瀝青混合料抗裂性能評價指標適用性研究綜述★

李 強 明

(江蘇省交通運輸廳公路事業發展中心，江蘇 南京 210000)

裂縫為瀝青路面的典型病害，且裂縫類型多樣。常見的瀝青路面裂縫包括龜裂、塊裂、縱向裂縫、橫向裂縫等。根據產生模式，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為荷載裂縫，溫度裂縫則稱為非荷載裂縫。瀝青混合料抗裂性能的科學評價有助于評估瀝青路面抵抗環境、荷載等對路面產生裂縫病害的能力。目前，針對每種開裂模式，均有多種與其對應的性能試驗方法。如根據荷載作用方式，可分為兩點彎曲、三點彎曲、四點彎曲、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；根據加載模式，可分為重復加載、單次加載、正弦波加載；根據荷載控制方式，可分為恒應變加載和恒應力加載[1,2]。

歐洲標準EN 12697系列中對于每種破壞模式均有不同的試驗方法，且均有相應的指標和標準。美國與歐洲標準一樣，每種病害模式均對應幾種試驗方法；相比歐洲標準，美國根據瀝青路面的開裂性能進行了更為詳細的裂縫標準分類，包括溫度裂縫、反射裂縫、bottom-up疲勞開裂和top-down疲勞開裂。部分方法適用于常規的混合料設計和質量保證，其他的試驗方法更聚焦于瀝青混合料基本的性能標準和性能預測。目前美國相關的瀝青混合料性能試驗方法主要在AASHTO標準和ASTM標準中予以規定，部分州也制定了相應的試驗方法標準。我國正在修訂的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》增加了半圓彎曲法等用于評價瀝青混合料的抗裂性能，目前標準正在征求意見中。

抗裂性能評價方法需與現場路面性能具有良好的相關性，同時還需考慮試驗時間、數據分析的復雜性、試驗變異性、設備可用性和成本，以及混合料設計參數的敏感性。NCHRP 20-07 Task 406從多維度分析了混合料抗裂性能試驗的優缺點，并調研了美國各州交通部門和利益相關方關于每種病害所期望的試驗方法[3]。2014年TTI(Texas A&M Transportation Institute)承擔的NCHRP9-57項目開展了一系列試驗，將室內試驗與現場驗證相結合，評價瀝青混合料的抗裂性能，并通過業主、工業界和學術界等途徑調研了不同試驗方法的特點，調研內容包括：1)試驗方法可用性；2)簡易性；3)變異性；4)對混合料參數的敏感性；5)數據分析的復雜性；6)試驗設備的可用性/成本;7)實驗室與現場的相關性[4]。

可以看出，瀝青混合料抗裂性能評價方法是目前瀝青路面領域的重要議題之一，但試驗種類繁多，選擇最優的試驗方法依舊具有漫長的路要走，評價指標與路用性能的相關性、變異性、敏感性、試驗成本等是性能試驗方法需考慮的重要因素。另外，性能與路面病害相關聯密切，有必要結合氣候、交通量等因素評價指標的敏感性和相關性，從而提出符合地區要求的性能評價方法及指標。

1 瀝青混合料抗裂性能評價方法及指標

根據產生機制，裂縫可以分為溫度裂縫、反射裂縫和疲勞裂縫。表1總結了目前評價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價方法及指標。

表1 瀝青混合料抗裂性能評價方法及指標匯總

NCHRP 20-07 Task 406調研了美國各州交通部門和利益相關方關于每種病害所期望的試驗方法，針對每種類型的病害支持率排名前三的試驗方法如表2所示，綜合表中的數據，本文主要調研半圓彎曲試驗、直接壓縮拉伸試驗和間接拉伸試驗[3]。

表2 各州交通部門和瀝青路面合同方選擇的混合料性能試驗方法

2 評價指標敏感性分析

2.1 低溫抗裂性能——半圓彎曲

Li和Marasteanu依托MnRoad試驗路采用半圓彎曲試驗方法研究了不同膠結料(PG58-40，PG58-34，PG58-28)對斷裂能的影響(見圖1～圖3)，研究發現瀝青混合料的斷裂能與瀝青膠結料的PG等級有關，當試驗溫度為-30 ℃時，PG58-40膠結料斷裂能最高，PG58-28膠結料斷裂能最低[5]。

Li等采用半圓彎曲試驗方法研究了集料種類(花崗巖、石灰巖)、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%)對斷裂能的影響(見圖4)。研究結果表明，集料種類和空隙率對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料的PG等級的關系(見圖5～圖7)，研究表明，斷裂能與瀝青膠結料的PG等級密切相關，且一定范圍內隨著PG高溫性能等級的增加，混合料的斷裂能增加；當瀝青用量增加到一定程度時，斷裂能會降低，且認為斷裂能與瀝青高低溫等級的級差有關，級差越大，斷裂能越大[6]。

2.2 低溫抗裂性能——直接壓縮拉伸

Braham等設計了寒冷地區28種瀝青混合料，研究了集料種類、試驗溫度、瀝青用量和空隙率等4個參數對直接壓縮拉伸試驗斷裂能試驗結果的影響，研究結果(如圖8，圖9所示)表明，斷裂能對溫度具有敏感性，當試驗溫度為低溫等級+22 ℃時，斷裂能對瀝青用量、集料類型和試驗溫度敏感，且隨著瀝青用量的增加，呈現先增后減的趨勢；但當試驗溫度為低溫等級-2 ℃和低溫等級+10 ℃時，斷裂能對瀝青用量和空隙率不敏感[7]。

Dave也證實了Braham等的研究結論，如圖10～圖13所示，且其研究表明老化對斷裂能的影響有限。從圖10～圖13中可以看出：

1)試驗溫度對斷裂能的影響顯著，當試驗溫度在低溫等級以上時，隨著試驗溫度的增加，斷裂能增加，且增加的幅度與膠結料、空隙率相關；

2)隨著空隙率增加，斷裂能顯著增加；

3)多數混合料老化后，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復合改性瀝青混合料長期老化后斷裂能降低了26.5%[8]。

2.3 疲勞性能試驗——半圓彎曲

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

LLC以柔度指數為指標分別研究了老化、混合料類型、瀝青等級、瀝青改性對半圓彎曲試驗結果的影響，試驗結果如圖15～圖17所示，可以看出柔度指數與老化、混合料類型、瀝青等級均有關[10]。

2.4 疲勞性能試驗——間接拉伸

20世紀90年代起，間接拉伸試驗被廣泛用于評價瀝青混合料的低溫開裂性能，Mihai Marasteanu等研究表明，蠕變柔量和拉伸強度與瀝青膠結料等級、膠結料含量、集料種類、空隙率和老化有關，且隨著溫度的增加，蠕變勁度降低，拉伸強度變化有限，如圖18～圖20所示[11]。

3 評價指標相關性分析

3.1 半圓彎曲斷裂能

Dave的研究以總橫向裂縫數量的平均值(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，兩者基本呈線性關系變化[12]。

為進一步反映壽命周期內裂縫特性，提出了加權平均總裂縫數(WATCTotal)的概念，在服役周期內，每年均進行單獨評價，評價結果總體呈正態分布，得到的裂縫指標與斷裂能的關系如圖22所示，圖22中顯示的規律與圖21所示規律基本一致[12]。

總橫向裂縫(TCTotal)是評價路面開裂最復雜的指標，和斷裂能的計算方法相似，TCTotal為路面全壽命周期抗裂性能指標之和，即裂縫百分比和運營周期曲線下方面積，并將計算所得的結果除以服役壽命。斷裂能和總橫向裂縫的關系如圖23所示，其關系亦如圖21，圖22所示[12]。

Illinois，Minnesota等研究表明，半圓彎曲斷裂能和觀測到的橫向裂縫總長度相關，如圖24所示，基本呈指數關系；Kim等的研究(如圖25所示)也得出了類似的結論。

3.2 直接壓縮拉伸斷裂能

直接壓縮拉伸試驗斷裂能與橫向裂縫密度的關系如圖26所示，從圖26中可以看出，當斷裂能高于一定值時，可以將橫向裂縫密度控制在一個很小的范圍內[11]。

4 展望

1)半圓彎曲試驗斷裂能指標對試驗條件與材料參數具有良好的敏感性，與現場裂縫具有良好的相關性，可作為瀝青混合料抗裂性能的評價指標。

2)進一步建立試驗與材料開裂機制之間的關系。

3)進一步加強國內工程試驗數據收集，建立閾值標準。