瀝青混合料平衡設(shè)計(jì)法研究綜述

肖慶一 ， 張恒， 孫立東， 范津， 蘇剛

(河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 天津市 300401)

隨著中國(guó)公路運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，公路建設(shè)開始向高質(zhì)量轉(zhuǎn)型。據(jù)交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)，2018年末中國(guó)公路總里程為484.65萬(wàn)km，比上年增加7.31萬(wàn)km，公路養(yǎng)護(hù)里程更是達(dá)到了475.78萬(wàn)km，占公路總里程的98.2%[1]。公路建設(shè)雖不斷進(jìn)步，但車轍和裂縫仍是路面最主要的病害形式，極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(huán)境下，對(duì)新建瀝青道路就提出了更高的性能要求，如何選用更優(yōu)的配比、平衡車轍與開裂的關(guān)系，采用更合理可靠的瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法就顯得尤為重要。

中國(guó)對(duì)于瀝青混合料平衡設(shè)計(jì)法研究較少，該文主要對(duì)國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，綜述瀝青混合料平衡設(shè)計(jì)法的研究現(xiàn)狀。首先闡述瀝青混合料平衡設(shè)計(jì)法的起源與發(fā)展脈絡(luò)；明確平衡設(shè)計(jì)法的概念和3種典型的平衡設(shè)計(jì)法，通過美國(guó)對(duì)平衡設(shè)計(jì)法的應(yīng)用實(shí)踐，詳細(xì)總結(jié)平衡設(shè)計(jì)法常用的瀝青混合料車轍和開裂性能試驗(yàn)方法及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；最后基于對(duì)研究現(xiàn)狀的梳理，歸納現(xiàn)階段研究存在的不足以及對(duì)于后續(xù)平衡設(shè)計(jì)法的展望。

1 平衡設(shè)計(jì)法的起源與發(fā)展

1.1 平衡設(shè)計(jì)法的起源

目前現(xiàn)行的瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法主要有馬歇爾設(shè)計(jì)法、Superpave設(shè)計(jì)法、貝雷法以及GTM法。其中最常用的為馬歇爾法和Superpave法。馬歇爾設(shè)計(jì)法由美國(guó)密西西比州公路局的Bruce Marshell提出，是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最多、技術(shù)最成熟的設(shè)計(jì)方法，中國(guó)瀝青混合料設(shè)計(jì)規(guī)范采用此設(shè)計(jì)方法，其優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，考慮到了高溫流變特性[3]。隨著時(shí)間推移，美國(guó)許多州發(fā)現(xiàn)雖然馬歇爾設(shè)計(jì)法相對(duì)來(lái)說(shuō)抗裂性能表現(xiàn)良好，但無(wú)法較好地控制車轍[4]。大量實(shí)踐證明，室內(nèi)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果常出現(xiàn)密度和穩(wěn)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(tǒng)馬歇爾設(shè)計(jì)法的整個(gè)指標(biāo)體系與混合料的路用性能的關(guān)聯(lián)性較差，對(duì)路面結(jié)構(gòu)的各種破壞現(xiàn)象也不能起到有針對(duì)性的防治作用[5]。

為了能更好地延長(zhǎng)路面壽命，美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(SHRP)開發(fā)了Superpave設(shè)計(jì)法，Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)系統(tǒng)被賦予了3個(gè)水平，現(xiàn)階段主要應(yīng)用水平1方法，水平2與水平3因試驗(yàn)設(shè)備昂貴、設(shè)計(jì)過程復(fù)雜等原因未得到廣泛實(shí)施[6]。早期Superpave設(shè)計(jì)系統(tǒng)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(jí)路面瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)增加抗車轍測(cè)試。另外，根據(jù)Superpave設(shè)計(jì)法計(jì)算得到的路面低溫高于現(xiàn)場(chǎng)路面實(shí)際氣溫，因此Superpave設(shè)計(jì)法中計(jì)算路面設(shè)計(jì)最低溫度的公式是否準(zhǔn)確還值得商榷，這也使得利用Superpave設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的瀝青混合料在低溫性能方面存在缺陷[7]。近10年中，美國(guó)大部分州的交通部門表示目前的瀝青混合料設(shè)計(jì)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(jù)AASHTO Superpave設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整了瀝青混合料設(shè)計(jì)要求，以求提高瀝青混合料的耐久性，但Superpave設(shè)計(jì)方法的微調(diào)(降低設(shè)計(jì)空隙率、降低壓實(shí)水平)無(wú)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(xué)、可靠的新瀝青混合料設(shè)計(jì)方法。

2006年，F(xiàn)ujie Zhou和Scullion等對(duì)路面車轍與開裂之間的性能平衡進(jìn)行研究，首次提出了基于瀝青混合料抗車轍和抗開裂能力來(lái)確定最佳瀝青含量的平衡方法，這也是最早關(guān)于瀝青混合料平衡設(shè)計(jì)法的研究[9]；隨后，Scullion和Xiaodi Hu等借助此方法進(jìn)行了罩面層瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，并鋪設(shè)試驗(yàn)路，在2011年將研究成果進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)用[10]；2012年，Walubita 和Xiaodi Hu等使用ALF加速加載系統(tǒng)，把使用TxDOT法與平衡設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的瀝青混合料進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)證明采用平衡設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的瀝青混合料性能表現(xiàn)更佳[11]；同年，F(xiàn)ujie Zhou等首次對(duì)RAP混合料采用了平衡設(shè)計(jì)，以此確定最佳瀝青含量[12]；2013年，路易斯安那州交通部門提議修改規(guī)范，對(duì)瀝青混合料進(jìn)行性能試驗(yàn)評(píng)估來(lái)補(bǔ)充體積設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以此來(lái)平衡混合料的抗車轍和抗疲勞開裂性能，這也是最早規(guī)范性質(zhì)的平衡設(shè)計(jì)法[13]。在中國(guó)，馮新軍等在2011年采用車轍試驗(yàn)和低溫彎曲小梁試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行了抗開裂和抗車轍的平衡設(shè)計(jì)[14]。

2015年9月，美國(guó)聯(lián)邦公路管理局(FHWA)成立了平衡配合比設(shè)計(jì)小組，設(shè)計(jì)開發(fā)平衡配合比設(shè)計(jì)方法及平衡混合料。2018年9月底，美國(guó)國(guó)家公路合作研究計(jì)劃(NCHRP)完成開發(fā)平衡配合比設(shè)計(jì)框架的項(xiàng)目，此舉更是表明了平衡設(shè)計(jì)法的重要性[15]。

1.2 平衡設(shè)計(jì)法概念與內(nèi)涵

FHWA將平衡設(shè)計(jì)法(Balanced Mix Design，簡(jiǎn)稱BMD)定義為“對(duì)在適當(dāng)?shù)臈l件下得到的試樣進(jìn)行性能測(cè)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(jié)構(gòu)中的位置。”簡(jiǎn)而言之，BMD包含兩個(gè)或更多力學(xué)試驗(yàn)，如車轍試驗(yàn)和開裂試驗(yàn)，以評(píng)估混合料抵抗常見路面病害的表現(xiàn)。

目前有3種可應(yīng)用的BMD方法：性能試驗(yàn)驗(yàn)證體積設(shè)計(jì)、性能試驗(yàn)改進(jìn)體積設(shè)計(jì)和性能設(shè)計(jì)。

(1) 性能試驗(yàn)驗(yàn)證體積設(shè)計(jì)(Volumetric Design with Performance Verification)。以Superpave水平1體積配合比設(shè)計(jì)法為基礎(chǔ)再增加額外的性能試驗(yàn)。如果混合料不能通過性能試驗(yàn)，就要重復(fù)整個(gè)配合比設(shè)計(jì)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(yàn)驗(yàn)證體積設(shè)計(jì)一般流程如圖1所示。

圖1 性能試驗(yàn)驗(yàn)證體積設(shè)計(jì)一般流程

(2) 性能試驗(yàn)改進(jìn)體積設(shè)計(jì)(Performance-Modified Volumetric Design)。此方法也是從Superpave配合比設(shè)計(jì)方法開始，建立初始的集料級(jí)配和瀝青含量，然后調(diào)整配合比以滿足性能試驗(yàn)要求，最終設(shè)計(jì)可能不滿足所有的Superpave標(biāo)準(zhǔn)。加利福尼亞州、俄克拉荷馬州目前使用這種方法。性能試驗(yàn)改進(jìn)體積設(shè)計(jì)一般流程如圖2所示。

圖2 性能試驗(yàn)改進(jìn)體積設(shè)計(jì)一般流程

(3) 性能設(shè)計(jì)(Performance Design)：這種方法跳過了Superpave體積設(shè)計(jì)，直接使用性能試驗(yàn)來(lái)評(píng)估包含不同的集料級(jí)配和瀝青含量的混合料。此方法可以為瀝青結(jié)合料和集料的性能設(shè)定最低要求，傳統(tǒng)的體積標(biāo)準(zhǔn)可作為非強(qiáng)制性參考標(biāo)準(zhǔn)，但不能為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。此方法還未被實(shí)踐采用。性能設(shè)計(jì)一般流程如圖3所示。

圖3 性能設(shè)計(jì)一般流程

瀝青混合料平衡設(shè)計(jì)法就是要在車轍、開裂之間找到平衡點(diǎn)，瀝青用量設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，瀝青用量過多，容易產(chǎn)生車轍，而過少則容易開裂、剝落等。平衡即以剛滿足車轍標(biāo)準(zhǔn)的瀝青含量為最大值；以剛滿足開裂標(biāo)準(zhǔn)的瀝青含量為最小值，介于最大與最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(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 平衡設(shè)計(jì)法下的混合料性能評(píng)估

路面要想達(dá)到設(shè)計(jì)壽命時(shí)長(zhǎng)，就要在交通荷載和自然環(huán)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(shè)計(jì)法是在Superpave系統(tǒng)下開發(fā)的，在Superpave系統(tǒng)中，集料和瀝青黏結(jié)劑的配比主要取決于經(jīng)驗(yàn)集料的質(zhì)量特性和混合料的體積特性，如空隙率、VMA和VFA。隨著RAP和RAS的摻入，骨料比重測(cè)定不準(zhǔn)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(shè)計(jì)方法中也無(wú)法評(píng)估。因此，需要將性能測(cè)試作為混合料平衡設(shè)計(jì)程序的一部分，并且在選擇采用何種性能試驗(yàn)評(píng)估時(shí)要依據(jù)多因素，以此確保路面有更好的抗車轍和抗裂性能[16]。

2.1 車轍預(yù)估

瀝青混合料的永久變形對(duì)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(shè)計(jì)法程序中進(jìn)行車轍試驗(yàn)，對(duì)瀝青混合料車轍性能進(jìn)行預(yù)估?？偨Y(jié)目前美國(guó)各州瀝青混合料平衡設(shè)計(jì)法中的車轍試驗(yàn)方法，得到表1；表2為美國(guó)NCHRP推薦的FN和SST試驗(yàn)性能標(biāo)準(zhǔn)，因試驗(yàn)機(jī)構(gòu)和混合料各不相同，APA和HWTT試驗(yàn)性能標(biāo)準(zhǔn)因各州而異。

表1 常見的瀝青混合料車轍性能試驗(yàn)方法

表2 FN和SST試驗(yàn)性能標(biāo)準(zhǔn)

路易斯安那州采用漢堡車轍儀(HWTT)評(píng)估混合料抗車轍性能，11種混合料采用BMD第一類方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，40種混合料采用常規(guī)混合料體積設(shè)計(jì)法，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比得出，采用平衡設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的混合料車轍性能與體積設(shè)計(jì)法相似或有所提升，且都滿足規(guī)范要求[17]；加利福尼亞州采用SST和HWTT共同驗(yàn)證的方式，并在試驗(yàn)前對(duì)試件進(jìn)行短期老化；采用HWTT的還有明尼蘇達(dá)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(dá)科他州[15]。

2.2 開裂預(yù)估

開裂成為近幾年路面結(jié)構(gòu)最主要的破壞形式。Superpave的體積設(shè)計(jì)無(wú)法從根本上解決路面開裂的問題，這也正是平衡設(shè)計(jì)法要解決的核心問題。表3為平衡設(shè)計(jì)法中常見的瀝青混合料開裂性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。

表3 常見的瀝青混合料開裂性能試驗(yàn)方法

抗裂性能測(cè)試種類多樣，最常用的是SCB和OT試驗(yàn)，因采用試驗(yàn)不同，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)也不同，下文具體給出美國(guó)各州平衡設(shè)計(jì)法中采用不同組合的性能試驗(yàn)方法及性能標(biāo)準(zhǔn)。

3 平衡設(shè)計(jì)法的實(shí)施現(xiàn)狀綜述

3.1 性能試驗(yàn)驗(yàn)證體積設(shè)計(jì)法

此方法為平衡設(shè)計(jì)法的第一類方法，以Superpave水平1為基礎(chǔ)，也是目前使用最廣泛、最簡(jiǎn)捷的平衡設(shè)計(jì)法。有研究表明：性能試驗(yàn)驗(yàn)證體積設(shè)計(jì)法可同時(shí)滿足車轍、開裂和體積標(biāo)準(zhǔn)[18]。路易斯安那州采用此類平衡設(shè)計(jì)方法，并在2013年對(duì)本州規(guī)范進(jìn)行了修改，規(guī)范中室內(nèi)試驗(yàn)包括HWTT和SCB，分別用于評(píng)價(jià)車轍和常溫下開裂；瀝青混合料結(jié)果顯示：按BMD規(guī)范生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范的修改對(duì)混合料的抗車轍或抗疲勞開裂無(wú)不利影響[17]。為了解決大量使用RAP和RAS帶來(lái)的問題，伊利諾伊州交通部在2016年開始對(duì)第一類BMD方法實(shí)施研究，采用HWTT進(jìn)行車轍評(píng)估，I-FIT對(duì)開裂進(jìn)行評(píng)估，并要求最終的混合料要滿足Superpave體積標(biāo)準(zhǔn)[19]。得克薩斯州也采用第一類BMD方法，從Superpave體積設(shè)計(jì)開始，估算最佳瀝青含量，使用HWTT來(lái)評(píng)估混合料的抗車轍和抗水損害性能，并使用OT來(lái)評(píng)估抗反射裂縫和自上而下疲勞裂縫的能力，最后在滿足HWTT和OT要求的瀝青含量范圍選擇最佳瀝青含量[20]。威斯康星州交通部要求采用DCT試驗(yàn)評(píng)估混合料的低溫開裂性能，SCB試驗(yàn)評(píng)估混合料的疲勞開裂性能，車轍采用漢堡車轍儀進(jìn)行評(píng)估。

從2006年開始，新澤西州交通基礎(chǔ)設(shè)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(高RAP)”實(shí)施基于性能的瀝青混合料設(shè)計(jì)系統(tǒng)，此設(shè)計(jì)系統(tǒng)與第一類BMD方法如出一轍，即采用APA測(cè)定熱拌瀝青混合料的車轍敏感性，用OT試驗(yàn)測(cè)定混合料現(xiàn)場(chǎng)抗裂性能，并有意在后續(xù)的平衡設(shè)計(jì)系統(tǒng)中引入瀝青混合料質(zhì)量控制過程[21]。明尼蘇達(dá)州交通部利用4種瀝青含量不同的混合料，通過第一類BMD程序和性能試驗(yàn)測(cè)試瀝青含量對(duì)抗裂性和抗車轍性的影響，并選用HWTT用于車轍評(píng)估，DCT用于開裂評(píng)估，混合料間接拉伸開裂測(cè)試(Indirect Tension Asphalt Cracking Test, IDEAL-CT)用于混合料質(zhì)量控制和質(zhì)量保證(QC/QA)，試驗(yàn)結(jié)果表明：采用BMD程序設(shè)計(jì)瀝青含量更能準(zhǔn)確地平衡車轍和開裂之間的關(guān)系[22]。到2013年，弗尼吉亞州交通部已允許使用RAP含量高達(dá)45%的瀝青混合料為高RAP混合料選擇更高規(guī)格的BMD設(shè)計(jì)方法，且準(zhǔn)備在BMD設(shè)計(jì)過程中引進(jìn)QC/QA[23]；通過對(duì)瀝青混合料樣品進(jìn)行Cantabro磨耗試驗(yàn)、APA試驗(yàn)、I-FIT試驗(yàn)、IDEAL-CT試驗(yàn)的結(jié)果比較，弗尼吉亞州交通部在BMD程序中選用APA測(cè)定熱拌瀝青混合料的車轍敏感性、Cantabro進(jìn)行混合料的耐久性測(cè)試和IDEAL-CT測(cè)試混合料開裂性能[24]。中國(guó)，2011年馮新軍等利用60 ℃車轍試驗(yàn)和-10 ℃彎曲小梁試驗(yàn)進(jìn)行了基于抗車轍和抗開裂的瀝青混合料平衡設(shè)計(jì)法的研究，此方法與第一類平衡設(shè)計(jì)法類似，試驗(yàn)結(jié)果表明：平衡設(shè)計(jì)法比馬歇爾設(shè)計(jì)法能更好地平衡瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性之間的矛盾，但試驗(yàn)過程中并沒有引入混合料質(zhì)量控制和質(zhì)量保證過程。美國(guó)各州平衡設(shè)計(jì)法采取的性能試驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 各州平衡設(shè)計(jì)法采取的性能試驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表4

3.2 性能試驗(yàn)改進(jìn)體積設(shè)計(jì)法

此方法由Superpave體積設(shè)計(jì)開始，但最終的測(cè)試結(jié)果不一定都滿足Superpave體積標(biāo)準(zhǔn)，且采用較少。加利福尼亞州交通部采用了第二類BMD方法，車轍評(píng)估采用SST和HWTT雙重試驗(yàn)，試驗(yàn)前對(duì)試件進(jìn)行短期老化，利用Superpave剪切測(cè)試儀確定試件的永久剪切應(yīng)變和混合料的剛度；開裂性能測(cè)試采用BBF試驗(yàn)，試驗(yàn)前對(duì)試件進(jìn)行長(zhǎng)期老化，確定壓實(shí)瀝青混合料的疲勞壽命，加州目前正采用第二類BMD方法建造各類州際公路項(xiàng)目[25]。俄克拉荷馬州交通部在2018年對(duì)第二類BMD方法進(jìn)行研究，混合料需進(jìn)行HWTT、I-FIT、Cantabro和TSR測(cè)試，以確保混合料路用性能達(dá)標(biāo)；用于HWTT和TSR的樣品需老化2 h，I-FIT和Cantabro測(cè)試樣品需進(jìn)行長(zhǎng)期老化，但缺乏老化混合料的試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法保證混合料老化程度的統(tǒng)一性；其州交通部正對(duì)該混合料進(jìn)行長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)，以此來(lái)優(yōu)化第二類平衡設(shè)計(jì)法。

4 結(jié)論

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

(2) 平衡設(shè)計(jì)法采用的性能試驗(yàn)廣泛，不同的性能測(cè)試方法執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)不一，且目前也缺乏老化瀝青混合料的試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)，為控制瀝青混合料的質(zhì)量，應(yīng)在BMD程序中引入瀝青混合料QC/QA過程。

(3) 3類BMD方法都能夠有效地提高瀝青混合料的性能，目前第一類BMD方法使用最為簡(jiǎn)捷、廣泛。多種性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的聯(lián)合使用能夠使瀝青混合料的性能更加可靠，對(duì)比中國(guó)現(xiàn)行的馬歇爾設(shè)計(jì)方法，BMD法有著更大的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)中國(guó)混合料設(shè)計(jì)研究重點(diǎn)關(guān)注的方法與方向。