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高性能沥青路面SUPERPAVE在美国的应用状况

2014-01-31 01:07
　　 摘　要　我国在建高速公路已开始推广美国高性能（SUPERPAVE）沥青路面，苏嘉杭高速公路率先在全线沥青路面三层结构上使用这一技术。这种路面结构形式出现时间相对较短，国外、国内经验相对缺乏。本文参考了SUPERPAVE在美国施工中的一些难点、焦点问题，并结合苏嘉杭高速公路SUPERPAVE路面的实践，对一些问题进行了分析。

关键词　高性能沥青路面　SUPERPAVE施工　路用性能

1　前言

　　SUPERPAVE是美国耗资1.5亿美元的战略公路研究计划（SHRP）的重大组成部分之一，耗资约5000万美元。1992年SHRP计划结束后，在美国联邦公路局（FHWA）的大力推广下，美国大部分州已开始修建SUPERPAVE路面，1996年新建SUPERPAVE工程项目93个，1997年316个，2000年达3900个。2000年一年生产沥青混合料13400万吨，占沥青混合料总量的62％；2001年采用SUPERPAVE方法施工的沥青混合料占总量的82％。
　　在SUPERPAVE的推广过程中，相关的争论一直很多。为此美国联邦公路局（FHWA）联合美国国家沥青路面协会（NAPA），组织专家组编写了SUPERPAVE施工技术指南，在NAPASR－180报告中发表。随后NAPA联合SAPA（美国各州沥青路面协会）针对原材料、混合料设计、拌和、摊铺、碾压、质量控制六个方面组织了一次全国调查，而这也正是我们国内推广SUPERPAVE常常遇到的、争议较多的问题，本文就这几方面分别进行论述。

2　原材料

2.1　沥青
　　美国大部分混合料生产商认为沥青的PG等级可控制在公路局规范范围之内。有40％的SUPER-PAVE混合料使用了改性沥青，这一比例要高于传统的马歇尔混合料设计法。这主是基于"保险"的考虑，承包商们都希望随着SUPERPAVE的推广，使用改性沥青的比例能够逐渐降下来。所用的SUPERPAVE混合料相对于马歇尔混合料来说，25％的承包商使用沥青含量较多，增幅达0.5％～1％。而40％使用沥青含量较少，减少量一般小于0.5％。另外35％所用SUPERPAVE混合料的沥青含量与马歇尔混合料基本相同。

（转载自中国科教评价网www.nseac.com ）

　　有40％的SUPERPAVE混合料中使用了抗剥落剂，其中使用液体抗剥落剂和石灰处理的各占一半。

2.2　集料
　　在美国，95％的承包商反映传统的石料可以满足SUPERPAVE要求，但要求水洗、保持洁净，还要使用较多的机制砂。而且用传统轧石设备完全可以生产出合格的SUPERPAVE的集料。但80％的承包商认为SUPERPAVE配合比级配比马歇尔配合比级配粗，且有80％的设计级配曲线位于限制区下方；60％的承包商感觉SUPERPAVE混合料级配曲线很容易满足限制区的要求，这就表明还有40％存在着一些问题，主要是不能满足VMA的要求。试验发现，混合料设计沿限制区上侧通过时更易满足VMA的要求，这种混合料和易性较好，容易施工；70％的SUPERPAVE级配曲线不允许穿过限制区，而另外30％允许穿过限制区，但要求混合料必须满足一些附加性能试验要求，如车辙试验等；80％的SUPERPAVE混合料没有使用回收沥青混合料（RAP），但一般的观点是随着SUPERPAVE混合料设计、施工水平的提高，混合料生产可以逐渐使用RAP。

3　混合料的设计
　　表1为美国SUPERPAVE各种结构形式所用的比例。由此可见，在美国使用最多的混合料是SUPER-PAVE－12.5和SUPERPAVE－19。60％的SUPERPAVE混合料均用于表面层处治或罩面，这和美国现在路面施工以养护为主有关。
　　在美国已建的SUPERPAVE项目中，有70％的SU-PERPAVE混合料是由承包商自己设计的。几乎所有的承包商均反映SUPERPAVE旋转压实仪（SGC）性能良好，80％的沥青路面工程公司至少拥有一台SGC。
　　SUPERPAVE混合料设计要求有4小时的烘箱加热过程，但仅有10％的承包商做到了这一点，其它加热时间从30分钟到2小时不尽相同，而50％的承包商在生产过程中并未做混合料的老化试验。几乎一半的承包商认为为了使SUPERPAVE满足混合料体积特性设计指标颇费周折。主要问题是空隙率较低、偏差较大。解决这个问题可以采取这样的措施：为了满足VMA的要求及避开限制区，级配曲线在4.75MM以上应位于最大密度线的上方，然后穿过最大密度线，从限制区下方走。

4　混合料的拌和
　　美国70％的SUPERPAVE混合料采用间歇式拌和楼拌和，配有布袋式贮存器，每小时产量介于250～350吨，这与生产传统的马歇尔混合料相差不大。为了满足级配的要求，60％的SUPERPAVE混合料增加了冷料仓，一般采用6～8个冷料仓。
　　50％的SUPERPAVE混合料温度较传统增加了5～8℃，这可能是由于使用了改性沥青或混合料较硬。美国对于SUPERPAVE混合料的拌时间没有作任何的变动要求。
　　生产SUPERPAVE混合料对沥青拌和厂并没有特别的要求。但对级配控制、细料数量及类型、沥青的储存、布袋式储存器等细节要求更严格。

5　混合料的运输、摊铺和碾压
　　据调查，美国SUPERPAVE混合料的运输、摊铺与传统马歇尔混合料没有任何差别。85％的SUPERPAVE混合料在摊铺方面没有出现问题，但实践表明良好的摊铺作业对于路面施工质量是非常关键的。
　　SUPERPAVE混合料施工的焦点问题是SUPERPAVE混合料的碾压。50％的SUPERPAVE施工需要额外的压实功，而60％的SUPERPAVE工程增加了压实机具（最多的增加了3台）。在选择压路机类型上与过去没有差别，但有30％的SUPERPAVE工程中已不再使用轮胎压路机。所有工程的沥青碾压温度都是由沥青供应商向工程承包商提供的。一些承包商认为应通过某种试验来确定现场碾压温度。

　　三分之二的SUPERPAVE工程遇到了混合料的软化现象，这是因为SUPERPAVE特有的温度禁区所造成的。70％的SUPERPAVE工程较难达到特定的密实度，原因是粗集料含量增多和层厚增加。SUPERPAVE混合料层厚增加是因为设计所用的是最大公称尺寸，而不是传统设计使用的集料最大尺寸，相同的层厚与最大颗粒比需要更大的层厚，这一变化造成了集料尺寸和层厚之间的不同关系。当路面结构层厚度相同时，混合料越粗，集料尺寸越大，越难获得良好的密实度。

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　　尽管有一些困难，但仍有85％的SUPERPAVE工程获得了良好的密实度，90％密实度变异性和马歇尔混合料一样，90％的SUPERPAVE工程按照以往的施工方法即可满足混合料的压实。在40％的SUPERPAVE工程中混合料的降温速度要快于马歇尔混合料。

总的说来，SUPERPAVE混合料的压实相对于马歇尔混合料要困难些，碾压的关键在于一　　些细节的处理，正如有的施工人员形容的压实过程"不容易，但不是不可?quot;。6　SUPERPAVE混合料施工质量控制在施工质量控制中，所有的SUPERPAVE工程均使用了最大理论密度试验（RICE试验）。75％的SUPER-PAVE在生产之前每天要进行一至两次该试验。

　　对于沥青含量的测定，45％的SUPERPAVE工程采用NCAT灼烧试验，30％使用核子仪，其余的使用溶剂离心法抽提等方法，85％的SUPERPAVE混合料沥青含量变异性等于或低于马歇尔设计的混合料。
　　85％的SUPERPAVE工程使用体积指标优先控制，它们的变异性和马歇尔法设计混合料指标相仿。
　　不同的SUPERPAVE工程，密度试验频率差别很大。30％的SUPERPAVE工程所在州公路局规定了集料的相对密度值，另外35％的工程仅在混合料设计阶段进行了该试验，而其余工程的试验频率分别为：A、每1500吨；B、每周一次；C、阶段性的；D、每项目一次；E、出现问题时进行；F、一年一次。

7　关于SUPERPAVE混合料的整体评价
　　美国全国性的施工调查反映SUPERPAVE施工状况良好，但也存在一些问题。例如：据统计85％的工程可以获得一致的压实度，这也意味着有15％的压实度无法满足要求。
在调查中暴露的主要问题是体积指标和路面压实度的问题。通过对细节问题的处理可以解决这些问题，但有时也有必要对原材料或试验方法作一些调整。

　　40％的SUPERPAVE混合料级配曲线在限制区附近存在问题，部分美国专家认为有必要逐步减少对限制区的要求。限制区的要求仅仅是指导性的，然而许多部门将限制区强化为一条规范，要求强制执行。国内SUPERPAVE的推广中也有类似情况，将限制区视为"禁区"，要求级配曲线绝对不能进入，这和当初限制区设置的初衷是不同的。 （科教作文网http://zw.ΝsΕAc.com发布）

　　设置限制区的最初目的是限制圆颗粒的天然沙数量，避免"拥包"等病害的发生。这也可采用其他方式，如限制最大天然沙用量，或传统混合料设置为15，也可以取得良好效果。江苏省在建高速公路已明确限制天然砂的使用，因此，笔者认为省内推广SUPERPAVE时，限制区的要求仅作为参考指标，不作为强制性指标执行。
　　美国全国范围内的调查显示：限魄的设置极大地限制了SUPERPAVE的推广。但如前所述，有30％的工程业主允许混合料级配曲线穿过限制区，前提条件是混合料必须满足附加的性能试验，这也是一种折中的解决方案。
　　在SUPERPAVE的的推广应用中，有两个技术问题需要关注，即混合料碾压温度和集料相对密度的确定。
　　目前还没有一种好方法可以确定SUPERPAVE混合料的拌和、碾压温度，和过去一样，仅仅依赖于沥青混合料试验。因此需要确定一种室内混合料试验方法来指导施工碾压。

　　美国的调查表明各地集料相对密度试验频率相当混乱，有的一年一次，有的一周一次，也有的使用业主指定的材料密度。在SUPERPAVE计算中，应该首先确定各体积指标需要使用原材料的相对密度，因为集料相对密度对空隙率、VMA、VFA等体积指标的计算结果会产生很大影响，从而影响承包商的投入、施工段落的质量评定等。因而NAPA建议混合料生产商应在传统试验基础上进一步检查集料相对密度变化情况。
　　在苏嘉杭高速公路施工中我们也发现热料仓材料密度是争论的一个焦点，建议采用如下方案解决：
　　（1）加强取样频率，每天拌和结束后热料仓中的余料不要全部废弃，可以利用这些材料做筛分和密度试验，多次试验结果汇总取平均值； 
　　（2）业主、监理、承包商三家同时取样，分别试验后汇总取平均值；

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　　（3）材料有变化时应该重新进行试验，汇总后取平均值。

参考文献
　　〔1〕E.R.BROWN,DALE DECKER,RAJIB B.MALLICK,JOHN BUKOWSKI SUPERPAVE CONSTRUCTION ISSUES AND EARLY PERFORMANCE EVAL-UATION,AAPT
　　〔2〕RICHARD W.MAY 1996 SUPERPAVE PROJECTS REVIEW OF CON-STRUCTION EXPERIENCE,ASPHALT INSTITUTE
　　〔3〕MAGHSOUD TAHMORESSI,SUMMARY OF TXDOT SUPERPAVE PROJECTS CONSTRUCTED IN 1997.STATE BITUMINOUS ENGINEER TXDOT
　　〔4〕PAUL J.MARK.AASHTO LEAD STATE GUIDELINE ON SUPERPAVE IMPLEMENTATION，1998
　　〔5〕贾渝等.高性能沥青路面SUPERPAVE技术实用手册.江苏省交通科学研究院，2002年5月
 

作者：王新明