夏普计划25年（1987～2012）的回顾和展望

朱涵

（天津大学建筑工程学院，天津 300072）

1 夏普计划起源

1987年美国国会通过了一项法案——Surface Transportation and Uniform Relocation Assistance Act of 1987，其中第128条款（Section 128）就是众所周知的夏普计划（strategic highway research program，SHRP）.夏普计划是一个为期5a（1987～1993）的研究项目，耗资1.5亿美元.研究内容主要包括4项：公路运营、混凝土与结构、沥青以及路面长期性能.

为什么美国要提出这样一个研究计划？理由有：1）高速公路的车流量和载重量快速增加；2）子午线轮胎加重了对道路的破坏；3）车辙现象普遍.

对于沥青道路，夏普计划的研究任务是：1）制定一个以路用性能为基础的沥青胶结料规范；2）制定一个混合料规范和配套的混合料设计规范.

沥青道路研究的基本思路是：1）研究沥青的物理和化学性质与路用性能的关系；2）研究沥青的物理、化学性质之间的关系；3）研究沥青混合料的性质与路用性能的关系，并采用路用性能试验验证.当时的沥青设计方法采用的是马歇尔方法，夏普计划则是要提出新思路、新设计.

沥青道路由沥青混合料拌和后铺设而成.沥青混合料有3种主要组分：沥青、细骨料和粗骨料.马歇尔方法的设计理念是在给定空间内，尽可能多地放入细骨料和粗骨料，以达到耐用效果，即密级配.图1为骨料级配和0.45最大密度曲线，经过多年研究验证，粗骨料和细骨料如果按照最大级配密度公式投放，可使沥青混合料的密度达到最大（见图1中的直线部分）.加入沥青拌和后进行试验，并测试马歇尔混合料参数（稳定度和流值）.如果参数合格，则采用沥青量最小的一组配比.

图1 骨料级配曲线和0.45最大密度曲线Fig.1 Gradation chart，the straight line represents the 0.45maximum density diagram

马歇尔设计是无可争议的传统方法.若要提出新方法，只有改变最大密度骨料级配公式，使其不再成为密级配.这在骨料级配图上有两种选择：更密实（fine）和更粗糙（coarse）.前者会减少混合料的空隙率，后者是所谓的粗（开）级配，它会增加混合料的空隙率.夏普计划选择的是粗（开）级配.不同的粗骨料级配会产生不同的沥青混合料，如：沥青玛蹄脂碎石混合料（stone mastic asphalt，SMA）的大孔隙开级配排水式沥青磨耗层（open graded friction course，OGFC）等.其实际意义是级配图上一条先下后上的曲线，即为一种夏普类型的混合料设计，如图1中虚线所示.这些新混合料的特点是沥青用量增加，沥青量可达到4.5%，5.0%，5.5%，6.0%，7.0%（质量分数，文中涉及的用量、筛余等除特别注明外均为质量分数.），甚至更高.这对马歇尔设计而言，是不可思议的.夏普计划中沥青用量的增加打破了马歇尔设计中沥青用量最少的限制.

2 沥青考虑

增加沥青用量，谁最受益？沥青是提炼石油时产生的副产品，占石油总量的1.0%～1.5%.美国是石油提炼大国，2012年每天的原油消耗量为2000万桶（1桶原油约为159L），其中进口约50%，自产50%.在过去几十年中，这个原油消耗量基本没有变过［1］.其沥青产量估算如下：

按照1m3沥青混合料质量为2.3t来计算，则4%的1m3沥青混合料质量为0.092t，这样美国能有年产1.5亿m3的沥青混合料能力.若按照4 m宽、0.25m 厚的标准铺筑沥青道路，则1.5亿m3就可以铺筑1.5×106km／单道，沥青显然用不掉.当然这些计算是很粗糙的.图2为美国1980～2005年沥青供需关系，图3为2001～2006年沥青和汽油价格.由图2可知美国沥青供大于求，生产剩余量过多而且其价格也没有汽油上升得快［2］（见图3）.这就造成美国多使用柔性道路结构（flexible pavement）的现状（中国道路多采用半刚性结构，而且进口沥青几乎全部来自美国，近10年沥青价格在美国乃至全世界大幅上升，多源于中国的发展）.

讲到夏普计划不得不说2个关键人物.第1个关键人物，Thomas D.Larson［3］来自美国宾夕法尼亚州，从20世纪70年代起就一直鼓吹和游说夏普计划，或者说改变马歇尔方法.夏普计划诞生后，他是第1位执行夏普计划的联邦委员会主席.自他2006年去世后，宾夕法尼亚州立大学的沥青技术研发中心，就更名为Larson Center，以此纪念他所做出的贡献.以一个大学教授或者工程师命名的大型研究中心，这在美国是很少见的（常见的基本以捐款富人命名）.夏普计划的诞生是沥青技术发展的一个里程碑，同时由于其能够促进用掉多余沥青，也使得石油公司成为最主要的赢家.

3 超级路面设计和动态模量

提高沥青混合料的沥青含量，会产生怎样的技术问题？或者说夏普计划带来了什么？

夏普计划在沥青道路上的最主要成果是超级路面设计（superpave design）.它包括了沥青试验的系统化和完整化，以及沥青混合料的新成型方法；欠缺的是一个等价于马歇尔稳定度和流值的沥青混合料性能试验.

第2个关键人物，Matthew Witczak承担了此项任务，负责研发超级路面设计的沥青混合料性能试验方法.Matthew Witczak是一位儿提时代从波兰移民到美国的犹太裔，具有丰富的研究和工程实践经验，具备管理才能，同时也是一位非常敬业和卓越的工程师，受人尊敬.他负责了许多美国国家级重大项目.

Matthew Witczak认为剪切模量G＊是沥青的关键力学参数，而动态模量E＊则应该是沥青混合料的关键参数.他采用动态试验方法，将振动载荷施加在圆柱型试件的顶部和底部.通过试验测试，统计数据形成了一个E＊模型，这就是著名的Witczak模型，是目前较为成熟的密级配混合料动态模量预估模型之一.Witczak模型最初由Shook和Kallas在美国沥青研究所建立，随后由Witczak和他的同事修正.该预估模型考虑的因素包括沥青（用量、黏度）、级配（19，9.5，4.75mm 筛余及0.075mm 筛孔通过率）、孔隙率（体积分数，下同）及加载频率和温度，模型方程为：

式中：p200为0.075mm 筛孔通过率，%；p38，p34，p4分别为9.5，19，4.75mm筛余，%；Va为孔隙率，%；Vbeff为有效沥青含量，%；f 为加载频率，Hz；η为黏度，Pa·s.

笔者与Matthew Witczak在亚利桑那州立大学共事3年，目睹他做了成千上百的试验，数目惊人，废弃的试件堆积如山！尽管建立模型的试验耗费了大量人力和财力，但与预期还存在差距.在完成了E＊项目后，Matthew Witczak 于2011年从美国亚利桑那州立大学退休.对夏普计划，或者更准确地，对超级路面设计的研发来说，这标志着一个结束.美国联邦公路局现在基本不再赞助夏普计划项目，不过目前仍在执行的1个研究项目是怎样将E＊及其他参数运用到沥青道路设计软件中，项目负责人仍是Witczak.

为什么说Witczak的动态模量E＊试验有很多值得商榷之处？原因如下：

1）参数过多.数学模型中每一个参数，就代表一维无穷大的变化.Witczak的模型有7个参数，计算量和试验工作量都极大.尽管试件数以千计，但还是沧海一粟.

2）E＊适合密级配，宏观上是各向同性的均匀体，而超级路面设计级配特点是粗（开）级配，会产生误差（此点下面还有阐述）.

3）马歇尔稳定度和流值试验是材料破坏性试验，而E＊试验仅仅是材料性能试验，尚未达到破坏层面.更为重要的是马歇尔稳定度和流值参数是“拐弯”，稳定度方向和流值方向成90°，体现了泊松比效应，能够直接反应本构关系，而E＊基本是“直来直去”的.

就成果而言，夏普计划尤其是超级路面设计（superpave design）取得了卓越成果，只是在沥青混合料的性能试验方面还有欠缺.要研发一个新型、原创性的沥青混合料试验是有难度的；如果再要求机理型性能试验，难度将加大；若还想试验易操作，测试结果具有很好的稳定性、重复性，则难上加难.

机理型性能试验是指力学量的测试，如模量、泊松比、应变和应力关系以及强度和破坏准则等.在Witczak之前，就有很多相关研究和研发设备如Shear Tester，APA 等.美国加州伯克利大学的Carl L.Monismith［4］是一位沥青研究泰斗级的学者.早在1994年，他曾提出一个成型空心圆柱沥青混合料试件，并且承载剪切动态载荷.最终以测试方法过于复杂、数据分析难度大，整体结果不理想而止步.值得庆幸的是国内采用动稳定度试验（wheel tester）作为评定沥青混合料性能的试验标准，虽然基本属于经验型试验，但较合理和实用.

超级路面设计的另一个问题是：沥青道路设计需要给出最大骨料尺寸.在马歇尔设计中，给定骨料尺寸后骨料级配曲线是由2点确定的直线.不同的马歇尔设计之间很容易对比.但对超级路面设计来说，需要有不同的曲线进行选择.对于不同级配混合料的优劣对比，很难找到一个统一的判断标准，这也成为了当前超级路面设计众多争论的原因之一.

随着夏普计划趋于结束，开始进入后夏普计划，此时可以做什么？

笔者从1993年开始参加夏普计划的研究工作，并在1998年参加了在美国Arburn University国家沥青技术中心（national asphalt center for technology，NACT）举办的超级路面设计的教授培训班.

先来讨论马歇尔的密级配和超级路面的粗（开）级配的不同之处.

从力学角度来看，马歇尔设计形成的试件是复合材料.在马歇尔设计的概念中，沥青混合料被看作是一个由多相材料混合压实后，在宏观上力学性能为各向同性的均匀连续体.当讨论E＊，G＊，杨氏模量以及相位角等参数时，完全是将其视为连续、均匀、宏观各向同性的材料.

从超级路面设计的配合比看，由于空隙增加，骨料变“粗”，沥青混合料可视为用沥青砂浆（asphalt mortar或asphalt mastics）粘胶起来的一堆粗骨料.力的传递是借助相邻粗骨料间的接触来实现的.所以超级路面设计是把马歇尔设计的宏观均匀连续体朝着粗骨料堆积离散体方向的推进.笔者在这方面作过若干研究，曾与Witczak有过讨论，但是他最后还是采取了宏观均匀连续体方法.

在理想状态下，与马歇尔设计沥青混合料相比，超级路面设计形成的沥青混合料具有以下特点：

1）粗（开）级配的混合料中，力的传递是由粗骨料间的接触实现的.接触力学表明，骨料接触的刚度或者模量，要远大于复合材料力学的宏观均匀连续体.所以粗（开）级配混合料会增加模量，提高抗重载能力.这是夏普计划的另一个重要结果，它给出了抗重载的可能途径，这也是沥青玛蹄脂碎石混合料抗重载效果好的原因.

2）粗（开）级配混合料中泊松比减小（力的横向传递由泊松比引导）；接触应力集中比宏观均匀连续体要大很多，导致内在局部应力集中的增大，对沥青或者沥青砂浆的要求提高.相应解决方法就是提高沥青性能，由此产生改性沥青技术，如加入各类添加剂、纤维、高分子等.

基于上述分析，继续沿用宏观均匀连续体来分析超级路面设计形成的沥青混合料或许需要改进.其中一个思路就是引进接触力学的方法.但是它的复杂性在于，对这样的混合料，一部分可以视为是宏观均匀连续体，而另一部分可以视为是接触性的粗骨料堆积.如何量化这两个部分，具有很多不确定性，相关研究往往会显得过于繁琐，令人望而却步.

4 结语

经过25年的研究，夏普计划趋于结束，开始进入后夏普计划时代.夏普计划为沥青和沥青混合料研究提供了一个里程碑式的巨大舞台，上演了精彩的剧目，成果丰硕.在后夏普时代，希望能够探索更多新的前沿，继续推动沥青和沥青混合料科技朝前发展.

［1］刘小英.美国4月份石油需求同比下降0.3%［EB／OL］.［2012－05－19］.http：∥www.nbd.com.cn.LIU Xiong－ying.The US oil demand fell 0.3%in the year to April［EB／OL］.［2012－05－19］.http：∥www.nbd.com.cn.（in Chinese）

［2］HAVERLAND B.Asphalt supply in a volatile oil world［EB／OL］.［2008－02－01］.http：∥pptfun.com／bitumen／asphaltsupply－in－a－volatile－oil－world.html.

［3］http：∥www.pti.psu.edu／larsonBio.

［4］ALAVI S H，MONISMITH C L.Time and temperature dependent properties of asphalt concrete mixes tested as hollow cylinders and subjected to dynamic axial and shear loads（with discussion）［J］.Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists，1994，63（1）：152－181.