[转帖]Superpave混合料设计体系及其在美国的应用 [复制链接]

Superpave混合料设计体系及其在美国的应用Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

  编者按：本文分两部分，英文部分为美国联邦公路局路面技术办公室沥青路面处处长John A. D’Angelo所撰写的“Superpave混合料设计体系”一文及John A. D’Angelo先生简介，中文部分为江苏交通科学研究院贾渝副总工程师的翻译稿。该文章纸媒体版（有编辑）刊登在《中国公路建设市场》2004年第7期“Superpave专题”上，敬请参阅！ Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3
　　1 概述

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　Superpave是高性能沥青路面的缩写，是美国公路研究计划（SHRP）的成果。Superpave包括一个建立在路面性能特性基础上的新的混合料设计和分析；Superpave包括一些旧的经验法则和一些新的力学基础上的特性。Superpave混合料设计体系很快就成为美国的标准体系。美国正在寻找一个新的体系来克服使用马歇尔和维姆设计体系造成普遍的路面问题，如车辙和低温开裂。Superpave通过合理的途径提供解决这些问题的答案。

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　Superpave体系从简单到复杂。设计人员根据交通量和气候条件来修筑路面，体系包括一个使用新的胶结料物理性质试验的胶结料规范；一系列集料试验和规范；一个热拌沥青混合料（HMA）设计和分析体系；以及计算机软件来整合体系的各组成单元。对于低价道路和中等气候条件，可使用一个简单的体系，包括材料选择和混合料体积设计。当设计道路交通量增加，要求增加设计要求来改善可靠度。在大交通量时，建议进行大量的性能试验来保证最高的可靠度。Superpave体系一个突出的特性是它的试验所用的温度和老化条件更合理的代表了路面使用期间所遇到的状况。

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　2 材料选择：胶结料

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　设计过程从材料选择开始，任何沥青混合料性能的关键因素是选择用于混合料中的最佳材料。Superpave的一个重要组成是材料选择，胶结料选择使用建立在性能基础上的胶结料规范；集料选择使用与性能有关的集料试验与标准。

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　沥青胶结料将影响沥青混合料不同性能，如永久变形、疲劳开裂和低温开裂。Superpave胶结料规范企图使选择的胶结料能优化对路面性能的影响。胶结料根据路面修筑地方的气候、期望的交通量以及在路面结构中的层位来选择。胶结料由期望的最高路面温度和最低路面温度来评价。平均7天最高温度用来确定路面下7.20mm处的临界最高路面温度；而平均年最低温度用来确定路面表面的临界最低路面温度；中等路面温度由高和低温的关系来确定。对于路面结构层下部的混合料，通过温度调整来反映层位不同；用路面温度来选择胶结料，能使胶结料选择同时满足路面高低温的要求。

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　高的气温转换成最高路面温度的公式是根据联邦公路局的合同由伊里诺斯大学开发的。低的气温转换成最低路面温度由联邦公路局路面长期性能项目（LTPP）从全美国30个路面观察地点和气候站收集的数据开发的。这些体系可使设计人员精确地确定路面温度对路面性能的巨大影响。沥青胶结料试验用一套新的设备和试验方法，详细方法见美国各州公路与运输官员协会（AASHTO）暂行标准。

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　3 材料选择：集料

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　Superpave设计过程的下一个步骤就是用于混合料中集料的选择。集料是热拌沥青混合料的主要组成部分。集料和质量对沥青混合料的性能很重要，集料构成混合料体积的80%~85%，集料特性是沥青混合料性能的重要因素。在Superpave混合料设计体系中包括了许多不同的集料标准来保证性能。这些标准包括粗集料棱角性、细集料未压实空隙率或细集料棱角性（FAA），扁平和细长颗粒，粘土含量和级配参数。

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　4 混合料体积设计

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　当沥青混合料的胶结料和集料已选择好，那么就要混合起来以产生最佳的混合料性质。评估若干个试拌混合物以测定最佳混合料。用Superpave旋转压实机（SGC）来进行这个工作。SGC是一个机械压实仪器，包括反力架、旋转基座、电动机、加荷系统、加荷压头、压力计、高度测量和记录系统、试模和底座。SGC产生150mm直径115mm高的圆柱试件。SGC企图产生的试件与从路面中切割出来的岩心试件有类似的集料排列和工程性质。

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　然后混合料根据预期的交通量选择的旋转压实次数进行压实，压实混合料的体积性质用于选择在Superpave设计体系中的最佳工地配合比（JMF），测定压实混合料的集料间隙率（VMA）和空隙率（Va）和沥青填隙率（VFA）和与建立的Superpave标准进行评价。用估计沥青用量试拌级配压实到规定的压实次数来选择最佳工地配合比。

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　5 推广

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　自从1993年SHRP 5年研究完成以来，几亿吨用Superpave设计体系设计的混合料铺筑在10,000多个路面项目中。一般来说，这些路面已经提供了优良的性能，但也有一些早期路面的损坏，我们从中学习到很多东西，某些集料和级配能产生满足Superpave所有要求，可是仍旧破坏，可能我们沥青用量过多，已经提出建议建立一个最大VMA要求以避免这个问题。某些Superpave混合料非常难压头，这是路面性能的关键。这个问题将必须解决，我们会解决。

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　Superpave在美国的推广经历了一个很长的过程，最初的工作包括给工程师和技术人员对体系的基本原理进行广泛的培训。培训包括建立一个全国沥青培训中心，为全国的工程师和技术人员讲授新体系的基本原理。建立了一个样板州项目，以提供Superpave推广的面对面技术支持。另外为每一个州提供了一套设备，这样可使他们熟悉新的试验设备和评价方法。

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　在各州试铺工程项目期间，也提供技术支持。联邦公路局移动实验室和有经验的技术人员为公路部门在最初的现场试铺时提供技术支持。这个过程帮助各州在新系统中获得经验和信心。

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　通过这个推广过程，我们已经能使Superpave成为美国的主要体系，如图1所示，50个州中的47个州已使用Superpave胶结料规范作为标准实践。Superpave混合料设计方法在50个州中的35个州已作为标准方法，如图2所示，所有的州都已经铺筑了试验项目。

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　还有许多工作正在进行，以微调和验证现有Superpave技术要求。全国公路合作研究计划（NCHRP）、联邦公路局（FHWA）、和州运输部一道来填补缺陷和改进我们规范、设计和修筑我们沥青路面的方法。这些项目包括Superpave试验方法的微调，以使它们更容易使用和重复性更好。正在继续进行测定混合料力学性质的设备开发工作，我们正在继续改进胶结料规范以便更好与聚合物改性胶结料在路上的性能相关。

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　随着Superpave体系的推广，许多原有路面损坏已经被消除，根据在奥本的全国沥青技术中心（NCAT）完成的一项研究中称车辙已经通过Superpave的应用，已经被极大地消除了。低温开裂也明显减少，对疲劳开裂的影响的确定还必须等待时间来考验。Superpave仅仅是开始而不是终结。使我们道路真正走向性能基础上的设计与施工规范，Superpave已经使我们在这个道路上有一个好的开头，但总是有事可以改进。

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　D’Angelo先生简介

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　D’Angelo美国联邦公路局，路面技术办公室沥青路面处处长

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　D’Angelo先生1976年毕业于加拿大东北大学土木工程系；1977年进入美国联邦公路局，担任过施工监理、培训；1983年担任技术应用办公室高级项目经理，项目包括水泥混凝土路面重点和再生，预应力混凝土路面施工，沥青混合料现场管理，重点是设计和施工技术材料试验和施工质量控制；1990年起担任技术应用办公室沥青技术处处长，技术应用办公室主要从事技术转移，这8年的主要任务就是将美国公路战略研究计划（SHRP）Superpave沥青设计体系推广应用到公路界；1999年至今为路面技术办公室沥青材料工程师作为联邦官员，抓从事制定 FHWA有关热拌沥青路面设计和材料评价 和技术转移活动，SHRP Superpave沥青设计体系的进一步推广和发展，制定促进保证和性能有关规范的项目。

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　D‘Angelo先生是美国运输研究委员会（TRB）许多委员会成员，如柔性路面施工和重点，TRB Superpave沥青胶结料（ETG）特别工作担任秘书，也是美国各州公路与运输官员协会（AASHTO）沥青材料分委员2b组成员 美国沥青铺路工艺师协会的成员，美国全国公路合作研究计划（NCHRP）许多审查组的成员。如：9-7 Superpave设计HMA的质量控制和接受；9-10 Superpave改性沥青胶结料规范；9-20 HMA施工的性能规范，9-22 HMA路面施工性能规范的验证和微调；9-25 Superpave混合料体积设计的VMA标准；9-29制定Superpave混合料体积设计的简单性能试验等等。

Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3

　　他也获得过无数次的各种奖励，比较重要是1991年获得沥青铺路工艺师协会（AAPT）最优论文奖“示范项目No.74：沥青混合料现场管理的模拟研究总结”。发表的论文有数十篇。Jìέ¢¥pL'Rbbs.3c3t.comsʜ|Œ%ù{3