樊文勝，徐建平，時(shí) 寧

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

美國等西方發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)80年代后期已經(jīng)完成州際高速公路網(wǎng)的建造，近些年針對瀝青路面早期破損嚴(yán)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(yán)重、耐久性不足現(xiàn)在亦成為我國瀝青路面發(fā)展亟需解決的問題。近兩年來國外重要期刊發(fā)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(jié)，以期能夠啟發(fā)國內(nèi)從事該領(lǐng)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(jié)而成的瀝青混凝土也呈現(xiàn)較好的粘彈性材料性質(zhì)。基于粘彈性體理論的模型是針對整體路面結(jié)構(gòu)動態(tài)荷載下的動力響應(yīng)及瀝青路面疲勞壽命預(yù)測等復(fù)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(shè)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(yàn)發(fā)現(xiàn)低應(yīng)變狀態(tài)下的瀝青混凝土抗剪強(qiáng)度與抗車轍能力密切相關(guān)，瀝青材料中的粘性性質(zhì)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(zhì)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(nèi)部在表面動態(tài)荷載下的動力響應(yīng)問題，采用基于兩個(gè)褶合積分建立的多層彈塑性體模型進(jìn)行解析計(jì)算。該模型依托國外有限元軟件Abaqus開發(fā)，計(jì)算結(jié)果能較好地反映FWD落錘式彎沉儀在路面內(nèi)部形成的動力學(xué)響應(yīng)［2］。

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

2 離散單元法（DEM）

離散單元法（DEM）一般認(rèn)為是Cundall于1971年提出來的，它是一種顯示求解的數(shù)值方法。離散單元法也像有限單元法那樣，將區(qū)域劃分成單元。但是單元因受節(jié)理等不連續(xù)面控制，在以后的運(yùn)動過程中，單元節(jié)點(diǎn)可以分離，即一個(gè)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(jù)力和位移的關(guān)系求出，而個(gè)別單元的運(yùn)動則完全根據(jù)單元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛頓運(yùn)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(shí)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(shí)狀態(tài)，并將模型推算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室靜壓效果進(jìn)行比較，證實(shí)了DEM模型對分析瀝青混合料的壓實(shí)有較好的實(shí)用性［4］。

運(yùn)用DEM方法也可以模擬SUPERPAVE 的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)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(zhuǎn)次數(shù)、旋轉(zhuǎn)角度等壓實(shí)模型參數(shù)，通過室內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)修正了離散元的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)模型，最終能夠得到完全模擬顯示壓實(shí)狀況的離散元模型，證實(shí)離散元模型是一種有效的能夠模擬顯示壓實(shí)狀態(tài)的方法；另外離散元模型可以應(yīng)用于瀝青混合料優(yōu)化設(shè)計(jì)。

運(yùn)用DEM模型研究SMA瀝青混合料的永久變形特征，采用動態(tài)蠕變試驗(yàn)，借助圖像處理技術(shù)，能夠更好地比較實(shí)際數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的區(qū)別。試驗(yàn)結(jié)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(xué)理論的應(yīng)用

瀝青是由不同分子量的碳?xì)浠衔锛捌浞墙饘傺苌锝M成的黑褐色復(fù)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(xué)反應(yīng)理論對其進(jìn)行研究。

采用有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中氧化動力學(xué)的理論，可以深入地分析瀝青老化方面的機(jī)理。研究證實(shí)，瀝青膠結(jié)料的氧化程度與形成酮類化合物的數(shù)量及粘度的增大有較好的相關(guān)性。后期研究證實(shí)，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?yàn)r青中，這是導(dǎo)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(shí)間的增加變硬的現(xiàn)象能夠通過化合物化學(xué)反應(yīng)的原理進(jìn)行闡釋。多磷酸化合物與集料中的氫氧化鈣接觸能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，多磷酸化合物與氫氧化鈣在實(shí)際路用環(huán)境中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，并通過取樣試驗(yàn)證實(shí)生成的是磷酸鈣鹽，這是導(dǎo)致含有多磷酸化合物瀝青隨著時(shí)間的增加變硬的主要原因。

4 高新設(shè)備檢測的應(yīng)用

4.1 體視學(xué)法（Stereology Method）

通過體視學(xué)方法可以研究混合料內(nèi)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(fù)拉伸試驗(yàn)證實(shí)了不均勻空隙分布較多的試樣比空隙分布均勻的試驗(yàn)抵抗疲勞開裂的能力有較大的下降。試件浸水時(shí)，空隙分布不均勻的試件更容易受水損害。瀝青路面施工時(shí)，溫度分布不均勻是導(dǎo)致其內(nèi)部空隙分布不均勻的的重要原因。

4.2 X射線計(jì)算層析（X-Ray CT）

X射線計(jì)算層析技術(shù)結(jié)合體視學(xué)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(jì)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(yùn)用體透視學(xué)方法建立三維混合料內(nèi)部集料級配分布，通過引入一個(gè)修正系數(shù)C用于修正體透視學(xué)理論模型中集料粒徑的假設(shè)與實(shí)際使用集料粒徑的不同。

4.3 DIP數(shù)值成像技術(shù)

采用DIP數(shù)值成像技術(shù)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(tài)因子、正圓度、形狀系數(shù)和球面度等，進(jìn)而可以研究集料形狀與瀝青混凝土力學(xué)性能之間的關(guān)系。采用一個(gè)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(xué)的特性，通過進(jìn)行不同形狀集料的馬歇爾穩(wěn)定度流值試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粗集料形狀對瀝青混凝土的力學(xué)性能影響較大。進(jìn)一步的研究是關(guān)于采用DIP進(jìn)行集料質(zhì)量保證和集料質(zhì)量控制程序進(jìn)而保證混凝土質(zhì)量的措施。另外，加強(qiáng)圖像分析程序的開發(fā)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(shù)可以進(jìn)行回收瀝青混凝土熱拌再生后與新膠結(jié)料的相容狀況研究，結(jié)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(shù)能夠看出高分子聚合物在瀝青中的分布形態(tài)，再結(jié)合動態(tài)剪切流變儀能夠研究SBS高分子改性劑在瀝青中分布形態(tài)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(tài)，然后進(jìn)行動態(tài)剪切流變試驗(yàn)，進(jìn)而得出不同SBS分布形態(tài)對SBS改性瀝青性能的影響。研究結(jié)果顯示，SBS高分子體的分布形態(tài)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(tài)對改性瀝青的疲勞壽命影響較大。

5 試驗(yàn)?zāi)M法

室內(nèi)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，是指為研究瀝青混合料材料某一方面的性能，在現(xiàn)有的試驗(yàn)方法不能滿足試驗(yàn)要求時(shí)，往往通過設(shè)計(jì)一種新型的試驗(yàn)方法開展相關(guān)研究。為研究瀝青材料的抗剪切強(qiáng)度對瀝青路面車轍的影響，研究人員設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)評估瀝青材料抗剪強(qiáng)度的方法［1］。該方法基于一種稱為彈力計(jì)的檢測設(shè)備和一個(gè)經(jīng)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(fù)雜力學(xué)行為；再用這些瀝青做成瀝青混凝土板進(jìn)行輪載試驗(yàn)，根據(jù)輪載試驗(yàn)結(jié)果和瀝青材料的抗剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，分析瀝青材料的彈塑性性能與瀝青路面車轍之間的關(guān)系。

瀝青混合料材料試驗(yàn)往往都是針對材料某一方面的性能研究。瀝青路面在實(shí)際使用過程中經(jīng)受十分復(fù)雜的荷載環(huán)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?？焖偌虞d現(xiàn)場試驗(yàn)法，是能夠綜合考慮這四種因素的路面材料循環(huán)加載試驗(yàn)，能夠更好地反映路用材料的實(shí)際使用性能。NCAT環(huán)形路面試驗(yàn)場，為各種瀝青路面設(shè)計(jì)方案提供快速加載現(xiàn)場試驗(yàn)，整條道路設(shè)計(jì)軸載量將在2年的時(shí)間內(nèi)加載完，每天有5輛加載試驗(yàn)車?yán)@試驗(yàn)場進(jìn)行試驗(yàn)加載，每周一暫停路面加載，進(jìn)行路面使用狀況測評，每季度鉆取路面芯樣，進(jìn)行室內(nèi)性能評測，全面評價(jià)各種路面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場使用中性能衰變狀況。

6 結(jié)語

本文總結(jié)了國外近兩年較多采用的新型研究方法，理論研究領(lǐng)域包括基于粘彈性力學(xué)模型的有限元模型法，較好模擬瀝青路面現(xiàn)場施工的離散單元模型法，以及基于高分子聚合物化學(xué)理論的方法；X射線計(jì)算層析法、體視學(xué)法、DIP數(shù)值成像技術(shù)、紅外光譜成像儀和熒光顯微鏡技術(shù)等高科技設(shè)備在多個(gè)瀝青混凝土研究中得到廣泛深入的應(yīng)用；另外，設(shè)計(jì)典型試驗(yàn)和采用快速加載現(xiàn)場試驗(yàn)的研究方法也開始逐步推廣應(yīng)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.