文 | Gerry Huber
在過(guò)去的50年里,以下對(duì)話可能已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)許多次。我會(huì)這樣想,是因?yàn)槲覄側(cè)胄械臅r(shí)候也問(wèn)了同樣的問(wèn)題。
年輕的工程師問(wèn):“我不明白,為什么我們將混合料的空隙率設(shè)計(jì)為4%,在施工中卻只要求達(dá)到8%?”
經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師答:“也許是因?yàn)榻煌〞?huì)把它壓實(shí)到4%吧。反正在我還是新人的時(shí)候,別人就是這樣告訴我的。”
“4%”的設(shè)計(jì)概念至少可以追溯到20世紀(jì)40年代早期,馬歇爾設(shè)計(jì)方法嶄露頭角的年代。如今,盡管大多數(shù)瀝青混合料已經(jīng)使用Superpave方法設(shè)計(jì),這種方法身上還是帶著前者的影子——空隙率依舊被設(shè)計(jì)為4%。
在Superpave設(shè)計(jì)方法被開(kāi)發(fā)出來(lái)之前,馬歇爾設(shè)計(jì)方法無(wú)處不在。除了法國(guó)之外,它在全球幾乎成了一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)。
1959年,原法國(guó)道路和橋梁中心實(shí)驗(yàn)室(LCPC)的人員在訪問(wèn)美國(guó)期間對(duì)得克薩斯旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀印象深刻;20世紀(jì)70年代,他們開(kāi)發(fā)了一種基于自己設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的混合料設(shè)計(jì)方法。
雖然LCPC方法允許空隙率在某個(gè)范圍之內(nèi),但是設(shè)計(jì)通常以5%進(jìn)行;道路的壓實(shí)目標(biāo)是最大密實(shí)度為95%(空隙率為5%)。
Superpave混合料設(shè)計(jì)方法圍繞Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀構(gòu)建。該設(shè)備起源于得克薩斯旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀,但是也吸納了法國(guó)對(duì)LCPC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的研究。考慮到它與兩種壓實(shí)儀及體積分析的關(guān)系,Superpave可以追溯到1890年代后期的Richardson設(shè)計(jì)方法。
在美國(guó)戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP,它是Superpave的搖籃)期間,發(fā)生過(guò)以類(lèi)似LCPC的方式設(shè)置Superpave的討論,即把空隙率設(shè)計(jì)為5%,施工時(shí)也壓實(shí)到5%。然而,為了便于實(shí)施,SHRP認(rèn)為Superpave應(yīng)該盡可能模仿馬歇爾設(shè)計(jì)方法,于是這個(gè)想法被束之高閣了。
為什么我們要繼續(xù)生活在馬歇爾設(shè)計(jì)方法的陰影下?從理論上講,Superpave應(yīng)該可以采用法國(guó)的做法。如果Superpave瀝青混合料的空隙率被壓實(shí)到5%,就有可能減少瀝青結(jié)合料的老化,并且在不增加成本的前提下延長(zhǎng)路面的壽命。
Superpave5使用的設(shè)計(jì)空隙率為5%,而不是目前的Superpave設(shè)計(jì)方法要求的4%。為了保持相同的最小瀝青含量,VMA比當(dāng)前Superpave體積配合比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(AASHTO M323)中規(guī)定的值增加1%。
對(duì)Superpave5的設(shè)想是瀝青混合料至少具有相同的瀝青結(jié)合料含量,可以把現(xiàn)場(chǎng)空隙率壓實(shí)至5%,并且保證抗車(chē)轍能力不會(huì)變差。但是,這些可以實(shí)現(xiàn)嗎?路面的老化速度會(huì)變慢嗎?
印第安納州先后在2013、2014、2016年建設(shè)了3個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目。標(biāo)準(zhǔn)Superpave4瀝青混合料的平均密實(shí)度分別為92.5%、91.8%和93.3%(即空隙率分別為7.5%、8.2%和6.7%);Superpave5混合料的平均密實(shí)度為95.9%、94.7%和95.5%(即空隙率分別為4.1%、5.3%和4.5%)。在所有的試驗(yàn)項(xiàng)目中,Superpave5和Superpave4瀝青混合料使用一樣的設(shè)備碾壓。這些試驗(yàn)項(xiàng)目用于確認(rèn)在相同的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)下,可以獲得更高的密實(shí)度。
在2018年的評(píng)估中,從每個(gè)地點(diǎn)回收瀝青結(jié)合料,結(jié)果發(fā)現(xiàn):3個(gè)Superpave4樣品位置的平均值為PG 100.0-16.2;3個(gè)Superpave5樣品位置的平均值為PG 94.0-21.0。在高溫等級(jí)下,Superpave5部分的瀝青結(jié)合料老化比Superpave4低6 ℃;在低溫等級(jí)下,Superpave5部分的老化比Superpave4低4.8 ℃。
包含裂縫、車(chē)轍與平整度(IRI)在內(nèi)的路面狀況數(shù)據(jù)被自動(dòng)化車(chē)輛收集起來(lái)。使用Superpave5和Superpave4鋪筑的兩個(gè)部分都非常平整,平均車(chē)轍深度也基本相同。主要的性能差異在于表面開(kāi)裂。Superpave4部分被大約30~45 cm的塊狀裂縫覆蓋了,Superpave5部分則幾乎沒(méi)有。
該研究項(xiàng)目為Superpave5設(shè)定了設(shè)計(jì)參數(shù),最早的試驗(yàn)段展現(xiàn)了它帶來(lái)的減少老化和開(kāi)裂等好處。2018年,印第安納州交通部(INDOT)簽訂了12個(gè)Superpave5項(xiàng)目,為該州的承包商獲得Superpave5瀝青混合料的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)造條件。
2019年1月,INDOT修改了規(guī)范,要求所有瀝青混合料均采用Superpave5設(shè)計(jì)。從2019年9月開(kāi)始,INDOT的所有項(xiàng)目都將使用新的規(guī)范。
最后,我想可以回答文中那個(gè)問(wèn)題了:使用Superpave5設(shè)計(jì)方法可以減緩瀝青結(jié)合料的老化速度,從而在不增加成本的前提下減少路面裂縫,維持它的抗車(chē)轍能力。