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瀝青混合料平衡設計法研究綜述

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摘要


為改善中國路面開裂的現狀、平衡道路車轍與開裂之間的關系,找到更優的瀝青混合料設計方法,對國外瀝青混合料平衡設計法進行了梳理研究。概述了馬歇爾法和Superpave設計法的不足以及平衡設計法的設計機理、起源與發展,明確三類平衡設計法的概念與內涵;總結平衡設計法混合料試驗評價方法和應用實踐現狀,得出結論:馬歇爾法應用較多、實踐較成熟;用平衡設計法設計的瀝青混合料性能更優,能更好地兼顧抗車轍與抗開裂性能、延長道路使用壽命,但現階段的平衡設計法存在開裂試驗中裂縫標準不一、試件老化標準缺乏、忽視質量控制/質量保證(QC/QA)等問題。未來可借助平衡設計法優化中國現行的瀝青混合料設計方法,引入QC/QA,制定相應的規范標準,解決車轍與開裂之間的矛盾,有效地提高中國路面的使用壽命。



關鍵詞:平衡設計法 | 綜述 | 瀝青混合料 | 車轍 | 開裂 | 性能測試


隨著中國公路運輸業的蓬勃發展,公路建設開始向高質量轉型。據交通運輸部統計,2018年末中國公路總里程為484.65萬km,比上年增加7.31萬km,公路養護里程更是達到了475.78萬km,占公路總里程的98.2%[1]。公路建設雖不斷進步,但車轍和裂縫仍是路面非常主要的病害形式,大大地降低了行車舒適性、道路美觀性和路面使用壽命[2]。在此環境下,對新建瀝青道路就提出了更高的性能要求,如何選用更優的配比、平衡車轍與開裂的關系,采用更合理可靠的瀝青混合料配合比設計方法就顯得尤為重要。

中國對于瀝青混合料平衡設計法研究較少,該文主要對國外相關文獻進行系統總結,綜述瀝青混合料平衡設計法的研究現狀。首先闡述瀝青混合料平衡設計法的起源與發展脈絡;明確平衡設計法的概念和3種典型的平衡設計法,通過美國對平衡設計法的應用實踐,詳細總結平衡設計法常用的瀝青混合料車轍和開裂性能試驗方法及試驗標準;后基于對研究現狀的梳理,歸納現階段研究存在的不足以及對于后續平衡設計法的展望。



平衡設計法的起源與發展

平衡設計法的起源

目前現行的瀝青混合料配合比設計方法主要有馬歇爾設計法、Superpave設計法、貝雷法以及GTM法。其中常用的為馬歇爾法和Superpave法。馬歇爾設計法由美國密西西比州公路局的Bruce Marshell提出,是目前國內外應用更多、技術更成熟的設計方法,中國瀝青混合料設計規范采用此設計方法,其優點是試驗方法簡單、經濟,考慮到了高溫流變特性[3]。隨著時間推移,美國許多州發現雖然馬歇爾設計法相對來說抗裂性能表現良好,但無法較好地控制車轍[4]。大量實踐證明,室內馬歇爾試驗結果常出現密度和穩定度隨瀝青用量的增加沒有明顯峰值、空隙率偏小或過大、礦料間隙率偏低等情況,傳統馬歇爾設計法的整個指標體系與混合料的路用性能的關聯性較差,對路面結構的各種破壞現象也不能起到有針對性的防治作用[5]。


為了能更好地延長路面壽命,美國公路戰略研究計劃(SHRP)開發了Superpave設計法,Superpave瀝青混合料設計系統被賦予了3個水平,現階段主要應用水平1方法,水平2與水平3因試驗設備昂貴、設計過程復雜等原因未得到廣泛實施[6]。早期Superpave設計系統中,更注重提高道路的抗車轍性能,許多州的交通部門要求在中高等級路面瀝青混合料設計時增加抗車轍測試。另外,根據Superpave設計法計算得到的路面低溫高于現場路面實際氣溫,因此Superpave設計法中計算路面設計低溫度的公式是否準確還值得商榷,這也使得利用Superpave設計法設計的瀝青混合料在低溫性能方面存在缺陷[7]。近10年中,美國大部分州的交通部門表示目前的瀝青混合料設計方法不能保證混合料的性能,且路面車轍幾乎被消除,開裂成為影響瀝青路面壽命的主要因素[8]。因此,大部分州根據AASHTO Superpave設計標準調整了瀝青混合料設計要求,以求提高瀝青混合料的耐久性,但Superpave設計方法的微調(降低設計空隙率、降低壓實水平)無法從根本上解決路面耐久性下降(開裂)的問題,使得各州開始尋找更科學、可靠的新瀝青混合料設計方法。


2006年,Fujie ZhouScullion等對路面車轍與開裂之間的性能平衡進行研究,提出了基于瀝青混合料抗車轍和抗開裂能力來確定zui佳瀝青含量的平衡方法,這也是非常早關于瀝青混合料平衡設計法的研究[9];隨后,ScullionXiaodi Hu等借助此方法進行了罩面層瀝青混合料的配合比設計,并鋪設試驗路,在2011年將研究成果進行了實際運用[10];2012年,Walubita Xiaodi Hu等使用ALF加速加載系統,把使用TxDOT法與平衡設計法設計的瀝青混合料進行了對比試驗,試驗證明采用平衡設計法設計的瀝青混合料性能表現更佳[11];同年,Fujie Zhou等對RAP混合料采用了平衡設計,以此確定zui佳瀝青含量[12];2013年,路易斯安那州交通部門提議修改規范,對瀝青混合料進行性能試驗評估來補充體積設計標準,以此來平衡混合料的抗車轍和抗疲勞開裂性能,這也是非常早規范性質的平衡設計法[13]。在中國,馮新軍等在2011年采用車轍試驗和低溫彎曲小梁試驗對瀝青混合料進行了抗開裂和抗車轍的平衡設計[14]。

20159月,美國聯邦公路管理局(FHWA)成立了平衡配合比設計小組,設計開發平衡配合比設計方法及平衡混合料。20189月底,美國國家公路合作研究計劃(NCHRP)完成開發平衡配合比設計框架的項目,此舉更是表明了平衡設計法的重要性[15]。


平衡設計法概念與內涵

FHWA將平衡設計法(Balanced Mix Design,簡稱BMD)定義為“對在適當的條件下得到的試樣進行性能測試,解決多種病害,并且考慮了交通、氣候、混合料的老化和它在路面結構中的位置?!焙喍灾?,BMD包含兩個或更多力學試驗,如車轍試驗和開裂試驗,以評估混合料抵抗常見路面病害的表現。

目前有3種可應用的BMD方法:性能試驗驗證體積設計、性能試驗改進體積設計和性能設計。

(1) 性能試驗驗證體積設計(Volumetric Design with Performance Verification)。以Superpave水平1體積配合比設計法為基礎再增加額外的性能試驗。如果混合料不能通過性能試驗,就要重復整個配合比設計過程。目前這種方法在伊利諾斯州、路易斯安那州、新澤西州、得克薩斯州和威斯康星州使用。性能試驗驗證體積設計一般流程如圖1所示。


性能試驗

1 性能試驗驗證體積設計一般流程


(2) 性能試驗改進體積設計(Performance-Modified Volumetric Design)。此方法也是從Superpave配合比設計方法開始,建立初始的集料級配和瀝青含量,然后調整配合比以滿足性能試驗要求,設計可能不滿足所有的Superpave標準。加利福尼亞州、俄克拉荷馬州目前使用這種方法。性能試驗改進體積設計一般流程如圖2所示。


2 性能試驗改進體積設計一般流程


(3) 性能設計(Performance Design):這種方法跳過了Superpave體積設計,直接使用性能試驗來評估包含不同的集料級配和瀝青含量的混合料。此方法可以為瀝青結合料和集料的性能設定的低要求,傳統的體積標準可作為非強制性參考標準,但不能為設計標準。此方法還未被實踐采用。性能設計一般流程如圖3所示。


3 性能設計一般流程


瀝青混合料平衡設計法就是要在車轍、開裂之間找到平衡點,瀝青用量設計是關鍵,瀝青用量過多,容易產生車轍,而過少則容易開裂、剝落等。平衡即以剛滿足車轍標準的瀝青含量為更大值;以剛滿足開裂標準的瀝青含量為小值,介于大與小值之間的瀝青含量值即代表了兩者的平衡。而此平衡就需要性能試驗來進行驗證。



平衡設計法下的混合料性能評估


路面要想達到設計壽命時長,就要在交通荷載和自然環境條件共同作用下保持抗車轍和抗裂能力的平衡。瀝青混合料平衡設計法是在Superpave系統下開發的,在Superpave系統中,集料和瀝青黏結劑的配比主要取決于經驗集料的質量特性和混合料的體積特性,如空隙率、VMAVFA。隨著RAPRAS的摻入,骨料比重測定不準確性增加,溫拌瀝青添加劑、聚合物、再生劑和纖維的效果在目前的體積混合設計方法中也無法評估。因此,需要將性能測試作為混合料平衡設計程序的一部分,并且在選擇采用何種性能試驗評估時要依據多因素,以此確保路面有更好的抗車轍和抗裂性能[16]。


車轍預估

瀝青混合料的永久變形對瀝青路面壽命影響較大,近幾年車轍已得到有效的控制,但仍要在平衡設計法程序中進行車轍試驗,對瀝青混合料車轍性能進行預估??偨Y目前美國各州瀝青混合料平衡設計法中的車轍試驗方法,得到表1;表2為美國NCHRP推薦的FNSST試驗性能標準,因試驗機構和混合料各不相同,APAHWTT試驗性能標準因各州而異。

1 常見的瀝青混合料車轍性能試驗方法

車轍


2 FNSST試驗性能標準


路易斯安那州采用漢堡車轍儀(HWTT)評估混合料抗車轍性能,11種混合料采用BMD一類方法進行設計,40種混合料采用常規混合料體積設計法,試驗結果對比得出,采用平衡設計法設計的混合料車轍性能與體積設計法相似或有所提升,且都滿足規范要求[17];加利福尼亞州采用SSTHWTT共同驗證的方式,并在試驗前對試件進行短期老化;采用HWTT的還有明尼蘇達州、伊利諾伊州、得克薩斯州、威斯康星州、愛荷華州、新墨西哥州、猶他州,采用APA的為弗尼吉亞州、新澤西州、喬治亞州、俄亥俄州及南達科他州[15]。


開裂預估

開裂成為近幾年路面結構主要的破壞形式。Superpave的體積設計無法從根本上解決路面開裂的問題,這也正是平衡設計法要解決的核心問題。表3為平衡設計法中常見的瀝青混合料開裂性能試驗評價方法。

3 常見的瀝青混合料開裂性能試驗方法

開裂性能



抗裂性能測試種類多樣,常用的是SCBOT試驗,因采用試驗不同,執行標準也不同,下文具體給出美國各州平衡設計法中采用不同組合的性能試驗方法及性能標準。



平衡設計法的實施現狀綜述

性能試驗驗證體積設計法

此方法為平衡設計法的一類方法,以Superpave水平1為基礎,也是目前使用廣泛、簡捷的平衡設計法。有研究表明:性能試驗驗證體積設計法可同時滿足車轍、開裂和體積標準[18]。路易斯安那州采用此類平衡設計方法,并在2013年對本州規范進行了修改,規范中室內試驗包括HWTT和SCB,分別用于評價車轍和常溫下開裂;瀝青混合料結果顯示:按BMD規范生產的混合料抗車轍性能有所提升,50%以上的混合料也均已滿足抗裂標準,規范的修改對混合料的抗車轍或抗疲勞開裂無不利影響[17]。為了解決大量使用RAP和RAS帶來的問題,伊利諾伊州交通部在2016年開始對一類BMD方法實施研究,采用HWTT進行車轍評估,I-FIT對開裂進行評估,并要求混合料要滿足Superpave體積標準[19]。得克薩斯州也采用一類BMD方法,從Superpave體積設計開始,估算zui佳瀝青含量,使用HWTT來評估混合料的抗車轍和抗水損害性能,并使用OT來評估抗反射裂縫和自上而下疲勞裂縫的能力,在滿足HWTT和OT要求的瀝青含量范圍選擇zui佳瀝青含量[20]。威斯康星州交通部要求采用DCT試驗評估混合料的低溫開裂性能,SCB試驗評估混合料的疲勞開裂性能,車轍采用漢堡車轍儀進行評估。


2006年開始,新澤西州交通基礎設施逐漸惡化,交通條件逐步惡劣,其交通部于2011年開始為“特殊瀝青混合料(RAP)”實施基于性能的瀝青混合料設計系統,此設計系統與一類BMD方法如出一轍,即采用APA測定熱拌瀝青混合料的車轍敏感性,用OT試驗測定混合料現場抗裂性能,并有意在后續的平衡設計系統中引入瀝青混合料質量控制過程[21]。明尼蘇達州交通部利用4種瀝青含量不同的混合料,通過一類BMD程序和性能試驗測試瀝青含量對抗裂性和抗車轍性的影響,并選用HWTT用于車轍評估,DCT用于開裂評估,混合料間接拉伸開裂測試(Indirect Tension Asphalt Cracking Test, IDEAL-CT)用于混合料質量控制和質量保證(QC/QA),試驗結果表明:采用BMD程序設計瀝青含量更能準確地平衡車轍和開裂之間的關系[22]。到2013年,弗尼吉亞州交通部已允許使用RAP含量高達45%的瀝青混合料為高RAP混合料選擇更高規格的BMD設計方法,且準備在BMD設計過程中引進QC/QA[23];通過對瀝青混合料樣品進行Cantabro磨耗試驗、APA試驗、I-FIT試驗、IDEAL-CT試驗的結果比較,弗尼吉亞州交通部在BMD程序中選用APA測定熱拌瀝青混合料的車轍敏感性、Cantabro進行混合料的耐久性測試和IDEAL-CT測試混合料開裂性能[24]。中國,2011年馮新軍等利用60 ℃車轍試驗和-10 ℃彎曲小梁試驗進行了基于抗車轍和抗開裂的瀝青混合料平衡設計法的研究,此方法與一類平衡設計法類似,試驗結果表明:平衡設計法比馬歇爾設計法能更好地平衡瀝青混合料高溫穩定性和低溫抗裂性之間的矛盾,但試驗過程中并沒有引入混合料質量控制和質量保證過程。美國各州平衡設計法采取的性能試驗及標準見表4。

4 各州平衡設計法采取的性能試驗及標準

性能試驗


性能試驗


性能試驗改進體積設計法

此方法由Superpave體積設計開始,但測試結果不一定都滿足Superpave體積標準,且采用較少。加利福尼亞州交通部采用了二類BMD方法,車轍評估采用SSTHWTT雙重試驗,試驗前對試件進行短期老化,利用Superpave剪切測試儀確定試件的永久剪切應變和混合料的剛度;開裂性能測試采用BBF試驗,試驗前對試件進行長期老化,確定壓實瀝青混合料的疲勞壽命,加州目前正采用二類BMD方法建造各類州際公路項目[25]。俄克拉荷馬州交通部在2018年對二類BMD方法進行研究,混合料需進行HWTT、I-FIT、CantabroTSR測試,以確?;旌狭下酚眯阅苓_標;用于HWTTTSR的樣品需老化2 h,I-FITCantabro測試樣品需進行長期老化,但缺乏老化混合料的試驗室標準,無法保證混合料老化程度的統一性;其州交通部正對該混合料進行長期性能監測,以此來優化二類平衡設計法。



結論

(1) 裂縫、車轍是瀝青路面主要的病害。瀝青混合料平衡設計法能夠在車轍與開裂之間很好地找到平衡點,讓路面兼顧抗車轍與抗裂性能。

(2) 平衡設計法采用的性能試驗廣泛,不同的性能測試方法執行的標準不一,且目前也缺乏老化瀝青混合料的試驗室標準,為控制瀝青混合料的質量,應在BMD程序中引入瀝青混合料QC/QA過程。

(3) 3BMD方法都能夠有效地提高瀝青混合料的性能,目前一類BMD方法使用更為簡捷、廣泛。多種性能試驗評價方法的聯合使用能夠使瀝青混合料的性能更加可靠,對比中國現行的馬歇爾設計方法,BMD法有著更大的優勢,是未來中國混合料設計研究關注的方法與方向。


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