沥青混合料抗裂性能评价指标适用性研究综述★

李 强 明

(江苏省交通运输厅公路事业发展中心，江苏 南京 210000)

裂缝为沥青路面的典型病害，且裂缝类型多样。常见的沥青路面裂缝包括龟裂、块裂、纵向裂缝、横向裂缝等。根据产生模式，裂缝可分为温度裂缝、反射裂缝、疲劳裂缝等，其中疲劳裂缝一般也称为荷载裂缝，温度裂缝则称为非荷载裂缝。沥青混合料抗裂性能的科学评价有助于评估沥青路面抵抗环境、荷载等对路面产生裂缝病害的能力。目前，针对每种开裂模式，均有多种与其对应的性能试验方法。如根据荷载作用方式，可分为两点弯曲、三点弯曲、四点弯曲、直接拉伸和间接拉伸，试件形状包括圆柱体、棱柱体、T型梁以及半圆柱体；根据加载模式，可分为重复加载、单次加载、正弦波加载；根据荷载控制方式，可分为恒应变加载和恒应力加载[1,2]。

欧洲标准EN 12697系列中对于每种破坏模式均有不同的试验方法，且均有相应的指标和标准。美国与欧洲标准一样，每种病害模式均对应几种试验方法；相比欧洲标准，美国根据沥青路面的开裂性能进行了更为详细的裂缝标准分类，包括温度裂缝、反射裂缝、bottom-up疲劳开裂和top-down疲劳开裂。部分方法适用于常规的混合料设计和质量保证，其他的试验方法更聚焦于沥青混合料基本的性能标准和性能预测。目前美国相关的沥青混合料性能试验方法主要在AASHTO标准和ASTM标准中予以规定，部分州也制定了相应的试验方法标准。我国正在修订的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》增加了半圆弯曲法等用于评价沥青混合料的抗裂性能，目前标准正在征求意见中。

抗裂性能评价方法需与现场路面性能具有良好的相关性，同时还需考虑试验时间、数据分析的复杂性、试验变异性、设备可用性和成本，以及混合料设计参数的敏感性。NCHRP 20-07 Task 406从多维度分析了混合料抗裂性能试验的优缺点，并调研了美国各州交通部门和利益相关方关于每种病害所期望的试验方法[3]。2014年TTI(Texas A&M Transportation Institute)承担的NCHRP9-57项目开展了一系列试验，将室内试验与现场验证相结合，评价沥青混合料的抗裂性能，并通过业主、工业界和学术界等途径调研了不同试验方法的特点，调研内容包括：1)试验方法可用性；2)简易性；3)变异性；4)对混合料参数的敏感性；5)数据分析的复杂性；6)试验设备的可用性/成本;7)实验室与现场的相关性[4]。

可以看出，沥青混合料抗裂性能评价方法是目前沥青路面领域的重要议题之一，但试验种类繁多，选择最优的试验方法依旧具有漫长的路要走，评价指标与路用性能的相关性、变异性、敏感性、试验成本等是性能试验方法需考虑的重要因素。另外，性能与路面病害相关联密切，有必要结合气候、交通量等因素评价指标的敏感性和相关性，从而提出符合地区要求的性能评价方法及指标。

1 沥青混合料抗裂性能评价方法及指标

根据产生机制，裂缝可以分为温度裂缝、反射裂缝和疲劳裂缝。表1总结了目前评价沥青混合料的低温抗裂性能、抗疲劳性能和抗反射裂缝性能评价方法及指标。

表1 沥青混合料抗裂性能评价方法及指标汇总

NCHRP 20-07 Task 406调研了美国各州交通部门和利益相关方关于每种病害所期望的试验方法，针对每种类型的病害支持率排名前三的试验方法如表2所示，综合表中的数据，本文主要调研半圆弯曲试验、直接压缩拉伸试验和间接拉伸试验[3]。

表2 各州交通部门和沥青路面合同方选择的混合料性能试验方法

2 评价指标敏感性分析

2.1 低温抗裂性能——半圆弯曲

Li和Marasteanu依托MnRoad试验路采用半圆弯曲试验方法研究了不同胶结料(PG58-40，PG58-34，PG58-28)对断裂能的影响(见图1～图3)，研究发现沥青混合料的断裂能与沥青胶结料的PG等级有关，当试验温度为-30 ℃时，PG58-40胶结料断裂能最高，PG58-28胶结料断裂能最低[5]。

Li等采用半圆弯曲试验方法研究了集料种类(花岗岩、石灰岩)、空隙率(4%和7%)和沥青用量(最佳沥青用量和最佳沥青用量+0.5%)对断裂能的影响(见图4)。研究结果表明，集料种类和空隙率对混合料断裂能影响较大，而沥青用量则影响较小。且混合料集料采用花岗岩时断裂能较高；空隙率增加，断裂能降低[5]。

Louisiana研究了断裂能与沥青胶结料的PG等级的关系(见图5～图7)，研究表明，断裂能与沥青胶结料的PG等级密切相关，且一定范围内随着PG高温性能等级的增加，混合料的断裂能增加；当沥青用量增加到一定程度时，断裂能会降低，且认为断裂能与沥青高低温等级的级差有关，级差越大，断裂能越大[6]。

2.2 低温抗裂性能——直接压缩拉伸

Braham等设计了寒冷地区28种沥青混合料，研究了集料种类、试验温度、沥青用量和空隙率等4个参数对直接压缩拉伸试验断裂能试验结果的影响，研究结果(如图8，图9所示)表明，断裂能对温度具有敏感性，当试验温度为低温等级+22 ℃时，断裂能对沥青用量、集料类型和试验温度敏感，且随着沥青用量的增加，呈现先增后减的趋势；但当试验温度为低温等级-2 ℃和低温等级+10 ℃时，断裂能对沥青用量和空隙率不敏感[7]。

Dave也证实了Braham等的研究结论，如图10～图13所示，且其研究表明老化对断裂能的影响有限。从图10～图13中可以看出：

1)试验温度对断裂能的影响显著，当试验温度在低温等级以上时，随着试验温度的增加，断裂能增加，且增加的幅度与胶结料、空隙率相关；

2)随着空隙率增加，断裂能显著增加；

3)多数混合料老化后，断裂能变化很小，其研究采用的9种沥青混合料中，仅SBS+PPA复合改性沥青混合料和普通沥青混合料断裂能变化较大，其中SBS+PPA复合改性沥青混合料长期老化后断裂能降低了26.5%[8]。

2.3 疲劳性能试验——半圆弯曲

与低温抗裂性能半圆弯曲试验结果一致，LTRC的研究表明断裂能与胶结料的等级、老化程度及沥青用量有关，如图14所示[9]。

LLC以柔度指数为指标分别研究了老化、混合料类型、沥青等级、沥青改性对半圆弯曲试验结果的影响，试验结果如图15～图17所示，可以看出柔度指数与老化、混合料类型、沥青等级均有关[10]。

2.4 疲劳性能试验——间接拉伸

20世纪90年代起，间接拉伸试验被广泛用于评价沥青混合料的低温开裂性能，Mihai Marasteanu等研究表明，蠕变柔量和拉伸强度与沥青胶结料等级、胶结料含量、集料种类、空隙率和老化有关，且随着温度的增加，蠕变劲度降低，拉伸强度变化有限，如图18～图20所示[11]。

3 评价指标相关性分析

3.1 半圆弯曲断裂能

Dave的研究以总横向裂缝数量的平均值(ATCTotal)表征年裂缝率，如图21所示，从图21中可以看出，断裂能越高，ATCTotal值越低，两者基本呈线性关系变化[12]。

为进一步反映寿命周期内裂缝特性，提出了加权平均总裂缝数(WATCTotal)的概念，在服役周期内，每年均进行单独评价，评价结果总体呈正态分布，得到的裂缝指标与断裂能的关系如图22所示，图22中显示的规律与图21所示规律基本一致[12]。

总横向裂缝(TCTotal)是评价路面开裂最复杂的指标，和断裂能的计算方法相似，TCTotal为路面全寿命周期抗裂性能指标之和，即裂缝百分比和运营周期曲线下方面积，并将计算所得的结果除以服役寿命。断裂能和总横向裂缝的关系如图23所示，其关系亦如图21，图22所示[12]。

Illinois，Minnesota等研究表明，半圆弯曲断裂能和观测到的横向裂缝总长度相关，如图24所示，基本呈指数关系；Kim等的研究(如图25所示)也得出了类似的结论。

3.2 直接压缩拉伸断裂能

直接压缩拉伸试验断裂能与横向裂缝密度的关系如图26所示，从图26中可以看出，当断裂能高于一定值时，可以将横向裂缝密度控制在一个很小的范围内[11]。

4 展望

1)半圆弯曲试验断裂能指标对试验条件与材料参数具有良好的敏感性，与现场裂缝具有良好的相关性，可作为沥青混合料抗裂性能的评价指标。

2)进一步建立试验与材料开裂机制之间的关系。

3)进一步加强国内工程试验数据收集，建立阈值标准。