Superpave技術(shù)在黑龍江省的適用性研究

劉海祿，陳彥君，孫明剛，計(jì)偉帥，付新新

(龍建路橋股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090)

1 Superpave設(shè)計(jì)方法概述

1970年前后，美國(guó)的經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，工業(yè)規(guī)模大幅度增加，交通量及交通荷載劇增，在道路使用壽命期內(nèi)出現(xiàn)了大量的病害，按照原有的設(shè)計(jì)方法已不能滿足當(dāng)時(shí)的交通需求，為解決這一問(wèn)題，美國(guó)國(guó)會(huì)在1987年成立了SHRP計(jì)劃，該項(xiàng)目歷時(shí)5年時(shí)間，期間取得了許多先進(jìn)的成果，而最重要的研究成果之一就是Superpave技術(shù)。

Superpave是一種基于路面使用性能的設(shè)計(jì)方法，它與我國(guó)現(xiàn)行馬歇爾設(shè)計(jì)方法主要有以下區(qū)別：

(1)Superpave設(shè)計(jì)采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法，相比馬歇爾的擊實(shí)成型方法，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)更加真實(shí)地反映出車(chē)輛荷載對(duì)道路的揉搓、碾壓作用；

(2)Superpave設(shè)計(jì)采用四相體系進(jìn)行混合料體積分析，相比馬歇爾的三相體系，考慮了礦料空隙對(duì)瀝青質(zhì)的吸收作用，計(jì)算出的礦料空隙率更加科學(xué)。

2 Superpave設(shè)計(jì)方法研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

2012年Safwan A Khedr、Tamer M Breakah二人分析了Superpave在埃及的可行性，評(píng)估了當(dāng)前埃及實(shí)施規(guī)范中可用的級(jí)配帶，將Superpave與埃及現(xiàn)行馬歇爾設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，Superpave設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的最佳粘結(jié)劑含量較低，并且其試樣具有較高的穩(wěn)定性和流動(dòng)性。2014年Martins Zaumanis等人根據(jù)Superpave性能等級(jí)規(guī)范確定了瀝青再生的最佳再生劑劑量，并開(kāi)發(fā)了一種優(yōu)化再生劑劑量以滿足Superpave PG等級(jí)要求的程序；Ahmad等人對(duì)Superpave和Marshall方法設(shè)計(jì)的熱拌瀝青混合料在熱帶氣候條件下的性能特征展開(kāi)了研究，通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)及SPT動(dòng)態(tài)模量測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在熱帶氣候條件下Superpave混合料的性能優(yōu)于Marshall混合料。2016年Ibrahim Onifade、Romain Balieu、Bjorn Birgisson三人利用有限元方法(FEM)創(chuàng)建了粘彈性模型，并應(yīng)用該模型模擬了Superpave IDT強(qiáng)度試驗(yàn)，考慮了粘彈性效應(yīng)和斷裂過(guò)程中的破壞累積，提出了一種基于粘彈性損傷框架的Superpave IDT強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的新解釋；Krzysztof Ba?ejowski等人基于持久性瀝青路面假設(shè)，根據(jù)Superpave(PG級(jí)系統(tǒng))理念和歐洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新型HiMA聚合物改性瀝青粘合劑進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試和性能分析。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2010年長(zhǎng)安大學(xué)余同山將Superpave技術(shù)應(yīng)用于城市道路交通改造中，提出了粉膠比的控制范圍及其禁區(qū)控制原則。2014年湖南大學(xué)朱桃利用Superpave試驗(yàn)與常規(guī)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)布敦巖改性瀝青的性能及其改性劑的合理?yè)搅窟M(jìn)行了研究，研究成果對(duì)這種原產(chǎn)于印度尼西亞的布敦巖改性劑在中國(guó)的推廣提供了指導(dǎo)性意見(jiàn)。2017年冉武平等人利用Superpave原理對(duì)機(jī)場(chǎng)道路環(huán)氧瀝青混合料配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，在結(jié)合機(jī)場(chǎng)特殊荷載條件下，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)確定出5.12%的最佳瀝青用量。2018年王勇、呂正龍利用“LTPP Bind”瀝青路面溫度計(jì)算模型論述了相關(guān)因素對(duì)PG等級(jí)選擇的影響,并針對(duì)貴州省干線公路瀝青膠結(jié)料的選擇和PG等級(jí)分區(qū)提出了建議。2019年劉興茂等人從空隙率與壓實(shí)次數(shù)的角度出發(fā)對(duì)現(xiàn)有Superpave設(shè)計(jì)理論進(jìn)行優(yōu)化，研究成果具有一定的指導(dǎo)意義。

3 Superpave-16與Marshall-16瀝青混合料性能指標(biāo)對(duì)比分析

為了探究Superpave技術(shù)在黑龍江省的適用性，利用公司購(gòu)買(mǎi)的Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)備，選用黑龍江省瀝青路面常用的材料在試驗(yàn)室分別制備了Superpave-16與Marshall-16兩種瀝青混合料，按國(guó)家規(guī)范要求對(duì)混合料進(jìn)行相關(guān)性能試驗(yàn)，兩種設(shè)計(jì)方法選用的原材料、集料級(jí)配類(lèi)型均相同。

3.1 Superpave-16瀝青混合料

(1)瀝青最佳用量確定

以集料的合成級(jí)配為基礎(chǔ)，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的方法確定混合料最佳瀝青用量，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選取4個(gè)不同的瀝青用量進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1，不同瀝青用量與體積參數(shù)的關(guān)系圖如圖1所示。

表1 Superpave試件不同瀝青用量體積參數(shù)匯總

圖1 Superpave試件瀝青用量與體積參數(shù)關(guān)系圖

Superpave設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定4%的空隙率為最佳空隙率，根據(jù)以上曲線圖可知空隙率4%時(shí)對(duì)應(yīng)的瀝青用量為4.10%；瀝青用量為4.10%的VMA為13.0%，滿足最小要求是13%的要求；瀝青用量為4.10%的VFA為68%，滿足65～75的要求。所以最佳瀝青用量為4.10%。

(2)Superpave-16瀝青混合料性能指標(biāo)

在最佳瀝青用量為4.10%的基礎(chǔ)上，按試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行混合料各項(xiàng)性能指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2～表5。

表2 Superpave試件浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表3 Superpave試件浸水凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

表4 Superpave試件車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果(試驗(yàn)溫度60 ℃)

表5 Superpave試件低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.2 Marshall-16瀝青混合料

(1)瀝青最佳用量確定

使用與Superpave相同的集料合成級(jí)配，采用馬歇爾的方法確定混合料最佳瀝青用量，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選取4個(gè)不同的瀝青用量進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表6，不同瀝青用量與體積參數(shù)的關(guān)系圖如圖2所示。

表6 Marshall試件不同瀝青用量體積參數(shù)匯總

圖2 Marshall試件瀝青用量與試件參數(shù)關(guān)系圖

從圖2中可以得出a1=max密=4.7%，a2=max穩(wěn)=4.7%，a3=mid空=4.5%，a4=midVAF=4.4%。

minVAF=4.2%，min空=4.1%，maxVAF=4.65%，max空=4.75%；

因此，

OAC1=(a1+a2+a3+a4)/4=4.7%+4.7%+4.5%+4.4%=4.55%

OACmin=4.2%，OACmax=4.65%，

OAC2=(OACmin+OACmax)/2=(4.2%+4.65%)/2=4.43%則

最佳瀝青用為OAC=(OAC1+OAC2)/2=(4.55%+4.65%)/2=4.49%

(2)Marshall-16瀝青混合料性能指標(biāo)

在最佳瀝青用量為4.49%的基礎(chǔ)上，按試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行混合料各項(xiàng)性能指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7～表10。

表7 Marshall試件浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表8 Marshall試件浸水凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

表9 Marshall試件車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果(試驗(yàn)溫度60 ℃)

表10 Marshall試件低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

3.3 Superpave-16與Marshall-16瀝青混合料性能指標(biāo)對(duì)比分析

將3.1.2與3.2.2兩節(jié)中混合料性能進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表11，如圖3所示。

表11 Superpave-16與Marshall-16瀝青混合料性能指標(biāo)對(duì)比

圖3 Superpave-16與Marshall-16瀝青混合料性能指標(biāo)對(duì)比圖

從表11和圖3可以得出Superpave-16瀝青混合料的各項(xiàng)性能均高于Marshall-16，從理論上再次驗(yàn)證Superpave設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性，也進(jìn)一步論證了Superpave在黑龍江省具有較高的適用性。

4 結(jié) 論

(1)Superpave-16得出最佳瀝青用量為4.1%，Marshall得出結(jié)果為4.49%，說(shuō)明Superpave設(shè)計(jì)方法可以較大程度上節(jié)省瀝青用量，降低工程成本，改善瀝青路面夏季泛油問(wèn)題。

(2)Superpave得到的毛體積密度比Marshall試件略大一些，說(shuō)明雖然瀝青用量有所減少，但由于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的剪切效果一定程度上增加了混合料的密度。

(3)Superpave獲得的礦料間隙率VMA較低，這是因?yàn)镾uperpave采用了四相體積分析體系，因此利用Superpave進(jìn)行混合料的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮VMA是否滿足規(guī)范要求。

(4)Superpave混合料的動(dòng)穩(wěn)定度普遍比Marshall的大10%左右，高溫抗車(chē)轍能力明顯優(yōu)于Marshall混合料，且其低溫性能能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)熱拌瀝青混合料低溫性能的要求。

利用Superpave技術(shù)可以設(shè)計(jì)出密實(shí)性好、高溫抗車(chē)轍能力強(qiáng)、能有效的防止和減少水損壞、低溫抗裂能力強(qiáng)的瀝青混合料，根據(jù)黑龍江省夏季炎熱，冬季寒冷的氣候環(huán)境特點(diǎn)，說(shuō)明Superpave技術(shù)在黑龍江省的適用性較強(qiáng)。