瀝青混合料抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)適用性研究綜述★

李 強(qiáng) 明

(江蘇省交通運(yùn)輸廳公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210000)

裂縫為瀝青路面的典型病害，且裂縫類(lèi)型多樣。常見(jiàn)的瀝青路面裂縫包括龜裂、塊裂、縱向裂縫、橫向裂縫等。根據(jù)產(chǎn)生模式，裂縫可分為溫度裂縫、反射裂縫、疲勞裂縫等，其中疲勞裂縫一般也稱(chēng)為荷載裂縫，溫度裂縫則稱(chēng)為非荷載裂縫。瀝青混合料抗裂性能的科學(xué)評(píng)價(jià)有助于評(píng)估瀝青路面抵抗環(huán)境、荷載等對(duì)路面產(chǎn)生裂縫病害的能力。目前，針對(duì)每種開(kāi)裂模式，均有多種與其對(duì)應(yīng)的性能試驗(yàn)方法。如根據(jù)荷載作用方式，可分為兩點(diǎn)彎曲、三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲、直接拉伸和間接拉伸，試件形狀包括圓柱體、棱柱體、T型梁以及半圓柱體；根據(jù)加載模式，可分為重復(fù)加載、單次加載、正弦波加載；根據(jù)荷載控制方式，可分為恒應(yīng)變加載和恒應(yīng)力加載[1,2]。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12697系列中對(duì)于每種破壞模式均有不同的試驗(yàn)方法，且均有相應(yīng)的指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)一樣，每種病害模式均對(duì)應(yīng)幾種試驗(yàn)方法；相比歐洲標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)根據(jù)瀝青路面的開(kāi)裂性能進(jìn)行了更為詳細(xì)的裂縫標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)，包括溫度裂縫、反射裂縫、bottom-up疲勞開(kāi)裂和top-down疲勞開(kāi)裂。部分方法適用于常規(guī)的混合料設(shè)計(jì)和質(zhì)量保證，其他的試驗(yàn)方法更聚焦于瀝青混合料基本的性能標(biāo)準(zhǔn)和性能預(yù)測(cè)。目前美國(guó)相關(guān)的瀝青混合料性能試驗(yàn)方法主要在AASHTO標(biāo)準(zhǔn)和ASTM標(biāo)準(zhǔn)中予以規(guī)定，部分州也制定了相應(yīng)的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)正在修訂的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》增加了半圓彎曲法等用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂性能，目前標(biāo)準(zhǔn)正在征求意見(jiàn)中。

抗裂性能評(píng)價(jià)方法需與現(xiàn)場(chǎng)路面性能具有良好的相關(guān)性，同時(shí)還需考慮試驗(yàn)時(shí)間、數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜性、試驗(yàn)變異性、設(shè)備可用性和成本，以及混合料設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性。NCHRP 20-07 Task 406從多維度分析了混合料抗裂性能試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，并調(diào)研了美國(guó)各州交通部門(mén)和利益相關(guān)方關(guān)于每種病害所期望的試驗(yàn)方法[3]。2014年TTI(Texas A&M Transportation Institute)承擔(dān)的NCHRP9-57項(xiàng)目開(kāi)展了一系列試驗(yàn)，將室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證相結(jié)合，評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂性能，并通過(guò)業(yè)主、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界等途徑調(diào)研了不同試驗(yàn)方法的特點(diǎn)，調(diào)研內(nèi)容包括：1)試驗(yàn)方法可用性；2)簡(jiǎn)易性；3)變異性；4)對(duì)混合料參數(shù)的敏感性；5)數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜性；6)試驗(yàn)設(shè)備的可用性/成本;7)實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)性[4]。

可以看出，瀝青混合料抗裂性能評(píng)價(jià)方法是目前瀝青路面領(lǐng)域的重要議題之一，但試驗(yàn)種類(lèi)繁多，選擇最優(yōu)的試驗(yàn)方法依舊具有漫長(zhǎng)的路要走，評(píng)價(jià)指標(biāo)與路用性能的相關(guān)性、變異性、敏感性、試驗(yàn)成本等是性能試驗(yàn)方法需考慮的重要因素。另外，性能與路面病害相關(guān)聯(lián)密切，有必要結(jié)合氣候、交通量等因素評(píng)價(jià)指標(biāo)的敏感性和相關(guān)性，從而提出符合地區(qū)要求的性能評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)。

1 瀝青混合料抗裂性能評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)

根據(jù)產(chǎn)生機(jī)制，裂縫可以分為溫度裂縫、反射裂縫和疲勞裂縫。表1總結(jié)了目前評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能、抗疲勞性能和抗反射裂縫性能評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)。

表1 瀝青混合料抗裂性能評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)匯總

NCHRP 20-07 Task 406調(diào)研了美國(guó)各州交通部門(mén)和利益相關(guān)方關(guān)于每種病害所期望的試驗(yàn)方法，針對(duì)每種類(lèi)型的病害支持率排名前三的試驗(yàn)方法如表2所示，綜合表中的數(shù)據(jù)，本文主要調(diào)研半圓彎曲試驗(yàn)、直接壓縮拉伸試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)[3]。

表2 各州交通部門(mén)和瀝青路面合同方選擇的混合料性能試驗(yàn)方法

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)敏感性分析

2.1 低溫抗裂性能——半圓彎曲

Li和Marasteanu依托MnRoad試驗(yàn)路采用半圓彎曲試驗(yàn)方法研究了不同膠結(jié)料(PG58-40，PG58-34，PG58-28)對(duì)斷裂能的影響(見(jiàn)圖1～圖3)，研究發(fā)現(xiàn)瀝青混合料的斷裂能與瀝青膠結(jié)料的PG等級(jí)有關(guān)，當(dāng)試驗(yàn)溫度為-30 ℃時(shí)，PG58-40膠結(jié)料斷裂能最高，PG58-28膠結(jié)料斷裂能最低[5]。

Li等采用半圓彎曲試驗(yàn)方法研究了集料種類(lèi)(花崗巖、石灰?guī)r)、空隙率(4%和7%)和瀝青用量(最佳瀝青用量和最佳瀝青用量+0.5%)對(duì)斷裂能的影響(見(jiàn)圖4)。研究結(jié)果表明，集料種類(lèi)和空隙率對(duì)混合料斷裂能影響較大，而瀝青用量則影響較小。且混合料集料采用花崗巖時(shí)斷裂能較高；空隙率增加，斷裂能降低[5]。

Louisiana研究了斷裂能與瀝青膠結(jié)料的PG等級(jí)的關(guān)系(見(jiàn)圖5～圖7)，研究表明，斷裂能與瀝青膠結(jié)料的PG等級(jí)密切相關(guān)，且一定范圍內(nèi)隨著PG高溫性能等級(jí)的增加，混合料的斷裂能增加；當(dāng)瀝青用量增加到一定程度時(shí)，斷裂能會(huì)降低，且認(rèn)為斷裂能與瀝青高低溫等級(jí)的級(jí)差有關(guān)，級(jí)差越大，斷裂能越大[6]。

2.2 低溫抗裂性能——直接壓縮拉伸

Braham等設(shè)計(jì)了寒冷地區(qū)28種瀝青混合料，研究了集料種類(lèi)、試驗(yàn)溫度、瀝青用量和空隙率等4個(gè)參數(shù)對(duì)直接壓縮拉伸試驗(yàn)斷裂能試驗(yàn)結(jié)果的影響，研究結(jié)果(如圖8，圖9所示)表明，斷裂能對(duì)溫度具有敏感性，當(dāng)試驗(yàn)溫度為低溫等級(jí)+22 ℃時(shí)，斷裂能對(duì)瀝青用量、集料類(lèi)型和試驗(yàn)溫度敏感，且隨著瀝青用量的增加，呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)；但當(dāng)試驗(yàn)溫度為低溫等級(jí)-2 ℃和低溫等級(jí)+10 ℃時(shí)，斷裂能對(duì)瀝青用量和空隙率不敏感[7]。

Dave也證實(shí)了Braham等的研究結(jié)論，如圖10～圖13所示，且其研究表明老化對(duì)斷裂能的影響有限。從圖10～圖13中可以看出：

1)試驗(yàn)溫度對(duì)斷裂能的影響顯著，當(dāng)試驗(yàn)溫度在低溫等級(jí)以上時(shí)，隨著試驗(yàn)溫度的增加，斷裂能增加，且增加的幅度與膠結(jié)料、空隙率相關(guān)；

2)隨著空隙率增加，斷裂能顯著增加；

3)多數(shù)混合料老化后，斷裂能變化很小，其研究采用的9種瀝青混合料中，僅SBS+PPA復(fù)合改性瀝青混合料和普通瀝青混合料斷裂能變化較大，其中SBS+PPA復(fù)合改性瀝青混合料長(zhǎng)期老化后斷裂能降低了26.5%[8]。

2.3 疲勞性能試驗(yàn)——半圓彎曲

與低溫抗裂性能半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果一致，LTRC的研究表明斷裂能與膠結(jié)料的等級(jí)、老化程度及瀝青用量有關(guān)，如圖14所示[9]。

LLC以柔度指數(shù)為指標(biāo)分別研究了老化、混合料類(lèi)型、瀝青等級(jí)、瀝青改性對(duì)半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖15～圖17所示，可以看出柔度指數(shù)與老化、混合料類(lèi)型、瀝青等級(jí)均有關(guān)[10]。

2.4 疲勞性能試驗(yàn)——間接拉伸

20世紀(jì)90年代起，間接拉伸試驗(yàn)被廣泛用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫開(kāi)裂性能，Mihai Marasteanu等研究表明，蠕變?nèi)崃亢屠鞆?qiáng)度與瀝青膠結(jié)料等級(jí)、膠結(jié)料含量、集料種類(lèi)、空隙率和老化有關(guān)，且隨著溫度的增加，蠕變勁度降低，拉伸強(qiáng)度變化有限，如圖18～圖20所示[11]。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)性分析

3.1 半圓彎曲斷裂能

Dave的研究以總橫向裂縫數(shù)量的平均值(ATCTotal)表征年裂縫率，如圖21所示，從圖21中可以看出，斷裂能越高，ATCTotal值越低，兩者基本呈線性關(guān)系變化[12]。

為進(jìn)一步反映壽命周期內(nèi)裂縫特性，提出了加權(quán)平均總裂縫數(shù)(WATCTotal)的概念，在服役周期內(nèi)，每年均進(jìn)行單獨(dú)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果總體呈正態(tài)分布，得到的裂縫指標(biāo)與斷裂能的關(guān)系如圖22所示，圖22中顯示的規(guī)律與圖21所示規(guī)律基本一致[12]。

總橫向裂縫(TCTotal)是評(píng)價(jià)路面開(kāi)裂最復(fù)雜的指標(biāo)，和斷裂能的計(jì)算方法相似，TCTotal為路面全壽命周期抗裂性能指標(biāo)之和，即裂縫百分比和運(yùn)營(yíng)周期曲線下方面積，并將計(jì)算所得的結(jié)果除以服役壽命。斷裂能和總橫向裂縫的關(guān)系如圖23所示，其關(guān)系亦如圖21，圖22所示[12]。

Illinois，Minnesota等研究表明，半圓彎曲斷裂能和觀測(cè)到的橫向裂縫總長(zhǎng)度相關(guān)，如圖24所示，基本呈指數(shù)關(guān)系；Kim等的研究(如圖25所示)也得出了類(lèi)似的結(jié)論。

3.2 直接壓縮拉伸斷裂能

直接壓縮拉伸試驗(yàn)斷裂能與橫向裂縫密度的關(guān)系如圖26所示，從圖26中可以看出，當(dāng)斷裂能高于一定值時(shí)，可以將橫向裂縫密度控制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)[11]。

4 展望

1)半圓彎曲試驗(yàn)斷裂能指標(biāo)對(duì)試驗(yàn)條件與材料參數(shù)具有良好的敏感性，與現(xiàn)場(chǎng)裂縫具有良好的相關(guān)性，可作為瀝青混合料抗裂性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2)進(jìn)一步建立試驗(yàn)與材料開(kāi)裂機(jī)制之間的關(guān)系。

3)進(jìn)一步加強(qiáng)國(guó)內(nèi)工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集，建立閾值標(biāo)準(zhǔn)。