像法國(guó)人那樣做配合比設(shè)計(jì)

文 | Rebecca McDaniel，本刊編譯

背景

耐久性問(wèn)題是瀝青路面狀況惡化和最終失效的主要原因。雖然遵從集料的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和配合比設(shè)計(jì)的要求對(duì)于解決車轍問(wèn)題大有裨益，瀝青結(jié)合料的性能分級(jí)（PG）及選擇指南在控制溫縮裂縫方面也取得了重大進(jìn)展，但是在長(zhǎng)期使用中，瀝青混合料會(huì)因?yàn)檠趸兊糜泊?，并且開(kāi)始受到環(huán)境因素的影響。與耐久性相關(guān)的問(wèn)題，逐漸以裂縫和路面松散等形式顯現(xiàn)。

在配合比設(shè)計(jì)階段，美國(guó)各州會(huì)采取不同的方法來(lái)改善瀝青路面的耐久性。有的使用最小的瀝青含量，有的則減小了空隙率的設(shè)計(jì)值。印第安納州反其道而行之，探索增大空隙率（同時(shí)提高現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度）的辦法。這種新的方法，就是以法國(guó)的配合比設(shè)計(jì)方法為藍(lán)本的Superpave5。

Superpave5將瀝青混合料的設(shè)計(jì)空隙率由通常的4%改為5%。這種新的配合比設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)做法的最大區(qū)別，是混合料在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)壓實(shí)之后，空隙率也要達(dá)到5%。在過(guò)去，混合料會(huì)被壓實(shí)至空隙率為7%~8%，然后，在道路漫長(zhǎng)的服務(wù)生涯中，滾滾的車輪與載重會(huì)一次又一次地施加作用，使空隙率最終達(dá)到4%左右。而Superpave5背后的理論是，通過(guò)在施工時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度，瀝青路面就不會(huì)在交通的作用下進(jìn)一步被壓實(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)車轍。

Superpave5的另一個(gè)關(guān)鍵特征是有效瀝青含量與設(shè)計(jì)空隙率為4%時(shí)相同（這可以通過(guò)增加礦料間隙率（VMA）來(lái)實(shí)現(xiàn)）。更低的空隙率和足夠的瀝青結(jié)合料的組合，提高了瀝青混合料的耐久性。理論上，提高現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度將會(huì)降低路面的滲透性，從而減少瀝青結(jié)合料的時(shí)效硬化，延長(zhǎng)路面的使用壽命。

在印第安納州運(yùn)輸部（INDOT）的贊助和與文化遺產(chǎn)研究小組（Heritage Research Group）的合作下，普渡大學(xué)和中北部Superpave研究中心（North Central Superpave Center）對(duì)這種配合比設(shè)計(jì)概念進(jìn)行了探索與研究。最初的打算只是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究，但是印第安納州運(yùn)輸部對(duì)結(jié)果大喜過(guò)望，決定進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)。

項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)室階段采取的方法是：在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)不同、有效瀝青含量相同的條件下，將三種用常規(guī)的配合比方法設(shè)計(jì)的瀝青混合料重新設(shè)計(jì)，使它們的空隙率變成5%。

這三種標(biāo)準(zhǔn)混合料均在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為100時(shí)，為交通量為3 000 000~30 000 000 ESAL的道路設(shè)計(jì)。其中兩種是公稱最大粒徑為9.5 mm的表面層混合料，一種是公稱最大粒徑為19 mm的中面層混合料。粗集料由石灰石、白云石和高爐礦渣組成，細(xì)骨料則包含石灰石、白云石和天然砂。所用瀝青結(jié)合料的性能等級(jí)均為PG 64-22，并且沒(méi)有使用回收舊料。如表1所示，使用不同比例的上述集料在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)70、50、30次的條件下重新設(shè)計(jì)這三種標(biāo)準(zhǔn)混合物，集料的級(jí)配設(shè)計(jì)以Bailey法作指導(dǎo)。

配合比設(shè)計(jì)的結(jié)果表明，當(dāng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為70次時(shí)，不需要改變集料的級(jí)配就可以實(shí)現(xiàn)5%的空隙率；換言之，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)減少30次，空隙率就會(huì)增大1%。當(dāng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為50次和30次時(shí)，則需要調(diào)整級(jí)配。

使用相同的材料，的確可以在降低的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)水平下設(shè)計(jì)具有相同的有效瀝青含量，且空隙率為5%的混合料。問(wèn)題是，這些混合料的性能是否與標(biāo)準(zhǔn)混合料一樣好？它們能夠抵抗車轍嗎？

于是，研究人員在實(shí)驗(yàn)室對(duì)這些混合料的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。在壓實(shí)到預(yù)期的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度的試樣（即標(biāo)準(zhǔn)混合料的空隙率為7%，Superpave5混合料的空隙率為5%）上進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量和流值試驗(yàn)，以評(píng)估混合料的剛度和抗車轍性能。結(jié)果表明，在預(yù)期的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度下，Superpave5混合料具有與標(biāo)準(zhǔn)混合料相同或者更好的力學(xué)性能——差相仿佛或者更高的動(dòng)態(tài)模量、更高的流值，意味著它的抗車轍性能至少不會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)混合料差；而更小的現(xiàn)場(chǎng)空隙率預(yù)計(jì)會(huì)減少瀝青的氧化，從而改善路面的耐久性。

鼓舞人心的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，讓印第安納州運(yùn)輸部于2013年決定允許在北部的13號(hào)公路上建設(shè)一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目。在這個(gè)先銑刨、后鋪筑的項(xiàng)目中，公稱最大粒徑為9.5 mm的混合料由鋼渣粗集料、石灰石和天然砂細(xì)集料、PG 70-22瀝青結(jié)合料和7%的再生瀝青瓦（RAS）組成，由此產(chǎn)生20.2%的瀝青結(jié)合料替代率?；旌狭献畛踉谛D(zhuǎn)壓實(shí)30次的條件下設(shè)計(jì)，后來(lái)在現(xiàn)場(chǎng)將旋轉(zhuǎn)壓實(shí)水平改為50次。芯樣密度顯示，Superpave5混合料的平均空隙率為5.3%，Superpave4混合料（即標(biāo)準(zhǔn)混合料）的空隙率則為8.2%。更低的空隙率，也被證明并不需要通過(guò)改變壓路機(jī)的數(shù)量、類型或者碾壓模式來(lái)獲得。

為了研究Superpave5混合料是否確實(shí)更耐老化，并且因此具有更強(qiáng)的耐久性，現(xiàn)場(chǎng)的樣品被帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。它們?cè)谑┕ず蟮臈l件下進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模量、流值和小梁疲勞試驗(yàn)，并且通過(guò)烤箱老化（85 ℃下，5天），模擬大約8年后的現(xiàn)場(chǎng)老化。分別從攪拌站生產(chǎn)、經(jīng)過(guò)壓實(shí)的混合料和老化的混合料中提取瀝青結(jié)合料，進(jìn)行分級(jí)，觀察現(xiàn)場(chǎng)空隙率不同的混合料是否具有不同的老化程度。

在這種情況下，測(cè)試結(jié)果不像實(shí)驗(yàn)室階段那樣明確，也不那么有利。Superpave5混合料的動(dòng)態(tài)模量在施工后低于標(biāo)準(zhǔn)混合料，但是在老化后具有相近的模量。Superpave5混合料在施工時(shí)的平均流值也較低，但是承受了更大的應(yīng)變；老化后，Superpave5在配合比設(shè)計(jì)階段，美國(guó)各州會(huì)采取不同的方法來(lái)改善瀝青路面的耐久性。有的使用最小的瀝青含量，有的則減小了空隙率的設(shè)計(jì)值?；旌狭系钠骄髦岛蛻?yīng)變略高。小梁疲勞試驗(yàn)的結(jié)果因?yàn)樽兓蠖鴽](méi)有定論。對(duì)老化程度的分析則表明，在經(jīng)過(guò)壓實(shí)的樣品中，Superpave5混合料經(jīng)過(guò)烤箱老化后的硬化程度較小。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

盡管混合料試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有定論，印第安納州運(yùn)輸部還是有意再做一次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。印第安納波利斯市愿意與INDOT和研究團(tuán)隊(duì)合作，并允許在城市西北側(cè)的喬治敦路上鋪筑第二條試驗(yàn)段。這是一個(gè)全面改擴(kuò)建工程?；旌狭系墓Q最大粒徑為19 mm，將作為中面層材料，以7.62 mm的攤鋪厚度鋪筑。最初的配合比設(shè)計(jì)在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)100次的條件下進(jìn)行，空隙率的設(shè)計(jì)值為4%；后在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)30次的條件下重新設(shè)計(jì)，空隙率為5%。兩種混合料均使用石灰石粗骨料、白云石砂、RAS和PG 64-22瀝青結(jié)合料。

為了使現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)更加具有挑戰(zhàn)性，中面層的施工在2014年12月里進(jìn)行，當(dāng)時(shí)的氣溫為1.1 ℃~6.1 ℃，伴有微風(fēng)。盡管如此，承包商還是取得了很好的壓實(shí)度——Superpave5混合料的平均空隙率達(dá)到4.8%，使用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的混合料的空隙率也達(dá)到6%。

篩分級(jí)配曲線

與最初的實(shí)驗(yàn)室研究一樣，攪拌站生產(chǎn)的混合料和現(xiàn)經(jīng)過(guò)廣泛的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和兩次成功的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)和鋪筑空隙率為5%的瀝青混合料仍然看起來(lái)大有希望會(huì)成功。場(chǎng)芯樣的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，重新設(shè)計(jì)的混合料（Superpave5）具有比標(biāo)準(zhǔn)混合料更高的動(dòng)態(tài)模量值。這一次，研究團(tuán)隊(duì)沒(méi)有進(jìn)行小梁疲勞試驗(yàn)，而是使用半圓彎曲試驗(yàn)（SCB）對(duì)混合料的抗裂性能進(jìn)行評(píng)估。現(xiàn)場(chǎng)芯樣的SCB試驗(yàn)結(jié)果顯示，Superpave5混合料在施工期間的抗裂性能略低于標(biāo)準(zhǔn)混合料，但是在烘箱老化后更耐開(kāi)裂，并且在老化過(guò)程中的變化小于標(biāo)準(zhǔn)混合料。這表明Superpave5混合料可能正如理論所描述的那樣更耐老化。漢堡車轍試驗(yàn)表明，兩種混合料都具有很強(qiáng)的抗車轍性能。對(duì)提取和回收的瀝青結(jié)合料進(jìn)行分級(jí)再次表明，Superpave5混合料中的瀝青結(jié)合料在模擬老化的過(guò)程中硬化程度更小。

經(jīng)過(guò)廣泛的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和兩次成功的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)和鋪筑空隙率為5%的瀝青混合料仍然看起來(lái)大有希望會(huì)成功。至于這些混合料在現(xiàn)場(chǎng)是否確實(shí)具有更強(qiáng)的耐久性，并且沒(méi)有損失抗車轍性能，只有時(shí)間才能證明。因此，研究團(tuán)隊(duì)將會(huì)繼續(xù)追蹤上述試驗(yàn)段，對(duì)比Superpave5混合料和傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的混合料的長(zhǎng)期表現(xiàn)。截至2016年初，兩種混合料鋪筑的路面均未出現(xiàn)車轍。于是，印第安納州運(yùn)輸部開(kāi)始計(jì)劃在其他交通量水平的道路上進(jìn)行試點(diǎn)項(xiàng)目，并且使用更廣泛的材料對(duì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)水平進(jìn)行改進(jìn)。

兩次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中相對(duì)簡(jiǎn)單的改變，可以產(chǎn)生在現(xiàn)場(chǎng)更容易壓實(shí)的混合料。承包商不用訴諸極端的手段，過(guò)多地增加壓實(shí)遍數(shù)或者改變壓實(shí)設(shè)備，就達(dá)到了想要的壓實(shí)度。這樣的經(jīng)驗(yàn)表明，Superpave5配合比設(shè)計(jì)理念極有希望得到實(shí)際應(yīng)用，并且可能顯著提高瀝青混合料的耐久性。