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瀝青混合料平衡設計及性能試驗方法研究進展
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瀝青混合料平衡設計及性能試驗方法研究進展
2022年08月09日    閱讀量:51734    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

摘 要

總結了瀝青混合料平衡設計流程及發展方向,調研了瀝青混合料性能試驗方法、指標及技術要求,提出了性能試驗方法未來發展建議。


關鍵詞

瀝青混合料 | 平衡設計 | 試驗方法 | 性能規范


目前國內瀝青混合料設計方法主要為馬歇爾設計方法,Superpave設計方法和法國高模量瀝青混合料設計方法在我國也有應用。馬歇爾設計方法和Superpave設計方法中的油石比(瀝青用量)主要根據體積指標確定,其關鍵是精確測定混合料各組分的相對密度,而集料的相對密度的變異性和再生材料相對密度的復雜性對VMA的最終結果產生了一定的影響瀝青網sinoasphalt.com。隨著綠色環保的理念逐漸深入,RAP的摻量也逐漸增加,新瀝青和回收瀝青之間的相互作用尚未明確,并且瀝青混合料中通常需摻入不同的外加劑以改善混合料的性能,這些因素均對體積指標的適用性提出了挑戰。加之目前尚無明確的體積指標與現場性能的關系,故混合料性能設計思想引起業內人士的關注,其中平衡設計法即遵循了這種思想。


所謂平衡設計是指瀝青混合料設計過程中,進行一系列性能試驗,以解決路面結構內部由混合料老化、荷載、氣候和結構層位置等因素引起的不同病害,達到綜合性能的平衡。該理念由美國聯邦公路局2015年成立的“平衡設計工作小組”(NCAT)提出,NCAT提出未來平衡設計的研究應向“確定每種病害模式最好的性能試驗方法”、“建立性能試驗結果和路面病害之間的關系,建立混合料設計標準”等方向發展?;诖?,本文擬在調研目前平衡設計流程的基礎上,梳理未來平衡設計重點研究方向,調研/分析既有瀝青混合料試驗方法、指標及標準,為推動平衡設計在中國的發展、促進相關試驗方法的本土標準化提供借鑒和支撐。


瀝青混合料平衡設計流程


目前,平衡設計主要在美國研究較多,NCHRP20-07項目成果表明美國主要有6個州在使用平衡設計,其它州則使用Superpave體積設計方法見瀝青混合料平衡設計主要包括“體積設計性能驗證”、“性能改進的體積設計”和“性能設計”三種流程”[1]。


體積設計性能驗證


首先根據體積設計方法確定最佳瀝青用量,然后評價混合料的抗車轍性能、抗裂性能和水損壞性能。如果混合料設計滿足性能試驗標準,則完成目標配合比設計;反之,混合料需要采用不同的原材料(集料或瀝青)或重新進行配合比設計,直至性能指標滿足要求。目前美國的Illinois、Louisiana、New Jersey、Texas和Wisconsin等州,以及我國普遍采用的馬歇爾設計方法均是采用這種流程。


性能改進的體積設計


首先根據體積設計方法確定初始集料組成和瀝青用量。然后根據性能試驗結果調整瀝青用量或混合料各組分性能要求和組成(如集料、瀝青、再生材料和添加劑),直至性能指標滿足要求。該流程只要求最終設計結果滿足性能指標要求,而體積指標可以不滿足要求。目前California州采用該流程。


性能設計


直接根據性能試驗結果確定混合料的組成和比例,可以不考慮體積指標,也可以提出瀝青和集料的最低性能要求。只要性能試驗結果滿足標準,生產時可驗證體積指標,但不受體積指標的限制。目前尚無機構采用這種流程。


可以看出,從流程(1)到流程(3)中,確定瀝青用量時,性能指標的權重在逐漸增大,選用的性能指標及標準、評價方法對最終的結果影響顯著,正如NCAT的建議,與路面病害相關的性能試驗方法、指標及標準應是未來研究的重點?,F行的混合料設計方法中,法國瀝青混合料設計方法可以看作是“平衡設計”,其針對不同地區瀝青路面所處的環境、荷載等特點,提出合適的性能要求、達到性能的平衡設計,從而完成混合料的設計,但是其相關性能試驗主要用于混合料設計階段。美國有14個州交通部門在質量保證過程中使用性能指標,主要用于判斷混合料是否滿足要求[1]。


瀝青混合料性能試驗方法概述


歐洲


歐洲的瀝青混合料性能試驗方法主要在歐洲標準EN12697系列中予以規定,如表1所示。從表1中可以看出,歐洲標準中對于每種破壞模式均有不同的試驗方法,且均有相應的指標值要求。我國在引進法國高模量瀝青混合料過程中,也引進了其中的一些試驗方法,如兩點梯形梁彎曲試驗、大尺寸車轍儀試驗和多列士試驗等。

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美國


美國針對不同病害的瀝青混合料性能試驗方法如表2所示,部分方法適用于常規的混合料設計和質量保證,其他的試驗方法更聚焦于瀝青混合料基本的性能標準和性能預測。從表2中可以看出,目前美國相關的瀝青混合料性能試驗方法主要在AASHTO標準和ASTM標準中予以規定,部分州也制定了相應的試驗方法標準,也有試驗方法正在研究開發中,尚未形成標準化文件。與歐洲規范一樣,每種病害模式均對應幾種試驗方法;相比歐洲規范,美國對瀝青路面的開裂行為進行了更為詳細的分類,包括溫度裂縫、反射裂縫、bottom-up疲勞開裂和top-down疲勞開裂。


這些性能試驗方法若要納入混合料設計中,必須提出相應的技術指標要求,以保證室內試驗與現場路面性能具有良好的相關性,同時還需考慮試驗時間、數據分析的復雜性、試驗變異性、設備可用性和成本,以及混合料設計參數的敏感性。NCHRP20-07Task406從多維度分析了混合料抗裂性能和抗車轍性能試驗的優缺點,如表3所示,并調研了美國各州交通部門和利益相關方關于每種病害所期望的試驗方法,針對每種類型的病害支持率排名前三的試驗方法如表4所示。

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2014年TTI(Texas A&M Transportation Institute)承擔的NCHRP9-57項目“Experimental Design for Field Validationof Laboratory Teststo Assess Cracking Resistance of Asphalt Mixtures"開展了一系列試驗,將室內試驗與現場驗證相結合,評價瀝青混合料的抗裂性能,并通過業主、工業界和學術界等途徑調研了不同試驗方法的特點,調研內容包括:(1)試驗方法可用性;(2)簡易性;(3)變異性;(4)對混合料參數的敏感性;(5)數據分析的復雜性;(6)試驗設備的可用性/成本;(7)實驗室與現場的相關性。調研得到不同模式排名前列的抗裂性能試驗方法如表5所示。

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中國


相比我國現行JTGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》,正在修訂的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》增加了19項瀝青混合料性能試驗方法,其中包括前述的漢堡車轍、瀝青路面分析儀、半圓彎曲法等,目前該規程正在征求意見中。


瀝青混合料性能的常見評價指標


概述

a)歐洲


歐洲的混合料評價指標以法國為例,法國瀝青混合料設計時采用多列士試驗(EN12697-12)、大尺寸車轍儀(法國車轍)(EN12697-22)、兩點梯形梁彎曲模量(EN12697-26)以及兩點梯形梁彎曲試驗(EN12697-24)評價瀝青混合料的抗水損壞性能、抗車轍性能、模量以及抗疲勞性能,并根據永久變形、抗疲勞、勁度模量、旋轉壓實后空隙率和膠結料含量對瀝青混合料進行分級,如通過兩點梯形梁試件加載100X10^4次的最小微應變,將EME瀝青混合料分為2級。


b)美國


美國24個州交通部門的混合料設計規范中規定了抗車轍性能要求,其中多數采用漢堡車轍試驗(HWTT,AASHTOT324)或瀝青路面分析儀(APA,AASHTOT340)來評價瀝青混合料的抗車轍性能。


美國8個州交通部門在現行混合料設計規范中提出抗裂性能要求。其中,部分州僅期望評價對應某一具體開裂模式的抗裂性能,其他州則期望評價瀝青混合料對應所有開裂模式的抗裂性能。目前,美國各州瀝青混合料設計規范中:(1)針對溫度開裂,有3個州(Iowa,Minnesota和Missouri)提出了要求,且試驗方法均采用盤形壓縮拉伸試驗(DCT);(2)針對反射裂縫,有4個州提出了要求,其中NewJersey和Texas使用Texas罩面試驗儀(OT),Minois使用彈性指數(I-FIT)以及Louisiana使用中等溫度條件下的SCB(SCB-Jc);(3)針對bottom-up疲勞開裂,有6個州提出了要求,其中Iowa,NewJersey和Pennsylvania使用柔性彎曲梁疲勞試驗(BBF),Minois使用I-FIT,Louisiana使用半圓彎曲SCB-Jc以及Texas使用OT,需要說明的是,Louisiana使用瀝青混合料中等溫度時的SCB-Jc試驗評價混合料所有類型的抗裂性能;(4)針對top-down疲勞開裂,僅有Mnois和Louisiana這2個州提出了要求,并且這兩個州使用I-FIT和SCB-Jc評價所有類型的抗裂性能,而非僅僅評價抵抗top-down疲勞開裂性能。


美國幾乎所有州都提出了瀝青混合料的抗水損壞性能要求,其中85%采用的試驗方法為TSR(AASHTOT283)或漢堡車轍試驗(HWTT,AASHTOT324)。


c)中國


目前中國的規范中主要采用動穩定度、破壞應變、浸水馬歇爾殘留度和劈裂強度比指標評價瀝青混合料,在一些特殊的混合料中也增加了其他指標,如引入法國瀝青混合料時,增加了疲勞和模量的指標要求。


抗裂性能試驗


a) 盤形壓縮拉伸試驗(DCT)


Buttlar等開發了DCT試驗以表征瀝青混合料的低溫抗裂性能[3]。目前該方法已納入ASTM標準(ASTMD7313),評價指標為斷裂能Gr(當峰后荷載降至0.1kN時,盤形試件被分開,荷載-CMOD曲線的下方面積)見圖1。一般認為,Gr越大,瀝青混合料的抗裂性能越好。關于試驗結果的穩定性,研究表明新拌瀝青混合料的Gr的變異系數一般為10%,瀝青混合料中摻RAP/RAS時,變異系數一般高于15%。并且高溫時,Gr對瀝青用量、集料種類及溫度敏感;而在低溫和中等溫度時,Gr對溫度和空隙率均不敏感[4]。

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"InvestigationofLowTemperatureCrackinginAsphaltPavements-PhaseII"項目成果表明,Gr與路面實際開裂狀況具有良好的相關性,并建議Gf值不應低千400J/㎡。需要說明的是350~400J/㎡是一個臨界值,在一些可以接受中等程度開裂的工程中,混合料的Gr在350~400J/㎡時允許使用,而對于一些重點工程,則建議G值不應低于600J/㎡[5]。


Buttlar等也提出了混合料設計時溫度開裂的評價標準。表面層瀝青混合料低溫開裂指標要求見表6。當Gr用于混合料設計時,需考慮實驗室拌和、壓實過程中的短期老化,建議Gr在基于舊路芯樣試驗得到的標準基礎上增加15%[5]。此外,Ge和瀝青混合料的其他黏彈性能有關(如蠕變柔量),也可作為力學模型的輸入預測瀝青混合料的溫度開裂。Dave等研究表明混合料的老化對斷裂能有一定影響[6]。Hill等[7]和Amold[8]的研究表明混合料中摻入RAP會降低DCT試驗斷裂能,DCT試驗對再生材料的摻加敏感。

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b)半圓彎曲試驗(SCB)


Marasteanu等開發了SCB試驗以評價瀝青混合料的低溫開裂[5,9],目前已納入AASHTO標準(AASHTOTP105-13)。與DCT試驗相似,SCB試驗也以瀝青混合料的斷裂能表征其抗裂性能,SCB斷裂能的變異系數一般為20%[5],試件可以為實驗室壓實成型或者現場取芯。歐洲標準EN12697-44中也規定了SCB試驗方法,其評價指標為斷裂韌性。


Li和Marasteanu等[9]基于MnRoad采用SCB試驗研究了不同瀝青(PG58-40,PG58-34和PG58-28)的斷裂能,研究結果表明,斷裂能對瀝青等級敏感。溫度為-30℃時,PG58-40的瀝青混合料斷裂能最高,PG58-28的瀝青混合料斷裂能最低;同時研究了不同集料種類(花崗巖和石灰巖)、空隙率(4%~7%)和瀝青用量(最佳瀝青用量,最佳瀝青用量+0.5%)對斷裂能的影響,研究結果表明,SCB試驗斷裂能對集料類型和空隙率敏感,對瀝青用量不敏感;當其他因素不變時,花崗巖混合料斷裂能高于石灰巖混合料;空隙率增加,斷裂能降低;增加瀝青用量并不會增加斷裂能。


Li和West的研究表明,RAP摻量為20%時,SCB斷裂能與原瀝青混合料基本一致,而摻量為40%時,則會顯著降低SCB斷裂能。NCHRPProject9-46[10]研究表明,對于高摻量RAP瀝青混合料,RAP摻量對SCB斷裂能影響不大。


與DCT試驗相似,Minois,Minnesota和Wisconsin等地的實體工程研究結果表明,SCB試驗斷裂能和觀測路段橫向裂縫的總長度相關性良好。一般建議瀝青混合料斷裂能不低于350J/㎡,若考慮瀝青混合料的老化,建議混合料斷裂能不低于400J/㎡[5]。


Mohammad等人的研究表明,SCB試驗可以預測瀝青路面抗裂性能,斷裂能JC值越大,材料的抗斷裂性能越好,當JC大于500~650J/㎡時,混合料預期可表現出良好的抗裂性能。


c) Minois柔性指數試驗(I-FIT)


與Marasteanu開發的SCB試驗不同,Minois大學開發了另一種SCB試驗以評價瀝青混合料的抗裂性能[11]。兩者不同之處在于,前者的加載模式為控制CMOD速度為0.03mm/min進行加載,后者的采用控制垂直變形速度為50mm/min進行加載,目前已納入AASHTO標準中(AASHTOTP124)。


此外,由于斷裂能Gf不能區分強而脆的混合料和軟弱有延性的混合料,故Minois大學引進了柔性指數(FI)參數,FI越高,混合料的抗裂性能越好。因此,可通過提高斷裂能降低斜率達到增加FI的目的,FI的變異系數一般在4.2%~21.3%范圍內,平均值為10%。2016年,Lippert的研究表明,橫向開裂和FI具有良好的相關性[2]。

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d)德州罩面儀(OT)


OT最初用來評價土工合成材料,2005年Zhou等人改進了OT[13],并將其用千評價HMA罩面的抗裂性能,隨后研究人員逐漸開始使用OT,并認為其是實驗室區分和評價混合料的抗裂性能的可靠方式。Loria對比了不同的HMA抗反射裂縫性能的實驗室評價方法,并認為OT是唯一經過現場驗證的實驗室方法,且實驗室性能與現場性能具有良好的相關性[14]。


OT的主要作用是模擬反射裂縫的產生和發展,目前德州規范Tex-248-F對其進行了相關約定,其被TTI和TxDOT等使用,其他州如New Jersey、Alabama等也有使用。Walubita等研究表明大多數密級配和粗級配OT試驗結果變異系數約為30%,認為其與其他重復荷載開裂試驗相比,變異系數較低[5]。


Walubita等人[15]評價了OT的關鍵試驗步驟,以優化試驗結果的重復性并將變異性降至最低。研究結果表明,試樣干燥方法、膠黏劑用量、平行試件數量、空隙率、試驗時試樣的老化和溫度變化都會影響OT測試重復性和變異性,如果方法中對這些方面進行改進或者進一步明確相關要求,可以使變異性降至最低。


OT可以有效鑒別瀝青用量、瀝青類型、集料級配和空隙率等對瀝青混合料性能的影響,并且實體工程觀測結果顯示OT試驗結果和路面實際開裂狀況相關性良好。Bennert等在Massachusetts的項目中成功采用OT鑒別反射裂縫過早產生的原因[16]。


e)瀝青混合料間接拉伸開裂試驗(IDEAL-CT)


Zhou等開發了IDEAL-CT試驗評價了瀝青混合料的抗裂性能,與IDT試驗不同的是,IDEAL-CT試驗的荷載-位移曲線不僅可以分析最大應力,還通過記錄試件完全破壞前的荷載和變形,根據斷裂力學原理推到得到CTindex。CTindex是試件厚度、Gr、峰值75%處的位移、峰值75%處的FD斜率和試件直徑的函數,CTindex越高,濕合料抗裂性能越好,并且該指標對瀝青用量敏感,目前主要用于室內混合料評價,并未用于現場驗證[17]。


車轍試驗


a) 瀝青路面分析儀(APA)


APA試驗已為AASHTO標準采納(AASHTOT340)。Kandhal和Cooley[8]在NCHRP9-17項目中研究了APA和現場車轍的相關性,結果表明,APA試驗得到的車轍深度與FHWA加速加載(FHWA-ALF)、WesTrack、MnROAD和1-80(Nevada)項目的現場車轍深度具有良好的相關性。然而,在NCAT環道的10個試驗段中,APA得到的車轍深度與現場車轍深度的相關性較差,該試驗段在加載兩年后沒有出現明顯的車轍?;谟邢薜臄祿?,APA也與其他性能試驗進行了比較,評價其用于現場車轍預測的可能性,若需根據某一工程的APA車轍深度預測現場車轍深度,需根據相近位置和交通情況建立的模型進行預估。Florida州提出的APA標準為64CC條件下,加載8000次時車轍深度最大為4.5mm。


b)漢堡車轍試驗(HWTI)


漢堡車轍試驗是由德國的Helmut-Wind Incorporated of Hamburg開發,在德國此試驗作為規范的一個要求,用于一些交通量大的行車道路,以評估抗車轍和抗剝落性能。典型的漢堡車轍曲線為平均車轍深度-加載次數的曲線,分為壓密、蠕變和剝落三個階段[9],見圖3。除車轍深度指標外,尚可采用剝落反彎點(SIP)指標,其為車轍深度突然增加時的加載次數,曲線上反映為蠕變階段和剝落階段擬合線的交點。SIP值越高,車轍深度越低的混合料性能越好。研究表明,漢堡車轍與路面性能具有良好的相關性,但是其不能區分某些混合料性能的優劣,目前漢堡車轍廣泛應用于California,Colorado,Minois以及Iowa等機構,我國相關工程中也有采納,江蘇省也驗證了德州標準對省內常用瀝青混合料的適應性。Aschenbrene等[20]研究表明HWTI與路面性能具有良好的相關性,但是有研究表明對一些性能好和差的混合料缺乏區分度。

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Edward T .Harrigan在NCHRP Project10-87中開展了美國不同地區實驗室漢堡車轍比對試驗[21],探討了試件形狀(板式、圓柱式)、不同地區設備、試件制備方式(實驗室輾壓、現場取芯)、混合料類型四個因素對于漢堡車轍試驗結果的影響程度,研究表明:(1)現場取芯與現場取車轍板的漢堡車轍試驗結果離散性較小,并且試件形狀對于漢堡車轍試驗結果的影響較??;(2)不同地區實驗室漢堡車轍深度離散性較大,剔除車轍深度離散較大樣本,車轍深度相差約5~8mm,板式與圓柱式試件車轍深度發展趨勢基本一致;(3)對于抗車轍性能優異的瀝青混合料(漢堡車轍試驗車轍深度在12.5mm以內)的瀝青混合料,離散性較小,對于抗車轍性能較差的瀝青混合料,離散性較大;(4)建議對于車轍深度較小的瀝青混合料進行重復試驗以保證試驗結果的準確性。


c) 重復荷載蠕變試驗(FlowNumber)


重復荷載蠕變試驗也叫FlowNumber(FN)試驗,其評價指標為應變速率達到最低點時的加載次數FN。FN增加,材料的抗車轍性能增加。WesTrack,MnROAD以及FHWA-ALF等實體工程的觀測結果表明,FN和混合料的抗車轍性能具有良好的相關性[22.23],同時NCHRP9-33也提出了HMA和WMA的FN標準[24]。歐標EN12697-25也規定了重復荷載蠕變試驗方法,其包括兩種加載模式,區別在于是否考慮圍壓的作用,圍壓為靜態還是動態。


d) 大尺寸車轍儀(法國車轍)(FRT)


大尺寸車轍儀也叫法國車轍試驗儀FRT,由法國路橋中心實驗室LCPC開發和研制,已在法國成功使用20a以上,并成功減少了瀝青土路面上車轍的數量,具體標準可參考EN12697-22。FRT已成功在美國得到應用,應用最多的是科羅拉多州和聯邦高速公路局的Turner- Fairbank公路研究中心(TFHRC),西部環道研究項目綜合考慮法國的評價標準和科羅拉多州的研究結果后認為FRT試驗比較保守,評價標準應為試件經30000次加載之后變形量為試件初始厚度的10%比較合適,數據表明FRT車轍深度10mm(100mm厚試件變形量達到10%)大約對應實際路面車轍深度12.5mm。


抗水損壞試驗


瀝青混合料的水損壞試驗,除各國瀝青混合料設計規范的水損壞試驗方法(如凍融劈裂、多列士等方法)外,還包括漢堡車轍試驗方法,一般評價指標為SIP。Aschenbrener研究表明在Colorado conditions的條件下,當SIP大于14000次時,混合料具有良好的抗水損壞性能(10-15a)。


盡管漢堡車轍試驗被許多公路機構廣泛采用,在試驗方法和數據分析層面依舊存在幾個問題。NCHRP9-49的成果顯示,目前SIP和車轍深度并不總是能夠準確地評價某些混合料。為更好地分析漢堡車轍試驗結果,Yin等開發了新的方法,能夠分別評價抗水損壞性能和抗車轍性能,并且精度有了顯著的提升。方法為:(1)根據車轍深度和加載次數曲線,首先采用復函數方程對漢堡車轍試驗數據進行擬合,方程包含負曲率部分和正曲率部分,曲率發生變化的臨界點代表剝落次數(SN),此時的加載次數LCSN為水損壞性能的評價參數;(2)采用Tseng-Lytton模型擬合剝落前的粘塑性應變,以SN時的斜率作為表征抗車轍性能的參數;(3)當SN出現后,定義剝落(剝落應變)引起的永久變形為總的永久性變形和預計的粘塑性應變之和,使用指數模型擬合剝落后階段,SN后車轍深度達到12.5mm所需要增加的荷載次數LCST為剝落后水穩定性的評價參數。LCSN和LCST越高,斜率越低,混合料的抗水損壞性能和抗車轍性能越好[25]。


結論與建議


a)瀝青混合料平衡設計方法最終尋求的是混合料性能的平衡,即根據不同應用環境對混合料性能的要求,提出特定使用條件下瀝青混合料性能的需求矩陣。


b)目前歐美國家有很多瀝青混合料試驗方法,但是總體而言,與方法相關的指標技術要求較少。


c)與瀝青路面病害相關的性能試驗方法是未來平衡設計發展的重點方向,目前瀝青混合料的性能試驗主要應用于配合比設計和室內評價階段,用于現場質量保證的試驗方法較少。


d)建議推進瀝青混合料性能規范,通過研究與路面性能相關聯的試驗方法、指標及技術要求,建立完善的瀝青路面質量評價手段。


建議開展相關瀝青混合料性能試驗方法、指標及技術要求的中國標準化研究,將應用場景從混合料設計階段推向現場質量保證階段,實現材料設計與施工一體化。

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標簽:綜合論文,技術中心,瀝青混凝土
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