改性沥青混合料设计与施工

改性沥青混合料设计与施工

车 辙 坑槽、唧浆 拥 包 改性沥青混合料设计与施工   前 言 1 、改性沥青混合料设计 1.1 一般规定 1.2 确定矿料级配范围 1.3 材料的选择与准备 1.4 矿料配合比设计 1.5 马歇尔试验 1.6 确定最佳沥青用量 1.7 性能检测 1.8 配合比设计报告 2 、改性沥青路面施工 2.1 一般规定与准备 2.2 改性沥青混合料生产 2.3 改性沥青路面施工 3 、施工质量管理 改性沥青混合料设计与施工 前言 改性沥青在世界各地的应用已日趋成熟，人们普遍认识到改性沥青能提高路面的使用性能，同时对改性沥青技术指标的要求也越来越苛刻，可对路面施工技术的要求却并非如此。矿料质量、配合比设计、施工工艺等对路面性能与使用寿命带来的负面影响远比沥青材料来得更大。 众所周知，沥青在其混合料中的重量比只有 5-6% ，没人会否认它对整个路面性能所做的贡献远高于 5-6% ，但实际上它的作用也远非人们想象的那么大，现汇总了沥青结合料、矿料、沥青混合料等与沥青路面各种性能的有机联系。 　 沥青材料与沥青路面性能的关系 抗老化性能 水稳定性 抗疲劳性能 耐 久 性 ★★ ★★ ★★ 施工性能 ★ ★ ☆ 行车舒适性能 ★★★ ★★★ ★★ 路面透水性 ★★★ ★★★ ★ 表面服务功能 ★★★ ☆ ★★★ ★★★ ★★ ★ ★★★ ★★ ★★★ ★★★ ★ ★★★ 低温抗裂性能 ★★★ ★★★ ★★ 高温抗车辙性能 沥青混合料 矿 料 沥青结合料 沥 青 路 面 注 ：表中★★★表示特别重要，★★表示比较重要，★表示有影响，☆表示几乎无关。 研究表明，沥青结合料自身性能对其路面的贡献： 抗高温车辙： 29% 抗低温开裂： 87% 疲劳： 52 ％ 因此在改善沥青性能的同时，更要注重于对矿料质量的技术要求及其混合料物理力学性能的检验。 永久变形， % 有这样一组关于矿料质量对混合料抗车辙性能影响的试验实例，即试验分两组，一组为矿料相同而沥青不同；另一组是矿料不同而沥青相同。   即使选用好的改性沥青，若矿料质量不好，混合料性能也要大打折扣。 试 验 项 目 沥青 A 沥青 B 刚度 @25℃, 40ms, Mpa 5380 5800 变形 @60℃ ， 700N, mm 3.2 2.2 车辙 @60℃ ,mm/ 千次循环 0.12 0.04 疲劳寿命 @20℃,400u□, 循环次数 4.90E+04 1.03E+06 用不同来源但具有相同 PG 等级的沥青，采用相同的混合料设计，其力学性能却有较大不同。 上述两个实例说明沥青的性能如何只是一个方面，它不能预测混合料的性能，也就是说单凭沥青的性能并不能预测沥青路面性能。 为充分发挥改性沥青的性能，尽可能获得最大的投资效益比，对改性沥青路面的施工，应如同对改性沥青技术指标要求的一样严格，必须遵循其自身特点进行施工。其工序原则上同普通沥青路面一致： 施工前准备 混合料配合比设计 拌制 运输 摊铺 压实成型 接缝 开放交通等     1 ．改性沥青混合料设计 1.1 一般规定 改性沥青混合料设计，应遵循 《 公路沥青路面施工技术规范 》 中关于热拌沥青混合料配合比设计的步骤进行： 目标配合比设计 生产配合比设计 生产配合比验证 确定矿料级配及最佳沥青用量。 配合比设计我国仍采用马歇尔试验技术标准，按下面框图步骤进行：   在工程设计级配范围内设计 1 ～ 3 组不同的矿料级配 确定试验温度 对设计的每组级配，初选 5 组沥青用量，拌和混合料，分别制作马歇尔试件 测定试件毛体积相对密度 确定理论最大相对密度 普通沥青 用真空法 或 改性沥青 用计算法 不合格 不合格 计算 VV 、 VMA 、 VFA 等体积指标 进行马歇尔试验，与马歇尔设计标准比较 技术经济分析、确定 1 组设计级配及最佳沥青用量 按规定进行车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验，检验配合比设计是否合理 完成配合比设计、提交材料品种、配比、矿料级配、最佳沥青用量 沥青混合料类型 规范规定的矿料级配范围 确定工程设计级配范围 材料选择、取样 材料试验 其他材料 , 外掺剂等 粗集料、细集料、矿粉 沥青或改性沥青结合料 合格 合格 1.2 确定矿料级配范围 沥青混合料的设计级配范围按工程设计文件的规定执行。 目前有些工程单位往往根据其工程所在地的气候、交通条件等，对现行规范规定的矿料级配范围进行调整，自行确定设计级配范围，但其上下限差值必须小于规范级配范围的差值。 对夏季温度较高，且高温持续时间长，但冬季不太冷的地区或者重载路段应 重点考虑抗车辙能力的需要，减少 4.75mm 及 2.36mm 的通过率，选用较大的设计空隙率。当采用密级配混合料时，宜选用粗型密级配沥青混合料。 对冬季温度较低，且低温持续时间长的地区，或者非重载路段，应在保证抗车辙能力的前提下，充分考虑提高低温抗裂性能，适当增大 4.75mm 及 2.36mm 的通过率，选用较小的设计空隙率。当采用密级配混合料时，宜选用细型密级配沥青混合料。 对夏季温度高，且持续时间长，冬季又十分寒冷，年温差特别大，又属于重载路段的工程，高温要求和低温要求发生矛盾时，应以提高其高温抗车辙能力为主，兼顾低温抗裂性能的需要，在减少 4.75mm 及 2.36mm 的通过率的同时，适当增加 0.075mm 的通过率，使其级配范围成 S 型，并取中等或偏高水平的设计空隙率。 对潮湿区、湿润区等雨水、冰雪融化对路面有严重威胁的地区，在考虑抗车辙能力的同时还应重视密水性的需要，防止水损害破坏，宜适当减小设计空隙率，但应保持良好的雨天抗滑性能。对于旱地区，受水的影响很小，对密水性及抗滑性能的要求可放宽。 对于路面不同层位的考虑： 表面层应综合考虑高温抗车辙、低温抗开裂、抗滑的需要； 中面层应重点考虑抗车辙能力； 底面层重点考虑抗疲劳开裂性能、密水性等。 1.3 材料的选择与准备 按相关试验规程规定，在工程实际使用的材料中选取足够数量的沥青及矿料的代表性试样，进行相关试验。 粗集料、细集料（天然砂、人工砂、石屑）、填料的质量规格必须符合现行规范技术要求。 粗集料、细集料的筛分试验，无论是目标配合比设计、生产配合比设计，都必须用水洗法确定 0.075mm 通过率，以确保配合比设计的准确性。 混合料的合成毛体积相对密度为各种矿料的毛体积相对密度的加权平均值， 4.75mm 以下的集料和矿粉用表观相对密度。 矿料级配曲线的绘制： 按泰勒曲线的标准画法，其指数 n=0.45 ，横坐标按 X=10 0.45lgdi ，纵坐标为普通坐标。 d 1 .0.075 0.15 0.3 0.6 1.18 2.36 4.75 9.5 X 0.312 0.426 0.582 0.795 1.077 1.472 2.016 2.745 d 1 13.2 16 19 26.5 31.5 37.5 53 63 X 3.193 3.482 3.762 4.370 4.723 5.109 5.969 6.452 以图中原点与通过集料最大粒径 100% 点的连线作为最大密度线，在级配曲线图上绘制各级配范围。 1.4 矿料配合比设计 各种矿料的配合比例宜采用计算机程序用试配法 图解法 其他计算方法进行。 对合成级配的要求： 设计的合成级配必须符合设计级配范围的要求。 合成的级配曲线不得有太多的锯齿形交错。  现行规范“应使 0.075 、 2.36 、 4.75 mm 在内的较多筛孔的通过量接近设计级配范围的中值”，新规范已做了修订。 适宜的 VMA 值由集料的公称最大粒径确定。 设计空隙率 (%) 4.75 9.5 13.2 16.0 19.0 26.5 31.5 37.5 2.0 15 13 12 11.5 11 10 9.5 9 3.0 16 14 13 12.5 12 11 10.5 10 4.0 17 15 14 13.5 13 12 11.5 11 5.0 18 16 15 14.5 14 13 12.5 12 6.0 19 17 16 15.5 15 14 13.5 13 相应于下列公称最大粒径 (mm) 时的 VMA 最小值 (%) SUPERPAVE 沥青混合料设计 最大密度线： 集料最大粒径： 集料最大公称粒径： 控制点的功能为级配必须通过其间的校正范围，位于公称最大粒径、中等粒径（ 2.36mm ）和最小粒径（ 0.075mm ）。 限制区为沿最大密度级配线存在于中等粒径与 0.3mm 粒径之间。（根据最大公称粒径的不同确定其界限。） 1. 5 马歇尔试验 改性沥青的粘温曲线，目前一般是参考基质沥青的粘温曲线，在其基础上提高 15~20℃ 作为拌和或压实温度，否则按照改性沥青自身的粘温曲线确定等粘温度往往偏高，甚至超过 200℃ 。例如 SHELL AH-90 基质沥青与改性沥青的粘温曲线。 拌和为 190 ～ 203℃ ，压实为 175 ～ 182℃ ，这显然是不允许的。 予估适宜的沥青用量，按每变化 0.5% 的间隔、 取 5 个不同的沥青用量， 每一组试件不少于 6 个， 计算各组试件的体积指标： 空隙率、 矿料间隙率、 沥青体积百分率、 沥青饱和度等体积指标。 理论最大相对密度： 对于理论最大相对密度的确定，试验规程中有三种方法 ： 计算法 真空法 溶剂法 美国采用真空法，欧洲采用溶剂法，我国无明确规定。 用真空法或溶剂法实测的理论最大相对密度考虑了集料吸收沥青的影响。 计算法没有考虑沥青与集料拌和后，沥青被集料吸入孔隙中的损失。 不同的方法，空隙率将有所不同，有资料报导，考虑不考虑沥青被集料吸入，试件空隙率可能相差 1.5~2.0% 空隙率： SHRP 提出设计空隙率宜为 4 ％，当施工要求压实度达到 96% 时的实际空隙率为 [1-96%× （ 1-4% ） ]=7.84% 。 空隙率与热拌沥青混合料浸水条件下的相对残留稳定度之间的关系：  空隙率小于 4% 空隙率增大到或超出 D 区域 空隙率在 B 、 C 区域 抗滑表层 AK 的空隙率为 4-10% ，刚好是最不利的空隙率，工程实践中 AK 级配类型的面层往往出现水损害破坏也就不难理解，新修订的规范已不在有 AK 结构。 流值： 橡胶及热塑性橡胶改性沥青混合料的高温韧性较大，流值相应也要大些，故为 2~5mm （普通沥青混合料为 2~4mm ）。 马歇尔试验结果的修正方法 1.6 确定最佳沥青用量（或油石比） 根据沥青用量与马歇尔试验的结果绘制曲线： 当相应于试验的沥青用量范围能出现密度及稳定度峰值时，求取密度、稳定度、空隙率范围中值的沥青用量，取三者的平均值为最佳沥青用量的初始值为 OAC 1 。 当选择的沥青用量范围没有使密度及稳定度曲线出现峰值，但涵盖设计空隙率全部范围时，以空隙率中值或目标空隙率所对应的沥青用量作为 OAC 1 。 各项指标均符合技术标准 OACmin~OACmax ，的中值为 OAC 2 。 根据实线经验和公路等级、气候条件等因素确定最佳沥青用量，通常情况下取 OAC 1 及 OAC 2 的中值作为最佳沥青用量 OAC 。 对粉胶比（ C ＝ P 0.075 /P a ）宜在 1.0 ～ 1.2 范围，不得超过 1.6 。 为进一步验证最佳沥青用量是否合适，可计算沥青混合料的沥青膜厚度。 T=b/100-b × 1/SGb × 1/SAF 式中： T —— 沥青膜厚度（ mm ） SGb —— 沥青的相对密度 SAF —— 矿料的表面积系数： b —— 沥青含量（ % ）标准的沥青膜厚度为： 密级配沥青混凝土 >5μm 热压式沥青混凝土 >7μm 排水式沥青混凝土 >12μm   同时经改性的沥青混合料的低温性能不得低于未改性基质沥青混合料指标，破坏应变不宜低于 1200με 。 1.7 改性沥青混合料性能检验 七月平均最高气温 ( ℃) >30℃ （夏炎热区） 30℃~20℃ ( 夏热区 ) <20℃ 夏凉区 气候分区 1-1 1-2 1-3 1-4 2-1 2-2 2-3 2-4 3-2 车辙试验动稳定度 （次 /mm ）不小于 （ 60 ℃ ,0.7Mpa ） 1500 2000 2500 3000 1000 1400 1700 2000 800 气候条件与技术指标 气候分区及相应的技术要求 改性沥青混合料高温稳定性技术要求 改性沥青混合料低温抗裂性技术要求 年级端最低气温 ( ℃ ) <-37.0 ℃ ( 冬严寒区 ) -21.5℃~37℃ ( 冬寒区 ) -9. ℃ ~21.5℃ ( 冬冷区 ) >-9.0 ℃ ( 冬温区 ) 气候分区 1-1 2-1 1-2 2-2 3-2 1-3 2-3 1-4 2-4 弯曲试验破坏应变（ με ）不小于 (-10 ℃ ,50mm/min) 3000 3500 2500 3000 3500 2000 2500 1500 2000 气候分区及相应的技术要求 气候条件与技术指标 改性的沥青混合料的高温性能不得低于未改性的基质沥青混合料的指标，动稳定度不应低于 800 次 /mm 。 改性沥青混合料的水稳定性应符合以下两个指标要求，达不到要求时应采取抗剥落措施： 1 ．采用“沥青混合料马歇尔稳定度试验”方法测定的 48h 浸水马歇尔稳定度试验残留稳定度不应小于 80% 2 ．采用“沥青混合料冻融劈裂试验”方法测定的劈裂强度比不应小于 80% 。 1.8 配合比设计报告 设计级配范围选择说明 材料选择与试验结果 矿料级配计算表 马歇尔试验结果 最佳沥青用量确定方法 配合比设计检验结果 标准配合比曲线 最佳沥青用量 配合比设计报告必须得到监理及主管部门的批准方可交付生产使用。 改性沥青混合料路面正式开工前，必须铺筑 100~200m 的试验路段： 2 ．改性沥青路面施工 2.1 一般规定与标准 试拌：上料速度、数量、时间、温度。 试铺：温度、速度、宽度、自动找平方式。 试压：机械组合、温度、速度、遍数、松铺系数、接缝方法。 验证沥青混合料配合比设计，提出生产用的矿料级配和沥青用量 倘若试验路段的试验未达到试验目的时，应重新铺筑试验路、直到滿足要求为止，提出试验路总结报告，取得主管部门的批准。 2.2 改性沥青混合料生产 改性沥青混合料宜随拌随用，若需要贮存时，其时间不宜超过 24h （普通沥青混合料 72h ），温降不应超过 10℃ ，且不得发生结合料老化，滴漏。 混合料降温过多，粗细集料颗粒离析，应予以废弃并找出原因。 拌和温度与拌和时间是改性沥青混合料生产的两个重要因素。 改性沥青路面的施工温度 改性沥青加热温度 160℃—165℃ 集料加热温度 190℃—200℃ 混合料出厂温度 175℃—185℃ 混合料最高温度（废弃温度）不高于 195℃ 混合料贮存运输温度损失不超过 10℃ 摊铺温度不低于 160℃ 初压温度不低于 150℃ 复压温度不低于 130℃ 碾压终了温度不低于 120℃ 开放交通温度不高于 60℃ 2.3 改性沥青混合料路面的施工 运输：同普通热拌合沥青混合料。 摊铺：连续、均匀、不间断的摊铺是保证路面平正的关键。 压实： 120℃ 前结束碾压作业。 对于压实机械的组合及其碾压方式一直是个很有争议的问题： 上面层是否采用轮胎压路机 先振动后静压，还是先静压后振动 有研究资料对振动与静态压路机的结合方式及压实工艺提出了新的观点，即为尽快获得所要求的压实度，将振动压路机用于初压可能是重要手段。 在沥青混合料处于高温状态时，把集料颗粒碾压到它的最后位置、振动压路机可促进集料的嵌挤，并对先静压后振动的传统工艺提出质疑，认为先用静态压路机使混合料定位并压实，继而使用振动压路机则可能引起集料断裂，并导致混合料密度减少而不是增大 , 据此，建议使用高频低幅的振动压路机进行初压，再用一台静态钢轮压路机实施终压的碾压步骤， 但这种做法有人担心会影响路面的平正度，工程实践 证明这种担心是不必要的。 压路机必须紧跟在摊铺机后面碾压（两者之间为一人穿过距离）。 碾压速度为 4km/h （即一般人行走的速度）。 振动频率宜为 35 － 50Hz 。 振幅宜为 0.3~0.8mm 。 “紧跟、慢压、高频、低幅”。 接缝： 接缝施工原则上同普通热拌沥青混合料一致，美国联邦公路局提出的纵向接缝的三种碾压方法 : 静载钢轮压路机先从已压实的路面这边开始碾压，搭接宽度为 15cm 。 振动压路机从未压实的这边开始，搭接宽度也为 15cm 。 振动压路机从未压实的这边开始，但不搭接，而是留约 7.6cm 宽，然后用静载钢轮压路机压实留下的这部分。 首先从热混合料这边开始碾压，压路机质量主要由未压实的热混合料部分承受，并产生一个把混合料向接缝区挤压的力，从而获得较好的效果。 若首先从已压实的冷混合料这边开始碾压时，接缝区的压实度将比先从热混合料这边开始碾压低 1﹪~2﹪ 。 3 ．施工质量管理 改性沥青混合料路面施工前、施工中、竣工后的质量管理与检查，整体上同 《 公路沥青路面施工技术规范 》 的规定一致，但也略有差异， 《 公路沥青改性沥青路面施工技术规范 》 对不同类型的改性沥青规定了不同的检测项目，这些项目与改性沥青技术要求的指标相对应。 对于压实度的检查，采用钻芯取样法。 钻芯取样比较困难，钻取的试件或者已损坏、或者变形、或者根本就取不出来时，才容许采用增加核子密度仪的检测数量、范围和频度的方法来进行压实度检测。 检查压实度所用的标准密度各国有所不同。 美国规定了三个标准密度： 拌和厂每天测定 4 个以上的马歇尔试件密度 每天 实测的混合料最大相对密度； 试验路段钻孔密度。 日本规定以连续 1 ～ 2 天拌和厂的马歇尔试验密度。 我国现行及修订的规范要求： 马歇尔试件密度 最大理论密度 试验路密度 可根据需要选用马歇尔标准密度、最大理论密度、试验路密度中的 1-2 种作为钻孔法检验评定压实度的标准密度； 压实度检验应充分利用核子密度仪无破损检验作为辅助性检验，以尽可能减少钻孔破坏的频率，一组核子密度仪的测点数不宜少于 13 个。此时宜以试验路密度作为标准密度。 很多工程实践证明，马歇尔密度受拌和与击实温度等人为因素影响很大，导致密度不准确，假如击实温度一旦低于标准的击实温度，试件的密度必然会变小，那么用这个密度去衡量压实度，势必使压实度变大，但这只是假象，这样的 路面会因压实度不够，使路面实际空隙率增大，对路面在服务期内可能出现的各种病害埋下隐患。 目前很多国家已不再用马歇尔试件密度做为检测压实度的标准密度，改用实测最大理论密度。据此，建议除按现行规范要求的马歇尔密度为标准密度的同时，尚应用实测（计算）最大理论密度来监控压实度。 欢迎交流 谢谢