Superpave技术在黑龙江省的适用性研究

刘海禄，陈彦君，孙明刚，计伟帅，付新新

(龙建路桥股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150090)

1 Superpave设计方法概述

1970年前后，美国的经济蓬勃发展，工业规模大幅度增加，交通量及交通荷载剧增，在道路使用寿命期内出现了大量的病害，按照原有的设计方法已不能满足当时的交通需求，为解决这一问题，美国国会在1987年成立了SHRP计划，该项目历时5年时间，期间取得了许多先进的成果，而最重要的研究成果之一就是Superpave技术。

Superpave是一种基于路面使用性能的设计方法，它与我国现行马歇尔设计方法主要有以下区别：

(1)Superpave设计采用旋转压实成型方法，相比马歇尔的击实成型方法，旋转压实更加真实地反映出车辆荷载对道路的揉搓、碾压作用；

(2)Superpave设计采用四相体系进行混合料体积分析，相比马歇尔的三相体系，考虑了矿料空隙对沥青质的吸收作用，计算出的矿料空隙率更加科学。

2 Superpave设计方法研究现状

2.1 国外研究现状

2012年Safwan A Khedr、Tamer M Breakah二人分析了Superpave在埃及的可行性，评估了当前埃及实施规范中可用的级配带，将Superpave与埃及现行马歇尔设计方法进行了比较，结果表明，Superpave设计方法产生的最佳粘结剂含量较低，并且其试样具有较高的稳定性和流动性。2014年Martins Zaumanis等人根据Superpave性能等级规范确定了沥青再生的最佳再生剂剂量，并开发了一种优化再生剂剂量以满足Superpave PG等级要求的程序；Ahmad等人对Superpave和Marshall方法设计的热拌沥青混合料在热带气候条件下的性能特征展开了研究，通过车辙试验及SPT动态模量测试，发现在热带气候条件下Superpave混合料的性能优于Marshall混合料。2016年Ibrahim Onifade、Romain Balieu、Bjorn Birgisson三人利用有限元方法(FEM)创建了粘弹性模型，并应用该模型模拟了Superpave IDT强度试验，考虑了粘弹性效应和断裂过程中的破坏累积，提出了一种基于粘弹性损伤框架的Superpave IDT强度测试结果的新解释；Krzysztof Bažejowski等人基于持久性沥青路面假设，根据Superpave(PG级系统)理念和欧洲标准对新型HiMA聚合物改性沥青粘合剂进行了试验测试和性能分析。

2.2 国内研究现状

2010年长安大学余同山将Superpave技术应用于城市道路交通改造中，提出了粉胶比的控制范围及其禁区控制原则。2014年湖南大学朱桃利用Superpave试验与常规试验进行对比分析，对布敦岩改性沥青的性能及其改性剂的合理掺量进行了研究，研究成果对这种原产于印度尼西亚的布敦岩改性剂在中国的推广提供了指导性意见。2017年冉武平等人利用Superpave原理对机场道路环氧沥青混合料配合比进行设计，在结合机场特殊荷载条件下，通过对比试验确定出5.12%的最佳沥青用量。2018年王勇、吕正龙利用“LTPP Bind”沥青路面温度计算模型论述了相关因素对PG等级选择的影响,并针对贵州省干线公路沥青胶结料的选择和PG等级分区提出了建议。2019年刘兴茂等人从空隙率与压实次数的角度出发对现有Superpave设计理论进行优化，研究成果具有一定的指导意义。

3 Superpave-16与Marshall-16沥青混合料性能指标对比分析

为了探究Superpave技术在黑龙江省的适用性，利用公司购买的Superpave旋转压实设备，选用黑龙江省沥青路面常用的材料在试验室分别制备了Superpave-16与Marshall-16两种沥青混合料，按国家规范要求对混合料进行相关性能试验，两种设计方法选用的原材料、集料级配类型均相同。

3.1 Superpave-16沥青混合料

(1)沥青最佳用量确定

以集料的合成级配为基础，采用旋转压实的方法确定混合料最佳沥青用量，根据工程经验选取4个不同的沥青用量进行各项指标的测定，测定结果见表1，不同沥青用量与体积参数的关系图如图1所示。

表1 Superpave试件不同沥青用量体积参数汇总

图1 Superpave试件沥青用量与体积参数关系图

Superpave设计标准规定4%的空隙率为最佳空隙率，根据以上曲线图可知空隙率4%时对应的沥青用量为4.10%；沥青用量为4.10%的VMA为13.0%，满足最小要求是13%的要求；沥青用量为4.10%的VFA为68%，满足65～75的要求。所以最佳沥青用量为4.10%。

(2)Superpave-16沥青混合料性能指标

在最佳沥青用量为4.10%的基础上，按试验规定进行混合料各项性能指标试验，试验结果见表2～表5。

表2 Superpave试件浸水马歇尔试验结果

表3 Superpave试件浸水冻融劈裂试验结果

表4 Superpave试件车辙试验结果(试验温度60 ℃)

表5 Superpave试件低温弯曲试验结果

3.2 Marshall-16沥青混合料

(1)沥青最佳用量确定

使用与Superpave相同的集料合成级配，采用马歇尔的方法确定混合料最佳沥青用量，根据工程经验选取4个不同的沥青用量进行各项指标的测定，测定结果见表6，不同沥青用量与体积参数的关系图如图2所示。

表6 Marshall试件不同沥青用量体积参数汇总

图2 Marshall试件沥青用量与试件参数关系图

从图2中可以得出a1=max密=4.7%，a2=max稳=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%则

最佳沥青用为OAC=(OAC1+OAC2)/2=(4.55%+4.65%)/2=4.49%

(2)Marshall-16沥青混合料性能指标

在最佳沥青用量为4.49%的基础上，按试验规定进行混合料各项性能指标试验，试验结果见表7～表10。

表7 Marshall试件浸水马歇尔试验结果

表8 Marshall试件浸水冻融劈裂试验结果

表9 Marshall试件车辙试验结果(试验温度60 ℃)

表10 Marshall试件低温弯曲试验结果

3.3 Superpave-16与Marshall-16沥青混合料性能指标对比分析

将3.1.2与3.2.2两节中混合料性能进行对比，对比结果见表11，如图3所示。

表11 Superpave-16与Marshall-16沥青混合料性能指标对比

图3 Superpave-16与Marshall-16沥青混合料性能指标对比图

从表11和图3可以得出Superpave-16沥青混合料的各项性能均高于Marshall-16，从理论上再次验证Superpave设计方法的优越性，也进一步论证了Superpave在黑龙江省具有较高的适用性。

4 结 论

(1)Superpave-16得出最佳沥青用量为4.1%，Marshall得出结果为4.49%，说明Superpave设计方法可以较大程度上节省沥青用量，降低工程成本，改善沥青路面夏季泛油问题。

(2)Superpave得到的毛体积密度比Marshall试件略大一些，说明虽然沥青用量有所减少，但由于旋转压实的剪切效果一定程度上增加了混合料的密度。

(3)Superpave获得的矿料间隙率VMA较低，这是因为Superpave采用了四相体积分析体系，因此利用Superpave进行混合料的设计时应该重点考虑VMA是否满足规范要求。

(4)Superpave混合料的动稳定度普遍比Marshall的大10%左右，高温抗车辙能力明显优于Marshall混合料，且其低温性能能够满足现行规范中对热拌沥青混合料低温性能的要求。

利用Superpave技术可以设计出密实性好、高温抗车辙能力强、能有效的防止和减少水损坏、低温抗裂能力强的沥青混合料，根据黑龙江省夏季炎热，冬季寒冷的气候环境特点，说明Superpave技术在黑龙江省的适用性较强。