中、法标沥青混合料性能指标相关性研究

任钰芳，严二虎，郝 玮，周震宇

(1.中国路桥工程有限责任公司 北京 100011；2.交通运输部公路科学研究院 北京 100088；3.河南交通投资集团有限公司,河南 郑州 450016)

0 引言

为响应国家“一带一路”倡议，近年来我国企业在国际上承建了越来越多的公路工程项目，其中有很多项目中的沥青路面工程需要同时执行法国和中国的技术标准规范。但由表1可以看出法国沥青混合料设计自成体系，其设计体系具有独特性，试验方法、试验仪器、试验条件等方面与我国沥青混合料评价体系具有较大差异。很多工程上因同时进行法标和中标试验需要而购置两套体系的试验设备，这一方面造成仪器设备投入增加，另一方面两套体系差异造成工程上执行困难。

表1 法标、中标沥青混合料评价体系Tab.1 Asphalt mixture evaluation systems in Chinese and French standards

近年来法国高模量沥青混凝土EME、超薄磨耗层BBTM等沥青混合料技术在我国日益受关注[1-2]，由于法标与中标的较大差异，法国沥青混合料技术无法在我国直接应用[3-4]。我国引进这些技术，需要购置相关试验设备，这会造成技术引进和应用成本的增加。

根据交通运输部“十三五”标准规范规划要求，需进一步加强中外标准的高度融合、增强我国标准的国际化。目前我国正在进行交通运输行业规程《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20)[5]修订工作，考虑法标沥青混合料评价体系的独特性、在国际上广泛应用和影响，兼顾交通运输行业标准国际化要求，有必要进行法标和中标体系下沥青混合料性能评价方法的对比研究。

为此，本研究采用了法国5种典型沥青混合料和中国的4种典型沥青混合料，按法标和中标体系的性能指标逐一进行试验，包括压实特性、水稳定性、高温稳定性、动态模量及疲劳性能，分析不同体系试验特点，评价两国的各性能指标之间相关性。

1 试验用混合料

试验研究用沥青混合料情况见表2，其中含BBSG-10，GB-14，GB-20，EME-14和EME-20共5种法国典型沥青混合料, AC-13，AC-20，AC-25，ATB-25共4种我国典型混合料。

表2中序号为1～3混合料为刚果布某一重点工程路面材料，相关试验在该工程的中心试验室进行，其混合料完全按照法标体系进行配合比设计。表2中序号4～6混合料使用集料、50/70沥青为赤道几内亚一某工程材料，而15/25为江苏某公司生产的低标号沥青，按照NF EN 13924-1[6]检验合格；相关试验在国内完成，其中GB-20、EME-20混合料完全按照法标体系进行配合比设计；ATB-25混合料按照中标体系进行配合比设计。

表2 试验研究用沥青混合料Tab.2 Asphalt mixtures for test

表2中序号7～16混合料使用集料、沥青均为国产材料，其中20#、35#均为江苏某公司生产的低标号沥青，20#和35#低标号道路石油沥青满足法国标准NF EN 13924-1与NF EN 12591[7]的技术要求，也满足JTG F40报批稿的技术要求。高模量剂采用法国PR Module产品，检测结果满足《沥青混合料改性添加剂 第8部分：高模量剂》[8](JT/T 860.8-2020)中的技术要求，其掺量为沥青混合料总质量的0.6%。天然沥青采用西安某公司的微粒化成品天然沥青改性沥青，型号为HWB-W[9]，其先将天然岩沥青材料经物理研磨等加工得到的平均粒径小于5 μm 的粉状材料，然后与70#道路石油沥青混合、剪切得到均匀的成品改性沥青，其检测结果满足相关产品标准的技术要求。序号7～16混合料，其中EME-14、EME-20混合料均完全按照法标体系进行配合比设计；ATB-25混合料按照中标体系进行配合比设计；ATB-25、AC-25和AC-20沥青混合料按照中标体系进行配合比设计。

2 压实特性

2.1 试验方法

压实特性，主要通过不同成型方法成型圆柱体试件，测定毛体积密度，然后计算空隙率来进行评价。根据法标NF P 98-252[10]，用PCG旋转剪力压实机进行试验，通过记取旋转压实次数等于摊铺厚度(以cm表示)的10倍时所得压实度，可以很精确地预测出将在工地获得的压实度。因此，如表3所示法国标准室内采用旋转压实仪PCG成型直径150 mm试件，采用体积法测定毛体积密度；而我国采用马歇尔法成型直径101.6 mm试件，采用表干法测定毛体积相对密度。由此可见，法标和中标压实特性试验的设备、成型条件和试验方法均不同。相对来说，旋转压实试验采用的试件较大，需要的试样数量较多。两者试验周期差不多，因此试验效率接近。

表3 法标、中标压实特性试验条件Tab.3 Compaction characteristics test conditions in Chinese and French standards

2.2 压实特性试验结果

按表3试验条件，表2中沥青混合料的空隙率试验结果见图1。由图可见，两种体系得到的空隙率具有很高的相关性，相关性系数R2=0.86。整体来看，法标的空隙率测定值高于中标空隙率测定值，这是由于法标计算空隙率采用的毛体积密度采用体积法测定，是测定值小于按表干法测定的毛体积密度值，因此导致法标方法计算的空隙率高于中标方法计算空隙率。根据87个测定值计算，法标方法计算的空隙率与中标方法计算空隙率之差的平均值为1.9%。

图1 中、法标沥青混合料空隙率相关性Fig.1 Correlation of air voids between Chinese and French standards

3 水敏感性试验

3.1 试验方法

为了评价沥青混合料水敏感性，法国方法认为直接压缩试验(多列士试验)结果的重复性和再现性优于间接拉伸试验，因此法标方法推荐采用多列士试验进行评价。试验条件见表4，其采用静压成型2组试件，两组试件分别采用18 ℃饱水7 d和18 ℃、相对湿度50%的条件下养生两种条件进行处理，取两组试件的18 ℃无侧限抗压强度比作为评价指标。我国沥青混合料习惯采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验来检验沥青混合料水敏感性，本研究采用冻融劈裂试验。冻融劈裂试验采用马歇尔击实成型两组试件，一组试件采用负压饱水、-18 ℃冻融16 h、60 ℃高温水浸泡24 h，取两组试件的25 ℃劈裂强度比作为评价指标。由此可见，两种体系水敏感性试验的设备、条件、参数均不同相同。多列士试验采用的试件较大、需要试样质量较大，操作不便，且试验周期较长。

表4 法标、中标水敏感性试验条件Tab.4 Water sensitivity test conditions in Chinese and French standards

3.2 水敏感性试验结果

按表4试验条件，表2中沥青混合料的水敏感性试验结果见图2。由图2可见，根据法标标准，多列士试验的无侧限抗压强度比一般要求不低于0.7，而我国冻融劈裂标准，对于基质沥青混合料为75%，改性沥青混合料为80%，可见我国水敏感性评价标准要高于法标体系的相应标准。从试验结果来看，按照中标标准约有5%不合格，而法标不合格点数为0%。部分改性沥青试样(图中黑色箭头表示)的水敏感性指标虽符合法标，却不满足中标冻融劈裂标准，可见我国体系评价标准要比法标的严苛。

图2 中、法标水敏感性试验评价对比Fig.2 Comparison of water sensitivity test evaluations between Chinese and French standards

4 高温性能

4.1 试验方法

表5为法、中高温性能试验条件，可见两国试验方法原理基本相同，但是成型、试验条件和评价指标不同。首先成型试件时，法国采用橡胶轮胎式轮碾机，即模拟胶轮压路机对沥青混合料进行搓揉成型，且成型试件尺寸较大；而我国轮碾机其与试件表面接触为弧形钢板，这与振动压路机静压成型较为接近。车辙试验时，法国和我国温度条件相同，但是法国采用大型车辙仪，轮胎压力较低而加载次数较多；而我国采用车辙仪尺寸较小，轮胎压力较大而加载次数较小。由此可见，法标试件尺寸大，需要试样数量较多，且试验仪器较大，占地面积较大；同时法标试验周期远长于我国试验周期。

4.2 高温性能试验结果

按表5试验条件，表2中沥青混合料的高温性能试验结果见图3。由图3可见，两种体系得到的高温稳定性测定值具有非常高的相关性，相关性系数R2=0.89。

表5 法标、中标的高温性能试验条件Tab.5 High temperature performance test conditions in Chinese and French standards

图3 中、法标高温性能试验相关性Fig. 3 Correlation of high temperature performance tests between Chinese and French standards

当前，国内对我国车辙试验有着不同的看法。有的认为我国采用动稳定度指标不合理，应采用变形量(即车辙深度)指标；也有的认为我国采用加载2 520次，与美国APA试验8 000次、法国大车辙仪30 000次相比较，加载次数偏低。

目前国际上车辙试验评价指标有变形量、变形率、变形斜率和动稳定度。变形率是变形量除以试件厚度，而试件厚度是定值，理论上来说变形量与变形率等价；变形斜率是每作用1 000次的变形量增量，而动稳定度是每变形1 mm需要加载次数，可见两者互为倒数关系，理论上来说两者是等价，只是表达方式不同。图3中我国动稳定度和法标的变形率高度相关；根据公路沥青路面设计规范JTG D50公式(B.3.4)车辙试验中动稳定度与2 520次变形量高度相关。由此可见动稳定度，与变形量、变形率、变形速率均具有高相关性，选用哪一种评价指标均是可行的。国际上各国选用哪一种指标只是习惯，并没有先进之分，如我国和日本采用动稳定度，法国采用变形率，英国采用变形斜率，而变形量应用较少。但是，对于一个国家，只能选用一个指标，否则会带来混乱；目前我国一些工程上同时采用两个指标，其实没有必要。

图4为GB-20混合料的中标和法标车辙试验变形曲线，相同作用次数下我国车辙仪变形量均大于法国车辙仪变形量，其加载2 520次的车辙深度已经与法标加载30 000次的车辙深度相当。这是由于我国加载压力为0.7 MPa，要大于法国0.6 MPa。沥青路面车辙发展分为3个状态，即初始压密、稳定阶段和失稳阶段[13]，由图4可见，两种方法的车辙变形经历了初始压密、稳定阶段，均未出现失稳阶段。由此可见，车辙试验确定的合理运行次数，应能够使得绝大部分沥青混合料车辙试验的变形曲线处于稳定阶段；不存在运行次数越大，试验方法越先进。实际上，表6中法国大车辙仪试验在60 ℃试验条件下，针对不同混合料采用不同运行次数，有30 000次，也有10 000次、3 000次，对于EME、GB沥青混合料一般选择30 000次，而对

图4 中、法标车辙试验变形量-加载次数曲线Fig.4 Curves of deformation vs. loading times in rutting tests in Chinese and French standards

表6 欧盟标准EN 13108-20中规定的欧盟沥青混合料车辙试验条件Tab.6 Rutting test conditions for asphalt mixtures specified in European standard EN 13108-20

于表面层BBSG、联结层BBME则为3 000次。对于我国车辙仪，由于加载应力水平高，如果再增加加载次数，沥青混合料车辙变形会进入失稳状态，试验结果就没有意义。

除了我国采用小车辙仪之外，日本及英国等欧盟国家也采用小车辙仪。日本和我国车辙仪尺寸完全一致；欧盟小车辙仪，加载轮为实心轮胎，宽50 mm、外径200 mm，行程230 mm，这与我国完全一致，其加载频率25.5～27.5次/min比我国频率20～22次/min稍快，而其施加压力为0.6 MPa比我国0.7 MPa低；其试模260 mm×300 mm×50～100 mm，仅宽度较我国稍小一些。表6可见，欧盟小车辙仪加载次数为10 000次，比我国加载次数要多3倍，但是我国车辙仪加载压力要大于欧盟加载压力，因此如果按照欧盟加载10 000次，对于很多沥青混合料车辙变形会进入失稳状态。

欧美车辙试验以变形率或变形量为评价指标时，均需要预作用一定次数荷载后试件表面作为变形零点，以消除初始压密变形误差，例如法国大车辙试验、欧盟小车辙试验、美国APA试验分别需预压1 000次、5次和2 000次。我国车辙试验没有这个预压要求，初始压密变形误差会极大影响最终车辙变形量指标，但不会影响动稳定度指标；如图4中运行2次时，初始压密变形量即达到0.75 mm，约占最终变形量19%。可见我国车辙试验不宜直接采用变形量或变形率作为车辙评价指标。

5 动态模量

5.1 试验方法

表7为法、中标的动态模量试验条件，其中我国试验温度按《公路沥青路面设计规范》JTG D50—2017[14]选用20 ℃。中、法两国试验的试件成型方法、试验温度、荷载条件不同。法标测定的是弯拉动态模量，而我国测定的是压缩动态模量，理论上来说法标弯拉动态模量与现场交荷载作用下沥青路面应变状态更加接近，与疲劳试验中弯拉状态也是相符的。如图5所示，法标梯形梁式试件尺寸较小，但是切割试件精度要求高[15]，相对而言中标试件成型、测试方法简单一些。法标、中标试验周期差异不大。

表7 中、法标动态模量试验条件Tab.7 Dynamic modulus test conditions in Chinese and French standards

图5 法国梯形梁式试件示意图Fig.5 Schematic diagram of French trapezoidal beam specimen

5.2 动态模量试验结果

按表7试验条件，表2中沥青混合料的动态模量试验结果见图6。由图6可见，两种体系得到的动态模量测定值具有非常高的相关性，相关性系数R2=0.91。我国20 ℃条件下单轴压缩动态模量与法标15 ℃ 条件下弯拉动态模量之比平均值为0.968 3。进一步试验数据表明，试验温度20 ℃、15 ℃条件下法标的动态模量之比约为0.74，则可以推算试验温度20 ℃ 条件下我国单轴压缩动态模量与法国弯拉动态模量之比平均值为1.31。可见，同一温度条件下，我国单轴压缩动态模量高于法标弯拉动态模量，高约31%。

6 疲劳特性

6.1 试验方法

表8为法、中标的疲劳试验条件，其中四点弯曲疲劳试验按JTG E20总校稿选用正弦波加载方式，试验温度为15 ℃。两国疲劳试验的试件成型方法、试验温度、加载模式、频率均不同。法标测定的是两点弯曲疲劳性能，而我国测定的是四点弯曲疲劳性能。法标试件尺寸较小，且加载频率较高，试验效率较高。

图6 中、法标动态模量试验相关性Fig.6 Correlation of dynamic modulus tests between Chinese and French standards

表8 不同疲劳试验参数对比Tab.8 Comparison of different parameters in fatigue tests

法标梯形梁两点弯曲疲劳试验是在设定应变水平下试件承受的加载次数作为试件在相应应变水平上的疲劳寿命，通过设定至少3个应变水平，在正弦波加载模式下，通过双对数图绘制疲劳曲线，疲劳寿命以100万次对应的失效应变水平是否满足规范要求作为混合料设计的判定依据。而中标四点弯曲疲劳试验，采用连续偏正弦波加载方式，试验温度为15 ℃，加载频率10 Hz。根据国内河北院的相关研究结果表明，不论是相同应变条件下的疲劳寿命还是百万次疲劳寿命对应的失效应变，两点弯曲试验在25 Hz条件下的试验结果与四点弯曲试验在10 Hz条件下的试验结果具有较高的指数相关性，二者对于沥青混合料疲劳性能的评价是一致的[18]。

6.2 疲劳性能试验结果

按表8试验条件，表2中沥青混合料的疲劳性能试验结果见图7。由图7可见，两种体系得到的疲劳次数测定值具有非常高的相关性，相关性系数R2=0.81。我国15 ℃条件下疲劳次数与法标10 ℃条件下疲劳次数之比为0.86～1.21，平均值为1.08，两者数值上非常接近。

图7 中、法标疲劳性能试验相关性Fig.7 Correlation of fatigue performance tests between Chinese and French standards

澳大利亚采用EME混合料，进行法标梯形梁式两点疲劳和四点疲劳试验对比研究，相应试验温度分别为10 ℃和20 ℃，两点疲劳试验测定100万次疲劳失效应变为133～153 με[19]，相应四点疲劳和两点疲劳试验的应变之差为-7～+41 με，应变之差平均值为19.5 με。

河北省交通规划设计院研究表明，试验温度10 ℃ 条件下，EME沥青混合料100万次疲劳失效应变，两点疲劳试验130 με与四点疲劳试验240 με等效。值得注意的是，我国JTG E20和法标中疲劳试验应变水平是指最大拉应变，但是很多疲劳试验系统中应变水平往往指正弦波的peak-peak应变，其应变水平的一半与最大拉应变相等。因此，河北省交通规划设计院研究的应变水平应该减半。

根据本研究中EME试验数据分析，法标两点疲劳试验10 ℃条件下的130 με，相当于四点疲劳试验15 ℃条件下的130 με。

根据以上数据整理，对于EME沥青混合料，法标两点疲劳试验10 ℃条件下的130 με，相当于四点疲劳试验20 ℃条件下的150 με，15 ℃条件下的130 με，10 ℃条件下的120 με。

7 结论

通过采用9种典型沥青混合料对法标和中标体系的性能指标逐一进行试验研究，中、法两国体系的沥青混合料性能试验方法、仪器和试验条件均具有较大差异，评价两国的各性能指标之间相关性得出以下结论：

(1)两国压实特性试验结果具有高相关性，相关性系数R2=0.86。法国、中国试验空隙率测定值转换公式为y=0.744 4x-0.817。法标的空隙率测定值高于中标空隙率试验测定值，两者之差的平均值为1.9%。法标试验用试件较大、需要的试样数量较多，而两种方法试验周期大致相同。

(2)我国冻融劈裂试验评价标准要比法标多列士试验评价标准要严苛一些,并具有操作简捷、效率高的优势。法国试验用的试件较大，需要试样数量较多，且试验周期较长。

(3)两国高温性能试验结果高相关性，相关性系数R2=0.89。法标变形率和中标动稳定度转换公式为y=13 578x-0.61。同时认为我国车辙试验不宜采用变形量或变形率作为车辙评价指标。法标试验用试件尺寸大，需要试样数量较多，且试验仪器较大，占地面积较大；同时法标试验周期比我国试验周期长。

(4)两国动态模量试验结果具有高相关性，相关性系数R2=0.91。法标15 ℃条件下弯拉动态模量与20 ℃条件下单轴压缩动态模量转换公式为y=0.927 8x+596.75。我国20 ℃条件下单轴压缩动态模量与法标15 ℃条件下弯拉动态模量之比平均值为0.968 3。在20 ℃温度条件下，我国单轴压缩动态模量与法标弯拉动态模量之比平均值为1.31。中标测定单轴压缩动态模量，试件成型、测试方法相对简单，而法标测定弯拉动态模量，其与现场沥青路面材料受荷载应力状态更吻合一些。

(5)关于疲劳性能试验，法标采用两点疲劳试验，试件尺寸较小，且加载频率较高，试验效率较高。两国疲劳试验结果具有高相关性，相关性系数R2=0.81。应变130 με条件下，法标10 ℃条件下疲劳次数与我国15 ℃ 条件下疲劳次数转换公式为y=0.956 8x+65 926。我国15 ℃条件下疲劳次数与法标10 ℃条件下疲劳次数之比为0.86～1.21，平均值为1.08。