Sup粗粒式沥青混凝土面层施工技术研究.docx
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Sup粗粒式沥青混凝土面层施工技术研究
Sup-25粗粒式沥青混凝土面层施工技术研究
技术报告
中铁十局集团第二工程有限公司
二○一三年十二月
第一章Sup-25沥青混合料设计方法及评价研究
1.技术方案论证和技术特征
1.1技术方案论证
1)应用骨架密实结构理论、采用旋转压实仪成型试件,提出配合比体积设计方法,通过计算机模拟合成技术,调整混合料配合比的级配,进行验证、外委检测,以求配合比最优化;
2)采用新型的先进试验、检测仪器,建立原材料检控系统以及对摊铺路面进行全方位跟踪检控系统,确保工艺合理、路用性能最佳。
3)采用方案比选法,通过试验路段铺筑检验,确立最佳的施工工艺,编制工艺实施细则。
1.2技术特征
1)集料级配限制区界限和控制点界限,配合比体积设计方法。
2)模拟沥青路面在预测运营时的温度和老化条件进行沥青测试,针对项目的重要程度,采用不断增加试验严酷程度和分析的严密性,为路面项目提供优越的混合料,使路面结构受力、变形更为协调,减少路面损害。
3)要求对沥青混合料高温稳定性和抗水损害性能的验证,从而提高Superpave抗高温性能与抗水害能力。
这也正是Superpave与通常沥青混合料的不同之处。
4)减少车辙、抵御重型车辆较大轮压、减少沥青用量,提高经济性。
5)Superpave沥青规范中提别强调了沥青的路用性能,配合比设计时,全面考虑了高温、低温、疲劳和老化。
在沥青等级选择时还将交通量和车辆行驶速度等综合进行了考虑。
因此,它对于特定工程的沥青选择需要“量身定做”。
2.应用技术领域和技术原理
利用美国公路战略计划(SHRP)的重要研究成果,开发了一套全新的试验设备和方法,并建立了沥青结合料和混合料规范的新体系;从根本上改变了现行试验方法和规范的纯经验性质,从而避免了由此带来的局限性。
Superpave沥青结合料和沥青混合料规范的新体系,是力图将室内试验方法与指标同沥青路面的野外现场性能建立起直接的联系,通过控制高温车辙、低温开裂和疲劳开裂来达到全面改进路面性能的目的,有助于解决我国沥青路面早期损坏问题。
具体做法是采用“沥青胶结料性能规范(PG规范)。
不仅注意到原样沥青的性能,更重视短期和长期老化后的性能”。
严格规定了集料的共同性和料源特性,利用体积分析方法,结合骨架密实结构理论、采用旋转压实仪成型试件,马歇尔方法验证,0.45次方曲线图等手段实现Sup-25混合料的配合比设计。
3.技术性能指标
1)编写出Sup-25粗粒式沥青混凝土面层配合比设计及工艺研究成果资料。
2)确定设计空隙率、提出Sup-25混合料试件成型方法、最佳油石比的选定。
3)Sup-25混合料的路用性能:
包括高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗渗水性和抗疲劳性。
4)在以上研究的基础上,进一步通过理论分析、室内外试验,并结合实体工程铺筑试验路,对施工技术、质量控制指标等进行全面、系统的研究,形成一套完整的大浏高速公路Sup-25施工技术。
4.设计原则
Superpave沥青级配结构是骨架密实型,必须采用旋转压实仪成型试件。
因传统的马歇尔沥青成型试验采用落锤冲击成型,相对与目前大吨位压路机而言,压实作用不够,单纯增加落锤次数并不能提高压实效果,而且还可能使石料产生击碎现象。
同时,当矿料粒径较大时,与标准马歇尔试验仪的模筒直径101.6mm不相适应。
而采用旋转压实仪具有以下优越性:
①旋转压实仪在压实过程中,通过设定的旋转角度、旋转次数,在液压静荷载的作用下,使试件达到均匀揉搓挤实,能模拟实际碾压工况。
使室内压实度检测指标与现场控制压实度相匹配。
②旋转压实仪的力值,压头位移旋转次数和旋转角度等数据都能显示在显示屏上,且可以通过USP接口导出或打印。
数据采集非常便利。
③旋转压实方式可以测试沥青混合料的可压实性,以识别其是否稳定,从而避免沥青路面在未到达碾压稳定状况前开始负荷交通,造成变形严重,形成早期病害。
④在不同沥青用量的条件下,旋转压实方法较马歇尔击实要稳定一些。
也就是说,沥青含量的变化对旋转压实的影响较少一些,而对马歇尔击实的影响较明显。
这是由于旋转压实对混合料产生揉搓碾压作用,在试验的工程中,有利于集料之间的搓动,从而使集料有重新排列的过程。
旋转压实的机械作用和沥青都是集料不断密实的原因。
而马歇尔击实的过程中,当沥青含量不足时,石料的搓动会很少,不利于产生集料的重新排列,只有当沥青含量增加时,集料的相对移动才可能发生。
所以沥青含量对马歇尔击实试件的影响比旋转压实仪的影响要大。
Superpave混合料在沥青材料选择上,充分考虑了沥青的路用性能:
不仅需要验证沥青的高温、低温、疲劳和老化指标,还综合考虑了交通量及行车速度。
因此,对于特定的工程项目而言,Superpave混合料沥青的选择需要“量体裁衣”,决不可套用。
因此,我们不难看出Superpave级配比常规的AC级配的设计方面更科学,更能模拟实际碾压的效果。
在配合比设计过程中,依据沥青混合料初始、设计和最大旋转压实次数时的密实度以及在设计压实次数时的空隙率、矿料间隙率、沥青填隙率、填料与有效沥青之比进行沥青混合料的组成设计。
它在沥青混合料组成设计时首先依据石料的性质进行级配组成设计,然后再进行沥青用量的选择。
在吸收国外先进设计方法的基础上,结合国内研究成果进行设计。
本课题以我公司承建的大围山至浏阳高速公路24标试验室设计的Sup-25沥青混合料为实例对Superpave沥青混合料设计方法进行探讨。
5.配合比设计流程
Sup-25设计流程按图1步骤进行。
图1Sup-25配比设计流程图
6.原材料选用
由于沥青混合料的技术性质在很大程度上取决于集料间的组成,各种不同的级配可形成不同的空隙率而产生的不同路用性能指标。
兼之在湖南省没有大面积施工的实践经验,所以在原材料及配合比的设计上要认真执行规范上的各种要求。
6.1粗集料
集料规格划分的越细,越能更好地调整级配,同时拌和站冷料仓的比例也容易控制,但受料仓数量一般限制为4~5挡。
本项目粗集料厂家采用筛孔规格为:
1#筛28~30mm、2#筛22mm、3#筛15mm、4#筛6~7mm、5#筛3~4mm五种规格,现场按(1#料31.5~19mm)、2#料(19~13.2mm)、3#料(13.2~4.75mm)、4#料(4.75~2.36mm)4档备料,产地均为浏阳市狮岩碎石厂生产的石灰岩碎石,与沥青的粘附性为5级。
粗集料的各项试验指标见表1。
表1粗集料的技术指标
指标
要求
单位
技术要求
实测指标
石料压碎值
不大于
%
24
23.4
洛杉矶磨耗值
不大于
%
28
19.0
坚固性
不大于
%
12
3.0
针片状
不大于
%
15
9.7、8.2、12.3
小于0.075颗料含量
不大于
%
1.0
0.4、0.2、0.2、0.3
软石含量
不大于
%
3.0
1.3
与沥青的粘附力
大于等于
级
4
5
由于Sup-25沥青采用旋转压实仪成型试件,实际施工碾压时通常采用大功率的双钢轮压路机,所以在选择粗级料时,要求采用石质坚硬、清洁、不含风化颗粒、近立方体颗粒的碎石,严格控制细长扁平颗粒的含量。
建议采用反击式破碎机轧制碎石,这样在施工中才不致与有过多的骨料压碎,使沥青路面表面产生花白现象。
料仓
6.2细集料
细集料要求坚硬、洁净、干燥、无风花、无杂质并有适当级配的细集料,同时满足JTGF42~2005规范要求。
本项目所用细集料选用浏阳市狮岩碎石厂生产的石屑。
具体各项指标见表2。
考虑到细集料在生产过程中容易混杂风化石、泥土造成软弱颗粒含量、含泥量增大,从而影响细集料与沥青的粘附性,我部在材料进场前会同监理一同考查了料场,同时在进场过程中派驻专人在料场控制石屑的母材质量,监督生产过程,确保进场石屑质量,以有效降低沥青用量。
这样本项目在进场以后就很好的控制了细集料的质量。
表2石屑的技术指标
试验项目
砂当量(%)
棱角性(s)
表观密度(g/cm³)
毛体积密度(g/cm³)
规范指标
≥60
≥30
≥2.5
/
实测指标
67
48.0
2.693
2.600
6.3矿粉
由于矿粉细度大小直接影响到填料的比表面积。
大粒径沥青砼的细集料偏小,而各规格骨料之间的粘聚性靠矿粉比表面积增大与沥青形成沥青胶结物质使沥青膜增厚,才能更好的提高沥青砼路面的防水性能。
所以我们在矿粉方面严格控制了它的细度指标。
采用在浏阳市东南建材厂经过磨细的石灰岩矿粉。
拌和站回收的粉尘一律经过加水排放,不作为矿料的一部分回收使用。
矿粉的质量指标见表3。
表3矿粉质量指标
试验项目
试验结果
技术要求
备注
表观密度(g/cm³)
2.669
≥2.5
表观相对密度
2.674
/
塑性指数
3.2
≤4
粒度范围
<0.6mm(%)
100
100
<0.15mm(%)
97.2
90~100
<0.075mm(%)
82.8
75~100
亲水系数
0.75
<1
6.4沥青
在Sup-25下面层沥青全部采用中海油(泰州)50#基质石油沥青,沥青的各项指标见附表4。
表4沥青技术指标要求
试验项目
实测指标
规范要求
备注
针入度(25℃,100g,5s)(0.1mm)
51
40~60
针入度指数PI(15℃,25℃,30℃)
0.66
~1.5~+1.0
延度(5cm/mim,5℃)(cm)
>100
≥80
软化点(TR&B)(℃)
54.5
≥50
动力粘度(60℃)(Pa.S)
399.3
≥220
溶解度(%)
99.59
≥99.5
闪点(℃)
294
≥260
蜡含量(%)
1.8
≤2.2
旋转薄膜加热试验
质量变化(%)
~0.008
≤±0.8
残留针入度(25℃)(%)
64.7
≥63
残留延度(5℃)(cm)
16
≥10
7.配合比设计
7.1主要试验仪器
在配合比设计及后期施工控制中采用旋转压实仪成型试件(如右图所示),采用马歇尔试验方法进行检验,需要的主要仪器有旋转压实仪器、马歇尔电动击实仪、马歇尔稳定度仪、混合料拌和机、点子天平、沥青薄膜烘箱、低温冰箱、洛杉矶磨耗仪、针入度仪、软化点仪、延度仪、理论密度仪、车辙仪、恒温水浴等。
旋转压实试验
7.2配合比级配选择
1)集料级配选择
在各项原材料选定后,依据Superpave设计的一般方法,其沥青混合料级配应满足表5和表6要求的情况下,首先调试、选出粗、中、细三个级配。
根据集料的性能指标,计算出三个级配的初始沥青用量。
然后用初始沥青用量成型试件,根据试验结果,计算出这三个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)、初始旋转次数的压实度等。
其级配试验结果如表7至表9所示。
表5Sup25设计集料级配限制区界限
筛孔尺寸(mm)
限制区范围(通过率%)
0.3
0.6
1.18
2.36
4.75
最小
11.4
13.6
18.1
26.8
39.5
最大
11.4
17.6
24.1
30.8
39.5
表6Sup25设计集料级配控制点界限
筛孔尺寸(mm)
控制点范围(通过率%)
25
19
2.36
0.075
最小
90
90
19
1
最大
100
/
45
7
表7确定试验级配组成
矿料
细级配
中级配
粗级配
1#
17
20
22
2#
18
19
20
3#
24
23
23
4#
13
13
11
5#
25
22.5
22
矿粉
3
2.5
2
表8试验混合物级配明细表
筛孔尺寸
通过率(%)
细级配
中级配
粗级配
31.5
100
100
100
26.5
98.3
98
97.8
19
82.8
79.9
78
16
73.5
70
67.5
13.2
65.4
61.1
58.6
9.5
54.9
51.3
48.3
4.75
40.9
37.9
35
2.36
26.7
24
22.9
1.18
17.4
15.5
14.7
0.6
13.2
11.7
11
0.3
7.3
6.4
5.8
0.15
5.4
4.7
4.2
0.075
4.5
4.0
3.5
图2初选三种级配曲线
表9估算沥青用量汇总表
试验级配
rsa
rsb
rse
Vba
Vbe
Ws
Pbi(%)
细级配
2.708
2.667
2.699
0.010
0.08
2.274
3.885
中级配
2.709
2.669
2.700
0.010
0.08
2.275
3.879
粗级配
2.709
2.670
2.701
0.010
0.08
2.276
3.868
表中:
rsa—级配集料表观相对密度;
rsb—级配集料毛体积相对密度;
rse—级配集料有效相对密度;
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m混合料中集料质量;
Pbi—估算沥青用量。
2)试验级配的评价
根据各个级配的估算沥青用量,选用3.9%的沥青用量,采用旋转压实仪成型试件,根据本项目预测交通量水平,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在N设计,即本次试验为100次,估算沥青用量下各级配旋转压实试验结果汇总如表10:
表10三种试验级配旋转压实试验结果
压实次数
细级配
中级配
粗级配
1#
2#
1#
2#
1#
2#
N初始(mm)
125.7
125.5
126.8
127.0
127.6
127.8
N设计(mm)
110.4
110.5
111.2
111.3
111.9
112.0
干质量(g)
4682.3
4676.8
4645.7
4670.8
4674.9
4688.7
水中重(g)
2781.2
2775.3
2747.6
2772.3
2771.9
2785.2
表干质量(g)
4696.3
4689.7
4656.3
4693.6
4702.1
4719.5
毛体积相对密度(g/cm3)
2.445
2.443
2.434
2.431
2.422
2.424
初始压实度(%)
84.95
84.17
83.79
设计次数压实度(%)
96.60
96.01
95.58
最大理论相对密度(g/cm3)
2.530
2.533
2.535
表11三种级配估算沥青用量试验结果评价表
级配
空隙率(%)
VMA(%)
VFA(%)
F/A
N初始
细
3.4
11.9
71.4
1.2
85.0
中
4.0
12.4
67.7
1.0
84.2
粗
4.4
12.8
65.6
0.9
83.8
Sup标准
4.0
≥12.0
65~75
0.6~1.2*
≤89.0
注:
*表示当级配通过限制区下方,粉胶比可增加到0.8~1.6。
由上述评价可看出中、粗级配均能满足Superpave设计要求,对比两个级配,选取中级配作为设计级配。
7.3选择设计级配的沥青用量
根据Superpave设计方法,设计级配确定后,就要确定设计沥青用量Pb,一般选择四种沥青用量,它们分别为Pb、Pb±0.5%、Pb+1%。
由级配试验结果评价表选取Pb为3.9%,因此,四个沥青用量分别为:
3.4%、3.9%、4.4%、4.9%。
在进行确定选择级配沥青用量的试验时,压实次数为N设计,本次N设计=100次。
表12设计级配四种沥青用量试验结果汇总表
压实次数
3.4
3.9
4.4
4.9
1#
2#
1#
2#
1#
2#
1#
2#
N初始(mm)
127.6
127.4
126.5
126.7
125.2
125.0
123.6
123.7
N设计(mm)
113.2
113.1
111.4
111.3
110.9
110.8
110.2
110.1
干质量(g)
4677.4
4669.6
4657.3
4664.8
4672.1
4681.4
4674.7
4662.9
水中重(g)
2771.2
2764.4
2754.4
2760.5
2768.9
2776.2
2777.3
2768.1
表干质量(g)
4699.2
4690.8
4669.4
4680.2
4679.8
4689.3
4677.6
4664.4
毛体积相对密度(g/cm3)
2.426
2.424
2.432
2.430
2.445
2.447
2.460
2.459
初始压实度(%)
84.43
84.41
86.00
87.55
设计压实度(%)
95.14
95.97
97.06
98.28
最大理论相对密度(g/cm3)
2.549
2.533
2.520
2.503
表13四种沥青用量沥青混合料体积性质
沥青用量(%)
空隙率(%)
VMA(%)
VFA(%)
F/A
N初始
3.4
4.9
12.2
59.8
1.2
84.4
3.9
4.0
12.5
68.0
1.0
84.4
4.4
2.9
12.4
76.6
0.9
86.0
4.9
2.0
12.4
83.9
0.8
87.6
Sup标准
4.0
≥12.0
65~75
0.6~1.2*
≤89.0
注:
*表示当级配通过限制区下方,粉胶比可增加到0.8~1.6。
根据3.4%、3.9%、4.4%、4.9%四个沥青用量的体积性质数据,得到空隙率为4.0%时的设计沥青用量为3.87%。
图3Sup-25混合料体积指标与沥青用量关系曲线
7.4设计油石比混合料体积性质验证
依据不同沥青用量的试验数据得到设计沥青用量为3.87%,因而选用沥青用量3.9%成型试件,验证该沥青用量在最大压实次数N最大=160次时对应的体积性指标,试验结果见表14。
表14设计沥青用量验证试验结果
沥青用量(%)
设计次数
F/A
初始压实度(%)
最大压实度(%)
压实度(%)
VMA(%)
VFA(%)
3.9
96.0
12.4
67.7
1.0
84.4
97.4
Sup标准
96%
≥12.0
65~75
0.6~1.2*
≤89
≤98
注:
*表示当级配通过限制区下方,粉胶比可增加到0.8~1.6。
7.5设计混合料的水敏性和高温性评价
衡量水稳定性好坏的指标是残留稳定度,它是模拟路面在雨水过后表面形成高温后经水长期浸泡对沥青路面稳定度和变形量的影响。
具体试验要求为水温60℃浸泡48h后得到残留稳定度和变形量。
沥青混合料高温稳定性习惯上是指沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力,常见的主要指标为车辙,因为车辙是沥青下面层作为主要承重层所面临的主要问题。
半刚性基层可以认为没有粘性变形,而下面层沥青作为基层的一部分或主要承重层的话,其沥青混合料具有粘弹性的特性,高温时在荷载的作用下,会产生不可恢复的粘性变形,因此在配合比的验证过程中,车辙以作为主要指标之一。
车辙主要模拟车轮荷载在路面上行驶而形成车辙的工程试验方法。
室内小型往复式车辙试验,由于设备简单,试验方便,原理直观,虽然它并不能给出材料的许多力学方面的参数,也不能预计车辙变形的发展,但很容易被人理解和接受,所以在实际操作中基本上均采用本方法。
试件尺寸由于沥青稳定碎石的粒径较大,而通常使用的车辙试件尺寸为300mm×300mm×50mm,不反映真实情况。
所以在本项目试验时,把厚度增加成下面层设计厚度,变成300mm×300mm×80mm,温度为60℃,轮压0.7mpa,采用单层整全碾压,预压5个往返,正式碾压20个往返。
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对本次Sup25配合比进行的水敏性和高温性检验结果汇总如表15所示。
表15Sup25水敏性和高温性检验
试验项目
试验数据
Sup标准
稳定度(KN)
12.98
10.67
12.26
11.74
12.10
12.68
≥8.0
残留稳定度(%)
91.0
96.6
98.3
94.7
87.5
91.3
≥85
动稳定度(次/mm)
4682
5238
4983
≥3500
从上表可以看出,本次Superpave设计的沥青混合料的浸水残留稳定度和动稳定度都满足设计标准的要求。
7.6设计结果
通过以上试验和分析,中级配为设计级配,配合比为1#:
2#:
3#:
4#:
5#:
矿粉=20:
19:
23:
13:
22.5:
2.5。
其对应的体积指标见表16所示。
表16混合料体积指标
混合料特性
设计结果
Superpave标准
孔隙率VV%
4.0
4.0
矿料间隙率VMA(%)
12.4
≥12.0
有效沥青饱和度VFA(%)
67.7
65~75
粉胶比F/A
1.0
0.6~1.2*
初始次数压实度N初始
84.4
≤89
最大压实度N最大
97.4
≤98
注:
*表示当级配通过限制区下方,粉胶比可增加到0.8~1.6.
由于温度在沥青试件成型中影响很大,它的高低影响沥青试件的空隙率、高度、流值、稳定度等各项指标。
控制试件成型中的温度,对试件的准确性有很大的意义。
常规沥青混合料的沥青试件成型温度与现场温度相同,而Superpave混合料的沥青试件制作的温度应由沥青粘度曲线确定。
在试件成型中缺少粘度条件时,开始击实温度不得低于150℃,试模应按规定预热。
热拌沥青混合料各种材料加热温度控制见表17,在成型试件过程一定要严格控制好拌和及压实试验温度。
本项目Sup-25下面层沥青混合料的试件密度采用表干法的毛体积密度。
沥青混合料理论最大相对密度,每天两次按T0711真空法实测获得,并按每天总量控制算得平均油石比用计算法进行校核,当两者差值少于0.005时取两者数值较大者作为标准值,当差值超过0.005时,分析原因,论证后取值。
沥青混合料试件体积指标按JTGF40B.5.10规定计算。
试件的配料、拌和均应单个进行,以确保试件结果的一致性。
表17热拌沥青混合料温度控制
项目
沥青标号
沥青加热温度
集料温度
矿粉
拌和温度
压实温度
加热温度
50#
160~170℃
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- Sup 粗粒式 沥青 混凝土 面层 施工 技术研究