DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.08.038

基于使用性能的浇注式沥青混凝土设计

张肖宁¹，陈剑华^{1, 2}，邹桂莲¹，樊钊甫¹，曾利文^{1, 3}，徐伟¹

(1. 华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州，510641；

2. 交通运输部公路科学研究院，北京，100088；

3. 广东交通实业投资公司，广东 广州，510623)

摘 要：

浇注式沥青混凝土使用中容易出现的高温车辙、疲劳开裂问题，提出浇注式沥青混凝土“四阶段设计法”确保高温性能与疲劳性能的平衡；基于黏弹力学原理，提出动稳定度为浇注式沥青混凝土高温性能评价指标，通过大型加速加载试验进行验证其可靠性；基于断裂力学和能量法原理，提出冲击韧性为浇注式沥青混凝土疲劳性能评价指标，通过试验建立起冲击韧性和四点弯曲疲劳寿命的关系。研究结果表明：动稳定度可准确反映浇注式沥青混凝土高温抗变形能力；冲击韧性和疲劳性能之间有良好的线性相关性，采用冲击韧性能有效评价浇注式沥青混凝土疲劳性能。

关键词：

路面工程；沥青混凝土；“四阶段设计法”；加速加载试验；高温性能；动稳定度；疲劳性能；冲击韧性；

中图分类号：U416             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)08-2828-07

Mastic asphalt concrete design based on application performance

ZHANG Xiaoning¹, CHEN Jianhua¹, ZOU Guilian¹, FAN Zhaofu¹, ZENG Liwen^{1, 2}, XU Wei¹

(1. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China;

2. Highway Research Institute, MOC, Beijing 100088, China;

3. Guangdong Traffic Industrial Investment Company, Guangzhou 510623 China)

Abstract: Rutting and fatigue cracking are common ticklish problems in the use of mastic asphalt on the steel bridge deck pavement. “Four stage design method” was put forward to ensure the balance between the high temperature performance and fatigue performance of mastic asphalt concrete. Based on the theory of viscoelastic mechanics, the dynamic stability was proposed to evaluate the high temperature performance of mastic asphalt, and its reliability was verified by the large accelerated loading test. On the basis of the principle of fracture mechanics and energy method, the impact toughness is presented to evaluate the fatigue performance of mastic asphalt, and the relationship between impact toughness and four-point bending fatigue life was set up by tests. The results show that the high temperature deformation resistance of mastic asphalt concrete can be accurately reflected by the dynamic stability; there is excellent linear relationship between the impact toughness and fatigue performance, and the fatigue performance of mastic asphalt can be effectively evaluated by the impact toughness.

Key words: pavement engineering; mastic asphalt; four-step design method; accelerated pavement testing; high temperature performance; dynamic stability; fatigue performance; impact toughness

随着我国大跨径钢桥建设快速发展，应用浇注式沥青混凝土桥面铺装方案的桥梁数量越来越多，先后在江阴长江大桥、香港青马大桥、胜利黄河大桥、台湾高屏溪大桥、深港西部通道等大跨径钢桥面铺装中得到应用。但是浇注式沥青混凝土铺装结构在实际使用过程中暴露出2个主要问题：首先，由于浇注式沥青混合料是一种完全悬浮式结构混合料，粗骨料间难以形成嵌挤状态，其抵抗变形能力主要依靠沥青与集料的黏结力和沥青的内聚力，温度影响大，因而高温稳定性差^[1-2]。这种铺装结构在汽车荷载反复作用下，容易使得混合料产生蠕变形成永久变形积累，尤其是南方高温地区封闭式箱梁内部温度较高等引起铺装温度过高及汽车荷载过重的情况下，极易发生车辙病害，导致交通事故^[3]。其次，随着使用年限增加和繁重交通负荷作用，浇注式沥青混凝土桥面铺装出现了不少病害，其中最常见的病害是疲劳裂缝^[4-6]。这主要是由于浇注式沥青混凝土的拌合生产工艺非常特殊，需要在近240 ℃高温拌合45 min以上，不可避免浇注式沥青混凝土发生超热氧老化情况。若超热拌合时间过长，则容易导致沥青路面出现疲劳裂缝。况且浇注式沥青混凝土是非均质的、感温性强的多向性材料，其内部有很多微孔隙和微裂缝，这些材料固有缺陷在温度和行车荷载的重复加载以及钢桥面板负弯矩区反复弯拉作用下，尤其是严重超载引起铺装表面拉应变过大或者因桥面系结构刚度不足引起铺装表面拉应变过大的情况下，更会加快演化发展，形成宏观疲劳裂缝最终导致疲劳破坏，严重影响铺装的使用功能。本文作者针对浇注式沥青混凝土桥面铺装中出现的主要问题，提出基于使用性能指标的“四阶段设计法”；针对现有高温性能评价方法及指标不足，提出新的高温性能设计评价指标，通过加速加载试验验证其可靠性；针对材料设计中缺乏疲劳性能评价指标，提出疲劳性能设计评价指标，通过疲劳试验验证其与疲劳寿命的相关性。

1  浇注式沥青混凝土“四阶段设计法”

目前国内外的浇注式沥青混合料设计方法主要依赖于已有经验，解决施工的流动性与高温稳定性性能之间的矛盾^[4]，并没有考虑疲劳性能；同时高温性能力学指标与实际路用性能之间的不一致，是导致符合设计技术要求的浇注式沥青混凝土在应用中产生突出问题的根本原因之一。在设计沥青混合料时，停留在材料组成设计的概念中^[7]，只认为沥青结合料种类和矿料级配才是影响浇注式沥青混合料使用性能的主要因素，忽略了浇注式沥青混合料本身特有的工艺特性，在搅拌运输装备高温拌制混合料时，由于超热氧化的老化作用，混合料的高温性能会随拌合时间延长而呈不断增大趋势，其抗疲劳性能会随拌合时间延长呈不断降低趋势。

在设计沥青混合料时，要充分认识到最终反映到以后实际路面使用性能的核心指标是高温性能和疲劳性能，而施工流动性只是满足核心指标的基础上才需考虑的辅助指标，该指标由于沥青材料的感温特性较易实现。

鉴于浇注式沥青混凝土应用中出现的问题和目前设计方法的不足，提出以使用性能为指标浇注式沥青混凝土“四阶段设计法”。

第1阶段：初选矿料级配、沥青种类及用量，完成材料组成初步设计。

第2阶段：初选浇注式沥青混合料专用拌合设备参数、拌合温度、拌合时间，完成材料拌合工艺初步设计。

第3阶段：通过不断调整设计参数平衡高温与疲劳性能，使其满足设计指标要求，拟定材料组成设计参数和拌合工艺设计参数。

第4阶段：检验浇注式沥青混合料的施工流动性，微调设计参数，最终确定最佳材料组成设计参数和拌合工艺设计参数；保证施工质量均匀性。

该方法有利于最大限度发挥材料极限，确保桥面铺装既有较强的高温抗变形能力，又有较强的抗疲劳开裂能力。“四阶段设计法”最为关键的工作包括2方面，一是能得到快速、准确评价浇注式沥青混凝土的高温性能和疲劳性能设计指标；二是综合平衡浇注式沥青混凝土的高温性能与疲劳性能，使其能够拥有良好的使用性能和耐久性，这也是最为困难的工作。

2  基于车辙试验的高温性能

目前评价浇注式沥青混凝土高温性能的方法和指标较多，英国采用25 ℃沥青马蹄脂ME硬度评价浇注式沥青混合料MA的高温性能^[8]，中国香港采用25 ℃ ME硬度、35 ℃ MA硬度评价MA高温性能；日本用40 ℃贯入度评价其高温性能；德国和现行欧盟标准采用40 ℃贯入度与贯入度增量指标评价其高温性能；我国采用贯入度与贯入度增量的技术指标，夏炎热区试验温度提高至60 ℃，可是有关研究^[5]表明贯入度和贯入度增量试验误差较大，很难准确评价沥青混凝土的高温稳定性。

纵观国内外相关研究成果和工程实践可发现，现阶段浇注式沥青混合料高温性能的设计理论存在不足，评价方法和技术指标与实际桥面铺装高温抗车辙能力一致性有待进一步提高。本文在黏弹力学原理的基础上，提出以动稳定度作为浇注式沥青混凝土高温性能设计评价的一个重要指标。

2.1  理论基础

浇注式沥青混合料的强度主要依赖于胶结料的性能，在高温和长时间荷载作用下，其变形则以黏性流动为主，在大多数实际使用情况，它们的变形处于黏弹性状态，利用Burgers模型来描述其流变行为^[9]。Burgers模型的本构方程如下：

        (1)

式中：σ₀为压缩荷载；t为加载时间；E₁为模型中的弹性模量；η₁为Maxwell模型中的黏性系数；E₂为Kelvin模型中的弹性模量；η₂为Kelvin模型中的黏性系数。

η₁是评价抵抗流动变形的主要指标，沥青路面产生永久车辙变形的主要原因来自于Maxwell模型的η₁，也部分来自η₂，而E₂和η₂组成的Kelvin模型也产生一些永久变形，但由于Kelvin模型产生的变形部分可以延迟恢复，且由于E₂的延滞作用，其变形发展会逐渐减慢直至停止。沥青混合料由于继承了沥青的黏弹性，因此通过Burgers模型可预估沥青桥面铺装的车辙。

黄卫东等^[10]利用Burgers模型对动稳定度D_S与模型参数η₁的关系进行了数学推导：

       (2)

从上面分析可看出：数学上推导出的Burgers模型参数与车辙试验动稳定度之间的关系，从深层次上揭示了浇注式沥青混合料的动稳定度与黏弹性本构方程的联系，表征车辙动稳定度能很好地反映沥青混合料的高温抗变形能力。

2.2  试验方法与结果分析

建立沥青混合料力学性能与路面长期使用性能相关性是设计沥青混合料研究中最为困难的课题，足尺路面加速加载试验是解决这一难题的重要手段^[11]。为此，进行了4次足尺模型加速加载高温试验，用以评价不同批次浇注式沥青铺装材料在相同试验条件下车辙变形深度与动稳定度的关系，为材料设计提供依据。

足尺试验模型钢桥面铺装结构如表1所示。加载设备选用南非生产的MMLS66型可移动直线式路面加速加载试验系统，采用6组单轴双轮直线轨迹重复加载方式，加载频率为6 000次/h，试验温度为60 ℃，轮胎接地压强为0.7 MPa，运行加载次数为5×10⁴次进行控制或者车辙深度达到25.4 mm进行控制；在分别运行加载5 000，30 000和50 000次时利用自动断面记录仪测量车辙深度。将与铺筑同步取样成型的车辙试件试验结果与加速加载高温试验结果见表2。目前浇注式沥青混凝土常用高温性能评价指标贯入度与加速加载高温车辙变形关系见图1，动稳定度与加速加载高温抗车辙变形关系见图2。

表1  加速加载试验足尺模型钢桥面铺装结构

Table 1  Steel bridge deck structure of accelerated loading test full-scale model

表2  车辙试验与加速加载高温性能试验结果

Table 2  Results of rutting test and accelerated loading test

由图1可以看出：贯入度与加速加载高温试验车辙变形之间的相关性较差，比例关系不明显，除了第2批次的贯入度与贯入度增量显著偏大，车辙变形也最大以外，其余3个批次的贯入度结果与贯入度增量结果比较接近，但是加速加载试验的车辙变形却有明显差异，因此贯入度试验与加速加载试验的一致性与相关性很差，验证了既有研究认为贯入度很难准确评价浇注式沥青混凝土高温性能的结论^[5]。

从图2可以看出：车辙试验得到的浇注式沥青混凝土车辙动稳定度、复合结构车辙动稳定度与加速加载试验车辙变形成反比关系，混合料的动稳定度越大，高温抗变形能力越强，加速加载试验产生的变形深度越小，车辙动稳定度与加速加载试验的车辙深度之间的相关性很好。从图2还可看出：当动稳定度小于300次/mm时，高温车辙深度大，抗变形能力差。充分说明采用动稳定度评价浇注式沥青混凝土的高温抗变形能力是可靠的，采用动稳定度作为高温性能设计指标可准确反映实际桥面铺装高温抗变形能力。

图1  贯入度与加速加载试验结果的相关性

Fig. 1  Relationship between indentation and rut depth

图2  动稳定度与实际高温抗变形能力的关系

Fig. 2  Relationship between dynamic stability and actual high temperature deformation resistance

3  基于冲击韧性的疲劳性能研究

沥青铺装层疲劳性能的好坏直接关系到钢桥面铺装的最终使用性能和服务寿命。钢桥面铺装因其结构变形大，更易于发生疲劳破坏，对材料的疲劳性能要求更高。已有相关研究成果^[12-14]表明：现阶段浇注式沥青混合料疲劳性能的设计理论还不够完善，与实际使用情况间有较大差别。现阶段进行浇注式沥青混合料设计时，并没有把疲劳性能设计纳入材料设计体系中，这是浇注式沥青混凝土出现疲劳开裂的根本原因之一。本文在断裂力学和能量法原理的基础上，提出以冲击韧性作为浇注式沥青混凝土疲劳性能设计的一个重要指标。

3.1  理论基础

冲击韧性主要是指材料在冲击荷载作用下吸收变形功和断裂功的能力，是评价材料韧性的一项重要指标。当材料承受外界荷载作用时，材料内部本身就会产生一定的应力应变，材料在重复荷载作用下产生疲劳裂纹后，就会在裂纹处产生一定的应力应变场。根据能量原理提出的J积分理论^[15]可定量地描述裂纹体的应力应变场强度，它适用于小变形的弹塑性体。BAGLEY和LANDES依据大量试验，认为J积分作为衡量裂纹开裂的参量是适宜的，从而建立了J积分准则^[15]：当围绕裂纹尖端的J积分达到临界值J_C(平面应力)或J_IC(平面应变)时，裂纹开始扩展。J_C或J_IC被成为J积分断裂韧度，代表材料的抗裂性能，由于韧度J_IC可以用势能公式表达出来，沥青混合料的J积分断裂韧度可以根据以下公式获得^[16]：

           (3)

式中：U为荷载功，即荷载-位移曲线下的面积，N·mm；b为试件厚度，mm；a为裂纹长度，mm。

因此，材料发生断裂时伴随着能量的损耗，能量可以用荷载-位移图所包围的面积来计算，试验荷载-位移曲线下所包围的面积越大，断裂韧度J_IC越大，材料抵抗破坏的能力越强。根据J积分理论和J_IC公式可知：冲击韧性在理论上是可行的。结合Origin软件可得出阴影部分的面积，即冲击韧性的大小。张肖宁等^[17]曾采用冲击韧性评价沥青混合料抵抗反射裂缝的能力，并取得了较好的效果。

3.2  试验方法与结果分析

冲击韧性试验试件制备过程如下：

1) 采用专用拌合设备在220 ℃条件下生产浇注式沥青混合料自流成型长×宽×高为300 mm×300 mm×50 mm的板块状试件。

2) 采用高精度双面锯将自流成型的板块状试件切制成长(250±2) mm、宽(30±0.5) mm、高(35±0.5) mm的棱柱体小梁。

3) 冲击韧性试验在MTS试验机上进行，加载速率为50 mm/min。

为了解拌合工艺设计参数(拌合时间)变化和使用温度变化对小梁冲击韧性的影响，按上述方法进行不同拌合时间成型试件在不同试验温度下的冲击韧性试验，结果见图3。

图3  拌合时间、试验温度与冲击韧性的关系

Fig. 3  Relations of mixing time, temperature and impact toughness

由图3可知：在同一级配和沥青用量的情况下，拌合时间对混合料的冲击韧性影响明显。随着拌合时间增加，浇注式沥青混合料的冲击韧性总体呈现先升高再降低变化。主要是因为当拌合2.00 h内，受触变效应影响，混合料黏度逐渐减小，有利于自流成型时减少产生微裂缝和微孔隙，包裹在矿料周围的沥青分布逐步变均匀，矿料之间的黏结力得到加强，故冲击韧性会增大；随拌合时间延长，受超热老化作用混合料黏度不断增大，使其自流成型时增加产生微裂缝和微孔隙，矿料之间的黏结力进一步削弱，故冲击韧性随着减小；拌合大于3.00 h时，混合料的沥青已开始产生较严重老化，混合料内部变形速率较小，故冲击韧性变化不明显。

由图3还可知：冲击韧性随着试验温度升高逐渐增大。这主要是浇注式沥青性能对温度的依赖性决定了沥青混合料性能也显著地受温度的影响。随着试验温度升高，浇注式沥青混合料由玻璃态脆性固体向黏弹性体转变，混合料的破坏由脆性破坏向屈服破坏转变，同时混合料内部会发生微小的黏弹性变形，使荷载-位移图曲线下的面积增大，即冲击韧性逐渐增大，因此冲击韧性在试验温度范围内随温度升高而增大。

3.3  冲击韧性与疲劳性能之间的关系

四点弯曲疲劳试验对钢桥面沥青铺装结构进行疲劳性能评价是一种最有效的方法，可是其试验周期长、设备要求高，难于用于施工质量控制。已有研究表明：冲击韧性与普通沥青混合料的疲劳寿命具有相关性，该方法物理意义明确，不需重复加载，操作简便，试验设备要求较低。若取得冲击韧性与浇注式沥青混合料四点弯曲疲劳寿命的相关性，便可在浇注式沥青混凝土设计与施工质量控制中采用冲击韧性指标。

为此，采用300 με应变控制的加载模式对不同批次的浇注式沥青混合料进行四点弯曲疲劳试验，同时进行冲击韧性试验。为找出冲击韧性和疲劳寿命之间的内在联系，将上述试验结果进行汇总，并以冲击韧性为横坐标，四点弯曲疲劳寿命为纵坐标，结果如图4所示，并对试验数据进行回归拟合，得到回归线性方程y=423.32x+724 551，相关系数为0.896，说明冲击韧性与疲劳寿命之间具有良好的线性相关性，冲击韧性越大，疲劳寿命越长。冲击韧性可以作为评价浇注式沥青混凝土疲劳性能的指标。因此，钢桥面铺装材料的设计与施工质量控制可采用冲击韧性指标。采用该方法，设备简单，试验周期短，可方便快捷进行疲劳性能评价。

图4  冲击韧性与疲劳寿命的关系

Fig. 4  Relationship between impact toughness and fatigue life

4  高温性能与疲劳性能的关系

浇注式沥青混凝土的高温性能和疲劳性能是一对难以平衡的矛盾，其影响机理非常复杂。如何在2种性能之间取得平衡是“四阶段设计法”最为关键也是最困难的工作。

本文尝试在初步确定材料组成设计的基础上，探讨工艺设计参数和性能指标的确定。材料组成设计选用满足深港西部通道MA浇注式沥青混凝土的材料组成和级配要求，工艺设计选定专用拌合设备拌合温度为220 ℃，在此基础上，讨论浇注式沥青混合料的使用性能与拌合时间的关系，结果见图5。

从图5可知：拌合1.00~2.00 h时，随拌合时间增加，混合料的抗疲劳性能和高温性能受触变效应影响都不断提升，抗疲劳性能达到峰值；拌合2.00~3.00 h时，混合料受超热氧老化作用，抗疲劳性能开始下降，曲线下降斜率较大，高温性能继续增加呈缓慢上升趋势；拌合3.00~5.00 h时，混合料受到老化加速作用，高温性能曲线斜率快速上升，疲劳性能曲线斜率下降变缓。高温性能曲线与疲劳性能曲线在O点相交，此时拌合时间为3.75 h，对应的冲击韧性为400 N·mm，动稳定度为800次/mm。

图5  高温性能和疲劳性能与拌合工艺参数的关系

Fig. 5  Relations of temperature performance, fatigue performance and process design parameters

从加速加载高温试验可知：当动稳定度小于300次/mm时，铺装产生较严重变形，高温抗车辙变形能力较差，因此为了保证高温抗车辙变形能力，动稳定度应该大于300次/mm，此时拌合时间约为2.00 h。为了兼顾平衡疲劳性能，可适宜拌合时间为2.00~3.75 h，实际上拌合2.50 h后，混合料疲劳性能已有较大下降，因此，建议最佳拌合时间为2.00~2.50 h。

为找出高温性能和疲劳性能的内在联系和相关性，将不同批次的浇注式沥青铺装材料的车辙试验数据与冲击韧性试验数据汇总，并以动稳定度为横坐标，冲击韧性为纵坐标，结果如图6所示，并对试验数据进行回归拟合，得到回归方程y=4 324x^{-0.670 5}，R² 为0.688 2。说明疲劳性能和高温性能具有较好的相互制约的相关性。

因此，为了兼顾高温性能与疲劳性能，建议动稳定度指标控制范围为300~800次/mm，冲击韧性不小于400 N·mm。

图6  冲击韧性与动稳定度的关系

Fig. 6  Relationship between impact toughness and dynamic stability

5  结论

1) 采用“四阶段设计法”设计钢桥面铺装浇注式沥青混凝土，能较好保证其高温性能和疲劳性能。

2) 动稳定度与加速加载试验桥面铺装高温抗变形能力之间具有良好的相关性，采用动稳定度指标评价浇注式沥青混合料高温抗变形是准确有效的。

3) 采用四点弯曲疲劳寿命代表浇注式沥青混凝土的疲劳性能，试验证明浇注式沥青混合料的冲击韧性和四点弯曲疲劳寿命之间具有很好的线性相关性，相关系数大于0.89，因此，可采用冲击韧性评价浇注式沥青混凝土的疲劳性能。

4) 沥青混合料的抗疲劳性能随拌合时间延长，呈现先提高后下降的趋势；高温性能随拌合时间延长不断提升，在材料组成设计确定的基础上，平衡使用性能间矛盾的有力手段是调整工艺设计参数，经试验分析，特定条件下的最佳拌合时间范围为2.0~2.5 h。

5) 高温性能与疲劳性能具有较好的相互制约的相关性，是确定施工工艺参数的杠杆。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2015-08-16；修回日期：2015-11-09

基金项目(Foundation item)：国家科技支撑计划项目(2011BAG07B03)；国家自然科学基金重点资助项目(51038004)；广东省交通运输厅科技项目(科技-2013-03-018，科技-2013-02-022)(Project(2011BAG07B03) supported by the National Science and Technology of China; Project(51038004) supported by the Key Program of the National Natural Science Foundation of China; Projects(2013-02-022, 2013-03-018) supported by the Department of Transportation of Guangdong Province)

通信作者：邹桂莲，博士，教授，从事道路材料研究；E-mail：glzhou@scut.edu.cn

摘要：针对钢桥面铺装浇注式沥青混凝土使用中容易出现的高温车辙、疲劳开裂问题，提出浇注式沥青混凝土“四阶段设计法”确保高温性能与疲劳性能的平衡；基于黏弹力学原理，提出动稳定度为浇注式沥青混凝土高温性能评价指标，通过大型加速加载试验进行验证其可靠性；基于断裂力学和能量法原理，提出冲击韧性为浇注式沥青混凝土疲劳性能评价指标，通过试验建立起冲击韧性和四点弯曲疲劳寿命的关系。研究结果表明：动稳定度可准确反映浇注式沥青混凝土高温抗变形能力；冲击韧性和疲劳性能之间有良好的线性相关性，采用冲击韧性能有效评价浇注式沥青混凝土疲劳性能。