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1、 毕 业 设 计（论 文） 题 目：关于Superpave沥青混合料配合比设计浅谈 系 部： 路桥工程系 专业名称： 高等级公路维护与管理 班 级： 102031 学号： 32 姓 名： 指导教师： 完成时间： 2013 年 5 月 6 日南京交通职业技术学院印制关于Superpave沥青混合料配合比设计方法探讨【摘要】Superpave沥青混合料设计方法是一种新型的混合料设计方法，从目前国内的 应用来看，它较传统的马歇尔设计方法沥青混合料性能有较大的改善。本文以试验为基础，结合以往一些Superpave沥青混合料设计经验，以245省道宿迁段S245-B1B2B3-LM标工程为参照，并依据Su
2、perpave沥青混合料设计实例，从Superpave沥青混合料的目标配合比设计、生产配合比设计及配合比验证几个方面进行探讨，以求指导Superpave沥青混合料路面设计与施工。 【关键词】Superpave；优缺点；目标配合比设计；生产配合比设计；配合比验证。About the Superpave asphalt mixture design method discussed in this paper【 abstract 】 Superpave asphalt mixture design method is a new kind of mixture design method, fro
3、m the current domestic application of view, it is the traditional Marshall design method of asphalt mixture performance is improved, effectively preventing the early damage of asphalt pavement. But because it is a kind of new asphalt mixture design method inevitably has some defects. In this paper,
4、on the basis of test, on the basis of Superpave asphalt mixture design example, from the goals of Superpave asphalt mixture proportion design, production design and production mix proportioning validation aspects were discussed, in order to guide the design and construction of pavement.【 key words 】
5、 the road engineering; Superpave; Compare the advantages and disadvantages; Target mixture ratio design; Production design of mix proportion; Of validation.目 录前 言11.Superpave设计方法与马歇尔设计方法的比较 2 1.1 Superpave设计方法较传统的马歇尔设计方法的优势 2 1.2 Superpave 设计方法较传统的马歇尔设计方法的劣势 32.245省道Superpave25沥青混合料目标配合比设计4 2.1 工程概况
6、 4 2.2 设计依据 4 2.3 原材料4 2.4 设计矿料结构的选择 6 2.5马歇尔试验结果汇总表12 2.6 性能验证试验 12 2.7 目标配合比设计结论 13 3.245省道Superpave25沥青混合料生产配合比设计14 3.1沥青混合料生产配合比设计与目标配合比设计之间的联系14 3.2 目标配合比设计结果14 3.3 生产配合比级配调试 15 3.4 沥青用量确定19 3.5 马歇尔试验结果汇总表 19 3.6 性能验证试验 20 3.7 生产配合比设计结论 20 4.结束语 21致谢 22参考文献 23前 言1987年美国公路战略研究计划(SHRP)进行一项为期五年耗资5
7、000万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、设计方法和评价体系。SHRP沥青课题的最终研究成果称为Superpave，即高性能沥青路面，包括胶结料规范、混合料设计体系和混合料性能分析方法。美国联邦公路局（FHWA）负责推广Superpave，并得到了AASHTO的全力支持。至1998年，除加州和内华达州，在其余各州新的胶结料性能规范已全面取代了针入度规范和粘度规范，美国有近40个州采用Superpave混合料设计方法取代马歇尔混合料设计方法。目前我国的Superpave技术的引进和应用较为普遍，国内许多单位都纷纷购买购买和采用Superpave体系的设备和仪器，Su
8、perpave沥青胶结料规范和混合料设计规范在许多项目中已被应用。从实际路面运营的效果来看，其展现出比传统的AC类沥青混合料很多性能上的优势，有效的防止了沥青路面早期损害的发生。本文基于已有的研究，以试验为基础，依据Sup25改性沥青混合料配合比设计实例对Superpave混合料设计方法进行探讨。1.Superpave设计方法与马歇尔设计方法的比较11 Superpave设计方法较传统的马歇尔设计方法的优势 沥青的选用考虑了温度的明感性，对温度的要求和基质沥青的要求比马氏要高，它使用的是沥青胶结料规范，就是所谓的PG规范，这个规范不仅仅只注意到原样沥青的性能，更重视短期和长期老化后的性能。 增
9、加了粗集料的含量，“马歇尔”粗集料的含量为5060%，而SUPERPAVE粗集料用量为6070%，而且4.759.5毫米的用量增加，分布比较均匀，明显的增加了抗车辙能力。 能够适应更大的集料粒径，我国现在使用的4英寸的“马歇尔”击实仪，实际上只能适应最大公称粒径只有19毫米的混合料，不管是ASTM或AASHTO的试验规范，或者是我们国家的试验规范JTJ052都是这样规定的，但这一点却被人们忽略了。SUPERPAVE是用了150毫米直径试件解决了适应最大公称粒径25mm，甚至最大公称粒径37.5mm的集料的问题。SUPERPAVE增加了一个2小时的短期老化时间，这跟生产实际情况是很符合的。试件拌
10、和后立即测定的体积性质与2小时短期老化后的体积性质是完全不一样的。 SUPERPAVE增加了粉胶比的指标，虽然经典的马歇尔设计方法，如沥青协会MS2手册中也没有这个指标，但是美国的联邦公路局1988年在它的内部一个指南沥青混合料生产和控制中明确提出了这个要求。这个指标十分重要，在SUPERPAVE技术要求中细级配混合料要求0.61.2，粗级配为0.81.6，在其范围之内，较大的值混合料径度也大，但是超过了这个最大值，粉太多，沥青胶结料太少，这个混合料就不粘，稳定性就差了。小于粉胶比的下限，沥青用量偏多，粉太少，这种混合料也是不稳定的。因此一定要符合这个规范要求。 另外，在粉胶比计算中，使用了有
11、效沥青用量的概念，也就是说，集料会吸收一部分沥青，吸收的这部分沥青对混合料来说是不起作用的。我们过去规范限制使用吸水率大于2%的集料，就是因为我们无法考虑吸收沥青，吸水率大了，吸收沥青也多了。现在新规范考虑了吸收沥青，所以集料吸水率也放宽到3%（高速公路表面层除外）。而美国允许的吸水率标准是45%的州就占了65%。1.2 Superpave设计方法较传统的马歇尔设计方法的劣势 设计沥青量偏低。从国外的研究资料和近年我国国内的施工实践经验来看superpave设计的沥青用量偏低约0204点，路面有渗水引起的病害，如松散、坑洞等现象，用油量偏小，导致混合料密度偏大，现场压实较困难，路面的空隙率较大
12、，影响路面耐久性。 设计限制区不合理。设计规范设计限制区03236或475之间细集料不能通过这一区域，也就是常被称为“驼峰”级配，这种设计出的混合料在施工过程中较难压实，且抗拉永久变形能力差。 设备相对昂贵和设计过程相对复杂。购一台旋转压实仪设备费用约二十万元，每个工程工地都配较难，因此该方法推广起来较难， 目前只停留在体积法阶段，并未能与沥青混合料路用性直接挂起钩来，设计过程公式较多较复杂，需要花费时间较长，设计过程没有完全按设计规定的步骤进行，设计过程过于理想化。2.245省道Superpave25沥青混合料目标配合比设计2.1工程概况 245省道宿迁段S245-B1B2B3-LM标属于国
13、家一级公路工程项目，施工标段K50+400-K76+478.946，全长26.079公里，该标段位于淮河平原腹部，属黄河冲积平原，地表质为砂土与粘土各半。地基承载力为812T/。土层厚4M以上。深层土为淤质土，承载力47T/，土层为6M以下；气候属北亚热带季风性气候，地面高程在1011M之间，地下水位较高。本标段下面层采用Superpave25沥青混合料，上面层采用AC-13C沥青混合料。2.2设计依据 1、公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004） 2、公路工程集料试验规程（JTG E42-2005） 3、公路工程沥青混合料试验规程（JTG E20-2011） 4、245省道宿迁段
14、S245-B1B2B3-LM施工设计图纸 Superpave设计集料级配限制区界限 表1混合料类型 筛孔尺寸（mm） 禁区控制点（通过率%） 0.30.61.182.364.75Sup-25最小11.413.618.126.839.5最大11.417.624.130.839.5 Superpave设计集料级配控制点界限 表2混合料类型 筛孔尺寸（mm） 控制点上下限（ %） 26.5192.360.075Sup-25最小9090191最大100-4572.3原材料 2.3.1沥青采用江阴泰富生产的70#道路石油沥青沥青。 技术要求及检验结果 表3 检测项目 技术要求检测结果针入度(25,100
15、g,5s)60-80(0.1mm)65延度(15,5cm/min)100(cm)100软化点(环球法)46 ()47.5密度(15)1.01（g/cm3）1.030 该沥青各项指标均符合设计要求，允许使用。 2.3.2集料（1）、集料采用安徽铜陵生产的石灰岩 原材料相对密度检测结果 表4 检测项目1#料9.5-31.5mm2#料4.75-9.5mm3#料2.36-4.75mm4#料0-2.36mm表观相对密度2.7012.7112.7092.723毛体积相对密度2.6942.6972.6862.664 该集料各项指标均符合设计要求，允许使用。 2.3.3矿粉：采用淮安赢方有限公司生产的矿粉，其
16、检测结果见表5。 沥青砼用矿粉质量技术指标 表5 检测项目技术要求检测结果视密度2.50g/cm32.836亲水系数10.52粒度范围0.6mm颗粒含量100 （）100外观0.15mm颗粒含量90-100（）91.40.075mm颗粒含量85-100（）86.1无团粒结块无团粒结块 该集料各项指标均符合设计要求，允许使用。 2.4设计矿料结构的选择 2.4.1设计方法的选择 依据Superpave设计的一般方法，在选择设计集料结构时，首先调试、选出粗、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，计算出这三个级配的沥青混合料
17、在空隙率为4.0%时所需的沥青用量及相应的沥青混合料其他体积性质，矿料间隙率（VMA）、饱和度（VFA）、矿粉与有效沥青之比（F/A）、初始旋转压实次数的压实度（%Gmmat in）等。表6为各种集料的筛分试验结果，表7为三个调试级配的料堆配合比，表8为三个试验级配各筛孔尺寸通过率明细表，表9为估算沥青用量汇总表。 各种原材料料筛分结果 表6 筛孔集料通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率（%）31.526.51913.29.54.752.361.180.60.30.150.0751#10086.043.54.00.80.50.50.50.50.50.50.52#10010010093.05
18、0.71.10.40.40.40.40.40.43#10010010010010090.20.80.40.40.40.40.44#10010010010010010082.152.935.222.918.013.0矿粉10010010010010010010010010010091.486.1 试验级配矿料配合比组成 表7 矿 料级配1级配2级配31#29.52826.52#3936.537.53#8.51094#21.52425.5矿粉1.51.51.5 试验矿料级配明细表 表8筛孔尺寸（mm）通过率（%）级配1级配2级配337.5100.0 100.0 100.0 31.5100.0 10
19、0.0 100.0 26.595.996.196.319.083.384.285.013.269.070.472.09.551.554.255.24.7531.235.035.6 2.3619.6 21.522.81.1813.214.415.30.69.410.110.80.36.77.27.60.155.65.96.30.0754.44.64.9图1 初试三种级配曲线 估算沥青用量汇总表 表9 试验级配Gsa(g/cm3)Gsb(g/cm3)Gse(g/cm3)VbaVbeWsPbi（%）12.7122.6902.7040.0040.0822.2813.7422.7132.6892.705
20、0.0050.0822.2813.7832.7132.6892.7050.0050.0822.2813.78表中：Gsb级配集料毛体积密度； Gsa级配集料表观密度； Gse级配集料有效密度； Vba集料吸收的沥青胶结料体积； Vbe有效沥青胶结料的体积； Ws每立方厘米混合料中集料质量； Pbi估算沥青用量。2.4.2试验级配的评价 根据各个级配的估算沥青用量，用3.75%的沥青用量成型试件，沥青混合料的拌和及成型温度根据粘温曲线确定，采用旋转压实仪成型试件，设定旋转压实仪的单位压力为0.6MPa。根据交通量数据选择压实次数N最初=8次，N设计=100次，N最大=160次。将旋转压实次数设定
21、在N设计，本次试验为N设计=100次，估算沥青用量下各级配旋转压实试验结果汇总于表10。 三种试验级配旋转压实试验结果汇总表 表10 压实次数级配1级配2级配3123123123N（8次）高度（mm）131.4 131.7 131.1 129.7130.1129.8128.5 128.8 128.9 N（100次）高度（mm）113.5 113.6 113.1 114.7114.5114.6114.2 113.9 114.0 空气中重（g）4800.1 4806.3 4783.5 4790.54784.94805.64786.3 4797.8 4780.9 水中重（g）2841.3 2844.
22、3 2830.6 2844.72837.92848.62847.6 2855.5 2849.4 饱和面干重（g）4810.5 4817.2 4795.8 4801.64793.34814.14793.9 4806.6 4791.2 毛体积相对密度2.438 2.436 2.434 2.448 2.447 2.445 2.459 2.459 2.462 初始压实度（%）82.584.685.5设计次数压实度（%）95.595.996.5最大理论相对密度2.5492.5492.549 三种级配估算沥青用量试验结果评价表 表11 级配设计次数压实度（）VMA（）（设计次数）VFA（）（设计次数）粉/
23、有效沥青比例初始次数压实度（）195.512.8864.791.1582.4296.012.4267.541.2884.7396.511.9570.981.4985.5Superpave25标准12.065750.61.2*89注：*表示当级配通过限制区下方，粉胶比可增加到1.01.6。表11为三种级配估算沥青用量试验结果评价表。依据表11的评价指标，可以得出级配2能满足Superpave25 设计要求，现选择级配2为设计级配。2.4.3选择设计级配的沥青用量 设计级配确定后，就要确定设计沥青用量Pb，所谓设计沥青用量就是指在设计旋转压实次数下得到空隙率为3.75%的沥青用量。根据Superp
24、ave 设计方法，一般选择四种沥青用量，它们分别为Pb、Pb0.5%、Pb+1%。由表11结果，根据经验取Pb为3.75%，四个沥青用量分别为：3.25%、3.75%、4.25%、4.75%。在进行确定选择级配沥青用量的试验时，压实次数应设定在N设计，本次N设计=100次。 设计级配四种沥青用量试验结果汇总表 表12 沥青用量(%)3.253.754.254.75最大理论相对密度2.5692.5492.5302.511试件编号1-11-21-32-12-22-33-13-23-34-14-24-3高度(mm)8次131.3 131.5 131.1 129.6129.7130.1129.5 12
25、9.3 129.3 128.5 128.7 128.4 100次115.4 115.7 115.5 114.6114.8114.9114.2 114.2 114.1 113.7 113.4 113.6 空气中重（g）4788.5 4799.2 4790.2 4788.44802.74805.64788.9 4798.5 4796.9 4786.3 4794.6 4800.5 水中重（g）2845.9 2853.2 2846.8 2839.62848.22850.82840.32845.52846.92829.4 2835.3 2837.4 饱和面干重（g）4799.9 4810.3 4802.
26、6 4797.74811.24814.14796.8 4806.8 4805.8 4785.4 4789.9 4795.5 毛体积相对密度2.451 2.452 2.449 2.445 2.447 2.448 2.448 2.447 2.449 2.447 2.453 2.452 初始压实度（%）84.084.9 85.486.2设计压实度（%）95.496.096.897.6 四种沥青用量沥青混合料体积性质 表13 沥青用量（%）在压实次数时矿粉/有效沥青比例初始压实度（%）压实度（%）（设计次数）VMA（%）VFA（%）3.2595.411.8360.821.5584.03.7596.01
27、2.4267.541.3384.94.2596.812.8374.811.1785.44.7597.613.1982.071.0586.2Superpav25e标准12.065750.61.2*89 注：*表示当级配通过限制区下方，粉胶比可增加到1.01.6。根据表3-8（图2)得到设计沥青用量为3.75%及其对应的体积性质（见表13中沥青用量3.75%）。 图2 沥青混合料Superpave25体积指标与沥青用量关系曲线 2.4.4验证 依据第3节中得到的设计沥青用量3.75%，根据经验采用沥青用量3.75%成型试件，验证3.75%的沥青用量在最大压实次数时，本次N最大=160次, 对应的体
28、积性质指标，试验结果汇总于表14。 设计沥青用量验证试验结果表 表14 沥青用量（）设计次数时FB初始压实度（%）最大压实度（）压实度（）VMA（）VFA（）3.7596.012.4267.541.3384.997.1Superpave25标准12.065750.61.2*8998注：*表示当级配通过限制区下方，粉胶比可增加到1.01.6。 2.4.5设计结果 通过以上试验和分析，级配2为设计级配，配合比为1#:2#:3#:4#:矿粉=28%:36.5%:10%:24%:1.5%。其对应的混合料体积指标列于表15。 混合料体积性质表 表15 混合料特性设计结果Superpave标准VMA（%）
29、12.4212VFA（%）67.546575FB1.330.61.2*%Gmm（最初）84.989%Gmm（最大）97.198 注：*表示当级配通过限制区下方，粉胶比可增加到1.01.62.5马歇尔试验结果汇总表 依据Superpave设计方法得到的Superpave25沥青混合料，采用马歇尔试验方法成型试件，得到对应的马歇尔指标，试验结果汇总于表16 Superpave25 马歇尔试验结果表 表16 试验项技术指标试验结果技术要求击实次数（次）正反75次正反75次稳定度（KN）11.978流值（0.1mm）30.320-40空隙率（%）4.84-5.5沥青饱和度（%）63.36070VMA（
30、）13.012残留稳定度（）88.7802.6性能验证试验为了检验Superpave25沥青混合料的水稳定性，按照有关规范进行了浸水马歇尔试验，试验结果汇总于表17。 浸水马歇尔试验结果 表17 混合料类型马歇尔稳定度（KN）浸水马歇尔稳定度（KN）残留稳定度S0（%）要求（%）Superpave2511.9710.6288.7852.7目标配合比设计结论 根据所用的集料、矿粉、沥青等原材料，按照设计标准进行室内配合比设计，得到的设计沥青用量为3.75%（油石比为3.90%）。通过沥青混合料的各项性能试验可知，Superpave25沥青混合料物理、力学指标和水稳定性能均满足设计要求，因此本次目
31、标配合比设计可作为生产配合比设计依据。 设计沥青用量及矿料比例 表18 沥青用量（%）矿料名称及比例（%）1#2#3#4#矿粉3.752836.510241.53.245省道Superpave25沥青混合料生产配合比设计3.1沥青混合料生产配合比设计与目标配合比设计之间的联系 目标配合比设计基本上是在试验室内完成的，是混合料组成设计的基础性工作，包括原材料试验、混合料组成设计试验和验证试验，在此基础上提出的配合比例称为目标配合比。具体设计步骤： （1）混合料类型与级配范围的确定 （2）原材料的选择与确定 （3）矿料级配选用 （4）进行马歇尔试验 （6）路用性能检验 （5）最佳沥青用量确定 生产
32、配合比调整要结合拌和楼进行，目前生产中使用的拌和楼有两种类型，一类是连续式拌和楼，对于连续式拌和楼生产配合比调整只要调整到冷料仓的流量满足目标配合比要求，就可以加热拌料了，不需要进行生产配合比设计；另一类是间歇式拌和楼，要对集料进行加热、筛分，而后在各热料仓称重、回配，回配的比例，就是生产配合比。由于各热料仓矿料的配合比例，与目标配合比各矿料的配合比例会有所不同，就需要通过试验确定各热料仓矿料的配合比例，现场称二次级配。生产配合比调整的目的是在目标配合比的基础上，通过调整各冷料仓的流量使之符合设计合成级配要求，对间歇式拌和楼则还要确定出各热料仓矿料的配合比例。具体设计步骤： （1）冷料仓流量的
33、调整 （2）确定各热料仓矿料配合比例 （3）确定沥青用量 简单地说：目标配合比是进行前期配合比试验用的，指导生产配合比的设计；生产配合比是指导生产用的。二者区别是：目标配合比原料是不同规格的碎石，沙子等，如10-20mm碎石、5-15mm碎石、3-10mm碎石、河沙、机制砂等等。根据这些原料的级配进行级配曲线设计。生产配合比是根据各个热料仓的级配来设计级配曲线。如1#仓、2#仓、3#仓、矿粉仓等等。3.2目标配合比设计结果目标配合比设计的结果如下： 目标配合比各材料比例 表19 混合料类型下列各种矿料所占比例（%）沥青用量(%)1#2#3#4#矿粉Super-252836.510241.53.
34、75 目标配合比设计级配 表20 混合料类型混合料级配，下列筛孔（mm）的通过率（%）37.526.519.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075Super-25100 96.1 84.2 70.5 54.2 35.0 21.5 14.4 10.1 7.2 5.9 4.6 设计沥青用量时旋转压实试验验证表 表21 沥青用量(%)设计压实次数F/A(%)初始压实度(%)最大压实度(%)压实度(%)VMA(%)VFA(%)3.7596.012.4267.541.3384.997.1技术标准96.01265750.61.2*89 98注：*当级配通过禁区下方时，粉胶比
35、可增加至0.81.6。3.3生产配合比级配调试 3.3.1热料仓筛分试验 本项目采用英国ACP-4000型拌和楼。（1）拌和楼筛网设置根据本项目矿料的级配及对该拌和楼的应用经验，拌和楼筛网尺寸分别为4 mm， 6 mm，11 mm，22mm，31mm。 （2）在生产配合比设计过程中，为保证二次筛分试样的代表性和真实性，拌和楼上料速度与正常生产时上料速度相一致。各个热料仓单独放料，各热料仓前面料放掉，待稳定后取样，并对所取样品进行了热料仓料筛分和密度试验，结果见表22和表23。 拌和楼各热料仓料筛分结果 表22 材料下列筛孔的通过率（%）37.526.519.013.29.54.752.361.
36、180.60.30.150.0755#仓10096.27.8 0.7 0.2 0.2 0.20.20.20.20.20.24#仓10010093.4 46.4 14.6 0.1 0.1 0.10.10.10.10.13#仓10010010064.039.2 0.6 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 2#仓10010010010010054.40.20.60.3 0.3 0.3 0.31#仓100100100100100100 82.559.441.324.019.011.2 矿粉10010010010010010010010010010091.386.0 拌和楼各料仓集料密度试验结果 表23 仓号/密度表观相对密度毛体积相对密度5#仓2.708 2.699 4#仓2.714 2.693 3#仓2.712 2.688 2#仓2.706 2.695 1#仓2.715 2.697
