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)

隨著中國公路運輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，公路建設(shè)開始向高質(zhì)量轉(zhuǎn)型。據(jù)交通運輸部統(tǒng)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(yǎng)護(hù)里程更是達(dá)到了475.78萬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)計方法就顯得尤為重要。

中國對于瀝青混合料平衡設(shè)計法研究較少，該文主要對國外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，綜述瀝青混合料平衡設(shè)計法的研究現(xiàn)狀。首先闡述瀝青混合料平衡設(shè)計法的起源與發(fā)展脈絡(luò)；明確平衡設(shè)計法的概念和3種典型的平衡設(shè)計法，通過美國對平衡設(shè)計法的應(yīng)用實踐，詳細(xì)總結(jié)平衡設(shè)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(biāo)準(zhǔn)；最后基于對研究現(xiàn)狀的梳理，歸納現(xiàn)階段研究存在的不足以及對于后續(xù)平衡設(shè)計法的展望。

1 平衡設(shè)計法的起源與發(fā)展

1.1 平衡設(shè)計法的起源

目前現(xiàn)行的瀝青混合料配合比設(shè)計方法主要有馬歇爾設(shè)計法、Superpave設(shè)計法、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)計法由美國密西西比州公路局的Bruce Marshell提出，是目前國內(nèi)外應(yīng)用最多、技術(shù)最成熟的設(shè)計方法，中國瀝青混合料設(shè)計規(guī)范采用此設(shè)計方法，其優(yōu)點是試驗方法簡單、經(jīng)濟(jì)，考慮到了高溫流變特性[3]。隨著時間推移，美國許多州發(fā)現(xiàn)雖然馬歇爾設(shè)計法相對來說抗裂性能表現(xiàn)良好，但無法較好地控制車轍[4]。大量實踐證明，室內(nèi)馬歇爾試驗結(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)計法的整個指標(biāo)體系與混合料的路用性能的關(guān)聯(lián)性較差，對路面結(jié)構(gòu)的各種破壞現(xiàn)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(zhàn)略研究計劃(SHRP)開發(fā)了Superpave設(shè)計法，Superpave瀝青混合料設(shè)計系統(tǒng)被賦予了3個水平，現(xiàn)階段主要應(yīng)用水平1方法，水平2與水平3因試驗設(shè)備昂貴、設(shè)計過程復(fù)雜等原因未得到廣泛實施[6]。早期Superpave設(shè)計系統(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路面瀝青混合料設(shè)計時增加抗車轍測試。另外，根據(jù)Superpave設(shè)計法計算得到的路面低溫高于現(xiàn)場路面實際氣溫，因此Superpave設(shè)計法中計算路面設(shè)計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)計法設(shè)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(shè)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(jù)AASHTO Superpave設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整了瀝青混合料設(shè)計要求，以求提高瀝青混合料的耐久性，但Superpave設(shè)計方法的微調(diào)(降低設(shè)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(xué)、可靠的新瀝青混合料設(shè)計方法。

2006年，F(xiàn)ujie Zhou和Scullion等對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，并鋪設(shè)試驗路，在2011年將研究成果進(jìn)行了實際運用[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)計法設(shè)計的瀝青混合料進(jìn)行了對比試驗，試驗證明采用平衡設(shè)計法設(shè)計的瀝青混合料性能表現(xiàn)更佳[11]；同年，F(xiàn)ujie Zhou等首次對RAP混合料采用了平衡設(shè)計，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，對瀝青混合料進(jìn)行性能試驗評估來補(bǔ)充體積設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以此來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(jìn)行了抗開裂和抗車轍的平衡設(shè)計[14]。

2015年9月，美國聯(lián)邦公路管理局(FHWA)成立了平衡配合比設(shè)計小組，設(shè)計開發(fā)平衡配合比設(shè)計方法及平衡混合料。2018年9月底，美國國家公路合作研究計劃(NCHRP)完成開發(fā)平衡配合比設(shè)計框架的項目，此舉更是表明了平衡設(shè)計法的重要性[15]。

1.2 平衡設(shè)計法概念與內(nèi)涵

FHWA將平衡設(shè)計法(Balanced Mix Design，簡稱BMD)定義為“對在適當(dāng)?shù)臈l件下得到的試樣進(jìn)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(jié)構(gòu)中的位置?！焙喍灾?，BMD包含兩個或更多力學(xué)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(xiàn)。

目前有3種可應(yīng)用的BMD方法：性能試驗驗證體積設(shè)計、性能試驗改進(jìn)體積設(shè)計和性能設(shè)計。

(1) 性能試驗驗證體積設(shè)計(Volumetric Design with Performance Verification)。以Superpave水平1體積配合比設(shè)計法為基礎(chǔ)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(fù)整個配合比設(shè)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(shè)計一般流程如圖1所示。

圖1 性能試驗驗證體積設(shè)計一般流程

(2) 性能試驗改進(jìn)體積設(shè)計(Performance-Modified Volumetric Design)。此方法也是從Superpave配合比設(shè)計方法開始，建立初始的集料級配和瀝青含量，然后調(diào)整配合比以滿足性能試驗要求，最終設(shè)計可能不滿足所有的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。性能試驗改進(jìn)體積設(shè)計一般流程如圖2所示。

圖2 性能試驗改進(jìn)體積設(shè)計一般流程

(3) 性能設(shè)計(Performance Design)：這種方法跳過了Superpave體積設(shè)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(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)計標(biāo)準(zhǔn)。此方法還未被實踐采用。性能設(shè)計一般流程如圖3所示。

圖3 性能設(shè)計一般流程

瀝青混合料平衡設(shè)計法就是要在車轍、開裂之間找到平衡點，瀝青用量設(shè)計是關(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來進(jìn)行驗證。

2 平衡設(shè)計法下的混合料性能評估

路面要想達(dá)到設(shè)計壽命時長，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(shè)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(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)計法程序中進(jìn)行車轍試驗，對瀝青混合料車轍性能進(jìn)行預(yù)估?？偨Y(jié)目前美國各州瀝青混合料平衡設(shè)計法中的車轍試驗方法，得到表1；表2為美國NCHRP推薦的FN和SST試驗性能標(biāo)準(zhǔn)，因試驗機(jī)構(gòu)和混合料各不相同，APA和HWTT試驗性能標(biāo)準(zhǔn)因各州而異。

表1 常見的瀝青混合料車轍性能試驗方法

表2 FN和SST試驗性能標(biāo)準(zhǔn)

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第一類方法進(jìn)行設(shè)計，40種混合料采用常規(guī)混合料體積設(shè)計法，試驗結(jié)果對比得出，采用平衡設(shè)計法設(shè)計的混合料車轍性能與體積設(shè)計法相似或有所提升，且都滿足規(guī)范要求[17]；加利福尼亞州采用SST和HWTT共同驗證的方式，并在試驗前對試件進(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)計無法從根本上解決路面開裂的問題，這也正是平衡設(shè)計法要解決的核心問題。表3為平衡設(shè)計法中常見的瀝青混合料開裂性能試驗評價方法。

表3 常見的瀝青混合料開裂性能試驗方法

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

3 平衡設(shè)計法的實施現(xiàn)狀綜述

3.1 性能試驗驗證體積設(shè)計法

此方法為平衡設(shè)計法的第一類方法，以Superpave水平1為基礎(chǔ)，也是目前使用最廣泛、最簡捷的平衡設(shè)計法。有研究表明：性能試驗驗證體積設(shè)計法可同時滿足車轍、開裂和體積標(biāo)準(zhǔn)[18]。路易斯安那州采用此類平衡設(shè)計方法，并在2013年對本州規(guī)范進(jìn)行了修改，規(guī)范中室內(nèi)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(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年開始對第一類BMD方法實施研究，采用HWTT進(jìn)行車轍評估，I-FIT對開裂進(jìn)行評估，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)計開始，估算最佳瀝青含量，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，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(jìn)行評估。

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)”實施基于性能的瀝青混合料設(shè)計系統(tǒng)，此設(shè)計系統(tǒng)與第一類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(xiàn)場抗裂性能，并有意在后續(xù)的平衡設(shè)計系統(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(zhì)量控制和質(zhì)量保證(QC/QA)，試驗結(jié)果表明：采用BMD程序設(shè)計瀝青含量更能準(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)計方法，且準(zhǔn)備在BMD設(shè)計過程中引進(jìn)QC/QA[23]；通過對瀝青混合料樣品進(jìn)行Cantabro磨耗試驗、APA試驗、I-FIT試驗、IDEAL-CT試驗的結(jié)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(jìn)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(jìn)行了基于抗車轍和抗開裂的瀝青混合料平衡設(shè)計法的研究，此方法與第一類平衡設(shè)計法類似，試驗結(jié)果表明：平衡設(shè)計法比馬歇爾設(shè)計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。美國各州平衡設(shè)計法采取的性能試驗及標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 各州平衡設(shè)計法采取的性能試驗及標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表4

3.2 性能試驗改進(jìn)體積設(shè)計法

此方法由Superpave體積設(shè)計開始，但最終的測試結(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，車轍評估采用SST和HWTT雙重試驗，試驗前對試件進(jìn)行短期老化，利用Superpave剪切測試儀確定試件的永久剪切應(yīng)變和混合料的剛度；開裂性能測試采用BBF試驗，試驗前對試件進(jìn)行長期老化，確定壓實瀝青混合料的疲勞壽命，加州目前正采用第二類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測試，以確?；旌狭下酚眯阅苓_(dá)標(biāo)；用于HWTT和TSR的樣品需老化2 h，I-FIT和Cantabro測試樣品需進(jìn)行長期老化，但缺乏老化混合料的試驗室標(biāo)準(zhǔn)，無法保證混合料老化程度的統(tǒng)一性；其州交通部正對該混合料進(jìn)行長期性能監(jiān)測，以此來優(yōu)化第二類平衡設(shè)計法。

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(shè)計法采用的性能試驗廣泛，不同的性能測試方法執(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方法使用最為簡捷、廣泛。多種性能試驗評價方法的聯(lián)合使用能夠使瀝青混合料的性能更加可靠，對比中國現(xiàn)行的馬歇爾設(shè)計方法，BMD法有著更大的優(yōu)勢，是未來中國混合料設(shè)計研究重點關(guān)注的方法與方向。