聊一聊Superpave5

文 | Gerry Huber

在過去的50年里，以下對話可能已經(jīng)出現(xiàn)過許多次。我會這樣想，是因為我剛?cè)胄械臅r候也問了同樣的問題。

年輕的工程師問：“我不明白，為什么我們將混合料的空隙率設(shè)計為4%，在施工中卻只要求達(dá)到8%？”

經(jīng)驗豐富的工程師答：“也許是因為交通會把它壓實到4%吧。反正在我還是新人的時候，別人就是這樣告訴我的?！?/p>

“4%”的設(shè)計概念至少可以追溯到20世紀(jì)40年代早期，馬歇爾設(shè)計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，這種方法身上還是帶著前者的影子——空隙率依舊被設(shè)計為4%。

在Superpave設(shè)計方法被開發(fā)出來之前，馬歇爾設(shè)計方法無處不在。除了法國之外，它在全球幾乎成了一個通用標(biāo)準(zhǔn)。

1959年，原法國道路和橋梁中心實驗室(LCPC)的人員在訪問美國期間對得克薩斯旋轉(zhuǎn)壓實儀印象深刻；20世紀(jì)70年代，他們開發(fā)了一種基于自己設(shè)計的旋轉(zhuǎn)壓實儀的混合料設(shè)計方法。

雖然LCPC方法允許空隙率在某個范圍之內(nèi)，但是設(shè)計通常以5%進(jìn)行；道路的壓實目標(biāo)是最大密實度為95%(空隙率為5%)。

Superpave混合料設(shè)計方法圍繞Superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀構(gòu)建。該設(shè)備起源于得克薩斯旋轉(zhuǎn)壓實儀，但是也吸納了法國對LCPC旋轉(zhuǎn)壓實儀的研究?？紤]到它與兩種壓實儀及體積分析的關(guān)系，Superpave可以追溯到1890年代后期的Richardson設(shè)計方法。

在美國戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP，它是Superpave的搖籃)期間，發(fā)生過以類似LCPC的方式設(shè)置Superpave的討論，即把空隙率設(shè)計為5%，施工時也壓實到5%。然而，為了便于實施，SHRP認(rèn)為Superpave應(yīng)該盡可能模仿馬歇爾設(shè)計方法，于是這個想法被束之高閣了。

為什么我們要繼續(xù)生活在馬歇爾設(shè)計方法的陰影下？從理論上講，Superpave應(yīng)該可以采用法國的做法。如果Superpave瀝青混合料的空隙率被壓實到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路面的壽命。

Superpave5使用的設(shè)計空隙率為5%，而不是目前的Superpave設(shè)計方法要求的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)計標(biāo)準(zhǔn)(AASHTO M323)中規(guī)定的值增加1%。

對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)場空隙率壓實至5%，并且保證抗車轍能力不會變差。但是，這些可以實現(xiàn)嗎？路面的老化速度會變慢嗎？

印第安納州先后在2013、2014、2016年建設(shè)了3個試驗項目。標(biāo)準(zhǔn)Superpave4瀝青混合料的平均密實度分別為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%)。在所有的試驗項目中，Superpave5和Superpave4瀝青混合料使用一樣的設(shè)備碾壓。這些試驗項目用于確認(rèn)在相同的現(xiàn)場壓實下，可以獲得更高的密實度。

在2018年的評估中，從每個地點回收瀝青結(jié)合料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：3個Superpave4樣品位置的平均值為PG 100.0-16.2；3個Superpave5樣品位置的平均值為PG 94.0-21.0。在高溫等級下，Superpave5部分的瀝青結(jié)合料老化比Superpave4低6 ℃；在低溫等級下，Superpave5部分的老化比Superpave4低4.8 ℃。

包含裂縫、車轍與平整度(IRI)在內(nèi)的路面狀況數(shù)據(jù)被自動化車輛收集起來。使用Superpave5和Superpave4鋪筑的兩個部分都非常平整，平均車轍深度也基本相同。主要的性能差異在于表面開裂。Superpave4部分被大約30～45 cm的塊狀裂縫覆蓋了，Superpave5部分則幾乎沒有。

該研究項目為Superpave5設(shè)定了設(shè)計參數(shù)，最早的試驗段展現(xiàn)了它帶來的減少老化和開裂等好處。2018年，印第安納州交通部(INDOT)簽訂了12個Superpave5項目，為該州的承包商獲得Superpave5瀝青混合料的設(shè)計與施工經(jīng)驗創(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。從2019年9月開始，INDOT的所有項目都將使用新的規(guī)范。

最后，我想可以回答文中那個問題了：使用Superpave5設(shè)計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，維持它的抗車轍能力。