SHRP性能试验设备可行性研究 - 图文

SHRP沥青性能试验设备可行性研究

SHRP计划产生的背景

美国公路战略计划（SHRP）是根据美国国家科学研究委员会（NRC）、运输研究委员会（TRB）为美国联邦公路局（FHWA）提出的一项特别研究报告——“美国公路：加速录求新技术”而制定。1982年，美国各州和联邦公路部门的研究经费只是1973年费用的一半，由于经费有限，公路研究只能解决一些局部问题，一些与公路性能和安全有关的、能产生巨大经济效益的关键问题由于没有足够经费支持而终止，引起了美国相关机构的关注。

1984年，美国各州公路与运输官员协会（AASHTO）开始游说美国国会支持SHRP计划，并在联邦公路管理局（FHWA）的资助下，用了两年时间在沥青、路面长期性能、混凝土与结构、公路营运、冰雪控制、养护等6个研究领域（后来压缩到4个）内制订了详细的研究计划，于1986年5月提出了SHRP研究计划的最终报告。

1987年，SHRP计划进行一项为期5年耗资5000万美元的沥青课题研究，旨在制定一个新的沥青和沥青混合料规范、试验和设计方法。SHRP沥青课题的最终研究成果称为Superpave（Superior Performing Asphalt Pavements）,即高性能沥青路面的意思，它由胶结料（PG分级）规范、混合料设计体系和分析方法等部分组成。美国联邦公路局（FHWA）负责对Superpave推广，并得到了AASHTO的全力支持。

1993年当SHRP研究计划结束时，热拌沥青工业对于Superpave的推广面临着没有退路的局面。老路走不通，因为许多路面仍在产生早期破坏，新路还须探索。在美国公路界的努力下，Superpave体系的一些“孔洞”不断得到修补，联邦公路局也准备在全美推广应用这种技术。

经过近10年的努力，如今美国除了加利福尼亚、犹大州等三个州还没有决定何时推广PG胶结料规范外，所有州都已在2000年完成了胶结料PG分级的推广工作。Superpave混合料设计方法推广虽然没有预期想像的那样快，但全美已有75%的州开始使用这种混合料设计方法了。

SHRP计划吸引了全世界公路研究都的注意与兴趣，引起了许多国家的重视，总共有26个国家任命了国际协调员，有14个国家设立了路面长期性能（LTPP）平行研究项目。

SHRP沥青胶结料性能试验设备

Superpave沥青胶结料试验是通过工程学原理测量胶结料的物理性质，并将这些性质与现场性能直接联系在一起。其主要的测试内容如表1所示。

表1 Superpave 沥青胶结料试验 Superpave 胶结料试验 压力老化容器（PAV） 弯曲梁流变仪（BBR） 直接拉伸试验仪（DTT） 动态剪切流变仪（DSR） 约束试件温度应力试验仪 紫外线老化仪

试验目的 模拟胶结料的长期老化过程 测量胶结料低温性质 测量胶结料的低温性质 测量高温和中等温度下胶结料性能 评价沥青混合料的低温开裂性能 模拟阳光雨露等人工光源的老化试验

图1 压力老化容器（PAV） 图2 弯曲梁流变仪（BBR）

图3 直接拉伸试验仪（DTT） 图4 动态剪切流变仪（DSR）

图5 约束试件温度应力试验仪 图6 紫外线老化仪

SHRP沥青胶结料性能试验设备的作用

动态剪切流变仪（DSR）

动态剪切流变仪DSR是用来测试沥青胶结料黏性和弹性特征的仪器，其方法是通过测量夹在振荡板和固定板间的薄沥青胶结料试样的黏性和弹性性质来实现的，其试验规程为“用动态剪切流变仪测定沥青胶结料的流变特性”（AASHTO T315）。在大多数路面温度下，沥青呈现明显的黏弹性，在DSR中施加的应力和产生的应变之间，Superpave提供了反映沥青黏弹性的两个重要参数：复数剪切模量（G*）和相位角（δ）。复数剪切模量（G*）是DSR试验中最大剪应力和最大剪应变的比值；相位角（δ）为与施加的应力相对应的应变的时间滞后的相位角。对于完全正确弹性材料，相位角（δ）为零，表明全部变形都是弹性的、可恢复的；对于黏性材料，相位角（δ）接近90°，表明所有的变形均是永久变形，而沥青胶结料通常是工作在上述两个极端状态之间的。

弯曲梁流变仪（BBR）

弯曲梁流变仪（BBR）是用来测量沥青在极低温度下的劲度，是通过测量在蠕变荷载下小沥青胶结料梁试样的劲度来实现的，其试验规程为“用弯曲梁流变仪测定沥青胶结料的弯曲蠕变劲度” （AASHTO T313）。在BBR试验中，有两个参数：蠕变劲度和m值；蠕变劲度是反映沥青胶结料抵抗横载的能力，m值是反映加载后沥青胶结料劲度的变化速率。

直接拉伸试验仪（DTT）

直接拉伸试验仪（DTT）是测量沥青胶结料低温最大拉应变，是通过对已经经过短期老化和长期老化的哑铃形沥青胶结料试件，在低温下施加恒速拉力，测量试件破坏时的应变来实现的。其试验规程为“直接拉伸试验测定沥青胶结料断裂特性”（AASHTO T314）。

压力老化容器（PAV）

压力老化容器（PAV）是通过在2070kPa的高压下加速沥青的胶结料的老化过程，其样品需要先经过RTFOT的短期老化，试验规程为“用压力老化容器加速老化沥青胶结料”。

约束试件温度应力试验仪

约束试件温度应力试验（TSRST）可以测定冷却过程中温度应力曲线，确定沥青混合料的冻断温度、冻断强度、转化点温度和温度应力曲线斜率4个评价指标，能正确地模拟沥青路面现场使用状况，直接测量沥青混凝土的降温响应，对准确地评价出沥青混合料的低温抗裂性能有着重要的意义。

紫外线老化仪

紫外线老化仪主要用于模拟阳光、潮湿和温度对沥青胶结料的破坏作用；沥青胶结料的老化包括褪色、失光、强度降低、开裂、剥落、粉化和氧化等。试样在模拟的环境中试验几天或几周的时间，可再现户外可能几个月或几年发生的损坏。

SHRP沥青胶结料性能指标的优势

传统的以沥青三大指标为代表的沥青指标体系，其试验都是在标准测试温度下进行的，测试结果被用来确定材料是否满足规范的要求。其局限性在于试验不能提供路面实际温度下的胶结料性能特点，例如标准针入度反映的是沥青在25℃时的性能，但路面实际使用温度

常远高于此，同时这些测试方法多是经验性的，在试验得到有意义的信息之前，先要由现场经验来对结果作出判断。例如针入度反映的是沥青的黏稠度，但二者间又没有直接的换算关系，通过针入度来反映沥青的黏稠度，必须依靠经验。

Superpave沥青胶结料理论体系的最大特征就在于试验是在更能体现路面实际服务状况的温度和老化条件下进行的。

对沥青胶结料性能测试的目的，在于通过限制沥青路面中沥青胶结料引起永久变形、低温开裂和疲劳开裂的潜在因素，而改进其性能。Superpave规范与我国沥青指标规范之间有一个重要的区别，就是规范要求的形式不同：Superpave规定，对所有的性能等（PG），其指标标准的要求相同，而得到所有这些指标的温度却依据胶结料拟服务路面的气候条件而变化。例如PG58-22等级，适用于在评价7d最高路面设计温度58℃和最低路面设计温度计-22℃的环境条件下。

SHRP胶结料选择方法假定路面承受快速移动荷载，动态剪切流变仪的荷载变化速率是10r/min,对应的汽车速度为90km/h，小的旋转速度对交叉口和收费站比较合适，其他一些场合的荷载静止，胶结料必须具有高的劲度以抵抗材料的蠕变。

SHRP的胶结料等级同时考虑了交通等级，当设计的交通等级超过107的当量单轮荷载（ESWL），设计人员必须将胶结料等级提高一个等级。同荷载等级一样，交通等级对低温等级没有影响。

SHRP通过气象资料的分析确定适宜选用的沥青胶结料性能等级，选定沥青胶结料性能等级后，就可通过Superpave的试验设备对沥青的性能进行评价，用于判断其是否符合所规定的性能等级的要求。在Superpave的性能评价中，重要的是对沥青的永久变形性能、疲劳开裂性能和低温开裂性能进行评价。

路面的车辙或永久变形是路面在高温环境下承受反复荷载所产生的不可恢复变形的累积的结果，永久变形一般发生在路面使用的早期，所以Superpave在对沥青胶结料的永久变形性能进行测试时，采用未老化的胶结料和RTFOT短期老化的胶结料。在永久变形性能的评价指标上，Superpave规范定义了一个车辙因子：G*/sinδ，该参数代表了胶结料总劲度中的高温黏性成分。该试验是通过DSR试验来测定的，Superpave要求原样沥青的G*/sinδ至少应大于1.00kPa，而RTFOT老化后的值至少为2.20kPa。Superpave设计理论认为，低于此标准的沥青胶结料会太软，不能抵抗永久变形。

车辙因子G*/sinδ作为美国SHRP计划的研究成果可以评价沥青结合料高温性能的指标；美国Stuart和Mogawer进行的加速加载试验结果表明，对于基质沥青G*/sinδ与混合料的车辙间具有较好的相关性。澳大利亚的研究成果也反映了这一点。

DSR试验所获得的复数剪切模量G*和相位角δ，除了可以用来评价沥青的高温性能外，还可以用来评价胶结料的抗疲劳开裂能力，此时采用的疲劳开裂因子为G*sinδ（也称为中等温度劲度）。因为疲劳一般在路面投入使用一段时期后，因此其采用的胶结料是经过RTFOT短期老化和PAV长期老化后的试样；而疲劳累积最易发生在低温到中等温度，因此试验DSR试验采用的是中间温度。

Superpave规范对G*sinδ设置了一个5000kPa的最大值。理想的胶结料抗疲劳开裂的品质具有软弹性材料的功能，能从许多次加载后恢复。具有相同劲度的两种材料，有较小δ值的材料，其弹性就较大，因此可以提高其抗疲劳性能；因此G*sinδ值越大，其抗疲劳开裂的能力就越低，这就是Superpave为G*sinδ限制5000kPa的原因。

当路面温度降低时，沥青混合料就会收缩，而下层路面的摩擦力会阻止这种收缩，从而在路面中产生拉应力，当应力超过沥青混合料的抗拉强度时，就会产生低温裂缝，这是一种很难避免的病害。Superpave通过弯曲梁流变仪给梁形试件施加一个很小的蠕变荷载，测量其蠕变劲度S。如果蠕变劲度S过高，沥青就会呈现出脆性，相应裂缝发生的可能性就较大，