澳大利亚沥青混合料设计方法

文章编号: 1671- 2579( 2002) 02- 0064- 04 澳大利亚沥青混合料设计方法 干宏程, 黄卫东, 陈佩茹 编译 (同济大学, 上海市 200092) 摘 要: 由于基于经验的 Marshall和 Hubbard Field 混合料设计方法不能满足实际需要, 澳大利亚运输部门、ARRB 交通运输研究所和沥青行业协会结合本国特点, 并在 ALF 试验的 基础上共同开发研制了一套新的沥青混合料设计方法 ,该方法采用新型的旋转压实仪制备试 件,应用车辙试验和抗辙密度试验来评价混合料的高温性能。 关键词: 沥青混合料; 设计方法; 车辙试验; 蠕变试验 X 20世纪 80年代后期开始致力于研究一套新的基 于使用性能的沥青混合料设计方法, 该方法在可实施 性和成本效益分析的基础上,考虑了与实际相关的混 合料性能如车辙、疲劳破坏、水敏感性等。与美国的 SHRP 方法类似,应用旋转压实仪制备圆柱形试件以评 价混合料的初始体积特性,但是两种方法中压实仪的 压实性能不同。 在澳大利亚,车辙是一种最主要的路面损坏方式, 而实验室内的动态蠕变试验在预测混合料的抗车辙性 能方面存在很大的缺陷, 因此引入了车辙试验和抗辙 密度试验, 作为控制车辙产生的关键方法。加速荷载 试验结果与车辙试验结果一致, 但是与动态蠕变试验 结果不同。 1 基础性混合料试验研究 1. 1 旋转压实仪 1) 旋转压实次数 澳大利亚国家沥青研究合作小组( NARC)研制了 一种实验室制备混合料试件的方法, 方法中采用了一 种叫做 Gyropac的旋转压实仪。相对于马歇尔压实试 验,该压实方法能够更好地模拟沥青的实际现场性能, 并能制备直径为 100、150 mm两种规格的试件。 将试件压实到与马歇尔试验的试件具有相同密度 时的旋转次数作为旋转压实仪的旋转次数。对 3种典 型的混合料在马歇尔试验中分别击实 35、50和 70次, 得到相应的 Gyropac压实仪的旋转次数。两者对应关 系如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1。 表 1 Gyropac等效压实次数 Marshall击实次数 Gyropac旋转次数 35 50 50 80 75 120 2) 旋转压实圆柱体试件的均匀性 研究中选用了两种密级配沥青混合料, 并在一定 的压实功、沥青含量和压实温度下对其进行压实。研 究表明压实仪压实的试件具有均匀性。 3) 旋转压实圆柱体试件的集料颗粒排列 为了分析现场情况下沥青混合料与实验中通过 Mashall和 Gyropac 压实仪制得的沥青混合料试件之间 在集料排列嵌挤方面是否存在差异, 选用集料颗粒的 取向作为集料排列结构的指标。从现场沥青试样和实 验室压实试件的取样断面中可以确定集料颗粒的方位 角。统计数据表明, 大多数情况下集料颗粒都带有明 显的趋向性,而不是随机的。 通过对现场路面试样、马歇尔试件和旋转压实试 件的集料颗粒的方位角进行比较, 发现马歇尔试件和 旋转压实试件的集料排列情况与现场压实的混合料试 件是不同的。而某些迹象表明, 旋转压实的试件与现 场的相符性要好一点。不过这一点仍然需要进一步的 研究来证实。 1. 2 加速荷载试验的研究成果 64 中 外 公 路 第22卷 第2期2 0 0 2 年 4 月 X 收稿日期: 2001- 11- 09 1) 动态蠕变试验 加速荷载试验测得的混合料变形可用来评价沥青 混合料的抗车辙性能, 并可用来评价动态蠕变试验预 测混合料车辙性能的效果。评价 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 分两个阶段: ¹ 在常温( 35 e )的行车荷载作用下对 7种混合 料进行钻芯取样试验; º 接着在温度为 50 e 时的行车荷载下对 6种混 合料进行阶段一的后续试验, 即阶段二试验。 图1示出了加速荷载试验的变形率和动态蠕变试 验的最小变形斜率之间的相互关系。 图 1 最小蠕变斜率与加速加荷试验变形率相关性对照 研究发现:温度为 35 e 时, 具有相同级配和沥青 含量(沥青类型不同)的混合料类型( C1, C2, C3, C4, C6 和C7) ,ALF 试验和动态蠕变试验结果的相关性很好, 而具有不同组成结构的 C2、C5 混合料类型则没有那 么好的相关性。50 e 时的情况和 35 e 时类似, 虽然 C5没有加速荷载试验的变形率数据, 但是可以预计, 其测量结果可能也同样会同 C2偏离其他数据。 由此可见, 如果混合料和级配不同,那么动态蠕变 试验就很难对这些混合料的抗变形性能进行对比评 价,也使得它在选择符合特定车辙要求的混合料级配 组成时发挥不出很好的作用。 同时研究还发现蠕变试验的结果很大程度上还受 到试件空隙率的影响。通过对 C1、C2混合料的研究 表明蠕变试验最小斜率随着空隙率的变化而有很大变 化。对于 C2混合料的试件, 当空隙率在 1%到 7. 5% 之间变化时,相应的蠕变斜率可以相差 800倍。 考虑到蠕变试验和现场测得的结果的相关性不好 可能是因为在实验室中试件缺乏侧限约束。澳大利亚 采用以下两种方法对蠕变试验的试件施加侧限: ¹ 在150 mm直径的试件顶部加载 75 mm直径的 圆盘; º 三轴试验。 第一种方法中使用一个沥青环面作为被动的限 制,而第二种方法则用脉冲压力来施加主动的侧限。 环面约束的方法在评价混合料的抗变形能力方面 与加速荷载试验的结果还是不一致。三轴试验方法与 加速荷载试验一致性要好些, 但是离散性仍很大。 虽然动态蠕变试验存在诸多不足, 澳大利亚在对 动态蠕变试验进行改进的同时, 仍旧在混合料设计方 法中应用它。因为动态蠕变动试验毕竟能够提供较粗 略的抗车辙性能的评价。但同时澳大利亚也引进了其 他控制车辙性能的试验。 2) 车辙试验 由于蠕变试验结果与加速荷载试验的实测数据一 致性不理想,因此澳大利亚采用了室内车辙试验, 使用 的是基于以前的 TRL 设计方法的一种车辙试验设备。 从加速荷载试验的路面进行取样, 在车辙试验仪 中进行 60 e 时(澳大利亚 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 温度)的车辙试验。对 加速荷载试验测得的变形率(即 50 e 时的阶段二试 验)和实验室车辙试验的变形率进行了比较, 结果显 示:其相关性( R= 0. 95)很好。 3) 抗辙密度试验 澳大利亚在混合料设计方法中为了控制车辙采取 的另一种方法是抗辙密度试验。在旋转压实仪中对所 选的混合料试件进行 350次的旋转压实(认为这个压 实次数后的混合料试件已经接近了它的最大压实度) , 然后测得其密度。 当一种混合料在实验室抗辙密度试验中测得的空 隙率大于 3%时,即使交通荷载的作用超过预期水平, 其空隙率也不会下降到小于 3%的水平, 因而实际上 也就不会产生车辙。而当空隙率小于 3% 时, 由于没 有能够容纳沥青结合料的足够空间, 以致于集料颗粒 涣散、脱离,从而使得混合料在路面行车荷载的作用下 迅速破坏。 最近他们在研究中还使用了光滑磨圆的集料, 发 现控制最小抗撤密度虽然可以确保一种混合料在孔隙 652期 澳大利亚沥青混合料设计方法 迅速被填充时免受损坏, 但是比如集料颗粒之间的摩 擦力过小等其他原因同样也会引起车辙。正因为如 此,澳大利亚的混合料设计方法中同时包含了车辙试 验和抗辙密度试验。 2 混合料设计方法 2. 1 密级配沥青混合料设计 混合料设计方法分为三个水平(图 2)。在水平一 的试验中,首先选用一种目标级配和 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 组成,然后制 图 2 沥青混合料设计 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 备出沥青含量落在预期范围内的混合料试件,以此来 确定具有适当体积比的混合料组成。 对于每一种沥青含量,制备5个混合料试件,每一 个试件的旋转压实次数不同。压实前, 混合料试件都 要在 150 e 的烘箱内烘1 h来模拟沥青在混合料的拌 和、摊辅以及头两年的现场荷载等情况下的老化过程。 最后还要测定试件的密度,从而将空隙率与压实次数 的关系绘制成图。 对于各种混合料类型分别规定了不同的压实级 别,在每个压实级别下, 可以将试验结果绘制成空隙 率、矿料间隙率( VMA)或其他物理指 标对应于沥青含量的关系图。比如, 图 3 a)的曲线分别对应于沥青含量 为 4. 3%、4. 8%、5. 3%时的空隙率和 旋转压实次数,当压实级别为 120次 时,利用图 3 a)中的数据点就可以构 造出图 3 b)中空隙率对应于沥青含 量的曲线。当规定的空隙率为 5. 0%时,那么就可以从图 3 b)中查出 该压实级别相应的沥青含量为 4. 6%。当然混合料的空隙率取决于 混合料类型和交通量水平。 在水平一的试验中,确定混合料 体积特性通常被视作设计过程中最 重要的一步,或是某些类型混合料所 需的唯一步骤。在进行混合料的体 积设计时,选取多个压实级别和沥青 含量测量其相应的混合料体积特性, 可应用这些数据设计出不止一种的 混合料类型。 对有慢车行驶的中等交通或重 a) 空隙率与压实次数的关系曲线 b) 空隙率与沥青含量的关系曲线 图 3 混合料设计曲线 66 中 外 公 路 22卷 交通道路的混合料设计来说,还必须对混合料的力学 特性进行测定, 以确保混合料满足可接受的指标。这 些指标是根据气候条件和路面费用确定的。一般来 说,在水平二的设计方法中, 除了进行水平一的试验 外,还需测试回弹模量和动态蠕变特性,选择性地进行 水敏感性试验。另外还包括沥青膜裹覆厚度的检验, 以确保路面含有足够的沥青从而达到满意的抗疲劳和 耐久性指标。 对有慢车行驶的重交通、存在特重交通或者是对 混合料的抗车辙性能具有一定要求的道路的混合料设 计,还要进行水平三的试验,其目的是得到足够的抗车 辙性能。这种方法对试件进行 350次的旋转压实, 并 检验压实后空隙率是否低于 2. 5%。接着将该混合料 制备成面积为 300 mm2 的板放在 60 e 的车辙试验仪 中进行试验,以确保混合料具有足够的抗变形能力。 对于水平二、水平三的混合料设计来说, 还可以对 其进行疲劳试验。沥青面层的疲劳特性不光取决于混 合料的特性,还跟其所在的路面结构有关,同时还受交 通、气候等条件的影响。澳大利亚设计方法中的疲劳 试验方法和 SHRP M009试验方法基本相同, 试验温度 为20 e , 在控制应变的情况下进行三分点加载弯曲疲 劳试验(小梁尺寸 50 mm @ 63. 5 mm @ 40 mm) ,施加的 是持续的半正弦荷载。混合料的疲劳寿命定义为劲度 模量降低至初始值(加载 50周期时)的一半的时候的 加载周期数。 2. 2 协调混合料各项性能 在混合料设计中设计人员不能过分地注重混合料 的某一项性能而忽视其他的性能。比如说采用硬结合 料、减少沥青的含量、添加特殊的填充物等都会使混合 料的抗车辙性能变得很好,但是这种混合料的疲劳性 能就差,并且极易受到氧化作用而变硬。所以在澳大 利亚的混合料设计方法中,对水平一和水平二的混合 料既规定了变形试验,又规定了疲劳试验,设计人员必 须在相互制约的参数中选择能够满足各项要求的指标 以兼顾诸项性能,达到最优化的设计目的。 3 设计方法的实施 新的混合料设计方法在澳大利亚的使用情况非常 良好。旋转压实仪在澳大利亚的两个州已完全取代了 Marshall试验和 Hubbard Field试验从而作为沥青混合 料体积设计的常规试验。其他州也正在对旋转压实试 件和马歇尔试件的体积特性进行比较和可行性研究。 混合料水平二、水平三的设计方法中用来确定沥 青混合料特性的其他试验方法在澳大利亚也得到了广 泛的推广。虽然除了抗辙密度试验和水敏感性试验 外,其他试验还没有被规范确定为常规试验, 但是很多 部门都在采用这些试验方法进行数据的收集,并应用 于特定的项目。伴随着经验的积累以及现场试验的验 证,新的混合料设计方法将会不断得到改进和完善。 4 结论 澳大利亚在近 10年的研究基础上提出了一套基 于使用性能的沥青混合料设计方法。该方法分为三个 设计水平,水平一中已经用旋转压实仪取代了过去的 Marshall试验和Hubbard Field试验方法,制备的试件更 接近于现场情况; 通过 ALF 试验的验证, 动态蠕变试 验基本不能区分不同级配混合料高温性能的优劣, 但 由于其简便和粗略的指导性仍保留在水平二中;为了 保证混合料具有足够的抗车辙性能, 在水平三中引进 了车辙试验和抗辙密度试验;抗疲劳性能则在水平二 和水平三中均有要求。澳大利亚的三水平设计方法与 美国的 SUPERPAVE沥青混合料设计体系有相似的地 方,这对我国开展沥青混合料设计方法的研究和试验 有着很好的借鉴意义, 有利于我国对自己的设计方法 进行修改和完善。 参考文献: [ 1] J. 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