夏普計(jì)劃25年（1987～2012）的回顧和展望

朱涵

（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072）

1 夏普計(jì)劃起源

1987年美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了一項(xiàng)法案——Surface Transportation and Uniform Relocation Assistance Act of 1987，其中第128條款（Section 128）就是眾所周知的夏普計(jì)劃（strategic highway research program，SHRP）.夏普計(jì)劃是一個(gè)為期5a（1987～1993）的研究項(xiàng)目，耗資1.5億美元.研究?jī)?nèi)容主要包括4項(xiàng)：公路運(yùn)營(yíng)、混凝土與結(jié)構(gòu)、瀝青以及路面長(zhǎng)期性能.

為什么美國(guó)要提出這樣一個(gè)研究計(jì)劃？理由有：1）高速公路的車流量和載重量快速增加；2）子午線輪胎加重了對(duì)道路的破壞；3）車轍現(xiàn)象普遍.

對(duì)于瀝青道路，夏普計(jì)劃的研究任務(wù)是：1）制定一個(gè)以路用性能為基礎(chǔ)的瀝青膠結(jié)料規(guī)范；2）制定一個(gè)混合料規(guī)范和配套的混合料設(shè)計(jì)規(guī)范.

瀝青道路研究的基本思路是：1）研究瀝青的物理和化學(xué)性質(zhì)與路用性能的關(guān)系；2）研究瀝青的物理、化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系；3）研究瀝青混合料的性質(zhì)與路用性能的關(guān)系，并采用路用性能試驗(yàn)驗(yàn)證.當(dāng)時(shí)的瀝青設(shè)計(jì)方法采用的是馬歇爾方法，夏普計(jì)劃則是要提出新思路、新設(shè)計(jì).

瀝青道路由瀝青混合料拌和后鋪設(shè)而成.瀝青混合料有3種主要組分：瀝青、細(xì)骨料和粗骨料.馬歇爾方法的設(shè)計(jì)理念是在給定空間內(nèi)，盡可能多地放入細(xì)骨料和粗骨料，以達(dá)到耐用效果，即密級(jí)配.圖1為骨料級(jí)配和0.45最大密度曲線，經(jīng)過(guò)多年研究驗(yàn)證，粗骨料和細(xì)骨料如果按照最大級(jí)配密度公式投放，可使瀝青混合料的密度達(dá)到最大（見圖1中的直線部分）.加入瀝青拌和后進(jìn)行試驗(yàn)，并測(cè)試馬歇爾混合料參數(shù)（穩(wěn)定度和流值）.如果參數(shù)合格，則采用瀝青量最小的一組配比.

圖1 骨料級(jí)配曲線和0.45最大密度曲線Fig.1 Gradation chart，the straight line represents the 0.45maximum density diagram

馬歇爾設(shè)計(jì)是無(wú)可爭(zhēng)議的傳統(tǒng)方法.若要提出新方法，只有改變最大密度骨料級(jí)配公式，使其不再成為密級(jí)配.這在骨料級(jí)配圖上有兩種選擇：更密實(shí)（fine）和更粗糙（coarse）.前者會(huì)減少混合料的空隙率，后者是所謂的粗（開）級(jí)配，它會(huì)增加混合料的空隙率.夏普計(jì)劃選擇的是粗（開）級(jí)配.不同的粗骨料級(jí)配會(huì)產(chǎn)生不同的瀝青混合料，如：瀝青瑪蹄脂碎石混合料（stone mastic asphalt，SMA）的大孔隙開級(jí)配排水式瀝青磨耗層（open graded friction course，OGFC）等.其實(shí)際意義是級(jí)配圖上一條先下后上的曲線，即為一種夏普類型的混合料設(shè)計(jì)，如圖1中虛線所示.這些新混合料的特點(diǎn)是瀝青用量增加，瀝青量可達(dá)到4.5%，5.0%，5.5%，6.0%，7.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的用量、篩余等除特別注明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).），甚至更高.這對(duì)馬歇爾設(shè)計(jì)而言，是不可思議的.夏普計(jì)劃中瀝青用量的增加打破了馬歇爾設(shè)計(jì)中瀝青用量最少的限制.

2 瀝青考慮

增加瀝青用量，誰(shuí)最受益？瀝青是提煉石油時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)品，占石油總量的1.0%～1.5%.美國(guó)是石油提煉大國(guó)，2012年每天的原油消耗量為2000萬(wàn)桶（1桶原油約為159L），其中進(jìn)口約50%，自產(chǎn)50%.在過(guò)去幾十年中，這個(gè)原油消耗量基本沒有變過(guò)［1］.其瀝青產(chǎn)量估算如下：

按照1m3瀝青混合料質(zhì)量為2.3t來(lái)計(jì)算，則4%的1m3瀝青混合料質(zhì)量為0.092t，這樣美國(guó)能有年產(chǎn)1.5億m3的瀝青混合料能力.若按照4 m寬、0.25m 厚的標(biāo)準(zhǔn)鋪筑瀝青道路，則1.5億m3就可以鋪筑1.5×106km／單道，瀝青顯然用不掉.當(dāng)然這些計(jì)算是很粗糙的.圖2為美國(guó)1980～2005年瀝青供需關(guān)系，圖3為2001～2006年瀝青和汽油價(jià)格.由圖2可知美國(guó)瀝青供大于求，生產(chǎn)剩余量過(guò)多而且其價(jià)格也沒有汽油上升得快［2］（見圖3）.這就造成美國(guó)多使用柔性道路結(jié)構(gòu)（flexible pavement）的現(xiàn)狀（中國(guó)道路多采用半剛性結(jié)構(gòu)，而且進(jìn)口瀝青幾乎全部來(lái)自美國(guó)，近10年瀝青價(jià)格在美國(guó)乃至全世界大幅上升，多源于中國(guó)的發(fā)展）.

講到夏普計(jì)劃不得不說(shuō)2個(gè)關(guān)鍵人物.第1個(gè)關(guān)鍵人物，Thomas D.Larson［3］來(lái)自美國(guó)賓夕法尼亞州，從20世紀(jì)70年代起就一直鼓吹和游說(shuō)夏普計(jì)劃，或者說(shuō)改變馬歇爾方法.夏普計(jì)劃誕生后，他是第1位執(zhí)行夏普計(jì)劃的聯(lián)邦委員會(huì)主席.自他2006年去世后，賓夕法尼亞州立大學(xué)的瀝青技術(shù)研發(fā)中心，就更名為L(zhǎng)arson Center，以此紀(jì)念他所做出的貢獻(xiàn).以一個(gè)大學(xué)教授或者工程師命名的大型研究中心，這在美國(guó)是很少見的（常見的基本以捐款富人命名）.夏普計(jì)劃的誕生是瀝青技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑，同時(shí)由于其能夠促進(jìn)用掉多余瀝青，也使得石油公司成為最主要的贏家.

3 超級(jí)路面設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)模量

提高瀝青混合料的瀝青含量，會(huì)產(chǎn)生怎樣的技術(shù)問題？或者說(shuō)夏普計(jì)劃帶來(lái)了什么？

夏普計(jì)劃在瀝青道路上的最主要成果是超級(jí)路面設(shè)計(jì)（superpave design）.它包括了瀝青試驗(yàn)的系統(tǒng)化和完整化，以及瀝青混合料的新成型方法；欠缺的是一個(gè)等價(jià)于馬歇爾穩(wěn)定度和流值的瀝青混合料性能試驗(yàn).

第2個(gè)關(guān)鍵人物，Matthew Witczak承擔(dān)了此項(xiàng)任務(wù)，負(fù)責(zé)研發(fā)超級(jí)路面設(shè)計(jì)的瀝青混合料性能試驗(yàn)方法.Matthew Witczak是一位兒提時(shí)代從波蘭移民到美國(guó)的猶太裔，具有豐富的研究和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具備管理才能，同時(shí)也是一位非常敬業(yè)和卓越的工程師，受人尊敬.他負(fù)責(zé)了許多美國(guó)國(guó)家級(jí)重大項(xiàng)目.

Matthew Witczak認(rèn)為剪切模量G＊是瀝青的關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)，而動(dòng)態(tài)模量E＊?jiǎng)t應(yīng)該是瀝青混合料的關(guān)鍵參數(shù).他采用動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法，將振動(dòng)載荷施加在圓柱型試件的頂部和底部.通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)形成了一個(gè)E＊模型，這就是著名的Witczak模型，是目前較為成熟的密級(jí)配混合料動(dòng)態(tài)模量預(yù)估模型之一.Witczak模型最初由Shook和Kallas在美國(guó)瀝青研究所建立，隨后由Witczak和他的同事修正.該預(yù)估模型考慮的因素包括瀝青（用量、黏度）、級(jí)配（19，9.5，4.75mm 篩余及0.075mm 篩孔通過(guò)率）、孔隙率（體積分?jǐn)?shù)，下同）及加載頻率和溫度，模型方程為：

式中：p200為0.075mm 篩孔通過(guò)率，%；p38，p34，p4分別為9.5，19，4.75mm篩余，%；Va為孔隙率，%；Vbeff為有效瀝青含量，%；f 為加載頻率，Hz；η為黏度，Pa·s.

筆者與Matthew Witczak在亞利桑那州立大學(xué)共事3年，目睹他做了成千上百的試驗(yàn)，數(shù)目驚人，廢棄的試件堆積如山！盡管建立模型的試驗(yàn)耗費(fèi)了大量人力和財(cái)力，但與預(yù)期還存在差距.在完成了E＊項(xiàng)目后，Matthew Witczak 于2011年從美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)退休.對(duì)夏普計(jì)劃，或者更準(zhǔn)確地，對(duì)超級(jí)路面設(shè)計(jì)的研發(fā)來(lái)說(shuō)，這標(biāo)志著一個(gè)結(jié)束.美國(guó)聯(lián)邦公路局現(xiàn)在基本不再贊助夏普計(jì)劃項(xiàng)目，不過(guò)目前仍在執(zhí)行的1個(gè)研究項(xiàng)目是怎樣將E＊及其他參數(shù)運(yùn)用到瀝青道路設(shè)計(jì)軟件中，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人仍是Witczak.

為什么說(shuō)Witczak的動(dòng)態(tài)模量E＊試驗(yàn)有很多值得商榷之處？原因如下：

1）參數(shù)過(guò)多.數(shù)學(xué)模型中每一個(gè)參數(shù)，就代表一維無(wú)窮大的變化.Witczak的模型有7個(gè)參數(shù)，計(jì)算量和試驗(yàn)工作量都極大.盡管試件數(shù)以千計(jì)，但還是滄海一粟.

2）E＊適合密級(jí)配，宏觀上是各向同性的均勻體，而超級(jí)路面設(shè)計(jì)級(jí)配特點(diǎn)是粗（開）級(jí)配，會(huì)產(chǎn)生誤差（此點(diǎn)下面還有闡述）.

3）馬歇爾穩(wěn)定度和流值試驗(yàn)是材料破壞性試驗(yàn)，而E＊試驗(yàn)僅僅是材料性能試驗(yàn)，尚未達(dá)到破壞層面.更為重要的是馬歇爾穩(wěn)定度和流值參數(shù)是“拐彎”，穩(wěn)定度方向和流值方向成90°，體現(xiàn)了泊松比效應(yīng)，能夠直接反應(yīng)本構(gòu)關(guān)系，而E＊基本是“直來(lái)直去”的.

就成果而言，夏普計(jì)劃尤其是超級(jí)路面設(shè)計(jì)（superpave design）取得了卓越成果，只是在瀝青混合料的性能試驗(yàn)方面還有欠缺.要研發(fā)一個(gè)新型、原創(chuàng)性的瀝青混合料試驗(yàn)是有難度的；如果再要求機(jī)理型性能試驗(yàn)，難度將加大；若還想試驗(yàn)易操作，測(cè)試結(jié)果具有很好的穩(wěn)定性、重復(fù)性，則難上加難.

機(jī)理型性能試驗(yàn)是指力學(xué)量的測(cè)試，如模量、泊松比、應(yīng)變和應(yīng)力關(guān)系以及強(qiáng)度和破壞準(zhǔn)則等.在Witczak之前，就有很多相關(guān)研究和研發(fā)設(shè)備如Shear Tester，APA 等.美國(guó)加州伯克利大學(xué)的Carl L.Monismith［4］是一位瀝青研究泰斗級(jí)的學(xué)者.早在1994年，他曾提出一個(gè)成型空心圓柱瀝青混合料試件，并且承載剪切動(dòng)態(tài)載荷.最終以測(cè)試方法過(guò)于復(fù)雜、數(shù)據(jù)分析難度大，整體結(jié)果不理想而止步.值得慶幸的是國(guó)內(nèi)采用動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)（wheel tester）作為評(píng)定瀝青混合料性能的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，雖然基本屬于經(jīng)驗(yàn)型試驗(yàn)，但較合理和實(shí)用.

超級(jí)路面設(shè)計(jì)的另一個(gè)問題是：瀝青道路設(shè)計(jì)需要給出最大骨料尺寸.在馬歇爾設(shè)計(jì)中，給定骨料尺寸后骨料級(jí)配曲線是由2點(diǎn)確定的直線.不同的馬歇爾設(shè)計(jì)之間很容易對(duì)比.但對(duì)超級(jí)路面設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，需要有不同的曲線進(jìn)行選擇.對(duì)于不同級(jí)配混合料的優(yōu)劣對(duì)比，很難找到一個(gè)統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn)，這也成為了當(dāng)前超級(jí)路面設(shè)計(jì)眾多爭(zhēng)論的原因之一.

隨著夏普計(jì)劃趨于結(jié)束，開始進(jìn)入后夏普計(jì)劃，此時(shí)可以做什么？

筆者從1993年開始參加夏普計(jì)劃的研究工作，并在1998年參加了在美國(guó)Arburn University國(guó)家瀝青技術(shù)中心（national asphalt center for technology，NACT）舉辦的超級(jí)路面設(shè)計(jì)的教授培訓(xùn)班.

先來(lái)討論馬歇爾的密級(jí)配和超級(jí)路面的粗（開）級(jí)配的不同之處.

從力學(xué)角度來(lái)看，馬歇爾設(shè)計(jì)形成的試件是復(fù)合材料.在馬歇爾設(shè)計(jì)的概念中，瀝青混合料被看作是一個(gè)由多相材料混合壓實(shí)后，在宏觀上力學(xué)性能為各向同性的均勻連續(xù)體.當(dāng)討論E＊，G＊，楊氏模量以及相位角等參數(shù)時(shí)，完全是將其視為連續(xù)、均勻、宏觀各向同性的材料.

從超級(jí)路面設(shè)計(jì)的配合比看，由于空隙增加，骨料變“粗”，瀝青混合料可視為用瀝青砂漿（asphalt mortar或asphalt mastics）粘膠起來(lái)的一堆粗骨料.力的傳遞是借助相鄰粗骨料間的接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)的.所以超級(jí)路面設(shè)計(jì)是把馬歇爾設(shè)計(jì)的宏觀均勻連續(xù)體朝著粗骨料堆積離散體方向的推進(jìn).筆者在這方面作過(guò)若干研究，曾與Witczak有過(guò)討論，但是他最后還是采取了宏觀均勻連續(xù)體方法.

在理想狀態(tài)下，與馬歇爾設(shè)計(jì)瀝青混合料相比，超級(jí)路面設(shè)計(jì)形成的瀝青混合料具有以下特點(diǎn)：

1）粗（開）級(jí)配的混合料中，力的傳遞是由粗骨料間的接觸實(shí)現(xiàn)的.接觸力學(xué)表明，骨料接觸的剛度或者模量，要遠(yuǎn)大于復(fù)合材料力學(xué)的宏觀均勻連續(xù)體.所以粗（開）級(jí)配混合料會(huì)增加模量，提高抗重載能力.這是夏普計(jì)劃的另一個(gè)重要結(jié)果，它給出了抗重載的可能途徑，這也是瀝青瑪蹄脂碎石混合料抗重載效果好的原因.

2）粗（開）級(jí)配混合料中泊松比減?。Φ臋M向傳遞由泊松比引導(dǎo)）；接觸應(yīng)力集中比宏觀均勻連續(xù)體要大很多，導(dǎo)致內(nèi)在局部應(yīng)力集中的增大，對(duì)瀝青或者瀝青砂漿的要求提高.相應(yīng)解決方法就是提高瀝青性能，由此產(chǎn)生改性瀝青技術(shù)，如加入各類添加劑、纖維、高分子等.

基于上述分析，繼續(xù)沿用宏觀均勻連續(xù)體來(lái)分析超級(jí)路面設(shè)計(jì)形成的瀝青混合料或許需要改進(jìn).其中一個(gè)思路就是引進(jìn)接觸力學(xué)的方法.但是它的復(fù)雜性在于，對(duì)這樣的混合料，一部分可以視為是宏觀均勻連續(xù)體，而另一部分可以視為是接觸性的粗骨料堆積.如何量化這兩個(gè)部分，具有很多不確定性，相關(guān)研究往往會(huì)顯得過(guò)于繁瑣，令人望而卻步.

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)25年的研究，夏普計(jì)劃趨于結(jié)束，開始進(jìn)入后夏普計(jì)劃時(shí)代.夏普計(jì)劃為瀝青和瀝青混合料研究提供了一個(gè)里程碑式的巨大舞臺(tái)，上演了精彩的劇目，成果豐碩.在后夏普時(shí)代，希望能夠探索更多新的前沿，繼續(xù)推動(dòng)瀝青和瀝青混合料科技朝前發(fā)展.

［1］劉小英.美國(guó)4月份石油需求同比下降0.3%［EB／OL］.［2012－05－19］.http：∥www.nbd.com.cn.LIU Xiong－ying.The US oil demand fell 0.3%in the year to April［EB／OL］.［2012－05－19］.http：∥www.nbd.com.cn.（in Chinese）

［2］HAVERLAND B.Asphalt supply in a volatile oil world［EB／OL］.［2008－02－01］.http：∥pptfun.com／bitumen／asphaltsupply－in－a－volatile－oil－world.html.

［3］http：∥www.pti.psu.edu／larsonBio.

［4］ALAVI S H，MONISMITH C L.Time and temperature dependent properties of asphalt concrete mixes tested as hollow cylinders and subjected to dynamic axial and shear loads（with discussion）［J］.Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists，1994，63（1）：152－181.