國外瀝青混凝土路面新型研究方法分析

樊文勝，徐建平，時 寧

（1.江西交通咨詢公司，江西 南昌 330008 ；2.江西省交通科學研究院，江西 南昌 330038）

美國等西方發達國家在20世紀80年代后期已經完成州際高速公路網的建造，近些年針對瀝青路面早期破損嚴重、耐久性不足的問題開展了系列研究，取得了較多的研究成果。瀝青路面早期破損嚴重、耐久性不足現在亦成為我國瀝青路面發展亟需解決的問題。近兩年來國外重要期刊發表的瀝青混凝土路面方面較有影響的論文，提出了一些新型的研究方法，本文在此做出總結，以期能夠啟發國內從事該領域研究的工作人員。

1 粘彈性體理論模型法

瀝青是一種典型的粘彈性材料，由其膠結而成的瀝青混凝土也呈現較好的粘彈性材料性質。基于粘彈性體理論的模型是針對整體路面結構動態荷載下的動力響應及瀝青路面疲勞壽命預測等復雜問題的較好研究方法之一。

基于Kelvin-Voigt粘彈性模型，采用一種能夠測量彈性力的檢測設備，能夠分析普通瀝青和高聚物改性瀝青的各種性能，并通過輪載試驗發現低應變狀態下的瀝青混凝土抗剪強度與抗車轍能力密切相關，瀝青材料中的粘性性質對瀝青路面抵抗車轍起決定性的作用，對于高聚物改性瀝青而言，其彈性性質對抵抗車轍也起重要作用［1］。

粘彈性模型可以用來研究瀝青路面內部在表面動態荷載下的動力響應問題，采用基于兩個褶合積分建立的多層彈塑性體模型進行解析計算。該模型依托國外有限元軟件Abaqus開發，計算結果能較好地反映FWD落錘式彎沉儀在路面內部形成的動力學響應［2］。

基于瀝青流變學和粘彈性材料能量耗散分析原理建立的恢復率和疲勞壽命預測模型［3］，能夠確定瀝青膠結料的粘性恢復情況，并用一種定量分析的方法確定在不同荷載和氣候環境下瀝青材料修復的效果，另外該模型還可以進一步分析瀝青與集料界面的粘結性能，從而為瀝青路面再生設計提供指導。

2 離散單元法（DEM）

離散單元法（DEM）一般認為是Cundall于1971年提出來的，它是一種顯示求解的數值方法。離散單元法也像有限單元法那樣，將區域劃分成單元。但是單元因受節理等不連續面控制，在以后的運動過程中，單元節點可以分離，即一個單元與其鄰近單元可以接觸，也可以分開。單元之間相互作用的力可以根據力和位移的關系求出，而個別單元的運動則完全根據單元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛頓運動定律確定。

采用離散單元法能夠很好地模擬瀝青混合料壓實過程。研究人員通過分析三種不同類型的瀝青混合料的多種壓實狀態，并將模型推算結果與實驗室靜壓效果進行比較，證實了DEM模型對分析瀝青混合料的壓實有較好的實用性［4］。

運用DEM方法也可以模擬SUPERPAVE 的旋轉壓實成型。DEM模型基于C++程序語言的可視模塊，模擬了不同集料級配、旋轉次數、旋轉角度等壓實模型參數，通過室內旋轉壓實試驗修正了離散元的旋轉壓實模型，最終能夠得到完全模擬顯示壓實狀況的離散元模型，證實離散元模型是一種有效的能夠模擬顯示壓實狀態的方法；另外離散元模型可以應用于瀝青混合料優化設計。

運用DEM模型研究SMA瀝青混合料的永久變形特征，采用動態蠕變試驗，借助圖像處理技術，能夠更好地比較實際數據與模擬數據的區別。試驗結果表明，DEM模型能夠較好地模擬SMA混合料的永久變形。

3 高分子聚合物化學理論的應用

瀝青是由不同分子量的碳氫化合物及其非金屬衍生物組成的黑褐色復雜混合物，國外也有較多的研究人員采用高分子聚合物化學反應理論對其進行研究。

采用有機化學反應中氧化動力學的理論，可以深入地分析瀝青老化方面的機理。研究證實，瀝青膠結料的氧化程度與形成酮類化合物的數量及粘度的增大有較好的相關性。后期研究證實，形成的醇類化合物與酮類化合物在增大瀝青粘度方面幾乎具有相同的作用，在高含量硫瀝青中，這是導致瀝青老化的主要作用。

含有多磷酸化合物（PPA）的瀝青會隨著時間的增加變硬的現象能夠通過化合物化學反應的原理進行闡釋。多磷酸化合物與集料中的氫氧化鈣接觸能夠發生化學反應，多磷酸化合物與氫氧化鈣在實際路用環境中發生了化學反應，并通過取樣試驗證實生成的是磷酸鈣鹽，這是導致含有多磷酸化合物瀝青隨著時間的增加變硬的主要原因。

4 高新設備檢測的應用

4.1 體視學法（Stereology Method）

通過體視學方法可以研究混合料內部空隙分布，分析不同空隙分布情況的試件性能，能反映瀝青混合料中空隙分布對其性能的影響。重復拉伸試驗證實了不均勻空隙分布較多的試樣比空隙分布均勻的試驗抵抗疲勞開裂的能力有較大的下降。試件浸水時，空隙分布不均勻的試件更容易受水損害。瀝青路面施工時，溫度分布不均勻是導致其內部空隙分布不均勻的的重要原因。

4.2 X射線計算層析（X-Ray CT）

X射線計算層析技術結合體視學法是研究瀝青混合料級配組成的一種新嘗試。利用X射線計算層析無損獲取混合料體截面圖像，分析這些切片圖像，并基于這些切片圖像運用體透視學方法建立三維混合料內部集料級配分布，通過引入一個修正系數C用于修正體透視學理論模型中集料粒徑的假設與實際使用集料粒徑的不同。

4.3 DIP數值成像技術

采用DIP數值成像技術能夠研究集料形狀特征，例如長寬比、延伸率、光整平滑度、形態因子、正圓度、形狀系數和球面度等，進而可以研究集料形狀與瀝青混凝土力學性能之間的關系。采用一個分析圖像的JAVA程序分析集料面積、周長、長度和角度等幾何學的特性，通過進行不同形狀集料的馬歇爾穩定度流值試驗，發現粗集料形狀對瀝青混凝土的力學性能影響較大。進一步的研究是關于采用DIP進行集料質量保證和集料質量控制程序進而保證混凝土質量的措施。另外，加強圖像分析程序的開發也是重要的研究方向。

4.4 紅外光譜成像儀（Infrared Array Detector）

通過紅外光譜分析技術可以進行回收瀝青混凝土熱拌再生后與新膠結料的相容狀況研究，結果表明新添加的瀝青與回收利用的瀝青混合料相容狀況不理想。

4.5 熒光顯微鏡（Fluorescence Microscope）

采用熒光顯微鏡分析技術能夠看出高分子聚合物在瀝青中的分布形態，再結合動態剪切流變儀能夠研究SBS高分子改性劑在瀝青中分布形態對瀝青改性效果的影響。通過熒光顯微鏡觀察急速冷卻后的SBS改性瀝青，確定了SBS高分子體的分布形態，然后進行動態剪切流變試驗，進而得出不同SBS分布形態對SBS改性瀝青性能的影響。研究結果顯示，SBS高分子體的分布形態只對改性瀝青的彈性性能有影響，而對車轍變形起決定性作用的是改性瀝青的粘性行為，SBS高分子體在瀝青中的形態對改性瀝青的疲勞壽命影響較大。

5 試驗模擬法

室內設計試驗，是指為研究瀝青混合料材料某一方面的性能，在現有的試驗方法不能滿足試驗要求時，往往通過設計一種新型的試驗方法開展相關研究。為研究瀝青材料的抗剪切強度對瀝青路面車轍的影響，研究人員設計了一種室內評估瀝青材料抗剪強度的方法［1］。該方法基于一種稱為彈力計的檢測設備和一個經典的彈塑性模型，可以用于分析普通瀝青和高聚物改性瀝青的復雜力學行為；再用這些瀝青做成瀝青混凝土板進行輪載試驗，根據輪載試驗結果和瀝青材料的抗剪切強度試驗結果，分析瀝青材料的彈塑性性能與瀝青路面車轍之間的關系。

瀝青混合料材料試驗往往都是針對材料某一方面的性能研究。瀝青路面在實際使用過程中經受十分復雜的荷載環境，綜合歸納起來有以下四種材料性能受影響：非線性、熱變性、疲勞性和觸變性。快速加載現場試驗法，是能夠綜合考慮這四種因素的路面材料循環加載試驗，能夠更好地反映路用材料的實際使用性能。NCAT環形路面試驗場，為各種瀝青路面設計方案提供快速加載現場試驗，整條道路設計軸載量將在2年的時間內加載完，每天有5輛加載試驗車繞試驗場進行試驗加載，每周一暫停路面加載，進行路面使用狀況測評，每季度鉆取路面芯樣，進行室內性能評測，全面評價各種路面設計結構在現場使用中性能衰變狀況。

6 結語

本文總結了國外近兩年較多采用的新型研究方法，理論研究領域包括基于粘彈性力學模型的有限元模型法，較好模擬瀝青路面現場施工的離散單元模型法，以及基于高分子聚合物化學理論的方法；X射線計算層析法、體視學法、DIP數值成像技術、紅外光譜成像儀和熒光顯微鏡技術等高科技設備在多個瀝青混凝土研究中得到廣泛深入的應用；另外，設計典型試驗和采用快速加載現場試驗的研究方法也開始逐步推廣應用。

［1］Chia-Ming Wu, Cheng-Chiao Lee, Jia-Chong Du, etc.Development of Acoustical Prediction Model for Asphalt Pavements Using Grey System Approach［J］.Road Materials and Pavement Design,2010, 11（4）：783－805.

［2］Jingsong Chen,Baoshan Huang,Feng Chen,etc.Application of discrete element method to Superpave gyratory compaction［J］.Road Materials and Pavement Design,2012,13（3）：1－21.

［3］Mansour Fakhri, Pezhouhan T Kheiry, A A Mirghasemi.Modeling of the permanent deformation characteristics of SMA mixtures using discrete element method［J］.Road Materials and Pavement Design, 2012, 13（1）：67－84.

［4］J Claine Petersen,Ronald Glaser.Asphalt Oxidation Mechanisms and the Role of Oxidation Products on Age Hardening Revisited［J］.Road Materials and Pavement Design,2011, 12（4）：795－819.