System Projektowania Mieszanek Asfaltowych Superpave

Co to jest Superpave?

Superpave — akronim od SUperior PERforming Asphalt PAVEments (Nawierzchnie Asfaltowe o Najwyższej Wydajności) — to system projektowania i analizy mieszanek asfaltowych oparty na wydajności, opracowany jako główny produkt asfaltowy programu Strategic Highway Research Program (SHRP) prowadzonego od października 1987 do marca 1993 roku. Program SHRP zainwestował 50 milionów dolarów w badania mające na celu opracowanie ulepszonych metod specyfikacji, badań i projektowania materiałów asfaltowych, czego zwieńczeniem był system Superpave. System został zaprojektowany jako zamiennik starszych metod projektowania mieszanek Marshal la i Hveema, które były stosowane odpowiednio od lat 40. i 50. XX wieku.

Superpave to nie tylko pojedyncze badanie czy specyfikacja, ale zintegrowany system obejmujący trzy zasadnicze elementy technologii nawierzchni asfaltowych: specyfikację lepiszcza, wymagania dotyczące kruszywa oraz projektowanie i analizę mieszanki. Komponent lepiszcza wprowadził system specyfikacji Performance Grade (PG), który klasyfikuje lepiszcza asfaltowe na podstawie zakresu temperatur, w jakich będą one działać w terenie. Komponent kruszywa wprowadził właściwości konsensusowe — ustandaryzowane wymagania fizyczne dotyczące kanciastości, kształtu i zawartości iłów w kruszywie, powiązane z poziomami obciążenia ruchem. Komponent mieszanki wprowadził zagęszczarkę żyratorową Superpave (SGC) jako laboratoryjne urządzenie zagęszczające oraz ustanowił kryteria projektowania objętościowego oparte na zawartości powietrza, wolnej przestrzeni w szkielecie mineralnym (VMA), wolnej przestrzeni wypełnionej asfaltem (VFA) i wskaźniku pyłowym.

System został zaprojektowany do wytwarzania nawierzchni asfaltowych odpornych na trzy główne mechanizmy uszkodzeń: odkształcenia trwałe (koleinowanie) spowodowane obciążeniem ruchem w wysokich temperaturach nawierzchni, pękanie zmęczeniowe spowodowane powtarzającym się obciążeniem ruchem w temperaturach pośrednich oraz pękanie niskotemperaturowe (termiczne) spowodowane kurczeniem się nawierzchni podczas zimnej pogody. Poprzez powiązanie doboru lepiszcza, właściwości kruszywa i wysiłku zagęszczającego z konkretnymi warunkami ruchu i klimatu każdego projektu, Superpave umożliwia inżynierom dostosowanie projektu mieszanki do rzeczywistych warunków eksploatacji, jakim nawierzchnia będzie podlegać w okresie jej użytkowania.

Federalna Administracja Drogowa (FHWA) objęła wiodącą rolę we wdrażaniu badań SHRP poprzez utworzenie Krajowego Centrum Szkolenia Asfaltowego (NATC) przy Asphalt Institute w Lexington w stanie Kentucky. Projekt demonstracyjny 101 został ustanowiony w celu szkolenia techników laboratoryjnych i inżynierów w praktycznym stosowaniu technologii lepiszcza i mieszanek Superpave. Od czasu jego wprowadzenia, metoda projektowania objętościowego Superpave została przyjęta przez wszystkie 50 stanowych agencji drogowych w USA oraz przez liczne międzynarodowe władze drogowe, czyniąc ją dominującą metodą projektowania mieszanek w Ameryce Północnej.

Historia programu Strategic Highway Research Program (SHRP)

Korzenie Superpave sięgają Raportu Specjalnego TRB nr 202 (Transportation Research Board), opublikowanego w 1984 roku pod tytułem „America’s Highways: Accelerating the Search for Innovation” (Amerykańskie autostrady: przyspieszenie poszukiwania innowacji). Raport ten zidentyfikował krytyczną potrzebę zwiększenia finansowania badań w celu opracowania lepszych, trwalszych materiałów drogowych. W odpowiedzi Kongres Stanów Zjednoczonych autoryzował Strategic Highway Research Program (SHRP) w ustawie Surface Transportation and Uniform Relocation Assistance Act z 1987 roku. SHRP został utworzony jako jednostka Narodowej Rady Badawczej i otrzymał finansowanie w wysokości 150 milionów dolarów na okres pięciu lat, z czego 50 milionów dolarów przeznaczono specjalnie na badania asfaltowe.

Program badań asfaltowych SHRP został zorganizowany w cztery obszary techniczne: charakteryzację lepiszcza asfaltowego, projektowanie i analizę mieszanek asfaltowych, przyspieszone badania wydajnościowe oraz walidację terenową. Badania były prowadzone poprzez skoordynowany wysiłek z udziałem Asphalt Institute, Uniwersytetu Teksańskiego w Austin, Uniwersytetu Stanowego Pensylwanii, Krajowego Centrum Technologii Asfaltowej (NCAT) na Uniwersytecie Auburn oraz licznych innych instytucji badawczych. Program obejmował budowę i monitorowanie odcinków testowych Long-Term Pavement Performance (LTPP) w całej Ameryce Północnej w celu walidacji wyników laboratoryjnych danymi z rzeczywistej eksploatacji nawierzchni.

Program SHRP zakończył się w marcu 1993 roku wraz z dostarczeniem systemu Superpave, który obejmował trzy główne innowacje. Pierwszą była specyfikacja lepiszcza Performance Grade (PG) (AASHTO M 320), która zastąpiła starsze systemy klas penetracji i lepkości poprzez bezpośredni pomiar właściwości lepiszcza w temperaturach istotnych dla wydajności w terenie. Drugą była zagęszczarka żyratorowa Superpave (SGC) i związana z nią procedura projektowania objętościowego, które zastąpiły młot udarowy Marshalla i zagęszczarkę ugniatającą Hveema. Trzecią był zestaw modeli prognozowania wydajności, które wykorzystywały wyniki badań laboratoryjnych do przewidywania uszkodzeń nawierzchni w okresie jej użytkowania.

Po zakończeniu SHRP, FHWA uruchomiła agresywny program wdrożeniowy, ustanawiając NATC i opracowując program szkoleniowy, który stał się podstawą ogólnokrajowego przyjęcia technologii Superpave. Podkomitet AASHTO ds. Materiałów przyjął tymczasowe normy dla badań lepiszcza i projektowania mieszanek Superpave, które później zostały podniesione do rangi pełnych norm. Ustawa Intermodal Surface Transportation Efficiency Act (ISTEA) z 1991 roku zapewniła dodatkowe wsparcie finansowe dla wdrażania produktów SHRP.

Pomimo pomyślnego wdrożenia Poziomu 1 Superpave (projektowanie objętościowe mieszanki), pierwotna wizja w pełni opartego na wydajności systemu z Poziomami 2 i 3 nigdy nie została w pełni zrealizowana. Badania wydajnościowe i modele prognostyczne opracowane w ramach SHRP okazały się zbyt złożone i czasochłonne do rutynowego stosowania przez stanowe agencje drogowe. Jednak późniejsze badania w ramach Krajowego Programu Badań Współpracy Drogowej (NCHRP) doprowadziły do opracowania Prostego Badania Wydajnościowego (SPT) — obecnie ustandaryzowanego jako Tester Wydajności Mieszanek Asfaltowych (AMPT) — który zapewnia praktyczne możliwości badań wydajnościowych do rutynowego projektowania mieszanek i kontroli jakości.

Poziomy projektowania Superpave

Oryginalny system Superpave zdefiniował trzy hierarchiczne poziomy projektowania i analizy mieszanek, z których każdy zapewniał coraz większą precyzję prognozowania wydajności kosztem dodatkowej złożoności i kosztów badań. Te poziomy projektowania zostały opracowane w ramach programu SHRP, ale tylko Poziom 1 został szeroko wdrożony w rutynowej praktyce.

Poziom 1 — Projektowanie objętościowe mieszanki

Poziom 1 to podstawowa procedura projektowania objętościowego mieszanki, która stanowi fundament systemu Superpave. Jest to jedyny poziom w pełni wdrożony przez stanowe agencje drogowe i jest to poziom opisany w normie AASHTO R 35 (Projektowanie objętościowe Superpave dla mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco) oraz AASHTO M 323 (Standardowa specyfikacja dla projektowania objętościowego Superpave). Poziom 1 obejmuje cztery główne etapy: dobór materiałów (kruszywo i lepiszcze), wybór struktury projektowej kruszywa (mieszanie uziarnienia w celu spełnienia właściwości konsensusowych i punktów kontrolnych uziarnienia), wybór projektowej zawartości lepiszcza asfaltowego (określonej przez osiągnięcie 4% zawartości powietrza przy liczbie zgięć Ndesign) oraz ocenę wrażliwości na wilgoć przy użyciu AASHTO T 283 (Odporność zagęszczonych mieszanek asfaltowych na uszkodzenia spowodowane wilgocią).

Poziom 1 nie obejmuje żadnych mechanicznych badań wydajnościowych poza oceną wrażliwości na wilgoć. Kryteria objętościowe — zawartość powietrza, VMA, VFA i wskaźnik pyłowy — służą jako zastępcze miary jakości mieszanki i oczekiwanej wydajności. Wysiłek zagęszczający, wyrażony jako liczba zgięć (Ndesign), jest określany na podstawie przewidywanego 20-letniego obciążenia ruchem w milionach ekwiwalentnych osi standardowych (ESAL) .

Poziom 2 — Pośrednia analiza wydajności

Poziom 2 został zaprojektowany do zapewnienia pośredniego poziomu analizy wydajności poprzez zastosowanie badań wydajnościowych i modeli prognozowania uszkodzeń. W Poziomie 2, projekt objętościowy mieszanki z Poziomu 1 jest poddawany dodatkowym badaniom z użyciem testera ścinania Superpave (SST) oraz testera pośredniego rozciągania (IDT) . Wyniki badań są wykorzystywane z modelami prognozowania wydajności do oszacowania wielkości koleinowania i pękania zmęczeniowego oczekiwanego w okresie użytkowania nawierzchni przy 50% poziomie niezawodności.

Badania SST stosowane w Poziomie 2 obejmują powtarzalne badanie ścinania przy stałej wysokości do oceny koleinowania, badanie przemiatania częstotliwości przy stałej wysokości do określenia modułu dynamicznego oraz proste badanie ścinania przy stałej wysokości do określenia właściwości ścinających. Badania IDT obejmują badanie podatności pełzaniowej i wytrzymałości do oceny pękania niskotemperaturowego. Poziom 2 wymaga badań przy projektowej zawartości lepiszcza oraz przy 0,5% powyżej i poniżej zawartości projektowej w celu oceny wrażliwości wydajności na zmiany zawartości lepiszcza.

Poziom 2 nigdy nie został szeroko wdrożony przez agencje stanowe, ponieważ SST był drogi, skomplikowany w obsłudze, a protokoły badań były czasochłonne. Modele prognozowania wydajności wymagały również kalibracji do lokalnych warunków, która nie była dostępna dla większości agencji. Jednak koncepcja badań Poziomu 2 wpłynęła na późniejsze opracowanie Prostego Badania Wydajnościowego (NCHRP Project 9-29), które doprowadziło do powstania Testera Wydajności Mieszanek Asfaltowych (AMPT) , obecnie stosowanego do badań modułu dynamicznego i wskaźnika płynięcia.

Poziom 3 — Zaawansowana analiza wydajności

Poziom 3 stanowił najbardziej zaawansowany poziom analizy Superpave, obejmujący kompleksowe badania wydajnościowe i zaawansowane modele prognozowania uszkodzeń przy 95% poziomie niezawodności. Poziom 3 wymagał tych samych badań SST i IDT co Poziom 2, ale z bardziej rozbudowanymi protokołami badawczymi i bardziej rygorystycznymi wymaganiami dotyczącymi analizy danych. Wyższy poziom niezawodności (95% w porównaniu do 50%) był przeznaczony dla nawierzchni na krytycznych drogach o dużym natężeniu ruchu, gdzie koszt przedwczesnej awarii byłby niezwykle wysoki.

Poziom 3 wymagał badań w wielu temperaturach, przy wielu częstotliwościach obciążenia i wielu ciśnieniach ograniczających, aby w pełni scharakteryzować właściwości lepkosprężyste mieszanki. Modele wydajnościowe dla Poziomu 3 zawierały bardziej zaawansowane zależności konstytutywne, w tym model VECD (lepkosprężystego uszkodzenia kontinuum) dla pękania zmęczeniowego oraz model lepkoplastyczny dla odkształceń trwałych.

Podobnie jak Poziom 2, Poziom 3 nigdy nie został wdrożony w rutynowej praktyce ze względu na złożoność badań, koszt sprzętu oraz brak zwalidowanych i skalibrowanych modeli wydajnościowych. Jednak badania przeprowadzone podczas opracowywania Poziomów 2 i 3 wniosły znaczący wkład w zrozumienie zachowania mieszanek asfaltowych i położyły podwaliny pod mechanistyczno-empiryczny przewodnik projektowania nawierzchni (MEPDG) oraz rozwój oprogramowania AASHTOWare Pavement ME Design, które obecnie wykorzystuje moduł dynamiczny (E*) jako podstawowy parametr sztywności mieszanki do obliczeniowego projektowania nawierzchni podatnych.

Specyfikacja lepiszcza Performance Grade (PG)

Specyfikacja lepiszcza Performance Grade (PG) jest prawdopodobnie najważniejszą innowacją systemu Superpave. W przeciwieństwie do starszych specyfikacji klas penetracji i lepkości, które klasyfikowały lepiszcza na podstawie badań empirycznych w arbitralnych temperaturach, system PG klasyfikuje lepiszcza na podstawie rzeczywistego zakresu temperatur, w jakich mają one działać w terenie. Ta fundamentalna zmiana z klasyfikacji empirycznej na opartą na wydajności stanowiła rewolucyjną zmianę w technologii lepiszczy asfaltowych.

Oznaczenie lepiszcza PG wykorzystuje system dwuliczbowy, np. PG 64-22. Pierwsza liczba (64) oznacza klasę wysokotemperaturową w stopniach Celsjusza, odpowiadającą średniej maksymalnej temperaturze projektowej nawierzchni w okresie siedmiu dni na głębokości 20 mm poniżej powierzchni. Druga liczba (-22) oznacza klasę niskotemperaturową w stopniach Celsjusza, odpowiadającą minimalnej projektowej temperaturze nawierzchni oczekiwanej na powierzchni. Lepiszcze sklasyfikowane jako PG 64-22 jest zatem odpowiednie do zastosowań, w których średnia maksymalna temperatura nawierzchni w okresie siedmiu dni wynosi 64°C, a minimalna temperatura nawierzchni wynosi -22°C.

Specyfikacja PG jest udokumentowana w normach AASHTO M 320 (Standardowa specyfikacja lepiszcza asfaltowego klasy wydajnościowej) oraz AASHTO M 332 (Standardowa specyfikacja lepiszcza asfaltowego klasy wydajnościowej z wykorzystaniem testu wielokrotnego pełzania z odzyskiem MSCR). AASHTO M 332 to nowsza specyfikacja, która zawiera test wielokrotnego pełzania z odzyskiem (MSCR) (AASHTO T 350) w celu lepszej charakteryzacji odporności lepiszczy na koleinowanie, szczególnie lepiszczy modyfikowanych polimerami. Odpowiednikami ASTM są ASTM D6373 i ASTM D8239.

Proces doboru lepiszcza PG wykorzystuje bazę danych pogodowych LTPP Bind, która zawiera dane klimatyczne z tysięcy stacji meteorologicznych w całej Ameryce Północnej. Inżynier wprowadza lokalizację projektu i pożądany poziom niezawodności (zazwyczaj 50% dla standardowych nawierzchni, 98% dla nawierzchni krytycznych), a baza danych zwraca odpowiednie wysokie i niskie projektowe temperatury nawierzchni. Poziom niezawodności reprezentuje prawdopodobieństwo, że temperatura nawierzchni nie przekroczy określonych wartości w okresie użytkowania. Wyższe poziomy niezawodności skutkują bardziej konserwatywnym doborem klasy lepiszcza.

Badania wymagane do klasyfikacji lepiszcza PG obejmują:

Dynamiczny reometr ścinania (DSR) mierzy zespolony moduł ścinania (G*) i kąt przesunięcia fazowego (δ) lepiszcza w wysokich i pośrednich temperaturach. Parametr G/sin δ* (współczynnik koleinowania) jest mierzony na lepiszczu oryginalnym i starzonym w RTFO i musi wynosić co najmniej 1,0 kPa (oryginalne) i 2,2 kPa (pozostałość po RTFO), aby zapewnić odporność na koleinowanie. Parametr G×sin δ* (współczynnik zmęczenia) jest mierzony na lepiszczu starzonym w PAV i nie może przekraczać 5000 kPa, aby zapewnić odporność na pękanie zmęczeniowe.

Reometr belkowy (BBR) mierzy sztywność pełzania (S) i wartość m lepiszcza starzonego w PAV w niskiej temperaturze projektowej nawierzchni plus 10°C. Sztywność pełzania nie może przekraczać 300 MPa, a wartość m (szybkość zmiany sztywności w czasie obciążenia) musi wynosić co najmniej 0,300, aby zapewnić odporność na pękanie termiczne. Badanie bezpośredniego rozciągania (DTT) mierzy odkształcenie przy zerwaniu lepiszcza starzonego w PAV w niskiej temperaturze projektowej nawierzchni, wymagane, gdy sztywność BBR wynosi od 300 do 600 MPa.

Dla wyższych poziomów ruchu, ruchu wolno poruszającego się lub nawierzchni krytycznych, klasa PG może być podwyższona do wyższej klasy wysokotemperaturowej. Na przykład lepiszcze PG 64-22 może zostać podwyższone do PG 70-22 lub PG 76-22 dla autostrady międzystanowej o dużym natężeniu ruchu. Podwyższenie klasy zapewnia dodatkową odporność na koleinowanie kosztem potencjalnie gorszej wydajności zmęczeniowej i niskotemperaturowej. Lepiszcza modyfikowane polimerami (np. modyfikowane SBS PG 70-22 lub PG 76-22) są powszechnie stosowane w zastosowaniach z podwyższoną klasą.

Wymagania dotyczące kruszywa

Kruszywa stanowią około 95% masy mieszanki asfaltowej, co sprawia, że jakość kruszywa ma kluczowe znaczenie dla wydajności nawierzchni. System Superpave określa akceptowalność kruszywa poprzez dwie kategorie wymagań: właściwości konsensusowe i właściwości źródłowe. Dodatkowo Superpave nakłada punkty kontrolne uziarnienia, które definiują dopuszczalne zakresy uziarnienia dla każdej nominalnej maksymalnej wielkości kruszywa.

Właściwości konsensusowe

Właściwości konsensusowe to cztery fizyczne wymagania dotyczące kruszywa, które zostały opracowane w ramach programu SHRP w procesie konsensusu z udziałem przedstawicieli przemysłu i agencji. Właściwości te są uważane za niezbędne do uzyskania dobrej wydajności nawierzchni niezależnie od położenia geograficznego lub źródła kruszywa. Właściwości konsensusowe są powiązane z poziomem ruchu (w milionach ESAL) i głębokością od powierzchni nawierzchni.

Kanciastość kruszywa grubego — mierzona jako procent masy cząstek kruszywa zatrzymanych na sicie 4,75 mm, które mają jedną lub więcej powierzchni przełamanych, zgodnie z ASTM D 5821. Powierzchnia przełamana jest definiowana jako powierzchnia pęknięcia o powierzchni co najmniej równej 25% maksymalnego pola przekroju poprzecznego cząstki. Wyższe poziomy ruchu wymagają wyższych procentów powierzchni przełamanych. Dla ruchu większego niż 30 milionów ESAL, 100% kruszywa grubego musi mieć co najmniej jedną powierzchnię przełamaną, a 95% musi mieć co najmniej dwie powierzchnie przełamane. Dla niskich poziomów ruchu (mniej niż 0,3 miliona ESAL), wymagania są zredukowane do 55–85% z jedną powierzchnią przełamaną i 50–80% z dwiema powierzchniami przełamanymi, w zależności od głębokości.

Kanciastość kruszywa drobnego — mierzona jako zawartość wolnej przestrzeni po niezagęszczeniu frakcji drobnego kruszywa (przechodzącej przez sito 2,36 mm) przy użyciu AASHTO T 304 (metoda A). Badanie mierzy procentową zawartość powietrza w luźno wysypanej próbce drobnego kruszywa. Wyższa zawartość wolnej przestrzeni po niezagęszczeniu wskazuje na bardziej kanciaste, sześcienne cząstki o większym tarciu wewnętrznym i odporności na koleinowanie. Dla ruchu większego niż 30 milionów ESAL, zawartość wolnej przestrzeni po niezagęszczeniu musi wynosić co najmniej 45%. Dla niskich poziomów ruchu, wymaganie może być tak niskie jak 40% dla warstw ścieralnych. Piaski naturalne (niekruszone) mają zazwyczaj zawartość wolnej przestrzeni po niezagęszczeniu wynoszącą 38–42%, podczas gdy piaski produkowane (kruszone) mogą osiągać wartości 44–48% lub wyższe.

Cząstki płaskie i wydłużone — mierzone zgodnie z ASTM D 4791 (metoda proporcjonalnego suwmiarki) dla cząstek kruszywa zatrzymanych na sicie 9,5 mm. Cząstka jest uważana za płaską i wydłużoną, gdy jej stosunek długości do grubości przekracza określoną wartość, zazwyczaj 5:1 lub 3:1 w zależności od specyfikacji. Dla systemu Superpave maksymalny dopuszczalny procent cząstek płaskich i wydłużonych (stosunek 5:1) wynosi 10% dla wszystkich poziomów ruchu. Cząstki płaskie i wydłużone są niepożądane, ponieważ mają tendencję do pękania podczas zagęszczania i obciążenia ruchem, tworząc pyły, które zmniejszają efektywną zawartość lepiszcza i mogą powodować przedwczesne pękanie.

Zawartość iłów — mierzona jako wskaźnik piaskowy (SE) przy użyciu AASHTO T 176. Badanie wskaźnika piaskowego mierzy proporcję frakcji ilastych w kruszywie przechodzącym przez sito 4,75 mm. Wskaźnik piaskowy wynoszący 45 jest zazwyczaj wymaganym minimum, co oznacza, że 45% wysokości kolumny osadu stanowią czyste cząstki piasku po flokulacji. Wyższe poziomy ruchu mogą wymagać wskaźnika piaskowego wynoszącego 50 lub więcej. Niskie wartości wskaźnika piaskowego wskazują na obecność minerałów ilastych, które mogą powodować uszkodzenia wilgotnościowe i zmniejszać przyczepność lepiszcza do kruszywa.

Właściwości źródłowe

Właściwości źródłowe to cechy kruszywa, które nie są unikalne dla systemu Superpave, ale są odziedziczone z tradycyjnych specyfikacji agencyjnych. Właściwości te są uważane za specyficzne dla źródła, ponieważ zależą od pochodzenia geologicznego kruszywa, a nie od procesu produkcyjnego. Typowe właściwości źródłowe obejmują:

Odporność na ścieranie (L.A. Abrasion) — mierzona zgodnie z AASHTO T 96 (badanie ścieralności w bębnie Los Angeles). Badanie mierzy procent ubytku masy kruszywa podczas obracania z kulami stalowymi. Maksymalny dopuszczalny ubytek wynosi zazwyczaj 35–45% w zależności od specyfikacji agencyjnych. Kruszywa z wysokim ubytkiem w badaniu L.A. są podatne na rozpad podczas budowy i pod wpływem ruchu.

Odporność na działanie sił natury (soundness) — mierzona zgodnie z AASHTO T 104 (Odporność kruszywa na działanie sił natury z użyciem siarczanu sodu lub siarczanu magnezu). Badanie symuluje wietrzenie mrozowe poprzez zanurzenie kruszywa w nasyconym roztworze soli i poddanie go cyklom moczenia i suszenia. Maksymalny dopuszczalny ubytek wynosi zazwyczaj 10–20% dla badania z siarczanem sodu.

Materiały szkodliwe — ograniczenia dotyczące procentowej zawartości łupku, bryłek ilastych, cząstek kruchych, czertu i innych niepożądanych materiałów, które mogą powodować wykwity, wyboje lub odrywanie się warstw w nawierzchni. Badania są wykonywane zgodnie z AASHTO T 112 (Bryłki ilaste i cząstki kruche w kruszywie) oraz metodami kontroli wizualnej.

Wymagania dotyczące uziarnienia

Superpave definiuje punkty kontrolne uziarnienia dla każdej nominalnej maksymalnej wielkości kruszywa (NMAS) — największego sita, na którym zatrzymuje się mniej niż 10% kruszywa. Punkty kontrolne ustalają dopuszczalny zakres procentowego przejścia przez kluczowe sita, definiując obwiednię, przez którą musi przechodzić uziarnienie kruszywa. Dostępne opcje NMAS to: 37,5 mm, 25,0 mm, 19,0 mm, 12,5 mm, 9,5 mm i 4,75 mm.

Oprócz punktów kontrolnych Superpave określa strefę zastrzeżoną — obszar krzywej uziarnienia, przez który mieszanka nie powinna przechodzić. Strefa zastrzeżona miała na celu zapobieganie nadmiernemu stosowaniu naturalnego piasku oraz zapewnienie odpowiedniego kontaktu kamień-kamień w strukturze kruszywa. Jednak późniejsze badania wykazały, że strefa zastrzeżona nie była konsekwentnie związana z wydajnością, a wiele agencji od tego czasu zmodyfikowało lub wyeliminowało wymaganie dotyczące strefy zastrzeżonej. TechBrief FHWA dotyczący projektowania mieszanek Superpave (FHWA-HIF-11-031) zauważa, że strefa zastrzeżona nie jest już uważana za obowiązkowe wymaganie w normie AASHTO M 323.

Mieszanie kruszyw jest zazwyczaj wymagane do osiągnięcia docelowego uziarnienia, ponieważ większość projektów wykorzystuje kruszywa z wielu hałd (kruszywo grube, kruszywo pośrednie, piasek produkowany, piasek naturalny i wypełniacz mineralny). Proces mieszania polega na dozowaniu każdej hałdy w celu uzyskania łącznego uziarnienia przechodzącego przez punkty kontrolne przy jednoczesnym spełnieniu wszystkich wymagań dotyczących właściwości konsensusowych i źródłowych.

Zagęszczarka żyratorowa Superpave (SGC)

Zagęszczarka żyratorowa Superpave (SGC) jest najważniejszą innowacją mechaniczną systemu Superpave. SGC zastąpiła młot udarowy Marshalla (zagęszczanie udarowe) oraz zagęszczarkę ugniatającą Hveema jako standardowe laboratoryjne urządzenie zagęszczające do przygotowywania próbek asfaltowych. SGC wytwarza próbki, które lepiej odwzorowują gęstość i orientację kruszywa osiąganą przez sprzęt zagęszczający w terenie (walce stalowe i ogumione).

SGC działa poprzez umieszczenie luźnej próbki mieszanki asfaltowej w cylindrycznej formie (150 mm średnicy do standardowych badań, 100 mm dla mniejszych próbek) i przyłożenie stałego ciśnienia pionowego 600 kPa (87 psi), podczas gdy forma jest nachylona pod kątem żyratorowym 1,25 stopnia i obracana z prędkością 30 zgięć na minutę. Połączenie ciśnienia pionowego i ruchu żyratorowego tworzy działanie ugniatające, które przemieszcza cząstki kruszywa w gęstą konfigurację podobną do tej osiąganej przez zagęszczanie walcami w terenie.

Główne parametry robocze określone przez AASHTO T 312 (Przygotowanie i określanie gęstości próbek mieszanki mineralno-asfaltowej na gorąco [HMA] za pomocą zagęszczarki żyratorowej Superpave) obejmują:

SGC definiuje trzy krytyczne liczby zgięć związane z poziomem ruchu:

Ninitial (Nini) — liczba zgięć stosowana do oceny zagęszczalności mieszanki w początkowej fazie budowy. Wynosi zazwyczaj 6–9 zgięć w zależności od poziomu ruchu. Przy Ninitial gęstość próbki musi być na poziomie lub poniżej określonego procentu teoretycznej maksymalnej gęstości (TMD) — zazwyczaj ≤91,5% dla małego ruchu (<0,3 miliona ESAL) i ≤89,0% dla dużego ruchu (≥30 milionów ESAL). Jeśli gęstość przy Ninitial jest zbyt wysoka, mieszanka jest uważana za nadmiernie podatną — będzie się zagęszczać zbyt szybko podczas budowy i może być niestabilna pod wpływem ruchu, szczególnie jeśli zawiera nadmiar naturalnego piasku.

Ndesign (Ndes) — projektowa liczba zgięć, która wytwarza gęstość próbki równoważną oczekiwanej gęstości w terenie po zagęszczeniu ruchem. Jest to podstawowy poziom zagęszczenia stosowany przy projektowaniu mieszanki. Przy Ndesign docelowa zawartość powietrza wynosi 4,0%. Liczba zgięć Ndesign waha się od 50 dla małego ruchu (<0,3 miliona ESAL) do 125 dla ruchu ≥30 milionów ESAL, zgodnie z AASHTO R 35.

Nmax — maksymalna liczba zgięć, która wytwarza gęstość nigdy nie powinna być przekroczona w terenie. Przy Nmax zawartość powietrza musi wynosić ≥2,0%. Jeśli zawartość powietrza przy Nmax jest poniżej 2,0%, mieszanka jest uważana za zbyt zagęszczalną — będzie nadmiernie zagęszczać się pod wpływem ruchu, zmniejszając zawartość powietrza poniżej minimum wymaganego dla stabilności i potencjalnie powodując koleinowanie oraz wypływanie lepiszcza (bleeding).

Projektowe zgięcia SGC według AASHTO R 35 przedstawiają się następująco:

Uwaga: Dla 3 do <10 milionów ESAL, agencje mogą według własnego uznania stosować wartości podane w nawiasach.

SGC dostarcza również cennych informacji podczas zagęszczania poprzez krzywą zagęszczania — wykres wysokości próbki (lub gęstości) w funkcji liczby zgięć. Nachylenie krzywej zagęszczania dostarcza informacji o zagęszczalności mieszanki i jej wrażliwości na wysiłek zagęszczający. Mieszanki, które zagęszczają się bardzo szybko (strome nachylenie przy małej liczbie zgięć) mogą być nadmiernie podatne, podczas gdy mieszanki zagęszczające się bardzo wolno (płytkie nachylenie przez cały czas) mogą być trudne do zagęszczenia w terenie.

Kalibracja SGC ma kluczowe znaczenie dla uzyskania spójnych i powtarzalnych wyników. Kluczowym osiągnięciem w kalibracji SGC było przyjęcie technologii pomiaru kąta wewnętrznego, która mierzy kąt żyratorowy z czujników umieszczonych wewnątrz formy próbki, a nie z zewnętrznej ramy zagęszczarki. TechBrief FHWA dotyczący zagęszczarek żyratorowych Superpave (FHWA-HIF-11-032) dokumentuje, że podatność ramy pod obciążeniem może wpływać na zewnętrzne pomiary kąta, co czyni pomiar kąta wewnętrznego niezbędnym do uzyskania spójnej gęstości próbek. Obecność zanieczyszczeń pod płytą podstawy, zużyte formy i nadmierne szczeliny między formą a płytą podstawy mogą wpływać na efektywny wewnętrzny kąt żyratorowy i muszą być kontrolowane poprzez regularną konserwację i kalibrację.

Projektowanie objętościowe mieszanki

Procedura projektowania objętościowego mieszanki Superpave jest rdzeniem projektowania mieszanki na Poziomie 1. Określa ona optymalną zawartość lepiszcza asfaltowego, która zapewnia 4,0% zawartości powietrza przy Ndesign, przy jednoczesnym spełnieniu wszystkich kryteriów objętościowych dla VMA, VFA i wskaźnika pyłowego. Procedura jest szczegółowo opisana w normach AASHTO R 35 (Projektowanie objętościowe Superpave dla mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco) i AASHTO M 323 (Standardowa specyfikacja dla projektowania objętościowego Superpave).

Zawartość powietrza (Va)

Zawartość powietrza (Va) , zwana również wolną przestrzenią w mieszance (VTM) , to objętość kieszeni powietrznych pomiędzy pokrytymi lepiszczem cząstkami kruszywa w zagęszczonej mieszance asfaltowej, wyrażona jako procent całkowitej objętości próbki. W projektowaniu mieszanek Superpave docelowa zawartość powietrza przy Ndesign jest ustalona na 4,0%. Wartość ta reprezentuje równowagę pomiędzy posiadaniem wystarczającej ilości wolnej przestrzeni dla trwałości i odporności na wypływanie lepiszcza (jeśli jest zbyt niska) a posiadaniem zbyt dużej ilości wolnej przestrzeni, która umożliwiałaby infiltrację wilgoci i przyspieszone utlenianie (jeśli jest zbyt wysoka).

Zawartość powietrza jest określana na podstawie gęstości objętościowej (Gmb) i teoretycznej maksymalnej gęstości właściwej (Gmm) mieszanki:

Va (%) = 100 × [1 - (Gmb / Gmm)]

Gęstość objętościowa (Gmb) jest mierzona na zagęszczonej próbce przy użyciu AASHTO T 166 (Standardowa metoda badania gęstości objętościowej zagęszczonej mieszanki mineralno-asfaltowej na gorąco z użyciem próbek nasyconych i suchych powierzchniowo) lub AASHTO T 275 (metoda parafinowa) dla kruszyw wchłaniających. Teoretyczna maksymalna gęstość właściwa (Gmm) jest mierzona na luźnej (niezagęszczonej) mieszance przy użyciu AASHTO T 209 (Teoretyczna maksymalna gęstość właściwa i gęstość mieszanki mineralno-asfaltowej na gorąco), powszechnie znanego jako badanie Rice’a.

Wolna przestrzeń w szkielecie mineralnym (VMA)

Wolna przestrzeń w szkielecie mineralnym (VMA) to objętość przestrzeni międzyziarnowej między cząstkami kruszywa w zagęszczonej mieszance mineralno-asfaltowej, wyrażona jako procent całkowitej objętości próbki. VMA obejmuje zarówno wolne przestrzenie powietrzne, jak i objętość zajmowaną przez efektywne lepiszcze asfaltowe. Innymi słowy, VMA reprezentuje całkowitą wolną przestrzeń dostępną w szkielecie kruszywa, która musi być wypełniona kombinacją lepiszcza asfaltowego i powietrza.

Minimalne wymagania VMA są funkcją nominalnej maksymalnej wielkości kruszywa (NMAS) i są określone w AASHTO M 323 w następujący sposób:

VMA oblicza się za pomocą następującego wzoru:

VMA (%) = 100 - (Gmb × Ps / Gsb)

Gdzie:

• Gmb = gęstość objętościowa zagęszczonej próbki
• Ps = zawartość kruszywa (% całkowitej masy mieszanki)
• Gsb = gęstość objętościowa połączonego kruszywa

Niewystarczające VMA (poniżej minimum) oznacza, że struktura kruszywa jest zbyt gęsta, aby pomieścić wystarczającą ilość lepiszcza asfaltowego dla trwałości. Grubość otoczki lepiszcza asfaltowego wokół cząstek kruszywa będzie zbyt mała, co prowadzi do przedwczesnego starzenia, wybojów i pękania. Nadmierne VMA oznacza, że struktura kruszywa jest zbyt otwarta, wymagając wysokich zawartości lepiszcza, które mogą prowadzić do wypływania lepiszcza, wykwitów lub problemów ze stabilnością.

Wymaganie VMA jest najważniejszym kryterium objętościowym dla struktury kruszywa, ponieważ bezpośrednio kontroluje przestrzeń dostępną dla lepiszcza asfaltowego. Zmiana poziomu zgięć nie zmienia wymagania VMA — uziarnienie kruszywa musi być dostosowane, aby zapewnić odpowiednie VMA niezależnie od wysiłku zagęszczającego.

Wolna przestrzeń wypełniona asfaltem (VFA)

Wolna przestrzeń wypełniona asfaltem (VFA) to procent VMA wypełniony lepiszczem asfaltowym (z wyłączeniem lepiszcza wchłoniętego). VFA jest parametrem pochodnym obliczanym z zawartości powietrza i VMA:

VFA (%) = 100 × [(VMA - Va) / VMA]

Wymagania VFA są funkcją poziomu ruchu zgodnie z AASHTO M 323:

Dla wysokich poziomów ruchu zakres VFA jest węższy i przesunięty w kierunku niższych wartości, zapewniając więcej miejsca w VMA dla wolnych przestrzeni powietrznych i gwarantując, że mieszanka nie zostanie nadmiernie wypełniona lepiszczem pod wpływem dodatkowego zagęszczenia przez ruch. Dla niskich poziomów ruchu zakres VFA pozwala na wyższą zawartość lepiszcza, poprawiając trwałość.

Wskaźnik pyłowy

Wskaźnik pyłowy (P0,075/Pbe) to stosunek procentu kruszywa przechodzącego przez sito 0,075 mm (nr 200) (P0,075) do procentu efektywnej zawartości lepiszcza asfaltowego (Pbe) w masie mieszanki. Efektywna zawartość lepiszcza to całkowita zawartość lepiszcza pomniejszona o lepiszcze wchłonięte w pory kruszywa:

P0,075/Pbe = P0,075 / Pbe

Wymagany wskaźnik pyłowy dla mieszanek Superpave wynosi zazwyczaj 0,6 do 1,2. Dla mieszanek o NMAS ≤ 25 mm, jeśli uziarnienie przebiega poniżej punktu kontrolnego sita kontrolnego (PCS), agencja może zaakceptować rozszerzony zakres 0,8 do 1,6. Wskaźnik poniżej 0,6 wskazuje na niewystarczającą ilość pyłów w mieszance, co może skutkować niskosatywnym mastyksem wypełniaczowo-lepiszczowym i zwiększonym potencjałem koleinowania. Wskaźnik powyżej 1,6 wskazuje na nadmiar pyłów, co może wytworzyć sztywny, kruchy mastyks podatny na pękanie i może również wchłaniać zbyt dużo lepiszcza.

Dobór optymalnej zawartości lepiszcza asfaltowego

Proces doboru optymalnej zawartości lepiszcza obejmuje:

1. Przygotowanie próbnych mieszanek przy czterech do pięciu różnych zawartościach lepiszcza, zazwyczaj w odstępach co 0,5% wokół szacowanego optimum.
2. Kondycjonowanie luźnej mieszanki w celu symulacji starzenia krótkoterminowego (zazwyczaj 2 godziny w temperaturze zagęszczania).
3. Zagęszczanie próbek do Ndesign przy użyciu SGC.
4. Pomiar Gmm (teoretycznej maksymalnej gęstości właściwej) i Gmb (gęstości objętościowej).
5. Obliczenie właściwości objętościowych (Va, VMA, VFA, wskaźnik pyłowy).
6. Wykreślenie właściwości objętościowych w funkcji zawartości lepiszcza i wybór zawartości lepiszcza dającej 4,0% zawartości powietrza.
7. Weryfikacja, że przy wybranej zawartości lepiszcza wszystkie kryteria objętościowe są spełnione (VMA ≥ minimum, VFA w zakresie, wskaźnik pyłowy w zakresie).
8. Sprawdzenie wymagań zagęszczania przy Ninitial (gęstość ≤ określony maksymalny procent TMD) i Nmax (zawartość powietrza ≥ 2,0%).
9. Ocena wrażliwości na wilgoć przy użyciu AASHTO T 283 z minimalnym wskaźnikiem wytrzymałości na rozciąganie (TSR) wynoszącym 80%.

Porównanie Superpave z metodą projektowania Marshalla

Metody projektowania mieszanek Marshalla i Superpave reprezentują zasadniczo różne podejścia do projektowania mieszanek asfaltowych. Chociaż obie metody ostatecznie określają optymalną zawartość lepiszcza, różnią się one sprzętem, filozofią, wskaźnikami wydajności i zakresem procesu projektowania.

Metoda Marshalla została opracowana przez Bruce’a Marshalla z Departamentu Drogowego Mississippi w 1939 roku i udoskonalona przez Korpus Inżynieryjny Armii Stanów Zjednoczonych podczas II wojny światowej do projektowania nawierzchni lotniskowych. Wykorzystuje zagęszczanie udarowe z przesuwnym młotem o masie 4,54 kg spadającym z wysokości 457 mm, wykonując 50 lub 75 uderzeń na stronę próbki. Zagęszczona próbka jest obciążana w maszynie testującej Marshalla w temperaturze 60°C w celu określenia stabilności (maksymalne obciążenie w kN) i płynności (odkształcenie pionowe w mm). Optymalna zawartość lepiszcza jest wybierana jako zawartość lepiszcza zapewniająca 4% zawartości powietrza (lub 3–5% w zależności od specyfikacji) przy jednoczesnym spełnieniu minimalnych wymagań dotyczących stabilności i zakresu płynności.

Metoda Marshalla, pomimo szerokiego zastosowania i prostoty, ma kilka uznanych ograniczeń. Zagęszczanie udarowe nie symuluje działania ugniatającego walców terenowych, wytwarzając próbki o innej orientacji kruszywa niż nawierzchnia zagęszczona w terenie. Badanie stabilności nie mierzy odpowiednio wytrzymałości na ścinanie, ale raczej kombinację ścinania i ściskania. Metoda nie uwzględnia klimatu ani poziomu ruchu w procesie projektowania — mieszanka zaprojektowana dla drogi o małym natężeniu ruchu otrzymuje taki sam wysiłek zagęszczający jak mieszanka dla autostrady międzystanowej. Ograniczenia te doprowadziły do rosnącego uznania wśród technologów asfaltowych, że metoda Marshalla przestała być użyteczna dla nowoczesnych zastosowań nawierzchni o dużym natężeniu ruchu.

Superpave bezpośrednio rozwiązuje te ograniczenia. System lepiszcza Performance Grade (PG) zapewnia, że lepiszcze jest dobierane na podstawie rzeczywistego zakresu temperatur miejsca realizacji projektu. Zagęszczarka żyratorowa stosuje działanie ugniatające, które lepiej odwzorowuje zagęszczanie w terenie. Zmienny wysiłek zagęszczający (Ndesign) wynosi od 50 do 125 zgięć w zależności od poziomu ruchu, więc nawierzchnie o dużym natężeniu ruchu otrzymują większy wysiłek zagęszczający. Właściwości konsensusowe kruszywa zapewniają odpowiednią jakość kruszywa dla danego poziomu ruchu. Skupienie na właściwościach objętościowych (VMA i VFA) zamiast na stabilności i płynności zapewnia bardziej fundamentalną podstawę dla jakości mieszanki.

Badania porównujące mieszanki Marshalla i Superpave wykazały, że mieszanki zaprojektowane metodą Superpave zazwyczaj wykazują lepszą odporność na koleinowanie, dłuższą żywotność zmęczeniową i lepszą odporność na uszkodzenia wilgotnościowe. Badanie Farooqa i in. wykazało, że mieszanki Superpave miały wyższą wytrzymałość na pośrednie rozciąganie (ITS) i moduł sprężysty (MR) niż mieszanki Marshalla. Zumrawi i Edrees stwierdzili, że konwencjonalne mieszanki Marshalla zapewniały gorszą odporność na koleinowanie i pękanie termiczne w porównaniu z mieszankami Superpave w regionach o gorącym klimacie. Raport NCHRP 573 dostarczył obszernych danych walidacyjnych z terenu, wykazując, że mieszanki Superpave generalnie dobrze sprawdzają się w rzeczywistych warunkach ruchu i środowiska.

Istnieją jednak obawy, że system Superpave produkuje mieszanki, które są „zbyt suche" — to znaczy o niższej zawartości lepiszcza asfaltowego niż jest to pożądane dla długoterminowej trwałości. Grupa Zadaniowa Ekspertów ds. Mieszanek (ETG) FHWA przyznała, że istnieją przypadki, w których wymagania Superpave mogą być nadmierne, produkując mieszanki trudne w budowie i potencjalnie mniej trwałe. Rozwiązanie, zgodnie z zaleceniami TechBrief FHWA (FHWA-HIF-11-031), nie polega po prostu na zmniejszeniu poziomów zgięć, ale na starannej ocenie wpływu wszelkich zmian na wydajność mieszanki przy użyciu badań wydajnościowych, takich jak test kołowy Hamburg lub analizator nawierzchni asfaltowych (APA) .

Superpave dla nawierzchni lotniskowych

Zastosowanie technologii Superpave do nawierzchni lotniskowych jest zgodne z normami ustanowionymi przez Federalną Administrację Lotnictwa (FAA) , która włącza zasady Superpave do swojej specyfikacji Item P-401 dla mieszanek mineralno-asfaltowych wytwarzanych w wytwórni (AC 150/5370-10H). Nawierzchnie lotniskowe stwarzają unikalne wyzwania w porównaniu z nawierzchniami drogowymi ze względu na większe obciążenia, wyższe ciśnienia w oponach i krytyczny dla bezpieczeństwa charakter operacji lotniczych.

Specyfikacja FAA P-401 rozpoznaje trzy typy uziarnienia dla mieszanek lotniskowych:

Specyfikacja P-401 zawiera specyficzne dla FAA wymagania Superpave, w tym:

Poziomy zagęszczenia żyratorowego — Mieszanki lotniskowe Superpave zazwyczaj stosują niższe poziomy zgięć niż zastosowania drogowe ze względu na różne charakterystyki obciążenia statków powietrznych. Dla lotnictwa ogólnego i lżejszych nawierzchni lotniskowych, powszechnie stosuje się 50 zgięć. Dla lotnisk obsługi komercyjnej obsługujących ciężkie statki powietrzne, można określić 75 zgięć. FAA sfinansowała badania w NCAT (Krajowym Centrum Technologii Asfaltowej) w celu walidacji odpowiednich poziomów zgięć dla zastosowań lotniskowych, uznając, że związek między laboratoryjnymi poziomami zgięć a zagęszczeniem w terenie różni się w przypadku nawierzchni lotniskowych.

Dobór lepiszcza PG z podwyższeniem klasy — FAA określa dobór lepiszcza PG na podstawie klimatu z dodatkowym podwyższeniem klasy (grade bumping) w celu uwzględnienia wyższych ciśnień w oponach statków powietrznych. Wytyczne określają, że podstawowa klasa jest określana wyłącznie na podstawie klimatu, bez podwyższania dla ruchu. Przy podwyższaniu klasy wymagane jest badanie PG Plus, jeśli górna granica temperatury wynosi 92°C lub więcej (wskazując na lepiszcze modyfikowane). Baza danych specyfikacji lepiszczy Asphalt Institute jest używana jako odniesienie. Typowe klasy lepiszczy lotniskowych obejmują PG 64-22, PG 70-22, PG 76-22 i PG 76-28, w zależności od klimatu i wymagań operacyjnych.

Wymagania dotyczące badań wydajnościowych — Specyfikacja P-401 zawiera obecnie wymóg badania z kołem obciążonym do oceny projektu mieszanki. Domyślną metodą jest użycie analizatora nawierzchni asfaltowych (APA) z ciśnieniem węża 250 psi w temperaturze 64°C zgodnie z AASHTO T 340, z maksymalną głębokością koleiny 10 mm przy 4000 przejściach. Alternatywne metody obejmują badanie APA przy 100 psi i 64°C (maks. 5 mm przy 8000 przejściach) lub test kołowy Hamburg zgodnie z AASHTO T 324 (maks. 10 mm przy 20 000 przejściach). Te wymagania dotyczące badań wydajnościowych zapewniają, że mieszanki lotniskowe są oceniane pod kątem odporności na koleinowanie w symulowanych warunkach obciążenia statków powietrznych.

Kontrola jakości i odbiór — Specyfikacja P-401 kładzie duży nacisk na kontrolę jakości, czyniąc program QC wykonawcy oddzielną pozycją płatności. Specyfikacja wymaga warsztatów QC/QA przed rozpoczęciem budowy, z udziałem inżyniera, przedstawiciela rezydenta projektu, wykonawcy, podwykonawców, laboratoriów badawczych i przedstawiciela właściciela. Odbiór opiera się na metodologii Procentu w Granicach (PWL) , z pozycjami płatności za gęstość połączeń dla podłużnych i poprzecznych połączeń konstrukcyjnych.

Pomiar zagęszczenia — FAA obecnie określa zagęszczenie jako procent teoretycznej maksymalnej gęstości (TMD) , zgodnie z praktyką drogową, zamiast poprzedniej metody procentu laboratoryjnej gęstości objętościowej. Docelowy zakres gęstości wynosi zazwyczaj 92–98% Gmm, co odpowiada 2–8% zawartości powietrza w terenie.

ICAO (Międzynarodowa Organizacja Lotnictwa Cywilnego) odnosi się do norm FAA i ASTM dotyczących materiałów nawierzchni lotniskowych poprzez swój Załącznik 14 — Lotniska oraz Podręcznik projektowania lotnisk (Doc 9157, Część 3) . Chociaż ICAO nie tworzy własnych szczegółowych specyfikacji materiałowych, wymaga, aby nawierzchnie lotniskowe były budowane i utrzymywane zgodnie z normami zapewniającymi bezpieczeństwo operacji lotniczych, co skutecznie nakazuje stosowanie metod projektowania mieszanek opartych na wydajności, takich jak Superpave, dla krytycznych nawierzchni lotniskowych.

Kontrola jakości i odbiór

Kontrola jakości (QC) i zapewnienie jakości (QA) dla mieszanek Superpave są zgodne z ustalonymi procedurami statystycznej kontroli jakości, które są niezbędne do zapewnienia, że wyprodukowana mieszanka spełnia wymagania projektowe i będzie działać zgodnie z przeznaczeniem w terenie.

Standardowe ramy odbioru dla produkcji Superpave wykorzystują metodologię Procentu w Granicach (PWL) zgodnie z AASHTO R 9 (Plany pobierania próbek do odbioru dla budowy dróg) i AASHTO R 42 (Standardowa praktyka opracowywania planu zapewnienia jakości dla mieszanki mineralno-asfaltowej na gorąco). PWL szacuje procent partii produkcyjnej, który mieści się w granicach specyfikacji na podstawie analizy statystycznej wyników badań z losowych próbek.

Kluczowe parametry QC/QA dla produkcji Superpave obejmują:

Akceptowalny poziom jakości (AQL) — Większość agencji określa minimalny PWL wynoszący 90% dla kluczowych parametrów, takich jak gęstość i zawartość powietrza. Oznacza to, że co najmniej 90% produkcji musi mieścić się w granicach specyfikacji, aby partia została przyjęta przy 100% płatności. Niższe wartości PWL skutkują obniżonymi współczynnikami płatności (obniżkami cen), podczas gdy wyższe wartości PWL mogą kwalifikować się do premii.

Badania weryfikacyjne — Agencja zazwyczaj przeprowadza niezależne badania weryfikacyjne na próbkach pobranych oddzielnie od próbek QC wykonawcy. Porównanie statystyczne przy użyciu testów F (dla wariancji) i testów t (dla średnich) określa, czy wyniki badań wykonawcy mogą być wykorzystane do odbioru. Jeśli test F lub test t wskazuje na znaczącą różnicę między wynikami wykonawcy a agencji, mogą być wymagane badania rozstrzygające lub badania w niezależnym laboratorium.

Struktura partii produkcyjnych — Produkcja Superpave jest zazwyczaj podzielona na partie po 500–1000 ton (w zależności od specyfikacji agencji), a każda partia jest podzielona na 4–5 podpartii. Z każdej podpartii pobierana jest jedna losowa próbka, co daje 4–5 próbek na partię do analizy statystycznej.

Kontrola procesu — Wykonawca utrzymuje kontrolę procesu poprzez ciągłe monitorowanie parametrów produkcji w wytwórni, w tym prędkości podawania kruszywa, temperatury palnika, zwrotu pyłów z workowni, temperatury mieszanki i warunków w silosach magazynowych. Mierniki jądrowe zawartości asfaltu są powszechnie używane do monitorowania zawartości lepiszcza w czasie rzeczywistym, podczas gdy okresowe badania laboratoryjne zapewniają weryfikację.

Badania wydajnościowe

Podczas gdy projektowanie mieszanki Superpave na Poziomie 1 opiera się na kryteriach objętościowych jako zastępczych wskaźnikach wydajności, badania wydajnościowe zapewniają bezpośredni pomiar odporności mieszanki na konkretne mechanizmy uszkodzeń. Opracowanie praktycznych badań wydajnościowych do rutynowego stosowania było przedmiotem szeroko zakrojonych badań w ramach projektów NCHRP 9-19, 9-29 i 9-33.

Analizator nawierzchni asfaltowych (APA)

Analizator nawierzchni asfaltowych (APA) zgodnie z AASHTO T 340 to badanie koleinowania z kołem obciążonym, które ocenia odporność na koleinowanie zagęszczonych próbek asfaltowych. APA wykorzystuje gumowy wąż pod ciśnieniem (zazwyczaj 100–250 psi), który naciska na prostokątną próbkę, podczas gdy koło porusza się tam i z powrotem. Głębokość koleiny jest mierzona po określonej liczbie przejść (zazwyczaj 4000–8000). APA jest szeroko stosowany przez agencje stanowe i jest badaniem wydajnościowym określonym w specyfikacji FAA P-401 dla mieszanek lotniskowych.

Test kołowy Hamburg

Test kołowy Hamburg zgodnie z AASHTO T 324 ocenia zarówno odporność na koleinowanie, jak i wrażliwość na wilgoć. Stalowe koła (szerokość 47 mm) toczą się po zagęszczonych próbkach zanurzonych w kąpieli z gorącą wodą o temperaturze 50°C. Badanie rejestruje głębokość koleiny w funkcji przejść koła aż do 20 000 przejść. Test Hamburg dostarcza dwóch kluczowych parametrów: nachylenia pełzania (koleinowanie w warunkach suchych) i punktu przegięcia odrywania (liczba przejść, przy której uszkodzenie wilgotnościowe zaczyna przyspieszać koleinowanie). Zazwyczaj wymagane jest minimum 10 000–20 000 przejść przed punktem przegięcia odrywania.

Tester wydajności mieszanek asfaltowych (AMPT)

Tester wydajności mieszanek asfaltowych (AMPT) zgodnie z AASHTO TP 79 (badanie modułu dynamicznego) i AASHTO TP 107 (badanie wskaźnika płynięcia) zapewnia kompleksową charakterystykę wydajności. Badanie modułu dynamicznego (E)* mierzy sztywność mieszanki w zakresie temperatur (4°C do 54°C) i częstotliwości obciążenia (0,1 do 25 Hz), tworząc krzywą główną charakteryzującą lepkosprężyste zachowanie mieszanki. Badanie wskaźnika płynięcia (Fn) przykłada powtarzalne osiowe obciążenie haversine do nieograniczonej próbki i mierzy skumulowane odkształcenie trwałe w funkcji cykli obciążenia. Wskaźnik płynięcia w punkcie płynięcia trzeciorzędowego jest miarą odporności na koleinowanie.

Badanie pośredniego rozciągania (IDT)

Badanie pośredniego rozciągania (IDT) zgodnie z AASHTO T 322 jest stosowane do określenia podatności pełzaniowej i wytrzymałości na rozciąganie mieszanek asfaltowych w niskich temperaturach do oceny pękania termicznego. Badanie IDT obciąża cylindryczną próbkę w poprzek jej średnicy, tworząc stosunkowo równomierne naprężenie rozciągające w płaszczyźnie pionowej. Parametr podatności pełzaniowej (D(t)) jest stosowany w modelu pękania termicznego MEPDG do przewidywania wydajności pękania niskotemperaturowego.

Wrażliwość na wilgoć

Badanie wrażliwości na wilgoć zgodnie z AASHTO T 283 (zmodyfikowany test Lottmana) jest jedynym badaniem wydajnościowym wymaganym w projektowaniu mieszanek Superpave na Poziomie 1. Przygotowuje się sześć próbek i dzieli na dwie podgrupy: jedna podgrupa jest badana na sucho, a druga jest poddawana częściowemu nasyceniu próżniowemu, a następnie cyklowi zamrażania-rozmrażania i kondycjonowaniu w ciepłej wodzie. Obie podgrupy są badane pod kątem wytrzymałości na pośrednie rozciąganie. Wskaźnik wytrzymałości na rozciąganie (TSR) oblicza się jako stosunek wytrzymałości na rozciąganie próbek kondycjonowanych do niekondycjonowanych, wyrażony w procentach. Zazwyczaj wymagane jest minimalne TSR wynoszące 80%.

Integracja badań wydajnościowych z rutynowym projektowaniem mieszanek Superpave i kontrolą jakości produkcji stanowi ciągłą ewolucję systemu w kierunku pierwotnej wizji w pełni opartej na wydajności specyfikacji. Podejście zrównoważonego projektowania mieszanek (BMD) , obecnie opracowywane i wdrażane przez wiele stanowych agencji drogowych, ma na celu bezpośredni pomiar i zrównoważenie odporności na koleinowanie, odporności na pękanie i wrażliwości na wilgoć w procesie projektowania mieszanki, wykraczając poza obecne poleganie wyłącznie na kryteriach objętościowych.