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(shè)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(shè)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(shè)計方法，它與我國現(xiàn)行馬歇爾設(shè)計方法主要有以下區(qū)別：

(1)Superpave設(shè)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(shè)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(xué)。

2 Superpave設(shè)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(shè)計方法進行了比較，結(jié)果表明，Superpave設(shè)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(shè)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(yīng)用該模型模擬了Superpave IDT強度試驗，考慮了粘彈性效應(yīng)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(shè)，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(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(dǎo)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(shè)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(guān)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(shè)計理論進行優(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(shè)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(guān)性能試驗，兩種設(shè)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(chǔ)，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(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(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

在最佳瀝青用量為4.10%的基礎(chǔ)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(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

在最佳瀝青用量為4.49%的基礎(chǔ)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(shè)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(shè)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(shè)計時應(yīng)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(shè)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。