像法国人那样做配合比设计

文 | Rebecca McDaniel，本刊编译

背景

耐久性问题是沥青路面状况恶化和最终失效的主要原因。虽然遵从集料的质量标准和配合比设计的要求对于解决车辙问题大有裨益，沥青结合料的性能分级（PG）及选择指南在控制温缩裂缝方面也取得了重大进展，但是在长期使用中，沥青混合料会因为氧化而变得硬脆，并且开始受到环境因素的影响。与耐久性相关的问题，逐渐以裂缝和路面松散等形式显现。

在配合比设计阶段，美国各州会采取不同的方法来改善沥青路面的耐久性。有的使用最小的沥青含量，有的则减小了空隙率的设计值。印第安纳州反其道而行之，探索增大空隙率（同时提高现场压实度）的办法。这种新的方法，就是以法国的配合比设计方法为蓝本的Superpave5。

Superpave5将沥青混合料的设计空隙率由通常的4%改为5%。这种新的配合比设计方法与传统做法的最大区别，是混合料在现场经过压实之后，空隙率也要达到5%。在过去，混合料会被压实至空隙率为7%~8%，然后，在道路漫长的服务生涯中，滚滚的车轮与载重会一次又一次地施加作用，使空隙率最终达到4%左右。而Superpave5背后的理论是，通过在施工时实现更高的现场压实度，沥青路面就不会在交通的作用下进一步被压实，也不会出现车辙。

Superpave5的另一个关键特征是有效沥青含量与设计空隙率为4%时相同（这可以通过增加矿料间隙率（VMA）来实现）。更低的空隙率和足够的沥青结合料的组合，提高了沥青混合料的耐久性。理论上，提高现场压实度将会降低路面的渗透性，从而减少沥青结合料的时效硬化，延长路面的使用寿命。

在印第安纳州运输部（INDOT）的赞助和与文化遗产研究小组（Heritage Research Group）的合作下，普渡大学和中北部Superpave研究中心（North Central Superpave Center）对这种配合比设计概念进行了探索与研究。最初的打算只是进行实验室研究，但是印第安纳州运输部对结果大喜过望，决定进行实地试验。

项目在实验室阶段采取的方法是：在旋转压实次数不同、有效沥青含量相同的条件下，将三种用常规的配合比方法设计的沥青混合料重新设计，使它们的空隙率变成5%。

这三种标准混合料均在旋转压实次数为100时，为交通量为3 000 000~30 000 000 ESAL的道路设计。其中两种是公称最大粒径为9.5 mm的表面层混合料，一种是公称最大粒径为19 mm的中面层混合料。粗集料由石灰石、白云石和高炉矿渣组成，细骨料则包含石灰石、白云石和天然砂。所用沥青结合料的性能等级均为PG 64-22，并且没有使用回收旧料。如表1所示，使用不同比例的上述集料在旋转压实70、50、30次的条件下重新设计这三种标准混合物，集料的级配设计以Bailey法作指导。

配合比设计的结果表明，当旋转压实次数为70次时，不需要改变集料的级配就可以实现5%的空隙率；换言之，旋转压实次数减少30次，空隙率就会增大1%。当旋转压实次数为50次和30次时，则需要调整级配。

使用相同的材料，的确可以在降低的旋转压实水平下设计具有相同的有效沥青含量，且空隙率为5%的混合料。问题是，这些混合料的性能是否与标准混合料一样好？它们能够抵抗车辙吗？

于是，研究人员在实验室对这些混合料的力学性能进行了测试。在压实到预期的现场压实度的试样（即标准混合料的空隙率为7%，Superpave5混合料的空隙率为5%）上进行动态模量和流值试验，以评估混合料的刚度和抗车辙性能。结果表明，在预期的现场压实度下，Superpave5混合料具有与标准混合料相同或者更好的力学性能——差相仿佛或者更高的动态模量、更高的流值，意味着它的抗车辙性能至少不会比标准混合料差；而更小的现场空隙率预计会减少沥青的氧化，从而改善路面的耐久性。

鼓舞人心的实验室结果，让印第安纳州运输部于2013年决定允许在北部的13号公路上建设一个试点项目。在这个先铣刨、后铺筑的项目中，公称最大粒径为9.5 mm的混合料由钢渣粗集料、石灰石和天然砂细集料、PG 70-22沥青结合料和7%的再生沥青瓦（RAS）组成，由此产生20.2%的沥青结合料替代率。混合料最初在旋转压实30次的条件下设计，后来在现场将旋转压实水平改为50次。芯样密度显示，Superpave5混合料的平均空隙率为5.3%，Superpave4混合料（即标准混合料）的空隙率则为8.2%。更低的空隙率，也被证明并不需要通过改变压路机的数量、类型或者碾压模式来获得。

为了研究Superpave5混合料是否确实更耐老化，并且因此具有更强的耐久性，现场的样品被带回实验室进行测试。它们在施工后的条件下进行了动态模量、流值和小梁疲劳试验，并且通过烤箱老化（85 ℃下，5天），模拟大约8年后的现场老化。分别从搅拌站生产、经过压实的混合料和老化的混合料中提取沥青结合料，进行分级，观察现场空隙率不同的混合料是否具有不同的老化程度。

在这种情况下，测试结果不像实验室阶段那样明确，也不那么有利。Superpave5混合料的动态模量在施工后低于标准混合料，但是在老化后具有相近的模量。Superpave5混合料在施工时的平均流值也较低，但是承受了更大的应变；老化后，Superpave5在配合比设计阶段，美国各州会采取不同的方法来改善沥青路面的耐久性。有的使用最小的沥青含量，有的则减小了空隙率的设计值。混合料的平均流值和应变略高。小梁疲劳试验的结果因为变化太大而没有定论。对老化程度的分析则表明，在经过压实的样品中，Superpave5混合料经过烤箱老化后的硬化程度较小。

表1 实验设计

尽管混合料试验结果没有定论，印第安纳州运输部还是有意再做一次现场试验。印第安纳波利斯市愿意与INDOT和研究团队合作，并允许在城市西北侧的乔治敦路上铺筑第二条试验段。这是一个全面改扩建工程。混合料的公称最大粒径为19 mm，将作为中面层材料，以7.62 mm的摊铺厚度铺筑。最初的配合比设计在旋转压实100次的条件下进行，空隙率的设计值为4%；后在旋转压实30次的条件下重新设计，空隙率为5%。两种混合料均使用石灰石粗骨料、白云石砂、RAS和PG 64-22沥青结合料。

为了使现场试验更加具有挑战性，中面层的施工在2014年12月里进行，当时的气温为1.1 ℃~6.1 ℃，伴有微风。尽管如此，承包商还是取得了很好的压实度——Superpave5混合料的平均空隙率达到4.8%，使用传统方法设计的混合料的空隙率也达到6%。

筛分级配曲线

与最初的实验室研究一样，搅拌站生产的混合料和现经过广泛的实验室测试和两次成功的现场试验，设计和铺筑空隙率为5%的沥青混合料仍然看起来大有希望会成功。场芯样的实验室测试结果表明，重新设计的混合料（Superpave5）具有比标准混合料更高的动态模量值。这一次，研究团队没有进行小梁疲劳试验，而是使用半圆弯曲试验（SCB）对混合料的抗裂性能进行评估。现场芯样的SCB试验结果显示，Superpave5混合料在施工期间的抗裂性能略低于标准混合料，但是在烘箱老化后更耐开裂，并且在老化过程中的变化小于标准混合料。这表明Superpave5混合料可能正如理论所描述的那样更耐老化。汉堡车辙试验表明，两种混合料都具有很强的抗车辙性能。对提取和回收的沥青结合料进行分级再次表明，Superpave5混合料中的沥青结合料在模拟老化的过程中硬化程度更小。

经过广泛的实验室测试和两次成功的现场试验，设计和铺筑空隙率为5%的沥青混合料仍然看起来大有希望会成功。至于这些混合料在现场是否确实具有更强的耐久性，并且没有损失抗车辙性能，只有时间才能证明。因此，研究团队将会继续追踪上述试验段，对比Superpave5混合料和传统方法设计的混合料的长期表现。截至2016年初，两种混合料铺筑的路面均未出现车辙。于是，印第安纳州运输部开始计划在其他交通量水平的道路上进行试点项目，并且使用更广泛的材料对旋转压实水平进行改进。

两次现场试验表明，配合比设计过程中相对简单的改变，可以产生在现场更容易压实的混合料。承包商不用诉诸极端的手段，过多地增加压实遍数或者改变压实设备，就达到了想要的压实度。这样的经验表明，Superpave5配合比设计理念极有希望得到实际应用，并且可能显著提高沥青混合料的耐久性。