SHRP 高性能沥青混凝土技术应用与发展现状

SHRP 高性能沥青混凝土技术应用与发展现状

硅酸盐建筑材料国家重点实验室吴少鹏

2012 年 4 月

沥青混合料的特性沥青胶结料与混合料 SHRP 的起源及发展现状

内容提要

沥青混合料的特性

沥青胶结料的性能

沥青胶结料的性能（另一 ppt 已有介绍）矿料的性能沥青混合料的性能永久变形疲劳变形低温开裂现有的沥青指标确定方法现有的沥青混合料设计步骤

矿料的性能集料的棱角

不管集料的来源，要求提供的集料有一定的强度和表面特性以抵抗重复荷载的作用。

多边形及具有粗糙纹理表面的集料比圆和光滑的纹理能提供更强的强度。

粗糙纹理的集料可以相互嵌锁，而光滑纹理不能相互嵌锁，其表面可能相互滑动。

圆形颗粒材料立方形颗粒材料

矿料的性能集料的堆积特性

立方形颗粒材料圆形颗粒材料

为了保证路面有较高的抗剪强度，最好使用立方形颗粒集料，避免使用圆形颗粒集料！

矿料的性能集料的受力特性

荷载作用前荷载作用后

集料的剪切变形，在公路转弯处尤为明显！

沥青混合料的性能混合料系统

虽然沥青混合料中单个物质的性能对混合料的性能十分重要，但是，由于沥青混合料中沥青和集料是统一的系统，其组合特性对沥青混合料的性能影响更大。了解沥青混合料性能的目的是工程技术人员希望避免沥青路面发生破坏，即永久变形、疲劳开裂、低温开裂。

沥青混合料的性能永久变形

第一原因是作用在土基、底基层、基层和沥青表面层的重复应力较大

沥青混合料的性能永久变形

第二个重要原因是路面面层在重复荷载的作用下沥青面层抵抗重复荷载的抗剪强度较小。

沥青混合料的性能疲劳变形

沥青路面的疲劳开裂是重复荷载的作用在行车道出现的一种破坏。疲劳开裂的早期现象是路面出现在纵向出现不间断的裂缝，之后，路面出现更多的变形。这种疲劳开裂有时被称为“龟裂”。

沥青混合料的性能疲劳变形

克服路面过早出现疲劳开裂有以下途径：充分考虑路面设计年限内的重载交通；利用隔水措施，保证路面土基干燥；用厚的路面；路面材料在水的作用下不致出现多的减弱；路面材料有一定的刚度。

沥青混合料的性能低温开裂

沥青混合料的性能低温开裂

路面的低温开裂一般出现在温度的单一循环中。也有人认为是路面的温度疲劳引起的。

路面的低温开裂与路面材料有关，一般硬的材料比柔的材料更容易出现低温开裂。

沥青在环境因素的作用下出现氧化就会更容易出现低温开裂。

因此，为了减少低温开裂，必须选用软的沥青，减少沥青混合料的空隙率。

沥青胶结料与混合料

沥青胶结料与混合料基本试验

旋转式簿膜烘箱（ RTFO ）压力老化容器（ PAV ）动态剪切流变仪（ DSR ）旋转式粘度计（ RTV ）弯曲梁流变仪（ BBR ）直接拉伸试验（ DTT ）

沥青胶结料与混合料基本试验 -- 短期老化试验

旋转式簿膜烘箱（ RTFO ） -- 模拟施工期的老化

沥青胶结料与混合料基本试验 -- 长期老化试验

压力老化容器（ PAV ）试验 -- 模拟路面使用期的老化

沥青胶结料与混合料沥青胶结料基本试验 -- 动态剪切流变仪

检验沥青胶结料的粘弹性特性，它通过测定沥青的复合剪切模量G* 和相位角的关系来表明沥青的温度特性。


复合剪切模量G* 和相位角的关系。


试验目的：通过控制高温时的劲度，保证沥青胶结

料在高温时的剪切强度，限定沥青胶结料低温时的劲度在中间状态就能保证沥青混合料的疲劳性能。

沥青胶结料与混合料沥青胶结料基本试验 -- 旋转式粘度计（ RTV ）旋转式粘度计（ RTV ）（ Brookfield 粘度计）试验目的：保证沥青在泵送和拌和时的具有足够的流动性。

沥青胶结料与混合料沥青胶结料基本试验 -- 弯曲梁流变仪（ BBR ）

弯曲梁流变仪（ BBR ）试验 -- 主要测定沥青的蠕变劲度（ S ）和沥青劲度变化率（ m ）

沥青胶结料与混合料沥青胶结料基本试验 -- 弯曲梁流变仪（ BBR ）

弯曲梁流变仪（ BBR ）试验 -- 测定低温时劲度，即蠕变劲度（ S ）和沥青劲度变化率（ m ） A ：测定小梁所施加荷载和小梁的弯曲变形，应用工程中梁的理论就可以计算小梁的劲度。B ：通过测定沥青小梁试件在蠕变荷载作用下的劲度就可以确定沥青的性质。C ：大的 m值将促使沥青路面在温度发生变化时内应力能及时消散，从而减少路面的温度开裂。D ：胶结料规范规定了路面实际的气候条件下的蠕变劲度和 m值。

沥青胶结料与混合料沥青胶结料基本试验 -- 直接拉伸试验（ DTT ）

直接拉伸试验（ DTT ）示意图

沥青胶结料与混合料沥青胶结料基本试验 -- 直接拉伸试验（ DTT ）

直接拉伸试验（ DTT ）目的： A ：对一些胶结料，尤其是聚合物改性沥青，其低温时的劲度比设计的要小，但其裂缝率仍然比较小的原因是低温时的沥青劲度变化率较大。B ：因此，如果沥青在低温时具有较小的直接拉伸试验（ DTT ）结果，沥青胶结料规范规定容许沥青可以具有较高的蠕变劲度。

沥青胶结料与混合料

Superpave 对沥青胶结料的选择

SUPERPAVE 气候数据库可靠性原始气温路面温度的转化选择胶结料的等级荷载等级对胶结料选择的影响交通等级对胶结料选择的影响

沥青胶结料与混合料 Superpave 对沥青胶结料的选择

SUPERPAVE气候数据库Superpave 软件提供美国和加拿大 6500 个观测站的温度数据库，设计人员可以根据所在地区的温度选择胶结料的等级。每个观测站根据观测结果，计算 7天最高温度的区间及对应的温度的平均值，通过对所有这些观测计算的平均值和标准差计算分析；同样，可以计算最低温度的平均值和标准差。


可靠性 Superpave 设计系统中，可靠性指某一年的实际温度不超过设计温度的百分率。

Superpave 设计系统提供不同的可以采用的高温和低温的可靠度水平。假定在 Topeka 和 Kansas 的平均最高气温为36℃ ，标准差为 2℃ ， 7 天的平均最高温度为36℃ ，但温度超过 40℃ 的概率仅有 2% ，即设计温度为 40℃ 的可靠度为 98% 。


可靠性


原始气温 Topeka 的设计事例。下图为设计气温最高和最低温度分布曲线。对一般的夏天，平均 7天的最高温度为 36℃ ，标准差为 2℃ ，在一般的冬天，平均 7天的最低温度为 -23℃ ，标准差为 4℃ 。对某一非常冷的冬天，其最低温度为 -31℃ 。


原始气温


路面温度的转化 Superpave 提供了计算路面下 20mm 的最高温度和路表最低温度的计算办法。对路表磨耗层，假定可靠度为 50% 的 Topeka地区的路面温度为 56℃ 和 -23℃ 。假定可靠度为 98% 的 Topeka地区的路面温度为 60℃ 和 -31℃ 。如下图


路面温度的转化


路面最高温度的转化在 Superpave 路面设计体系中，在路面下 20mm 的路面最高设计温度按下式计算：

式中： T20mm-- 路面下 20mm 的路面最高设计温度； Tair— 最高 7 天的温度的平均值； Lat— 工程所处的纬度，。

78.17)2.422298.000618.0(*9545.0 220 LatLatTT airmm

沥青胶结料与混合料 Superpave 对沥青胶结料的选择路面最低温度的转化

有两种确定路面最低温度的方法，第一，路面最低温度简单地假定与最低气温相同，这种方法最初由 SHRP 研究人员提出，这是一种很保守的假定，因为在冬天，路面的温度高于气温，在 Topeka 和Kansas 使用这种方法。第二用以下由加拿大研究人员提出的方法：

式中： Tmin-- 路表的最低设计温度； Tair— 最低温度的平均值。这样， Topeka 的路面最低温度为 0.895*-23+1.7= -18℃

7.1895.0min airTT


选择胶结料的等级（如下图）温度的可靠度至少必须达到 50% 。Topeka 的最高温度（ 56℃ ）至少应该大于 PG58 ，实际上 PG58 这个等级的可靠度达到 85% ；另一个稍低的等级为 PG52 ，其可靠度将小于 50% 。低温（ -23℃ ）等级应该为 PGXX-28 ，实际上该低温等级的可靠度将达到 90% 。对 98% 的可靠度，其高温等级应该为 PG64 ；低温等级应该为 PGXX-34 。


选择胶结料的等级


荷载等级对胶结料选择的影响A:SHRP 胶结料选择方法假定路面承受快速移动荷载。B: 动态剪切流变仪的荷载变化速率是 10 转 / 分，对应的汽车速度为 90Km/h ，小的旋转速度对交叉口和收费站比较合适，其它一些场合的荷载静止，胶结料必须具有高的劲度以抵抗材料的蠕变。C: 为了满足以上特殊情况，胶结料必须至少提高一到二个等级。D: 如果基于温度的胶结料等级为 PG64-22 ，为了减少低速荷载对路面的破坏，设计的胶结料等级应该为 PG70-22 ，对静止荷载，设计的胶结料等级应该为 PG76-22 ，E: 荷载速率对低温等级没有影响。


交通等级对胶结料选择的影响 Superpave 的胶结料等级必须考虑交通等级。当设计的交通等级超过 107的当量单轮荷载（ ESWL ），设计人员必须将胶结料提高一个等级。同荷载等级一样，交通等级对低温等级没有影响。对 Topeka 选择的温度等级为 PG58-28 ，当承受很高的交通等级时，温度等级应该为 PG64-28

沥青胶结料与混合料SHRP 级配理论

SHRP 采用了对原来方法改进的级配方法，它采用 0.45次方最大级配线图来规定容许级配。这种级配图利用单一绘图技术来确定集料粒径在横轴上的分布，纵座标为集料的通过百分率。横座标是以 mm 为单位的粒径的计算刻度，它是粒径的 0.45次方。在下图上，粒径 4.75mm 的位置在距原点 2.02 处， 2.02 为集料筛孔尺寸 4.75mm 的 0.45次方，通常在横座标上不绘制粒径的 0.45次方的值，而是直接绘制粒径值。


最大密度线是最大粒径 100% 通过量与原点的连线。


为了说明集料级配，在 0.45 次方图上的另两个级配控制点：控制点和禁区。控制点为级配曲线必须通过的几个特定的尺寸范围，禁区为最大密度线附近 0.3-2.36mm范围不希望级配通过的区域。禁区的范围在中间粒径（ 2.36mm或 4.75mm ）与0.3mm 之间的最大密度线附近，这一范围级配曲线不能通过。通过禁区的级配的一般称为“驼峰级配”。在大多数情况下，驼峰级配中细砂的含量较高，这种级配可能导致混合料软化，使得施工时难以压实和混合料抵抗永久变形的能力下降。沥青混合料的强度主要由胶结料的粘结力提供，集料的骨架作用较小。这种混合料同时对沥青用量很敏感及极容易塑性化。

沥青胶结料与混合料沥青混合料体积需求

混合料的体积标准包含空隙率、矿料间隙率、沥青的填隙率。混合料空隙率是一个很重要的标准，因为它跟沥青的用量关系密切。在 Superpave 混合料设计中，混合料的空隙率规定 4% 。

沥青胶结料与混合料沥青混合料体积需求 Superpave 矿物集料骨架空隙率（ VMA ）为

不为集料所占的体积，即压实混合料减去集料毛体积。对 4% 的空隙率规定的最小 VMA 是集料公称最大粒径的函数。具体的规定。 Superpave 矿料间隙率标准

集料公称最大粒径最小的 VMA 9.5mm 15.0 12.5mm 14.0 19.0mm 13.0 25.0mm 12.0 37.5mm 11.0

沥青胶结料与混合料沥青混合料体积需求沥青饱和度（ VFA ）为规定的 VMA 中沥青的百分率。

因此， VFA 为沥青的体积百分率与 VMA 之比。Superpave 沥青饱和度标准当量单轮荷载累计交通量 *106 设计的 VFA % <0.3 70～ 80 <1.0 65～ 78 <3.0 65～ 78 <10.0 65～ 75 <30.0 65～ 75 <100.0 65～ 75 >300.0 65～ 75

SHRP 的起源及发展现状

SHRP 的起源及发展现状SHRP 的起源

Superpave 是美国耗资 1.5亿美元的战略公路研究计划 (SHRP)的重要组成部分之一， 1987 年 ~1993 年，美国公路战略研究计划 (SHRP)进行了一项为期 5 年耗资 5000万美元的沥青路面研究，最终提出了一套全新的沥青混合料设计方法 (Superpave 设计方法 )，而用 Superpave 设计方法设计的沥青混合料也叫 Superpave

SHRP 的起源及发展现状

1992 年 SHRP 计划结束后，在美国联邦公路局 (FHWA)的大力推广下，美国大部分州已开始修建 Superpave 路面， 1996 年新建 Superpave 工程项目 93 个， 1997 年 316 个， 2000年达 3900 个。 200 年一年生产沥青混合料 13400万吨，占沥青混合料总量的 62% ， 2001年采用 Superpave 方法设计施工的沥青混合料占总量的 82% 。

SHRP 的起源及发展现状Superpave 在我国的发展

我国对美国 SHRP 计划的研究进展及其成果一直十分关注。

1989 年在申报“八五”国家科技攻关计划重点专题“道路沥青及沥青混合料的路用性能”的可行性报告及立项计划时，就以跟踪美国最新研究成果为宗旨，意在把国内的专题研究搞成中国的战略公路研究计划 C-SHRP 。


“九五”以来， SuPerpave 的成果陆续发布，除了沥青结合料规范外，沥青混合料的配合比设计等也开始影响我国，我国《公路沥青路面施工技术规范》 (JTGF40 一 2004)中也体现了其许多设计理念， 2008 年 7 月中华人民共和国交通运输部发布了《旋转压实仪》 (JT/T724一 2008)标准。


1995 年江苏省交通科学研究院在国内率先引进了 Superpave 设备与技术 ;

2000 年在江苏京沪高速淮阴南连接线铺筑了第一段试验路，全长 7km;

2001 年在连徐、宁宿徐高速铺筑了 10km 的试验路 ;

2002 年在连徐、汾灌、宁靖盐高速推广应用，全长 70km;在宁连改造、无锡太湖大道推广应用，约 50km;


2003 年在宁连、锡宜、徐宿、沪宁东段使用 ; 2004 年在通启、扬州西北绕城、润扬大桥南接线、沪宁扩建应用 ;

2005 至 2006 年在连盐高速、京福高速徐州西北绕城等中下面层中应用。

2009 年在 104 国道徐州段、 204 国道盐城段中上面层中应用，至 2009 年底，我国已修筑了近 2000 公里的 Superpave 路面。

SHRP 的起源及发展现状国外研究现状

日本也对 SHRP 研究十分关注。在 Supeprvae 出台后，立即以建设省土木研究所为中心对该计划的研究成果进

行全面调查。 1994 年引进沥青结合料的试验设备， 1996 年引进沥青混合料试验设备，开始开展试验研究。


欧洲从一开始就对沥青结合料的研究设备感兴趣。目前， Superpave 设计系统的部分实验装置及路面性

能预测模型等已在欧洲部分国家开始使用。罗马尼亚和墨西哥也已引进了 Superpave 技术，并建

立了国家试验中心，正将该技术本土化并加以推广应用。

地处北欧的芬兰等国也同样开发出了旋转压实设备 SGC 。作为目前世界上最为先进的沥青路面技术之

一， Superpave逐渐得到了世界各国的普遍认同。


自 1993 年 Superpave 设计方法发布实施以来，美国仍然在继续未完成的研究项

目，尤其是关于 Superpave 的禁区 (Restricted Zone) 问题和 Superpave 路用性能试验方法及预测模型的建立。

新的研究计划仍在不断地筹划和进行中。


NCHRP Project 9-14 就专门对禁区问题进行了研究，其最终报告为 NCHRP Report-464 ；

NCAT Report 02-01 对 Superpave 混合料的 Tender Zone(温度敏感区 ) 问题进行了研究，认为用 Superpave 方法设计的粗级配往往比 Marshall 方法设计的级配更难压实。


美国联邦公路局 (FHWA)和特纳公路研究中心 (TFHRC) 联合开展的 SIMAP项目，采用三维图像技术，通过在三维图像施加荷载进行混合料的力学响应预测，从而进一步模拟、分析和推演沥青路面的体积特性和力学行为。该技术现在已经成

为分析沥青膜厚度和 VMA等指标的必要工具。


路易斯安娜交通运输研究中心 (LTRC)对Superpave 的透水性进行专门的研究，他们通过对与透水性相关的空隙率、压实功、混合料级配和结构层厚度等因素进行敏感性分析，建立了统计学回归模型，能够有效地通过 Superpave 混合料的体积特性对其透水性进行预测。


2004 年该研究取得 T新的进展，将 HCT (Hollow Cylinder Tensile Tester)试验作为简单性能性能试验的一种，进行模量、蠕变和抗拉强度等试验，用于中等温度和低温条件下的温度裂缝、疲劳裂缝和反射裂缝等的预测和分析。

目前混合料简单性能试验的方法还在进一步研究之中。

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