贵州省Superpave沥青路面性能验证及压实度指标适用性分析研究

2019-04-16阮有力吕正龙

中外公路 2019年4期

阮有力，吕正龙

(1.贵州省公路局，贵州贵阳 550003； 2.苏交科集团股份有限公司； 3.新型道路材料国家工程实验室)

贵州省自2015年引入Superpave技术，有效支撑了贵州省干线公路沥青路面质量的提升，但在Superpave技术本土化的过程中，仍有一些问题需要明确，如采用什么样的方法进行性能验证、压实度采用什么样的指标控制、旋转压实仪缺乏的情况下能否用马歇尔击实仪取代验证等，只有这些问题得到进一步解答，才能更好地促进Superpave技术本土化的实施，从而进一步提升贵州省干线公路建设质量。

基于此，该文主要从性能验证指标、压实度控制指标和质量控制手段等方面展开，结合贵州省干线公路Superpave实施现状进行适用性分析，提出合理的建议。

1 性能验证指标

1.1 水损害指标

1.1.1 水损害性能评价方法概述

Superpave配合比设计方法中对体积设计完成的混合料采用AASHTO T283方法进行抗水损害性能验证，而中国主要采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，下面对这3种方法分别展开评述。

(1) 浸水马歇尔试验

中国现行的浸水马歇尔试验是在规定的马歇尔击实次数下成型试件，对于不同的沥青混合料，用于水稳定性试验的试件空隙率则会不同，浸水马歇尔试验不能在相同的基准面上进行比较分析。同时在实际施工过程中，混合料的压实以空隙率为控制指标，而不是以压实功为控制指标，均采用相同击实次数的浸水马歇尔试验的试验条件与施工实际情况不符；另一方面，采用75次马歇尔击实仪双面击实，试件空隙率已达到设计空隙率3%～5%，此时水很难浸入，也更难浸入沥青膜和集料之间，没有足够的水，水损坏也就无从说起，如果要用残留马歇尔稳定度作为指标，需使空隙率接近现场空隙率，也就是说试件空隙率应为6%～8%。

(2) 冻融劈裂(T0729)试验

中国规范中采用的冻融劈裂试验是采用简化的Lottman法，通过降低击实次数以达到更高的空隙率从而更接近现场空隙率，但是实际上具体的空隙率和饱水率不得而知。该文统计了32组配合比设计数据，采用该方法性能验证的空隙率(图1)基本维持在5%～6%之间，但数值相对分散，空隙率仍高于路面服役时的空隙率。

(3) 冻融劈裂(AASHTO T283)试验

AASHTO T283方法考虑到松散混合料的短期老化，且要求试件空隙率严格控制在(7±0.5)%，试件饱水率要求为70%～80%，此种方法空隙率与刚铺筑完成的沥青路面的实际空隙率相当，更符合路面实际情况，且均控制在一个恒定的波动范围内，便于在同一水平上进行比较。

图1 冻融劈裂(T0729)试件空隙率

1.1.2 指标适用性分析

(1) 不同试验方法对比

该项目分别采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验(T0729)和冻融劈裂试验(AASHTO T283)评价SBS改性沥青Sup-13和SBS改性沥青Sup-20混合料的抗水损害性能，如表1所示。

表1 不同沥青混合料水稳定性试验结果

从表1可以看出：对于劈裂强度比指标而言，采用AASHTO T283的指标相比T0729的指标值要低，这主要是由于AASHTO T283增加了混合料的短期老化和一次60 ℃水中24 h的过程，试验条件更为苛刻。同时，两种试验方法的试件空隙率如表2所示。

表2 AASHTO T283和冻融劈裂试验T0729试件空隙率对比

从表2可以看出：AASHTO T283试件的空隙率维持在7.0%左右，这与现场压实后的路面实际空隙率比较接近，而T0729的空隙率相对较为离散，且低于AASHTO T283试件，综合比较而言，美国AASHTO T283试验方法试件空隙率大、试验条件恶劣，且空隙率与路面初始空隙率相当，更能评价沥青混合料抗水损害能力；另一方面，20世纪90年代，某高速公路发生了水损害，经检测压实度基本满足中国指标，水稳定性全部满足中国指标，但是采用某种集料的Superpave混合料水敏感性经检测不合格(冻融劈裂强度仅为64.0%)，综上建议采用美国AASHTO T283方法来评价沥青混合料抗水损害能力，贵州干线公路Superpave沥青混合料冻融劈裂指标按照JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》相关要求设置为TSR≥80%。

(2) 不同指标的相关性分析

该文调研了新型道路材料国家工程实验室2014—2015年沥青混合料配合比相关数据，分析了浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验T0729、浸水马歇尔试验与AASHTO T283试验的相关性，结果如图2、3所示。

图2 浸水马歇尔试验与AASHTO T283试验相关性(R2=0.3)

图3 浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验T0729相关性(R2=0.6)

从图2、3可以看出：浸水马歇尔试验与冻融劈裂评价方法相关性均不好，相关系数分别为0.3和0.6，考虑到试件试验条件与路面服役环境的一致性，对于贵州干线公路Superpave沥青路面采用AASHTO T283试验评价Superpave混合料的水损害性能。

1.2 高低温性能评价指标

Superpave沥青混合料设计在体积设计完成后，目前只进行水敏感性能检验，而没有进行其他混合料性能检测，缺乏对沥青混合料抗高温、低温、疲劳性能的评估，为避免评价指标单一，有必要对Superpave混合料性能进行综合评价，结合贵州干线公路特点，该文主要从高温和低温两个层面进行评估，考虑到目前美国此方面研究尚未推广到施工阶段，该文主要基于中国规范的指标进行性能验证，即采用劈裂强度比、动稳定度及破坏应变3个指标共同控制，从而有效地补充了Superpave技术的混合料评价体系，建议贵州干线公路沥青混合料性能指标如表3所示。

表3 贵州干线公路沥青混合料性能指标

试验方法：动稳定度：T0719；劈裂强度比：AASHTO T283；破坏应变：T0715。

由于贵州干线公路Superpave沥青路面开始实施不久，缺乏相关统计数据，为验证这些指标的合适性，项目调研了新型道路材料国家工程实验室2014—2015年Superpave配合比试验数据，如图4～11所示。

图4 国家实验室普通沥青Superpave混合料浸水马歇尔试验结果

图5 国家实验室普通沥青Superpave混合料AASHTO T283试验结果

从图4～11可以看出：除了SBS改性沥青Superpave混合料5/34个点破坏应变不满足相应标准(≥2 500 με)外，其余指标均能满足要求，因此采用3个指标共同控制可以对设计混合料的质量起到较好的控制作用。

图6 国家实验室普通沥青Superpave混合料车辙试验结果

图7 国家实验室普通沥青Superpave混合料低温试验结果

图8 国家实验室SBS改性沥青Superpave混合料浸水马歇尔试验结果

图9 国家实验室SBS改性沥青Superpave混合料AASHTO T283试验结果

图10 国家实验室SBS改性沥青Superpave混合料车辙试验结果

图11 国家实验室SBS改性沥青Superpave混合料低温试验结果

2 压实度控制指标

2.1 压实度常用控制指标

JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中规定：① 路面压实度按照马歇尔标准密度96%进行控制，但是，马歇尔标准密度影响因素较多，马歇尔击实功与路面实际施工碾压功相差较大，马氏压实度起不到控制路面施工质量的作用；② 采用马歇尔标准控制偏低，路面现场空隙率偏大，导致路面过早发生早期破坏，影响路面使用寿命；而采用旋转压实度，虽然压实功和现场碾压较为匹配，但也容易受人为干扰，而导致实际路面的密度仍偏低，空隙率偏大；采用理论最大相对密度进行压实度控制，最大的优点是直接表征了路面的性能。该文分别对这3个指标的适用性进行进一步分析。

2.2 指标适用性分析

该文调研了贵州干线公路Superpave沥青路面压实度数据，如图12～17所示，从调研结果可以看出：马氏压实度超百现象严重，而旋转压实度仅有少数超百，相对而言，马歇尔击实功与现场压实功匹配度较差，不利于路面压实效果控制，综合统计结果及各评价指标的优劣性，建议贵州省干线公路Superpave沥青路面压实度采用理论压实度控制，控制指标为不低于97%。

图12 贵州省Sup-13沥青路面压实度分布情况

图13 贵州省Sup-13沥青路面压实状态分布情况

图14 贵州省Sup-20沥青路面压实度分布情况

3 质量控制手段

依托某干线公路沥青路面Sup-13配合比设计结果，按照Sup-13级配采用马歇尔击实，击实结果如表4所示。

图15 贵州省Sup-20沥青路面压实状态分布情况

图16 贵州省Sup-25沥青路面压实度分布情况

图17 贵州省Sup-25沥青路面压实状态分布情况

表4 旋转压实设计级配采用马歇尔击实结果

从表4可以看出：马歇尔击实75次的空隙率高于旋转压实100次，说明马歇尔设计过程的击实功低于旋转压实，至于两者之间是否有相关性，项目统计了国家实验室部分试验数据，如表5所示，从表5中可以看出空隙率差值分布在0.4%～3.1%之间，较为离散，无规律可循。

事实上，从现场检测的马氏压实度和旋转压实度(图18～20)可以看出：马氏压实度明显高于旋转压实度，这是由于马歇尔击实功低于旋转压实功，导致马氏标准密度偏小，从而使得计算出的压实度偏大，超百现象严重。由于Superpave设计方法和马歇尔设计方法之间没有特定的相关性，特别是若多种集料的性状(例如颗粒形状)发生变化，马歇尔法不能及时甄别这种变化对混合料的影响，将对工程造成极大的质量隐患。因此，若采用Superpave法设计混合料，建议在质量控制中，也必须采用旋转压实仪进行质量检验。