基于性能的热带路面结构沥青混合料优化：一种力学与疲劳寿命方法

《Buildings》：Performance-Based Optimization of Asphalt Mixtures for Tropical Pavement Structures: A Mechanistic and Fatigue Life Approach

　　

热带地区的耐久性道路基础设施受到严峻气候条件和重交通荷载的挑战。本研究调查了两种高性能结合料和集料结构对两种沥青混凝土（AC）混合料疲劳抗力的影响，并探讨了它们与路面力学响应之间的关系。试验方案包括单轴压缩和四点弯曲疲劳试验，以确定动态模量（E）和疲劳性能。基于疲劳试验结果，建立了一个恒应变疲劳寿命预测模型。对不同沥青层厚度进行了力学分析，以估算用于疲劳寿命预测的内部应变。结果表明，高韧性混合料（GT-13）在高温下表现出12%至14%更高的动态模量。最大拉伸应变发生在7 cm厚沥青层（AC层）底部。与Beton bitumineux Semi-Grenu（BBSG 0/14）相比，GT-13将疲劳寿命提高了5.4倍以上，并将损伤减少约87%，使等效理论设计寿命延长至28年以上，实现了最低的基于复合指数的路面评价。

本研究发表于《Buildings》期刊。研究背景方面，热带地区（特别是刚果共和国）的路面耐久性面临严峻挑战，由于高温、高湿、强降雨等气候条件以及重交通荷载，传统的法国设计方法（如SETRA和LCPC标准）直接应用于热带地区导致早期破坏，如裂缝和车辙。现有问题包括：缺乏本地校准模型、长期性能数据不足、路面温度映射不充分，以及采购系统偏向低成本材料而忽视生命周期成本。因此，本研究旨在通过性能导向的力学评估框架，优化适用于热带气候的沥青面层材料。研究人员开展了以下工作：采用两种改性结合料（SBS改性PG76-22和高黏高弹PG94）和两种集料级配（常规BBSG 0/14和高韧性GT-13），通过马歇尔试验确定最佳沥青含量（OBC），进行单轴压缩试验测定动态模量（E），进行四点弯曲疲劳试验测定疲劳寿命（Nf₅₀），并基于试验结果建立恒应变疲劳寿命预测模型。利用多层弹性程序Alizé-LCPC对刚果共和国RN2国道进行案例研究，分析不同沥青层厚度（50-100 mm）下的力学响应，预测疲劳寿命，并引入复合指数（CLR和MEI）进行技术经济评价。结论表明：GT-13混合料在高温下动态模量比BBSG 0/14高12%-14%，疲劳寿命提升5.74倍以上，损伤减少约87%，等效理论设计寿命超过28年，且PG94-GT-13在技术经济指标上最优，为热带地区主要公路和货运走廊提供了优化方案。重要意义在于为热带地区沥青混合料的设计和选择提供了基于性能的优化方法，支持可持续路面基础设施发展。

**主要关键的技术方法**：本研究采用单轴压缩试验（依据ASTM D3497）测定动态模量（E），四点弯曲疲劳试验（依据AASHTO T321-07）测定疲劳寿命（Nf₅₀），基于试验结果建立恒应变疲劳寿命预测模型（通过修改华南理工大学道路工程研究所提出的模型，调整应变和初始弯拉刚度系数）。利用多层弹性程序Alizé-LCPC进行路面力学分析，估算沥青层底部水平应变和路基顶面竖向应变。样本队列来源为刚果共和国RN2国道，依据实际交通数据（T3+等级，累计当量轴次NPL=1.6151×10⁶）和气候条件（等效设计温度28°C）进行案例研究。

**研究结果**：

**3.1 动态模量**：通过单轴压缩试验（15°C、20°C、28°C，10 Hz和25 Hz）发现，所有混合料的动态模量随温度升高而显著降低。GT-13混合料在两种结合料下的动态模量均高于BBSG 0/14。例如，使用PG76-22时，GT-13在15°C、20°C、28°C下动态模量分别提高2.4%、3.3%、14.6%（10 Hz）；使用PG94时分别提高6.91%、6.93%、13.21%。高温下GT-13动态模量高于BBSG 0/14约12%-14%，表明其抗车辙潜力更强。热敏感性分析显示GT-13模量保留率更好（50.5%-52.7%高于BBSG 0/14的53.3%-57.8%）。

**3.2 疲劳抗力**：通过四点弯曲疲劳试验（应变水平300-1000 με，温度10-28°C，25 Hz）发现，疲劳抗力随温度和应变增加而下降。PG94比PG76-22提高疲劳抗力28%-39%。在严重条件下（500-1000 με, 28°C），GT-13疲劳抗力比BBSG 0/14高4.19-11.63倍。GT-13在20-28°C间疲劳抗力仅下降6%-17%，而BBSG 0/14下降56%-59%。双因素方差分析表明，结合料类型和混合料类型对疲劳寿命均有显著影响（p<0.05），混合料类型效应量η2=0.99，大于结合料类型的0.63。

**3.2.1 疲劳寿命-应变关系**：在28°C下建立疲劳曲线，BBSG 0/14和GT-13混合料在PG94和PG76-22下的疲劳方程分别为式(8)-(11)，拟合优度R2=1（因数据点有限）。

**3.2.2 高性能沥青混合料恒应变疲劳寿命预测模型**：基于华南理工大学模型的修正，保留VFA指数2.720，重新标定应变和初始弯拉刚度系数，得到式(13)-(16)。利用动态压缩模量（E）与动态弯拉模量（S_flex）的转换关系（约1.6倍），得到式(18)-(21)作为预测模型。

**3.2.3 预测模型验证**：验证结果表明，预测疲劳寿命与实测值的最大相对偏差为10.3%，小于20%阈值，决定系数R2≈99.99%，模型精度高。

**3.3 案例研究**：

**3.3.1 路面结构与参数**：以刚果共和国RN2国道为案例，设计寿命20年，交通等级T3+，累计当量轴次NPL=1.6151×10⁶，风险水平18%，等效设计温度28°C。利用Alizé-LCPC分析，沥青层厚度50-100 mm，材料参数见表12-13。

**3.3.2 允许应变**：根据法国设计方法，计算沥青层底部允许拉伸应变（ε_t-adm）和路基顶面允许竖向应变（ε_z-adm），材料参数见表14。

**3.3.3 路面响应结果**：水平应变分析表明，PG94-BBSG 0/14混合料路面在沥青层底部产生最大拉伸应变，PG76-22-GT-13最小。最大拉伸应变出现在沥青层厚度70 mm时，50 mm时相近。竖向应变随沥青层厚度增加而显著降低，PG76-22-GT-13混合料产生的竖向应变最小。

**3.3.4 疲劳寿命预测**：基于式(18)-(21)计算疲劳寿命和损伤。BBSG 0/14混合料路面疲劳寿命约5年（与现场调查一致），损伤范围0.145-0.201。GT-13混合料疲劳寿命提高5.74倍以上，损伤降低约87%（至0.026-0.035），等效理论设计寿命超过28年（结构4）。PG94-GT-13比PG76-22-GT-13疲劳寿命高1.35倍。GT-13的骨架密实结构和高性能结合料协同作用，提高了疲劳抗力和车辙稳定性。

**3.4 复合指数**：基于刚果道路维护局（DGER）2026年成本数据，技术经济评价显示，PG94-GT-13具有最低的CLR（0.0096 XAF/m2/Nf）和MEI（0.0004 XAF/m/Nf），BBSG 0/14混合料指数较高。敏感性分析表明，即使PG94/PG76-22价格比变化，GT-13混合料的经济性始终优于BBSG。

**讨论与结论**：本研究强调了结合料等级和集料结构对热带地区沥青混合料性能的决定性影响。GT-13混合料在动态模量、疲劳寿命和耐久性方面显著优于传统BBSG 0/14，在高温下动态模量高12%-14%，疲劳寿命提高5.7倍以上，等效理论设计寿命从约6年（BBSG 0/14）延长至28年以上（GT-13）。技术经济指标进一步证实PG94-GT-13在初始成本、性能和养护频率之间达到最佳平衡，是刚果共和国主要公路和货运走廊面层材料的优化选择。未来工作应通过现场研究验证这些实验室发现，制定适应非洲热带气候的改性结合料本地规范，并在更宽应变和温度范围内用更多试验结果评估所提模型。