广东建材2018年第6期综合论述沥青混合料性能试验AMPT在美国的研究进展冯晋利(华东建筑设计研究院有限公司市政工程设计院)【摘要】沥青混合料性能试验AMPT是美国继SHRP和SUPERPAVE之后，最受道路科研工作者瞩目分析美国关于AMPT的最新的研究成果。AMPT测试的混合料性能指标与实际路面使用性能高度相关。总结了NCHRPProject9-19和NCHRPProject9-29所提交的研究报告的内容，择要罗的研究进展，列了动态模量、流动数、间接拉伸蠕变柔度、OT抗裂度相关的研究成果，提出了我国沥青路面研究的可能的方向，为沥青混合料性能参数的研究提供借鉴。动态模量；重复荷载试验；蠕变柔度；【关键词】AMPT参数；研究进展；OT抗裂度1概述沥青混合料性能试验（AsphaltMixturePerfor-manceTester，简称AMPT）是美国继SHRP和SUPERPAVE之后，最受道路科研工作者瞩目的最新的研究成果。AMPT的前身即SPT（SimplePerformanceTester），译鉴于简单性能试验机相关的项目为“简单性能试验机”，取得的可贵的结论，美国联邦公路局FHWA于2008年将在2008年之前的文献中，SPT更名为AMPT。因此，AMPT是以SPT的名称出现。按照2001年NCHRP465中关于AMPT的定义--使用精确和可靠的测试方法来测试不同气候分区不同交通条件要求下的混合料的与实际路面病害息息相关的便是测习惯能指标，可以看出AMPT最重要的一个要求，试的混合料性能要与实际路面使用性能高度相关。于是，美国的科研工作者将AMPT的研究任务分解为2个主要计划，NCHRPProject9-19和NCHRPProject9-29，通过比较30多个试验参数，并将其与路面性能进行相关性分析，结合着MnRoad、NCATTestTrack、In-diana、NevadaI-80、Wes-Track、FHWA-ALF、ArizonaDOT(ADOT)I-10sites、LTPP等美国众多的试验路的车辙、开裂等情况，根据可靠性结果，最终确定了以动态间接拉伸模量、流动度做为路面车辙的主要评判指标，蠕变柔度作为低温缩裂评价指标，加州罩面层开裂试验OT等作为疲劳开裂和加铺罩面层抗裂评判标准。2011年出版的NCHRPREPORT673《热拌沥青混合料设计手（AManualforDesignofHotMixAsphaltwith册》Commentary）将AMPT正式列入了沥青混合料设计方法中。本文总结了NCHRPProject9-19和NCHRPPro-ject9-29所提交的研究报告的内容，择要罗列了动态模量、流动数、间接拉伸蠕变柔度、OT抗裂度相关的研为沥究成果，提出了我国沥青路面研究的可能的方向，青混合料性能参数的研究提供借鉴。2动态模量研究进展动态模量这个概念早在1960年代就开始研究。彼路面内部埋设的时的研究发现当车轮在路面上行驶时，传感器测得的曲线意义可以使用偏正弦曲线来进行拟路面内部的传感器便能合。在车辆未驶入测试区域时，测知应变，周边的混合料将路面内部的变形扩散传递至测试区，这主要与沥青混凝土的粘弹特性有关。而当车在轮到达正上方时，路面内部的应变不会达到最大点，之后的一个时间达到最大值，这个滞后与滞后角有关。再之后，随车轮的远离路面内部的应变缓慢减少为零。NCHRPProject9-19的研究结果显示，动态模量的测试结果中E*/sinδ与车辙的相关性最高。但是在这与有围压的情况下的动态模量与车辙的相关性较差，当车轮荷载经典力学理论相悖。按照经典力学的理解，置于路面上时，路面中的沥青混合料会因周围未承受荷载的混合料的约束而无法自由变形，因此也即在有围压的应力场中发生变形，有围压的混合料动态模量应该更能模拟实际情况，但其相关性较差。可能的原因是与动-75-综合论述态模量试验本身有关，因为测试过程中，荷载施加的方式是在轴对称的应力分布下进行，属于材料力学中的一种理想的状态，在实际路面中很少见。关于如何使用动态模量进行应力应变分析，NCHRPProject9-19提出了动态模量主曲线的使用方法。其基本原理是，在实验室进行4个温度的模量试验，包含着1个高温、1个低温、2个中温；每个温度下测6个频率，25HZ、15HZ、10HZ、5HZ、1HZ、0.1HZ，得到4条频率-模量曲线。从SHRP建立的温度场预估模型中输入选择工程所在地的纬度，得到特征温度值并作为参考温度，按照阿尼乌斯时温转换原理，把每一条曲线都平移到参考温度下，进而使用一条S曲线进行最小二乘法拟合，便得到一条拥有广域频率的模量曲线。同时，为了便于不同技术水平的工程人员使用主曲线，制定了一个EX-CEL表格，把主曲线的生成方法植入其中，通过线性规划拟合，便可方便得到主曲线。该主曲线的生成方法可直接集成到测试设备中。动态模量主曲线见图1所示。图1动态模量主曲线图关于动态模量的使用，NCHRPProject9-19提出将其作为QA/QC的重要参数的方法。针对不同幅度气候和交通量，按照概率统计中保证率的概念设计，建立了动态模量值与路面车辙的关系曲线簇。输入工程所在地区以及设计交通量情况，便可从曲线簇中得到对应的所需要的最低模量值，作为工程质量检测的低限。同时，在日常生产质量控制过程中，监理工程师从拌合楼进行取样并到旋转压实机上成型，直接测试动态模量模量，将其值代入图中，便可找到可能发生的车辙量，以此作为QA/QC的判定标准。3重复荷载试验研究进展-76-广东建材2018年第6期重复荷载下的剪切试验是评价沥青混合料抵抗高温车辙的最有效的试验方法。试验过程中，每一次荷载包括一个0.1s的半正弦荷载和间歇0.9s，测试试件在一个荷载周期内未恢复的塑性变形。其模拟路面上一次荷载作用之后，经过一定的间歇，再经手另一次荷载作用，记录试件在几千次荷载作用过程中的累加变形。之所以选择0.1s的作用时间是因为其代表路面经受10HZ频率的荷载，相当于路面行车速度60km/h。其荷载作用如图2所示。第一次荷载第二次荷载图2重复加载试验荷载施加方式和变形测试过程图将试验过程测得的数据绘制为一条曲线，其主要包括3个阶段。第1个阶段，试件的塑性变形迅速增加，增加的速率逐渐减小。第二个阶段，试件的塑性变形以恒定的速度增加，增加的速率不变。第3个阶段，试件的塑性变形再次迅速增加，增加的速率逐渐增加，试件加速破坏。该曲线可较好的模拟实际路面中车辙的形成过程的。NCHRPProject9-19和NCHRPProject9-29结论显示，流动度和流动时间指标均可与车辙具有比较好的相关性，二者可互换。流动度试验在围压的情况下比较能模拟实际路面情况，但是有围压时试验的测试结果具有较高的离散性。流动度也是可以建立主曲线的，把不同偏应力作用下的同一温度的曲线绘出，通过时温平移，得到更广阔应力域下的变形特征。这里使用的移位参数可采用与动态模量主曲线相同的数据。流动度主曲线的建立，意味着其可以通过测试不同轴载作用下的变形特征，再通过平移到标准轴重（单轴双轮组100KN）时的应力所测得的变形曲线上去，实现当量轴载作用下的累积变形曲线，进而集成至沥青路面设计方法中，达到设计方法系统内部闭合的效果。4蠕变柔度研究进展按照NCHRPProject9-19的提议，使用间接拉伸广东建材2018年第6期IDT的相关参数来进行沥青混合料的低温缩裂评价是在NCHRPProject9-29的第3个阶段，比较了合理的。低温情况下的间接拉伸以及低温直接拉伸单轴压缩的试件强度。间接拉伸的原理是在试件的上下施加一个双向荷综合论述早在1970年，美国德克萨斯州交通部GermannandLytton便发明了用于评价加铺罩面层抗反射裂缝能力评价设备OverlayTester（简称OT）。OT设计的初衷是路面结构形式以水泥混凝德州高速公路的建设过程中，土板为主，在对其进行维修养护时，为了改善行车质量，载，使试件中间部位呈现拉应力的状态。在试件的中间经常选择使用沥青混合料直接加铺的方式，即所谓的。然而，部位放置4个传感器，来测试水平和垂直共两个方向上“白改黑”“白改黑”的路面面临着严重的反射裂的变形，可以方便的得到不同方向的变形特征，也可以得到泊松比；相比之下，直接拉伸则是在圆柱体试件的上、下表面进行压缩或者拉伸。IDT测试与路面水平方向上的温缩应力，而圆柱体试件的直接拉伸和单轴压缩测试的是路面垂直方向上的温缩应力，显然，间接拉伸测得的结果更能模拟低温收缩时混合料的收缩应力。另外，IDT能测试两个方向的变形，考虑了沥青混合料各向异性的特点，也是比较符合实际情况的。间接拉伸试验过程中，把试件的温度降到低温情况后，给试件上下压条上施加一个恒定的力，来测1000s内试件的变形。该恒定的力模拟的是在路面出现突然降温时，由于收缩受阻而承受着一个温缩应力。在这中应力作用下，若试件的柔度就高，便能产生一定的变形来消散应力的作用，混合料不会被拉断。相反若柔度较小，则会出现拉断现象。在测试过程中，一般情况下是测3个温度，得到3条曲线的1000s的蠕变柔度。再把3条曲线通过时温平移，得到一条参考温度下的主曲线。具体如图3所示。图3蠕变柔度主曲线图比较主曲线上的柔度，代入温缩应力的计算公式，如式⑴所示，计算温缩应力后，与该温度下混合料的抗拉强度进行比较，便可评价混合料是否会在该温度下发生缩裂。σT=E1αdTp(式1)5OT抗裂度研究进展乙2缝病害，主要表现为水泥混凝土板体的接缝，在经历不长的时间后即反射至沥青层顶部，降低了沥青面层的行车舒适度，同时，开裂的沥青层不能阻止雨水的下渗，进而导致严重的水损害。在对“白改黑”路面所面临的问题进行深入研究，并集中调研了已有的试验方法的基础之上，提出了OT试验，从OT试验的基本原理、试验指标的可靠性、疲劳性能评价、加铺层设计方法等方面分别开展了细致的研究。近年来，由Zhou等人对OT试验的试件尺寸进行了改进，以提高OT试验的认知度。改进后的试件尺寸为150mm×75mm×38mm，可以从旋转压实仪的试件中直接切割出来，也可以从路面进行取芯，并切割出来，这样一来，室内试验和现场试验变可以很好的衔接，从而达到互相验证，提高试验的可靠性和实用性。OT试验是一种控制应变的试验方法，其加载模式为，首先将试件固定在两块荷载板上，一块固定，一块可以水平移动，由于两块荷载板间存在一道宽约2cm的缝，这样当荷载板水平移动时，便在试件的底部造成了拉应力，并在试件的中部产生弯拉区域，且产生剪应力，完美模拟了由汽车荷载、温度荷载作用下位于原路面裂缝表面的加铺层沥青混合料的力学行为。试验过程中，荷载板的水平位移可以人工设定，大多数的OT试验将水平位移固定为0.6mm。试验过程中，在试件的底部放置有一个力传感器，用于测得每次加载时，试件产生相同位移变形的情况下所施加荷载大小的变化情况，将荷载作用时间与荷载大小一同绘制成如下图5所示的典型荷载作用曲线。LubindaF.等人对OT试验的可靠性进行了充分的论证，主要目的是分析OT试验的可重复性、变异性、试验温度、试件的制备过程、荷载板位移、频率、试件厚度等等因素。对于OT试验的破坏标准，起初的研究者们将其定义为荷载试验的第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段的交界荷载作用次数，并提出了具有良好的抗裂能力的混合料荷载破坏作用次数需大于300次，优越的抗裂性能的混合料破坏作用次数需大于750次。很显然，这-77-综合论述样的破坏标准在实际操作过程中容易受人为因素的影响，具有经验的工程师可能与初次操作试验的工程师做出的破坏次数是不一样的。因此，zhou等人统计分析了德克萨斯州近200个配合比设计结果的试验数据以及从现场取芯的试验数据，采用了3个标准，用于区分不同种类的沥青混合料。研究中，对于油石比相对较小的混合料，主要是91%的荷载（力的大小）下降度，而对于油石比较大的混合料，主要是95%的荷载下降度。取二者平均，即93%的荷载下降度作为破坏标准。通过比较不同沥青含量、沥青劲度、空隙率、级配等混合料，分析了OT试验的鉴别性，试验结果显示了OT试验优越的鉴别能力。该研究结果还发现，集料的吸水率对OT试验的测试结果有很大的影响，当集料的吸水率较高时，试件达到破坏时，荷载作用而比吸水率小的集料的寿命小很多。LubindaF.比较了OT试验与间接拉伸、半圆弯曲、直接拉伸等开裂试验的试验结果，发现OT试验较其他三者具有更高的可信度、更低的变异系数，OT试验完全可以作为评价加铺层沥青路面抗反射开裂的评价试验。经过多年的实践积累和反复的科学论证，最终德州交通部门总结经验，制定了OT试验的标准化操作规程Tex-248-F，进一步将OT试验标准化，便于其推广。必须强调，在OT试验研究的过程中，研究者们始终将力学基本理论应用在实际研究工作中，早早的建立了基于力学-经验方法的分析工具。6我国亟待研究方向目前为止，美国道路工作者已经将AMPT正式列入了沥青混合料设计方法中，动态模量的使用已经进入了常规使用的轨道，重复荷载试验所测试的参数用于路面车辙量的预估模型中，蠕变柔度参数也已列入了MEPDG的设计方法中，OT试验也验证了与路面疲劳开裂相关的可能，最重要的是OT试验可以作为一种快速评价疲劳性能的试验，在加以使用。而我国即将出版的沥青路面设计规范中也引入了动态模量参数，但该参数的使用还远没有得到可方便使用的地步。动态模量的使用依靠温度和频率，而该规范中提供的温度和频率分别为20℃、10HZ，显然这样的使用也仅仅是将动态模量做为一个简单的计算参数加以使用，对于路面力学分析、车辙预估、疲劳预估等无法实现使用的功能。我国对于流动度的使用也仅仅是停留在流动度参数本身，而无法使用其测试过程中第二阶段变-78-广东建材2018年第6期形速率用于车辙预估的使用，且已有的成果也只是在少数的科研院所、高校内开展，普及程度远远不够。我国对于低温开裂的评价参数，仅停留在经验判断的基础之上，所使用的参数是-10℃的弯拉应变，该指标无法与路面开裂建立必要的联系。已有的文献仍未能找到较好的关于间接拉伸蠕变柔度的成果，更无法提及其与混合料低温缩裂性能的预估关系。我国尚无关于OT试验的相关研究。因此，完全有必要开展AMPT相关方面的研究，为新规范在使用中提供必要的便利，也为促进我国沥青路面设计和沥青混合料性能测试方面有长足的具有深远的进步做出必要的贡献。●参考文献】[1]Witczak,M.W.,Kaloush,K.,Pellinen,T.,El-Basy-ouny,M.,andVonQuintus,H.,SimplePerformanceTestforSuperpaveMixDesign,NCHRPReport465,NationalCooperativeHighwayResearchProgram,Washington,D.C.,2002.[2]R.F.BONAQUIST,D.W.CHRISTENSEN,WILLIAMSTUMP,SimplePerformanceTesterforSuperpaveMixDesign:First-ArticleDevelopmentandEvaluation,NCHRPRe-port513,NationalCooperativeHighwayResearchProgram,Washington,D.C.,2003.[3]RamonBonaquist,RuggednessTestingoftheDynamicModulusandFlowNumberTestswiththeSimplePerfor-manceTester,NCHRPReport629,NationalCooperativeHighwayResearchProgram,Washington,D.C.,2008.【
