国外沥青混凝土路面新型研究方法分析

樊文胜，徐建平，时 宁

（1.江西交通咨询公司，江西 南昌 330008 ；2.江西省交通科学研究院，江西 南昌 330038）

美国等西方发达国家在20世纪80年代后期已经完成州际高速公路网的建造，近些年针对沥青路面早期破损严重、耐久性不足的问题开展了系列研究，取得了较多的研究成果。沥青路面早期破损严重、耐久性不足现在亦成为我国沥青路面发展亟需解决的问题。近两年来国外重要期刊发表的沥青混凝土路面方面较有影响的论文，提出了一些新型的研究方法，本文在此做出总结，以期能够启发国内从事该领域研究的工作人员。

1 粘弹性体理论模型法

沥青是一种典型的粘弹性材料，由其胶结而成的沥青混凝土也呈现较好的粘弹性材料性质。基于粘弹性体理论的模型是针对整体路面结构动态荷载下的动力响应及沥青路面疲劳寿命预测等复杂问题的较好研究方法之一。

基于Kelvin-Voigt粘弹性模型，采用一种能够测量弹性力的检测设备，能够分析普通沥青和高聚物改性沥青的各种性能，并通过轮载试验发现低应变状态下的沥青混凝土抗剪强度与抗车辙能力密切相关，沥青材料中的粘性性质对沥青路面抵抗车辙起决定性的作用，对于高聚物改性沥青而言，其弹性性质对抵抗车辙也起重要作用［1］。

粘弹性模型可以用来研究沥青路面内部在表面动态荷载下的动力响应问题，采用基于两个褶合积分建立的多层弹塑性体模型进行解析计算。该模型依托国外有限元软件Abaqus开发，计算结果能较好地反映FWD落锤式弯沉仪在路面内部形成的动力学响应［2］。

基于沥青流变学和粘弹性材料能量耗散分析原理建立的恢复率和疲劳寿命预测模型［3］，能够确定沥青胶结料的粘性恢复情况，并用一种定量分析的方法确定在不同荷载和气候环境下沥青材料修复的效果，另外该模型还可以进一步分析沥青与集料界面的粘结性能，从而为沥青路面再生设计提供指导。

2 离散单元法（DEM）

离散单元法（DEM）一般认为是Cundall于1971年提出来的，它是一种显示求解的数值方法。离散单元法也像有限单元法那样，将区域划分成单元。但是单元因受节理等不连续面控制，在以后的运动过程中，单元节点可以分离，即一个单元与其邻近单元可以接触，也可以分开。单元之间相互作用的力可以根据力和位移的关系求出，而个别单元的运动则完全根据单元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛顿运动定律确定。

采用离散单元法能够很好地模拟沥青混合料压实过程。研究人员通过分析三种不同类型的沥青混合料的多种压实状态，并将模型推算结果与实验室静压效果进行比较，证实了DEM模型对分析沥青混合料的压实有较好的实用性［4］。

运用DEM方法也可以模拟SUPERPAVE 的旋转压实成型。DEM模型基于C++程序语言的可视模块，模拟了不同集料级配、旋转次数、旋转角度等压实模型参数，通过室内旋转压实试验修正了离散元的旋转压实模型，最终能够得到完全模拟显示压实状况的离散元模型，证实离散元模型是一种有效的能够模拟显示压实状态的方法；另外离散元模型可以应用于沥青混合料优化设计。

运用DEM模型研究SMA沥青混合料的永久变形特征，采用动态蠕变试验，借助图像处理技术，能够更好地比较实际数据与模拟数据的区别。试验结果表明，DEM模型能够较好地模拟SMA混合料的永久变形。

3 高分子聚合物化学理论的应用

沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑褐色复杂混合物，国外也有较多的研究人员采用高分子聚合物化学反应理论对其进行研究。

采用有机化学反应中氧化动力学的理论，可以深入地分析沥青老化方面的机理。研究证实，沥青胶结料的氧化程度与形成酮类化合物的数量及粘度的增大有较好的相关性。后期研究证实，形成的醇类化合物与酮类化合物在增大沥青粘度方面几乎具有相同的作用，在高含量硫沥青中，这是导致沥青老化的主要作用。

含有多磷酸化合物（PPA）的沥青会随着时间的增加变硬的现象能够通过化合物化学反应的原理进行阐释。多磷酸化合物与集料中的氢氧化钙接触能够发生化学反应，多磷酸化合物与氢氧化钙在实际路用环境中发生了化学反应，并通过取样试验证实生成的是磷酸钙盐，这是导致含有多磷酸化合物沥青随着时间的增加变硬的主要原因。

4 高新设备检测的应用

4.1 体视学法（Stereology Method）

通过体视学方法可以研究混合料内部空隙分布，分析不同空隙分布情况的试件性能，能反映沥青混合料中空隙分布对其性能的影响。重复拉伸试验证实了不均匀空隙分布较多的试样比空隙分布均匀的试验抵抗疲劳开裂的能力有较大的下降。试件浸水时，空隙分布不均匀的试件更容易受水损害。沥青路面施工时，温度分布不均匀是导致其内部空隙分布不均匀的的重要原因。

4.2 X射线计算层析（X-Ray CT）

X射线计算层析技术结合体视学法是研究沥青混合料级配组成的一种新尝试。利用X射线计算层析无损获取混合料体截面图像，分析这些切片图像，并基于这些切片图像运用体透视学方法建立三维混合料内部集料级配分布，通过引入一个修正系数C用于修正体透视学理论模型中集料粒径的假设与实际使用集料粒径的不同。

4.3 DIP数值成像技术

采用DIP数值成像技术能够研究集料形状特征，例如长宽比、延伸率、光整平滑度、形态因子、正圆度、形状系数和球面度等，进而可以研究集料形状与沥青混凝土力学性能之间的关系。采用一个分析图像的JAVA程序分析集料面积、周长、长度和角度等几何学的特性，通过进行不同形状集料的马歇尔稳定度流值试验，发现粗集料形状对沥青混凝土的力学性能影响较大。进一步的研究是关于采用DIP进行集料质量保证和集料质量控制程序进而保证混凝土质量的措施。另外，加强图像分析程序的开发也是重要的研究方向。

4.4 红外光谱成像仪（Infrared Array Detector）

通过红外光谱分析技术可以进行回收沥青混凝土热拌再生后与新胶结料的相容状况研究，结果表明新添加的沥青与回收利用的沥青混合料相容状况不理想。

4.5 荧光显微镜（Fluorescence Microscope）

采用荧光显微镜分析技术能够看出高分子聚合物在沥青中的分布形态，再结合动态剪切流变仪能够研究SBS高分子改性剂在沥青中分布形态对沥青改性效果的影响。通过荧光显微镜观察急速冷却后的SBS改性沥青，确定了SBS高分子体的分布形态，然后进行动态剪切流变试验，进而得出不同SBS分布形态对SBS改性沥青性能的影响。研究结果显示，SBS高分子体的分布形态只对改性沥青的弹性性能有影响，而对车辙变形起决定性作用的是改性沥青的粘性行为，SBS高分子体在沥青中的形态对改性沥青的疲劳寿命影响较大。

5 试验模拟法

室内设计试验，是指为研究沥青混合料材料某一方面的性能，在现有的试验方法不能满足试验要求时，往往通过设计一种新型的试验方法开展相关研究。为研究沥青材料的抗剪切强度对沥青路面车辙的影响，研究人员设计了一种室内评估沥青材料抗剪强度的方法［1］。该方法基于一种称为弹力计的检测设备和一个经典的弹塑性模型，可以用于分析普通沥青和高聚物改性沥青的复杂力学行为；再用这些沥青做成沥青混凝土板进行轮载试验，根据轮载试验结果和沥青材料的抗剪切强度试验结果，分析沥青材料的弹塑性性能与沥青路面车辙之间的关系。

沥青混合料材料试验往往都是针对材料某一方面的性能研究。沥青路面在实际使用过程中经受十分复杂的荷载环境，综合归纳起来有以下四种材料性能受影响：非线性、热变性、疲劳性和触变性。快速加载现场试验法，是能够综合考虑这四种因素的路面材料循环加载试验，能够更好地反映路用材料的实际使用性能。NCAT环形路面试验场，为各种沥青路面设计方案提供快速加载现场试验，整条道路设计轴载量将在2年的时间内加载完，每天有5辆加载试验车绕试验场进行试验加载，每周一暂停路面加载，进行路面使用状况测评，每季度钻取路面芯样，进行室内性能评测，全面评价各种路面设计结构在现场使用中性能衰变状况。

6 结语

本文总结了国外近两年较多采用的新型研究方法，理论研究领域包括基于粘弹性力学模型的有限元模型法，较好模拟沥青路面现场施工的离散单元模型法，以及基于高分子聚合物化学理论的方法；X射线计算层析法、体视学法、DIP数值成像技术、红外光谱成像仪和荧光显微镜技术等高科技设备在多个沥青混凝土研究中得到广泛深入的应用；另外，设计典型试验和采用快速加载现场试验的研究方法也开始逐步推广应用。

［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.