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設計方法概述

1970年前后，美國的經(jīng)濟蓬勃發(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，按照原有的設計方法已不能滿足當時的交通需求，為解決這一問題，美國國會在1987年成立了SHRP計劃，該項目歷時5年時間，期間取得了許多先進的成果，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計方法，它與我國現(xiàn)行馬歇爾設計方法主要有以下區(qū)別：

(1)Superpave設計采用旋轉(zhuǎn)壓實成型方法，相比馬歇爾的擊實成型方法，旋轉(zhuǎn)壓實更加真實地反映出車輛荷載對道路的揉搓、碾壓作用；

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

2 Superpave設計方法研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

2012年Safwan A Khedr、Tamer M Breakah二人分析了Superpave在埃及的可行性，評估了當前埃及實施規(guī)范中可用的級配帶，將Superpave與埃及現(xiàn)行馬歇爾設計方法進行了比較，結(jié)果表明，Superpave設計方法產(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)定性和流動性。2014年Martins Zaumanis等人根據(jù)Superpave性能等級規(guī)范確定了瀝青再生的最佳再生劑劑量，并開發(fā)了一種優(yōu)化再生劑劑量以滿足Superpave PG等級要求的程序；Ahmad等人對Superpave和Marshall方法設計的熱拌瀝青混合料在熱帶氣候條件下的性能特征展開了研究，通過車轍試驗及SPT動態(tài)模量測試，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，并應用該模型模擬了Superpave IDT強度試驗，考慮了粘彈性效應和斷裂過程中的破壞累積，提出了一種基于粘彈性損傷框架的Superpave IDT強度測試結(jié)果的新解釋；Krzysztof Ba?ejowski等人基于持久性瀝青路面假設，根據(jù)Superpave(PG級系統(tǒng))理念和歐洲標準對新型HiMA聚合物改性瀝青粘合劑進行了試驗測試和性能分析。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2010年長安大學余同山將Superpave技術(shù)應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年湖南大學朱桃利用Superpave試驗與常規(guī)試驗進行對比分析，對布敦巖改性瀝青的性能及其改性劑的合理摻量進行了研究，研究成果對這種原產(chǎn)于印度尼西亞的布敦巖改性劑在中國的推廣提供了指導性意見。2017年冉武平等人利用Superpave原理對機場道路環(huán)氧瀝青混合料配合比進行設計，在結(jié)合機場特殊荷載條件下，通過對比試驗確定出5.12%的最佳瀝青用量。2018年王勇、呂正龍利用“LTPP Bind”瀝青路面溫度計算模型論述了相關因素對PG等級選擇的影響,并針對貴州省干線公路瀝青膠結(jié)料的選擇和PG等級分區(qū)提出了建議。2019年劉興茂等人從空隙率與壓實次數(shù)的角度出發(fā)對現(xiàn)有Superpave設計理論進行優(yōu)化，研究成果具有一定的指導意義。

3 Superpave-16與Marshall-16瀝青混合料性能指標對比分析

為了探究Superpave技術(shù)在黑龍江省的適用性，利用公司購買的Superpave旋轉(zhuǎn)壓實設備，選用黑龍江省瀝青路面常用的材料在試驗室分別制備了Superpave-16與Marshall-16兩種瀝青混合料，按國家規(guī)范要求對混合料進行相關性能試驗，兩種設計方法選用的原材料、集料級配類型均相同。

3.1 Superpave-16瀝青混合料

(1)瀝青最佳用量確定

以集料的合成級配為基礎，采用旋轉(zhuǎn)壓實的方法確定混合料最佳瀝青用量，根據(jù)工程經(jīng)驗選取4個不同的瀝青用量進行各項指標的測定，測定結(jié)果見表1，不同瀝青用量與體積參數(shù)的關系圖如圖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)關系圖

Superpave設計標準規(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%時對應的瀝青用量為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

在最佳瀝青用量為4.10%的基礎上，按試驗規(guī)定進行混合料各項性能指標試驗，試驗結(jié)果見表2～表5。

表2 Superpave試件浸水馬歇爾試驗結(jié)果

表3 Superpave試件浸水凍融劈裂試驗結(jié)果

表4 Superpave試件車轍試驗結(jié)果(試驗溫度60 ℃)

表5 Superpave試件低溫彎曲試驗結(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)驗選取4個不同的瀝青用量進行各項指標的測定，測定結(jié)果見表6，不同瀝青用量與體積參數(shù)的關系圖如圖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

在最佳瀝青用量為4.49%的基礎上，按試驗規(guī)定進行混合料各項性能指標試驗，試驗結(jié)果見表7～表10。

表7 Marshall試件浸水馬歇爾試驗結(jié)果

表8 Marshall試件浸水凍融劈裂試驗結(jié)果

表9 Marshall試件車轍試驗結(jié)果(試驗溫度60 ℃)

表10 Marshall試件低溫彎曲試驗結(jié)果

3.3 Superpave-16與Marshall-16瀝青混合料性能指標對比分析

將3.1.2與3.2.2兩節(jié)中混合料性能進行對比，對比結(jié)果見表11，如圖3所示。

表11 Superpave-16與Marshall-16瀝青混合料性能指標對比

圖3 Superpave-16與Marshall-16瀝青混合料性能指標對比圖

從表11和圖3可以得出Superpave-16瀝青混合料的各項性能均高于Marshall-16，從理論上再次驗證Superpave設計方法的優(yōu)越性，也進一步論證了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%，說明Superpave設計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題。

(2)Superpave得到的毛體積密度比Marshall試件略大一些，說明雖然瀝青用量有所減少，但由于旋轉(zhuǎn)壓實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，這是因為Superpave采用了四相體積分析體系，因此利用Superpave進行混合料的設計時應該重點考慮VMA是否滿足規(guī)范要求。

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

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