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沥青混淆料平衡设计法研究综述

宣布日期：

2024-02-13

摘要

为要害词：平衡设计法 | 综述 | 沥青混淆料 | 趁魅辙 | 开裂 | 性能测试

改善中国路面开裂的现状、平衡门路趁魅辙与开裂之间的关系，找到更优的沥青混淆料设计要领，对外洋沥青混淆料平衡设计法进行了梳理研究。概述了马歇尔法和Superpave设计法的缺乏以及平衡设计法的设计机理、起源与生长，明确三类平衡设计法的看法与内涵；总结平衡设计法混淆料试验评价要领和应用实践现状，得出结论：马歇尔法应用较多、实践较成熟；用平衡设计法设计的沥青混淆料性能更优，能更好地兼顾抗趁魅辙与抗开裂性能、延长门路使用寿命，但现阶段的平衡设计法保存开裂试验中裂缝标准纷歧、试件老化标准缺乏、忽视质量控制/质量包管(QC/QA)等问题。未来可借助平衡设计法优化中国现行的沥青混淆料设计要领，引入QC/QA，制定相应的规范标准，解决趁魅辙与开裂之间的矛盾，有效地提高中国路面的使用寿命。

随着中国公路运输业的蓬勃生长，公路建设开始向高质量转型。据交通运输部统计，2018年末中国公路总里程为484.65万km，比上年增加7.31万km，公路养护里程更是抵达了475.78万km，占公路总里程的98.2%[1]。公路建设虽不绝进步，但趁魅辙和裂缝仍是路面很是主要的病害形式，大大地降低了行车舒适性、门路美观性和路面使用寿命[2]。在此情况下，对新建沥青门路就提出了更高的性能要求，如何选用更优的配比、平衡趁魅辙与开裂的关系，接纳更合理可靠的沥青混淆料配合比设计要领就显得尤为重要。

中国关于沥青混淆料平衡设计法研究较少，该文主要对外洋相关文献进行系统总结，综述沥青混淆料平衡设计法的研究现状。首先论述沥青混淆料平衡设计法的起源与生长脉络；明确平衡设计法的看法和3种典范的平衡设计法，通过美国对平衡设计法的应用实践，详细总结平衡设计法常用的沥青混淆料趁魅辙和开裂性能试验要领及试验标准；后基于对研究现状的梳理，归纳现阶段研究保存的缺乏以及关于后续平衡设计法的展望。

平衡设计法的起源与生长

平衡设计法的起源

目前现行的沥青混淆料配合比设计要领主要有马歇尔设计法、Superpave设计法、贝雷法以及GTM法。其中常用的为马歇尔法和Superpave法。马歇尔设计法由美国密西西比州公路局的Bruce Marshell提出，是目前海内外应用更多、技术更成熟的设计要领，中国沥青混淆料设计规范接纳此设计要领，其优点是试验要领简单、经济，考虑到了高温流变特性[3]。随着时间推移，美国许多州发明虽然马歇尔设计法相对来说抗裂性能体现良好，但无法较好地控制趁魅辙[4]。大宗实践证明，室内马歇尔试验结果常泛起密度和稳定度随沥青用量的增加没有明显峰值、空隙率偏小或过大、矿料间隙率偏低等情况，古板马歇尔设计法的整个指标体系与混淆料的路用性能的关联性较差，对路面结构的种种破坏现象也不可起到有针对性的防治作用[5]。

为了能更好地延长路面寿命，美国公路战略研究计划(SHRP)开发了Superpave设计法，Superpave沥青混淆料设计系统被付与了3个水平，现阶段主要应用水平1要领，水平2与水平3因试验设备腾贵、设计历程庞大等原因未获得广泛实施[6]。早期Superpave设计系统中，更注重提高门路的抗趁魅辙性能，许多州的交通部分要求在中高品级路面沥青混淆料设计时增加抗趁魅辙测试。另外，凭据Superpave设计法盘算获得的路面低温高于现场路面实际气温，因此Superpave设计法中盘算路面设计低温度的公式是否准确还值得商榷，这也使得利用Superpave设计法设计的沥青混淆料在低温性能方面保存缺陷[7]。近10年中，美国大部分州的交通部分体现目前的沥青混淆料设计要领不可包管混淆料的性能，且路面趁魅辙险些被消除，开裂成为影响沥青路面寿命的主要因素[8]。因此，大部分州凭据AASHTO Superpave设计标准调解了沥青混淆料设计要求，以求提高沥青混淆料的耐久性，但Superpave设计要领的微调(降低设计空隙率、降低压实水平)无法从基础上解决路面耐久性下降(开裂)的问题，使得各州开始寻找更科学、可靠的新沥青混淆料设计要领。

2006年，Fujie Zhou和Scullion等对路面趁魅辙与开裂之间的性能平衡进行研究，提出了基于沥青混淆料抗趁魅辙和抗开裂能力来确定zui佳沥青含量的平衡要领，这也是很是早关于沥青混淆料平衡设计法的研究[9]；随后，Scullion和Xiaodi Hu等借助此要领进行了罩面层沥青混淆料的配合比设计，并铺设试验路，在2011年将研究结果进行了实际运用[10]；2012年，Walubita 和Xiaodi Hu等使用ALF加速加载系统，把使用TxDOT法与平衡设计法设计的沥青混淆料进行了比照试验，试验证明接纳平衡设计法设计的沥青混淆料性能体现更佳[11]；同年，Fujie Zhou等对RAP混淆料接纳了平衡设计，以此确定zui佳沥青含量[12]；2013年，路易斯安那州交通部分提议修改规范，对沥青混淆料进行性能试验评估来增补体积设计标准，以此来平衡混淆料的抗趁魅辙和抗疲劳开裂性能，这也是很是早规范性质的平衡设计法[13]。在中国，冯新军等在2011年接纳趁魅辙试验和低温弯曲小梁试验对沥青混淆料进行了抗开裂和抗趁魅辙的平衡设计[14]。

2015年9月，美国联邦公路治理局(FHWA)建立了平衡配合比设计小组，设计开发平衡配合比设计要领及平衡混淆料。2018年9月底，美国国家公路相助研究计划(NCHRP)完成开发平衡配合比设计框架的项目，此举更是标明了平衡设计法的重要性[15]。

平衡设计法看法与内涵

FHWA将平衡设计法(Balanced Mix Design，简称BMD)界说为“对在适当的条件下获得的试样进行性能测试，解决多种病害，并且考虑了交通、气候、混淆料的老化和它在路面结构中的位置。”简而言之，BMD包括两个或更多力学试验，如趁魅辙试验和开裂试验，以评估混淆料对抗常见路面病害的体现。

目前有3种可应用的BMD要领：性能试验验证体积设计、性能试验革新体积设计和性能设计。

(1) 性能试验验证体积设计(Volumetric Design with Performance Verification)。以Superpave水平1体积配合比设计法为基础再增加特另外性能试验。如果混淆料不可通过性能试验，就要重复整个配合比设计历程。目前这种要领在伊利诺斯州、路易斯安那州、新泽西州、得克萨斯州和威斯康星州使用。性能试验验证体积设计一般流程如图1所示。

沥青混淆料平衡设计法研究综述

图1 性能试验验证体积设计一般流程

(2) 性能试验革新体积设计(Performance-Modified Volumetric Design)。此要领也是从Superpave配合比设计要领开始，建立初始的集料级配和沥青含量，然后调解配合比以满足性能试验要求，设计可能不满足所有的Superpave标准。加利福尼亚州、俄克拉荷马州目前使用这种要领。性能试验革新体积设计一般流程如图2所示。

沥青混淆料平衡设计法研究综述

图2 性能试验革新体积设计一般流程

(3) 性能设计(Performance Design)：这种要领跳过了Superpave体积设计，直接使用性能试验来评估包括差别的集料级配和沥青含量的混淆料。此要领可以为沥青结合料和集料的性能设定的低要求，古板的体积标准可作为非强制性参考标准，但不可为设计标准。此要领还未被实践接纳。性能设计一般流程如图3所示。

沥青混淆料平衡设计法研究综述

图3 性能设计一般流程

沥青混淆料平衡设计法就是要在趁魅辙、开裂之间找到平衡点，沥青用量设计是要害，沥青用量过多，容易爆发趁魅辙，而过少则容易开裂、剥落等。平衡即以刚满足趁魅辙标准的沥青含量为更大值；以刚满足开裂标准的沥青含量为小值，介于大与小值之间的沥青含量值即代表了两者的平衡。而此平衡就需要性能试验来进行验证。

平衡设计法下的混淆料性能评估

路面要想抵达设计寿命时长，就要在交通荷载和自然情况条件配相助用下坚持抗趁魅辙和抗裂能力的平衡。沥青混淆料平衡设计法是在Superpave系统下开发的，在Superpave系统中，集料和沥青黏结剂的配比主要取决于经验集料的质量特性和混淆料的体积特性，如空隙率、VMA和VFA。随着RAP和RAS的掺入，骨料比重测定禁绝确性增加，温拌沥青添加剂、聚合物、再生剂和纤维的效果在目前的体积混淆设计要领中也无法评估。因此，需要将性能测试作为混淆料平衡设计程序的一部分，并且在选择接纳何种性能试验评估时要依据多因素，以此确保路面有更好的抗趁魅辙和抗裂性能[16]。

趁魅辙预估

沥青混淆料的永久变形对沥青路面寿命影响较大，近几年趁魅辙已获得有效的控制，但仍要在平衡设计法程序中进行趁魅辙试验，对沥青混淆料趁魅辙性能进行预估。总结目前美国各州沥青混淆料平衡设计法中的趁魅辙试验要领，获得表1；表2为美国NCHRP推荐的FN和SST试验性能标准，因试验机构和混淆料各不相同，APA和HWTT试验性能标准因各州而异。

沥青混淆料平衡设计法研究综述

表1 常见的沥青混淆料趁魅辙性能试验要领

沥青混淆料平衡设计法研究综述

表2 FN和SST试验性能标准

路易斯安那州接纳汉堡趁魅辙仪(HWTT)评估混淆料抗趁魅辙性能，11种混淆料接纳BMD一类要领进行设计，40种混淆料接纳通例混淆料体积设计法，试验结果比照得出，接纳平衡设计法设计的混淆料趁魅辙性能与体积设计法相似或有所提升，且都满足规范要求[17]；加利福尼亚州接纳SST和HWTT配合验证的方法，并在试验前对试件进行短期老化；接纳HWTT的另有明尼苏达州、伊利诺伊州、得克萨斯州、威斯康星州、爱荷华州、新墨西哥州、犹他州，接纳APA的为弗尼吉亚州、新泽西州、乔治亚州、俄亥俄州及南达科他州[15]。

开裂预估

开裂成为近几年路面结构主要的破坏形式。Superpave的体积设计无法从基础上解决路面开裂的问题，这也正是平衡设计法要解决的焦点问题。表3为平衡设计法中常见的沥青混淆料开裂性能试验评价要领。

沥青混淆料平衡设计法研究综述

表3 常见的沥青混淆料开裂性能试验要领

抗裂性能测试种类多样，常用的是SCB和OT试验，因接纳试验差别，执行标准也差别，下文具体给出美国各州平衡设计法中接纳差别组合的性能试验要领及性能标准。

平衡设计法的实施现状综述

性能试验验证体积设计法

此要领为平衡设计法的一类要领，以Superpave水平1为基础，也是目前使用广泛、简捷的平衡设计法。有研究标明：性能试验验证体积设计法可同时满足趁魅辙、开裂和体积标准[18]。路易斯安那州接纳此类平衡设计要领，并在2013年对本州规范进行了修改，规范中室内试验包括HWTT和SCB，划分用于评价趁魅辙和常温下开裂；沥青混淆料结果显示：按BMD规范生产的混淆料抗趁魅辙性能有所提升，50%以上的混淆料也均已满足抗裂标准，规范的修改对混淆料的抗趁魅辙或抗疲劳开裂无倒运影响[17]。为了解决大宗使用RAP和RAS带来的问题，伊利诺伊州交通部在2016年开始对一类BMD要领实施研究，接纳HWTT进行趁魅辙评估，I-FIT对开裂进行评估，并要求混淆料要满足Superpave体积标准[19]。得克萨斯州也接纳一类BMD要领，从Superpave体积设计开始，估算zui佳沥青含量，使用HWTT来评估混淆料的抗趁魅辙和抗水损害性能，并使用OT来评估抗反射裂缝和自上而下疲劳裂缝的能力，在满足HWTT和OT要求的沥青含量规模选择zui佳沥青含量[20]。威斯康星州交通部要求接纳DCT试验评估混淆料的低温开裂性能，SCB试验评估混淆料的疲劳开裂性能，趁魅辙接纳汉堡趁魅辙仪进行评估。

从2006年开始，新泽西州交通基础设施逐渐恶化，交通条件逐步卑劣，其交通部于2011年开始为“特殊沥青混淆料(高RAP)”实施基于性能的沥青混淆料设计系统，此设计系统与一类BMD要领如出一辙，即接纳APA测定热拌沥青混淆料的趁魅辙敏感性，用OT试验测定混淆料现场抗裂性能，并有意在后续的平衡设计系统中引入沥青混淆料质量控制历程[21]。明尼苏达州交通部利用4种沥青含量差别的混淆料，通过一类BMD程序和性能试验测试沥青含量对抗裂性和抗趁魅辙性的影响，并选用HWTT用于趁魅辙评估，DCT用于开裂评估，混淆料间接拉伸开裂测试(Indirect Tension Asphalt Cracking Test, IDEAL-CT)用于混淆料质量控制和质量包管(QC/QA)，试验结果标明：接纳BMD程序设计沥青含量更能准确地平衡趁魅辙和开裂之间的关系[22]。到2013年，弗尼吉亚州交通部已允许使用RAP含量高达45%的沥青混淆料为高RAP混淆料选择更高规格的BMD设计要领，且准备在BMD设计历程中引进QC/QA[23]；通过对沥青混淆料样品进行Cantabro磨耗试验、APA试验、I-FIT试验、IDEAL-CT试验的结果比较，弗尼吉亚州交通部在BMD程序中选用APA测定热拌沥青混淆料的趁魅辙敏感性、Cantabro进行混淆料的耐久性测试和IDEAL-CT测试混淆料开裂性能[24]。中国，2011年冯新军等利用60 ℃趁魅辙试验和-10 ℃弯曲小梁试验进行了基于抗趁魅辙和抗开裂的沥青混淆料平衡设计法的研究，此要领与一类平衡设计法类似，试验结果标明：平衡设计法比马歇尔设计法能更好地平衡沥青混淆料高温稳定性和低温抗裂性之间的矛盾，但试验历程中并没有引入混淆料质量控制和质量包管历程。美国各州平衡设计法接纳的性能试验及标准见表4。

沥青混淆料平衡设计法研究综述

沥青混淆料平衡设计法研究综述

表4 各州平衡设计法接纳的性能试验及标准

性能试验革新体积设计法

此要领由Superpave体积设计开始，但测试结果纷歧建都满足Superpave体积标准，且接纳较少。加利福尼亚州交通部接纳了二类BMD要领，趁魅辙评估接纳SST和HWTT双重试验，试验前对试件进行短期老化，利用Superpave剪切测试仪确定试件的永久剪切应变和混淆料的刚度；开裂性能测试接纳BBF试验，试验前对试件进行恒久老化，确定压实沥青混淆料的疲劳寿命，加州目前正接纳二类BMD要领建造种种州际公路项目[25]。俄克拉荷马州交通部在2018年对二类BMD要领进行研究，混淆料需进行HWTT、I-FIT、Cantabro和TSR测试，以确�；煜下酚眯阅艽锉�；用于HWTT和TSR的样品需老化2 h，I-FIT和Cantabro测试样品需进行恒久老化，但缺乏老化混淆料的试验室标准，无法包管混淆料老化水平的统一性；其州交通部正对该混淆料进行恒久性能监测，以此来优化二类平衡设计法。

结论

(1) 裂缝、趁魅辙是沥青路面主要的病害。沥青混淆料平衡设计法能够在趁魅辙与开裂之间很好地找到平衡点，让路面兼顾抗趁魅辙与抗裂性能。

(2) 平衡设计法接纳的性能试验广泛，差别的性能测试要领执行的标准纷歧，且目前也缺乏老化沥青混淆料的试验室标准，为控制沥青混淆料的质量，应在BMD程序中引入沥青混淆料QC/QA历程。

(3) 3类BMD要领都能够有效地提高沥青混淆料的性能，目前一类BMD要领使用更为简捷、广泛。多种性能试验评价要领的联合使用能够使沥青混淆料的性能越发可靠，比照中国现行的马歇尔设计要领，BMD法有着更大的优势，是未来中国混淆料设计研究关注的要领与偏向。

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