專家解讀丨詳細分析JTG D50-2017公路瀝青路面設計規范試驗方法

新規范中將車型按照軸型分成7類，按照車輛類型分為11類（規范附錄A-交通荷載參數分析）。在三種設計水平中，水平一要求根據現場交通量觀測資料統計設計方向不同車道上車輛的數量，確定車道系數。為了獲取車輛的軸型和軸載譜，我們需要在現場安裝傳感器來進行實際測量。

我們通過現場預埋的傳感器可以實現車輛計數、車型分類和軸型識別，典型的測量結果如圖1所示：當車輛通過傳感器時，通過測量車輛通過兩條橫向線型傳感器的時間差，可以計算車速和軸距；同時，傳感器也將記錄車輛的荷載。整套系統的測量標準依據ASTM E1318-2017 Standard Specification for Highway Weigh-In-Motion（WIM） System with User Requirements and Test Methods的技術規格要求。

圖2 軟件數據顯示示例（按時間軸顯示車道-車輛類型-車速和軸重）

整套系統需要預埋在現場道路結構內部，并通過路邊的數據采集儀進行數據采集，可以選擇增加通訊模塊將數據發送至辦公室的軟件中遠程觀測，也可以在采集一段時間后，在現場采集儀中下載數據用于數據分析。所有的測量結果可以通過Excel的形式導出，以便于按照我國標準對車型進行分類，并進一步計算當量設計軸載累計作用次數：

與2006年版規范相比，在考慮環境條件對路面結構性能的影響時，引入了溫度調整系數和等效溫度參數（溫度指標可以通過規范的附錄可以查表進行選取，或通過當地氣候觀測站的數據確定當地的實際溫度）。同時考慮了濕度的影響，粒料層的回彈模量在結構驗算時應采用粒料回彈模量乘以濕度調整系數后得到：E0=KSKηMR。新規范中該部分的要求實際上與JTG D30-2015公路路基設計規范的規定是一致的，濕度調整系數可以在JTG D30-2015的附錄D中查表獲取。

此部分涉及的參數并非強制試驗獲取，如果需要進行試驗實測的，可以選用土水特征曲線壓力板儀實測路基土的土水特征曲線來測試土的飽和度；通過凍融循環或干濕循環試驗來確定路基土模量折減系數Kη。

新規范中ZD的變化就是瀝青路面結構設計參數的變化，從以往的靜態參數轉變為動態參數，水平一（高速公路和一級公路的施工圖設計階段）要求必須通過室內試驗實測確定參數。水平二根據經驗公式計算獲取（部分指標仍需試驗），水平三可以查表獲得參數。這種新的要求對所有設計單位的試驗檢測能力提出了特別高的要求。因為我們的路面結構設計方法是通過輸入各結構層模量和厚度來進行計算的，我們接下來就按照材料的分類來分別介紹不同材料模量測試方法需要新增的試驗設備和方法。

3.1 瀝青結合料類材料

在2006年版設計規范之前，我們使用的瀝青層設計參數是單軸壓縮回彈模量，但眾所周知，這種受力條件與實際交通狀況不符，同時未充分考慮溫度條件的影響。因此，新規范的一個核心變化就是使用單軸壓縮動態模量來作為設計參數。動態模量試驗是通過在瀝青混合料圓柱體試件頂端施加半正弦波動態荷載，并測量試件中部的平均位移值來計算動態模量。同時，該試驗覆蓋了從低溫到高溫的多個溫度等級，通過測量不同溫度條件下的模量曲線并合成動態模量主曲線來全面反映瀝青混合料在不同溫度條件下的動力響應性能。尤其是對于改性瀝青混合料來說，不同的改性瀝青混合料，其動態模量相差很大，宜通過多溫度多頻率掃描來實測其動態模量范圍值。（有條件的單位還可以進行帶圍壓的拉壓試驗獲取動態模量）

圖5 單軸壓縮動態模量試驗的加載原理和主曲線計算

獲取動態模量需要我們配備動態伺服閉環控制能力的力學試驗機，在此我們有兩種選擇：

除了儀器本身的差別外，在試驗方法上，需要加以注意：動態模量試驗Z初開發是基于2個標準，其具體差別分析如下：

ZG和美國標準動態模量試驗方法的區別

*盡管這三種主要標準從實驗的角度來看，要求有所差別，擬合動態模量主曲線的方法有所不同，但從實際應用的角度出發卻沒有多大區別。所以，對于設計單位來講，無論是使用AMPT還是UTM，無論是依據哪個標準測試動態模量都是沒有問題的。

注：*此結論來自于新規范編寫組，摘自新規范宣貫文件。

完成瀝青混合料的動態模量試驗還有1個重要的前提條件是制備形狀規則，密度分布均勻的試件，從而在加載過程中可以使得試件可以均勻受力，得到理想的試驗結果。為此，規范要求我們必須使用基于搓揉剪切成型原理的旋轉壓實儀來制作直徑150mm，高度170mm的圓柱體試件，經過取芯得到直徑100mm，高度170mm的芯樣，再通過切割鋸切掉頂部和底部各10mm的薄片，ZZ得到直徑100mm，高度150mm的圓柱體芯樣進行試驗。該過程可以用圖8來進行描述，圖8中的試驗工具因此都是必備的。

圖8 動態模量試件制作過程

注：之所以這樣進行試件制作，是因為傳統的馬歇爾擊實法制作的圓柱體試件在不同高度的面空隙率變異性較大，也就造成了試件內部的受力不均勻。華南理工大學曾經用工業CT計算機斷層掃描儀為此進行過驗證，得到的結果如圖9所示。

圖9 擊實成型和旋轉搓揉成型試件的面空隙率-高度曲線

從圖9可以清晰的看到：馬歇爾試件（典型高度63.5mm）的面空隙率隨高度的變化曲線類似于拱形，中間段的面空隙率ZD，兩端ZG；旋轉壓實試件則是在30-105mm左右的中段面空隙率幾乎一致，所以我們在試驗時，位移傳感器就是粘貼在試件的中段測量這部分的變形值并取平均值進行計算。（AMPT的動態模量規范要求的傳感器標距就是70mm±2mm）

對于水平2的設計來說，則可以通過公式計算確定瀝青混合料的動態壓縮模量，公式如下：

其中，G*為瀝青在60℃，10rad/s角速度下測量得到的動態剪切復數模量（KPa），測試這個指標，需要使用動態剪切流變儀Dynamic Shear Rheometer（DSR）。對于各設計單位來講，動態剪切流變儀除了可以獲取路面結構設計參數以外，由于其強大的擴展能力，以及適用于基質瀝青、改性瀝青、環氧瀝青、橡膠瀝青、瀝青膠漿混合料，甚至水泥等材料的通用性測試能力，覆蓋從-40℃的低溫到+200℃的高溫的全部道路材料施工、運營溫度范圍的測試能力，同樣適用于我們進行新材料研發，設計時的材料選擇，施工過程中質量控制，再生養護過程中對舊瀝青和再生瀝青性能進行評價等。可以說是所有單位今后需要的，重要的試驗工具之一。

圖10 DSR動態剪切流變儀和測試原理

3.2 無機結合料穩定類材料

無機結合料穩定類材料的模量試驗方法與舊規范的差別在于：材料變形的測量同樣從頂面法變為中段法，即在圓柱體試件的周圍安裝3個呈120°角平均分布的LVDT位移傳感器測量中間段的變形值用于模量計算。這是因為頂面法測量試件高度的壓縮變形由于兩端斷面的摩阻約束影響，其正確性受到質疑，國外的試驗標準中均已經廢除這種方法，而采用中間段測量的方法，可以有效消除斷面摩阻印象，得到更能反映真實應力-應變關系的壓縮彈性模量。

該試驗（新規范附錄D）可以通過量程不小于300kN的壓力試驗機來完成，選型時應確保：

1. 數據采集系統具有足夠的通道數量，可以實時記錄壓力值，3個位移傳感器的變形值（計算彈性模量），1個徑向位移傳感器的變形值（計算泊松比），即采集通道數量至少5個。

2. 壓力試驗機的量程盡可能覆蓋新規范表5.4.5的彈性模量取值范圍，盡可能不小于500kN。

3. 具備固定試件表面粘貼位移傳感器的專用固定夾具。

圖11 壓力試驗機及中段法位移測量工具

3.3 土基和粒料類材料

土基和粒料材料的回彈模量應按照新規范附錄D重復加載三軸試驗確定（或JTG D30-2015公路路基設計規范的附錄A）。如果用戶已經具有了UTM多功能路面材料動態試驗機，可以通過在UTM上增加三軸室，配套的位移測量傳感器和夾具，以及空氣圍壓供應裝置來完成這個試驗。有條件的單位也可以直接使用專用的動三軸試驗儀來完成該試驗。

與無機結合料穩定類材料測試回彈模量的要求不同，在測量土和粒料類材料的回彈模量時，傳感器外置式頂面法測量和內置式傳感器安裝在試件表面的中段位移測量都被規范所允許。如果使用內置式測量方法，需要三軸室底座帶有通道環，可以將傳感器導線引出三軸室連接數據采集系統。甚至三軸室側壁具有開孔可以連接徑向位移測量傳感器。（規范無要求）

圖13 土和粒料類材料回彈模量試驗的兩種變形測量方法

當我們完成所有的設計參數試驗并進行試算和初步設計后，需要對設計方案進行結構驗算判斷使用性能標準是否符合規范要求（圖14），并ZZ完成設計。在此階段，我們需要對如下的6個方面進行性能驗證并考慮其他材料性質指標檢測，確保其滿足新規范的要求。具體說明如下：

圖14 新規范結構驗算流程

4.1 瀝青混合料層疲勞開裂驗算

目前，國內外關于瀝青混合料疲勞開裂性能的試驗方法有很多。美國NCHRP 09-57項目曾經將一些主要的試驗方法進行了綜合比較，并與現場環道試驗的試驗結果進行比較。感興趣的同仁可以查閱相關的論述；在眾多的疲勞試驗方法中，我國的新規范選擇的是棱柱體四點小梁彎曲的試驗方法，試驗方法為JTG E20-T0739。該試驗一般有兩種加載模式，通常認為：應變控制模式適用于較薄的瀝青混合料層，應力控制模式適用于較厚的瀝青混合料層。不同的加載模式具有不同的疲勞性能模型，新規范在考慮模型與設計體系相協調、更廣泛適用性等因素下，增加了目標可靠度指標β和環境參數（溫度調整系數KT1和季節性凍土地區調整系數Ka），ZZ得到了模型方程：

疲勞開裂壽命：

ZZ，我們在驗算時應確保疲勞開裂壽命大于使用年限內設計車道的當量設計軸載累計作用次數。否則，應調整路面結構方案，重新驗算，直至滿足要求。

圖15 棱柱體四點小梁彎曲疲勞試驗的試驗設備和原理圖

在進行設備選型時，考慮到疲勞試驗周期較長，有條件的情況下，應配備專用的疲勞試驗機來開展疲勞試驗。以便其他設備可以同時用于路面結構設計參數的測試。這里另外一個值得提醒的問題是：與小梁三點彎曲試驗方法不同，小梁四點彎曲疲勞試驗方法要求試件長度為380mm，截面積50mm×63.5mm，這也就意味著我們常規的輪碾壓實儀無法制作小梁疲勞的試件。（常規輪碾壓實儀為制作車轍試驗車轍板配套，成型試件尺寸為300×300mm），因此，用戶可以考慮采購可以成型400×300mm試件的輪碾壓實儀或450mm×150mm棱柱體的剪切壓實儀。

圖16 輪碾壓實儀（左）和剪切壓實儀（中）和試件切割（右）

4.2 無機結合料穩定層疲勞開裂驗算

無機結合料穩定層的疲勞試驗與瀝青混合料層的方法類似，都是使用三分點加載的四點梁彎曲疲勞試驗方法，參考的規范是JTG E51-T0856標準。我們可以在UTM多功能路面材料動態試驗機上完成這個試驗，并同樣ZZ根據疲勞開裂模型方程來確保疲勞開裂壽命大于設計使用年限內設計車道的當量設計軸載累計作用次數，否則，調整路面結構組合或層厚，重新驗算直至滿足需求。（這種試驗夾具同時適用于測試彎拉強度）

疲勞開裂壽命：

圖17 無機結合料穩定層材料四點疲勞彎曲試驗夾具

4.3 瀝青混合料層變形量驗算

國內外關于瀝青混合料層變形評價試驗的方法很多，例如馬歇爾試驗方法，恒高度重復剪切試驗（RSST-CH），靜態蠕變試驗（流值時間），動態蠕變試驗（流值次數），三軸試驗，以及各種不同標準的車轍試驗方法等。考慮到試驗需要簡單易用，與現場長期觀測指標相關性好以及設備易于推廣的前提，新規范仍然選用車轍試驗動穩定度指標作為標準試驗方法。考慮到這是大家Z熟悉的試驗之一，在此不再贅述。

圖18 多功能漢堡車轍儀（滿足歐標小輪-美標漢堡-ZG動穩定度標準）

4.4 路基頂面豎向壓應變驗算

路基頂面的容許豎向壓應變應按以下公式計算：

而路基頂面豎向壓應變應按照以下公式計算：

其中：

路基頂面豎向壓應變應小于容許壓應變值。否則，調整路面結構組合或層厚，重新驗算直至滿足需求。此驗算環節無需試驗。

4.4 瀝青面層低溫開裂指數驗算

新規范在編寫過程中，采用經驗法，對吉林和黑龍江省4條公路的14個路段進行了瀝青混合料層的開裂狀況調查，并對瀝青的性質（勁度模量），路面結構（瀝青混合料層厚度）和路基土類型進行了測試。依據所取得的數據，提出了以下的低溫開裂經驗預估模型：

瀝青面層低溫開裂指數：

其中，St為在路面低溫設計溫度加10℃試驗溫度條件下，表面層瀝青彎曲梁流變試驗加載180秒時的蠕變勁度（MPa），因此為了進行瀝青面層的低溫開裂指數驗算，我們必須要增加低溫彎曲梁流變試驗，依據標準JTG E20-T0627。

圖19 BBR彎曲梁流變儀和試驗原理圖

4.6 防凍厚度驗算

季節性凍土地區路基為中濕或潮濕狀態時，按公式Zmax=abcZd計算多年ZD凍深，其中的a，b，c系數均可通過查表法直接獲取，當路面結構層厚度小于規定的Z小防凍厚度時，應增設防凍層，使其滿足Z小防凍厚度的要求。此驗算環節無需試驗。

4.7 其他材料的性能指標要求

除了以上的驗算要求外，還需要對瀝青混合料的性能進行一些性能檢測，這些檢測方法主要有：

4.7.1 瀝青低溫性能指標

對于季節性凍土地區高速公路和一級公路表面層瀝青低溫性能宜滿足下面的3條指標要求：

1. 分析連續10年ZD氣溫平均值，作為路面低溫設計溫度。路面低溫設計溫度提高10℃的試驗條件下，瀝青彎曲梁流變試驗蠕變勁度St不宜大于300MPa，蠕變斜率m不宜大于0.30。

2. 當蠕變勁度St在300~600MPa范圍內，且蠕變斜率m＞0.30時，增加瀝青直接拉伸試驗，其斷裂應變不宜小于1%。

3. 以上都不滿足時，采用彎曲梁流變試驗和直接拉伸試驗確定瀝青臨界開裂溫度，臨界開裂溫度不宜高于路面低溫設計溫度。

圖20 通過BBR試驗和DT試驗計算瀝青的臨界開裂溫度

此處，涉及到除BBR彎曲梁流變儀外的另一種試驗設備——DT瀝青直接拉伸試驗儀。這里強調一點：經常有人將瀝青的直接拉伸試驗與瀝青混合料的直接拉伸試驗混淆。實際上，這是兩種完全不同的試驗。瀝青的直接拉伸試驗是Superpave PG分級試驗方法中評價瀝青膠結料低溫性能的一個試驗方法，測試對象是瀝青，測試環境為低溫（-36℃~0℃）的液體浴，通過專用儀器將瀝青拉斷并測量其破壞應變εf和破壞應力σf來進行評價。而瀝青混合料的直接拉伸試驗是在動態力學試驗機中對棱柱體或圓柱體瀝青混合料試件施加軸向的動態拉伸荷載并測量其軸向變形來測量混合料模量或獲取混合料疲勞模型為目的。

4.7.2 瀝青混合料水穩定性指標

新規范中仍然要求使用浸水馬歇爾使用殘留穩定度和凍融劈裂試驗殘留強度比來檢驗水穩定性。鑒于大家對于浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗都非常熟悉，此處不再贅述。不過這里我們向大家推薦一種已經列入JTG E20新版公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程的試件浸水處理方法——美國M.i.S.T高溫動水沖刷法。這種方法使用專用的設備將瀝青混合料放在水箱中，施加高溫（ZG可達72℃）和動水循環沖刷的作用，處理過程4個小時，一般放在24小時熱水養生之后，對試件進行如此處理的目的在于可以通過動水沖刷作用破壞瀝青內部的內聚力而不僅是集料和瀝青之間的粘附力，也更符合道路在夏天雨季時的工況。經過如此處理的試件再進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，能夠更真實的反映材料的水穩定性。

圖22 高溫動水沖刷法的設備和試驗原理（此方法不強制）

4.7.3 瀝青混合料單軸貫入強度

此次新規范增加了一種我國原創的單軸貫入試驗方法（新規范附錄F），該試驗可以在UTM多功能路面材料動態試驗機上完成，也可以在其他符合要求的材料試驗機上完成。

圖23 單軸貫入強度試驗

4.7.4 瀝青混合料低溫性能指標

新規范仍然推薦使用JTG E20-T0715的三點彎曲跨中加載試驗方法來評價瀝青混合料的低溫性能，該試驗可以在專用的低溫試驗機上完成，也可以通過專用夾具在UTM多功能路面材料動態試驗機上完成，如圖24所示。

圖24 JTG E20-T0715三點彎曲試驗

4.7.5 無機結合料穩定類材料性能要求

無機結合料穩定類材料的性能指標還要求滿足集料粒徑、水泥劑量、7天無側限抗壓強度、彎拉強度等要求，因為都是大家非常熟悉的試驗方法，在此不再贅述。

4.7.6 粒料類材料的性能要求

粒料類材料的性能指標還要求滿足CBR值，粒徑，級配等要求，因為都是大家非常熟悉的試驗方法，在此不再贅述。

在新規范中，要求使用落錘彎沉儀作為路面結構評價和驗收指標。在JTG F80/1-2017公路工程質量檢驗評定標準中也增加了采用落錘彎沉儀（FWD）的檢測方法，在路基交竣工驗收和路面交竣工驗收時都需要使用錘重50kN的落錘彎沉儀進行質量評定。因此，落錘彎沉儀也可以算作瀝青路面設計的工具之一。

圖25 拖車式落錘彎沉儀和車載式落錘彎沉儀

以上，是對2017年版公路瀝青路面設計規范所需試驗能力和配套設備的介紹。ZD在于較2006年版本新增的試驗方法和設備。對于大家耳熟能詳的試驗、設備以及實驗室常備的例如烘箱、拌合機等常用工具和設備均未加詳述。限于筆者的水平所限，文章中如有紕漏還請大家賜教和指正。大家對于文章中感興趣及需要的設備請聯系歐美大地，我們將很樂于為您提供服務。

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