的两块试件，分别记下压实8次和100次的高度，然后测其干重、水中重和表干重，并计算其毛体积密度、初始次数压实度、设计次数压实度。最后计算该组级配的孔隙率（%）（设计次数）、VMA（％）（设计次数）、VFA（％）（设计次数）、粉胶比（DP）、估算初始次数压实度（％），与Superpave标准对比，满足要求及为合格级配。

2.2.3 选择设计级配的沥青用量

设计级配确定后，根据设计经验，四个沥青用量分别为：3.4%、3.9%、4.4%、4.9%。在选择设计沥青用量的试验时，压实次数应设定为N_设计=100次。试验时分别记录其最大理论密度、压实8次和100次的高度、干重、水中重、表干重，然后计算出其毛体积密度、初始次数压实度、设计次数压实度。

根据表3-5中3.4%、3.9%、4.4%、4.9%四个沥青用量的体积性质，通过图表插值法得到空隙率4.0%时对应的沥青用量为4.0%，结合以往的经验和当地气候条件取设计沥青用量为4.0%。空隙率、饱和度、矿料间隙率、粉胶比与沥青用量的关系图

2.2.4 最大次数验证

依据第3节设计结果取沥青用量为4.0%，采用沥青用量4.0%成型试件，验证4.0% 的沥青用量在压实次数设定在N_最大时对应的体积性质指标（本次N_最大=160次），记录其在设计压实次数时的压实度、VMA、VFA、粉胶比、计算其初始次数压实度、最大次数压实度。

2.2.5 设计结果

通过以上试验和分析，确定设计级配，列出其混合料体积性质特征：空隙率VV（%）、矿料间隙率VMA（%）、饱和度VFA（%）、粉胶比F/A、初始次数压实度（%）、最大次数压实度（%），将其与Superpave标准对比，确定其合格。

3 沥青混合料基本性能试件成型并检测其基本性能

①马歇尔稳定度性能检测：检测水稳性能；

据Superpave设计方法得到的沥青混合料，采用马歇尔试验方法成型试件，击实温度控制在165℃，双面击实75次，得到对应的马歇尔指标，试验结果汇总于表4-1。

②冻融劈裂性能检测：检测水稳性能；

动容劈裂的过程按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG T0702-2005）的要求和方法进行，按照配合比设计求出的沥青含量拌合沥青混合料双面击实50次成型马歇尔试件，水稳冻融试验结果如表7、表8所示。

③车辙性能检测：检测高温稳定性；

试验条件：在601℃，0.70.05MPa条件下进行车辙试验以检验沥青混合料的高温稳定性（添加路孚8000抗车辙剂，2.5kg/t），测得其车辙试件动稳定度

④小梁弯曲性能检测：检测低温稳定性。

将车辙板切割为250mm50mm50 mm的小梁，切割时应注意保证切割长度方向与行车轮碾方向一致，在零下二十度环境下保温两小时后开始试验，记录下小梁开始断裂时的挠度。

4 对面层sup-13沥青混合料老化性能的研究

各制作最佳沥青掺量下的Sup-13的马歇尔试件两组并将它们放入老化箱老化1000小时。

到时间之后取出老化试件利用离心抽提仪抽提出沥青，作红外光谱及原子力显微镜（AFM）观察其微观性能。

然后检测老化后沥青的针入度、延度、软化点以及旋转粘度性能。并与原沥青与新拌老化0小时沥青做对比如表10所示。

将成型老化1000小时Sup-13试件的依旧进行稳定度与冻融抗压劈裂强度的检测，并与未老化的试件最对比其稳定度、劈裂抗拉强度、冻融劈裂强度比。

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第1~3周：做原材料的基本性能检测，及沥青和石料的性能检测，同时查阅文献资料，学习Superpave设计方法；

第4~6周：做出sup-13型混合料的三组级配设计。测其水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性等宏观性能，确定其最佳级配和最佳沥青掺量后，作出老化试件放入老化箱老化；

第7周：查阅并翻译外文文献，并继续研究Sup-25级配设计方法；

第8~9周：对1000小时老化沥青抽提并做红外及AFM试验检测微观性能和做三大指标及旋转粘度等宏观性能，最后与原沥青对比。；

第10周：设计sup-25型混合料的级配，提交外文翻译；

第11~13周：制作sup-25的马歇尔和车辙试件，测其水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性等宏观性能，确定其最佳级配和最佳沥青掺量

第14~15周：处理数据，撰写毕业论文；

第16周：制作PPT，准备答辩。