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Assessment of the Indirect Tensile Test as a Support Tool for the Routine Quality Control of Asphalt Mixtures

本研究确立了动态间接拉伸模量（ITSM）与沥青混合料单调间接拉伸强度（ITS）之间显著的线性关系，使得常规的 ITS 测试能够作为一种可靠的替代手段，用于在厄瓜多尔进行质量控制，以评估开裂和变形风险。

原作者： Rolando Vila-Romani, Maria Marquez-Cueva, Walter Mera-Intriago

发布于 2026-10-14

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原作者： Rolando Vila-Romani, Maria Marquez-Cueva, Walter Mera-Intriago

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

道路是现代生活的动脉，承载着日常商业与旅行的重量，然而它们却始终处于遭受攻击的状态。构成其表面的沥青是由碎石和一种被称为沥青的粘稠黑色结合料组成的复杂混合物。这种材料必须足够坚韧，以抵抗轮胎的压碎力而不产生永久性车辙；同时又必须足够灵活，以便在温度变化和重载的压力下弯曲而不开裂。在工程领域，准确了解特定批次沥青的表现是关乎安全与寿命的大事。几十年来，工程师们一直依靠一个被称为“刚度模量”的具体指标来判断这种质量。这个数字告诉他们混合物的刚性程度：如果太软，道路会在交通压力下发生变形；如果太硬，则会变得脆弱并产生裂缝。然而，准确测量这种刚度需要昂贵的高科技机器进行动态测试，通过施加快速、重复的负荷来模拟车辆经过时的节奏。这些机器稀有、昂贵且操作缓慢，使得它们无法胜任施工现场进行日常、常规检查的需求，而这些检查对于确保每一车沥青都符合标准至关重要。

在厄瓜多尔，由于道路网络面临多样化的气候和交通状况，工程师们长期以来一直在寻求一种更简单的筛选混合物的方法。他们有一种可靠但速度较慢的方法，称为间接抗拉试验。在这种程序中，一个圆柱形的沥青样本从侧面受到挤压直至裂开。这项测试速度快，使用的设备在几乎每个当地实验室中都能找到，并能产生一个被称为“间接抗拉强度”的数值。核心问题在于，这个简单的强度数值是否可以作为一个可靠的替代指标，来代表复杂的刚度测量。如果两者之间存在显著的相关性，工程师就可以使用这种快速、廉价的测试来预测道路的表现，从而将昂贵的动态测试仅保留给最关键或有疑问的批次。

来自圣地亚哥·瓜亚基尔天主教大学的一组研究人员致力于通过弥合简单与复杂之间的差距来回答这个问题。他们收集了大量的292份沥青样本，这些样本均取自瓜亚基尔地区五家不同工厂生产的密实混合料。这些混合料是该国典型的混合料，由当地的玄武岩和石灰石等石材以及来自一家显示出老化迹象的炼油厂的沥青 cement 制成。研究人员对这些圆柱体进行了两种不同的检测。首先，他们使用先进的诺丁汉沥青测试仪（Nottingham Asphalt Tester）来测量动态刚度模量，这是性能的黄金标准。随后，利用相同的圆柱体，他们进行了常规的间接抗拉试验来测量破坏时的强度。通过为每一个样本配对这两个结果，他们创建了一个庞大的数据集，从而能够寻找其中的规律。

分析显示，这两个测量值之间存在清晰且显著的联系。研究人员发现，随着间接抗拉强度的增加，刚度模量也会以一种可预测的线性方式增加。虽然简单的强度测试并不能解释复杂刚度测试中的每一个变化，但它解释了略低于四分之三的观测变异性，从而在两者之间建立了可靠的数学联系。这一发现使团队能够将已知的刚度性能标准转化为新的、实用的强度测试限值。他们确定，对于要被视为合格的混合料，其间接抗拉强度应介于 1,050 和 1,200 kPa 之间。950 至 1,050 kPa 以及 1,200 至 1,400 kPa 之间的数值被视为可接受，这意味着道路可能会表现得尚可，但余量较小。至关重要的是，他们确定任何得分低于 950 kPa 或高于 1,400 kPa 的混合料都是不合格的。低值预示着混合料过软，难以抵抗永久性变形；而高值则表明混合料过硬，容易产生裂缝。

为了确保这些新限值不仅仅是统计学上的偶然，团队还使用来自同一地区的 15 个新的独立样本对它们进行了验证。他们首先测量这些样本的刚度，然后使用强度测试来预测其应有的刚度。结果令人瞩目：在每一个案例中，通过简单强度测试得出的评级都与通过复杂刚度测量得出的评级相匹配。这些预测非常准确，其平均差异在统计学上并不显著，且每一个样本都落在预期的不确定性范围内。这种验证确认了简单测试确实可以作为质量控制的可靠过滤器。

这项研究对厄瓜多尔的道路建设具有重大意义。通过采用这些强度阈值，工程师现在可以使用当地实验室中常见的低成本设备来有效地筛选沥精混合料。这种方法并不取代对深度性能分析的需求，而是提供了一道强大的第一道防线。它确保了易于产生车辙或裂缝的混合料能在铺设到路面上之前就被识别出来。研究人员指出，虽然该测试功能强大，但并非完美；具有高吸水性石材的混合料表现出更多的变异性，因此该测试最好应用于三个样本的平均值而非单个样本。尽管如此，这项研究提供了一条清晰的、基于证据的前行之路，将一个简单的强度测量变成了一个用于保持道路平整与安全的精密工具。

技术摘要：间接拉伸试验作为沥青混合料常规质量控制辅助工具的评估

问题陈述
厄瓜多尔的技术规范建议但不强制要求在弹性模量之外进行沥更混合料的动态性能测试。由于昂贵的动态测试设备可用性有限，进一步限制了这些测试在常规应用中的普及。虽然此前在厄瓜多尔的研究已基于在 20 °C 下使用诺丁汉м沥青测试仪（NAT）测得的动态间接拉伸模量（ITSM）建立了性能要求，但这种动态测试在所有实验室中进行常规质量控制并不可行。相反，间接拉应力强度（ITS）是一种易于使用标准马歇尔压实机完成的单调测试。核心问题在于，缺乏一种经过验证的常规方法，能够从厄瓜多尔常规生产的 101.6 mm 马歇尔试件上，通过更简单的静态 ITS 测试来推断动态刚度性能（并以此评估开裂或永久变形的风险）。

研究方法
本研究利用了取自瓜亚基尔地区五个热拌沥青混合料厂生产的 292 个马歇尔试件（直径 101.6 mm）。所使用的混合料采用埃斯梅拉斯斯炼油厂的未改性沥青结合各种集料（玄武岩、辉绿岩、石灰岩和河砾）。

测试方案： 每个试件在 20 °C 下进行两项测试：
- 动态 ITSM： 使用 NAT 设备，遵循 EN 126^{97}-26 附录 C，在粘弹性线性范围内进行测量。
- 静态 ITS： 使用马歇尔压实机，在 50 mm/min 的变形速率下进行测量，符合 ASTM D6931-17 标准。
统计建模： 进行了简单的线性回归，以 ITS 作为自变量 ( $X$ )，以 ITSM 作为因变量 ( $Y$ )。通过方差分析、残差分析（检查异常值和自相关性）以及与二次多项式模型的比较对模型进行了验证。
阈值推导： 利用已建立的 ITSM 性能类别（满意：3,000–4,000 MPa；可接受：2,500–3,000 和 4,000–5,000 MPa；不合格：<2,500 或 >5,000 MPa），作者应用逆向预测（使用 Fieller 定理和置信区间反转）来确定相应的 ITS 阈值。
验证： 所提出的标准在来自五个工厂的 15 个独立试件（包括两个未用于校准集的工厂）上进行了测试。同时测量了 ITSM 和 ITS，以比较由预测模型得出的等级与实际测得的模量。

主要结果

相关性： 在 ITS 与 ITSM 之间建立了显著的线性关系 ( $r = 0.850$ ; $R^2 = 72.66\%$ )。回归方程为：
$ITSM (MPa) = -2,329.40 + 5.15986 \times ITS (kPa)$
斜率高度显著 ( $p < 0.001$ )，95% 置信区间为 4.794 至 5.526。
拟议的 ITS 阈值： 基于模型置信区间的反转，提出了以下 ITS 范围（对三个试件取平均值）：
- 满意： 1,050 – 1,200 kPa（对应 ITSM 3,000–4,000 MPa）。
- 可接受： 950 – 1,050 kPa 或 1,200 – 1,400 kPa（对应 ITSM 2,500–3,000 或 4,000–5,000 MPa）。
- 不合格： < 950 kPa（易发生永久变形）或 > 1,400 kPa（易发生开裂/脆化）。
验证性能： 在涉及 15 个试件的验证阶段：
- 由 ITS 得出的等级与由实测 ITSM 得出的等级在所有五个样本中均保持一致。
- 平均预测偏差为 +137 MPa，在统计学上并不显著 ( $p = 0.243$ )。
- 所有 15 个试件均落在各自的 95% 预测区间内。
- 均方根误差（441 MPa）与校准标准误差一致，表明不存在过拟合现象。

意义与主张
本文将此项工作定位为厄瓜多尔常规质量控制的实用支持工具，特别适用于使用未改性胶结料的密级配混合料。作者声称，所提出的 ITS 标准使实验室能够：

弥补设备差距： 利用现有的、低成本的马歇尔压实机来推断动态刚度性能，从而绕过在常规检查中使用昂贵的动态测试设备。
应对双重破坏模式： 这些阈值作为筛选机制，既能针对开裂（由高刚度/高 ITS 表示），也能针对永久变形（由低刚度/低 ITS 表示），符合平衡混合料设计 (BMD) 的原则。
确保可靠性： 验证结果表明，该方法具有足够的重复性和准确性，可以正确分类混合料，其 ITS 的变异系数（最大 12.05%）远低于常规开裂测试建议的 25% 阈值。

局限性与注意事项
作者明确指出了以下局限性：

推断而非证据： 20 °C 下的低 ITS 是潜在永久变形的迹象，而非确凿证据，因为车辙是一种高温现象。需要特定的高温测试（如 IDEAL 车辙测试）来进行确认。
试件特异性： 该关系适用于 101.6 mm 马歇尔试件。与使用 150 mm 试件的标准（如 IRC 37 或 150 mm IDEAL 开裂测试）进行比较时需谨慎。
集料敏感性： 高吸水率集料（例如 5.7% 吸水率）可能会导致关系产生更大的离散性，这表明该模型可能需要针对此类材料进行调整。
不确定性界限： 计算出的区间代表了真实不确定性的下限，因为数据的层级结构（按工厂和批次聚类）未完全纳入回归模型中。

研究结论认为，虽然 ITS 测试不能取代动态测试进行最终性能认证，但在厄瓜多尔的背景下，它是一种统计稳健、高效且低成本的常规质量控制筛选工具。

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