論高溫下車路結(jié)合研究

潘濤　浦鵬　楊杰　李順良　張吉峰

摘 要：隨著中國(guó)高速公路網(wǎng)的初步形成，瀝青路面的早期病害也變得十分嚴(yán)重，車轍問題已經(jīng)成為引人注目的普遍性問題。近年來，許多瀝青路面都不同程度產(chǎn)生了車轍?？梢哉f車轍是道路破壞的主要形式之一。它除了影響行車舒適性外，還對(duì)交通安全有直接影響。由于瀝青混合料所固有的粘彈特性、瀝青路面高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性因素的多樣性、車轍形成的復(fù)雜性等，使得永久變形成為一個(gè)世界性的難題，防治瀝青路面的車轍也成為世界各國(guó)公路技術(shù)人員的重要研究課題。

關(guān)鍵詞：高溫；瀝青混合材料；車轍試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-291X（2014）06-0216-03

車轍是瀝青路面特有的主要破壞現(xiàn)象之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高速公路的瀝青路面由于車轍而進(jìn)行維修、加鋪或翻修面層工程的比例占整個(gè)維修工程的一半以上。20世紀(jì)70年代美國(guó)的調(diào)查表明，在州際和主要公路上車轍所致路面損害的40%；20世紀(jì)80年代日本的調(diào)查表明由于車轍引起的路面損害高達(dá)80%。在中國(guó)，近幾年來高速公路的迅猛發(fā)展，在許多省區(qū)瀝青路面均不同程度出現(xiàn)了大面積的早期車轍破壞。長(zhǎng)期以來，已經(jīng)發(fā)展了各種方法來評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能，主要是以經(jīng)驗(yàn)性或模擬性的試驗(yàn)為主，其試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際路面的永久變形相關(guān)性不好，不能完全反映瀝青混合料高溫永久變形過程，因?yàn)闉r青混合料是一種粘彈性材料，瀝青路面第二階段永久變形主要是由于瀝青混合料塑性剪切流動(dòng)引起的。研究瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能主要是針對(duì)瀝青路面的車轍而言的。為了防止出現(xiàn)車轍，提高混合料的高溫抗車轍能力具有重要的意義。針對(duì)上述情況，本文通過對(duì)瀝青混合料車轍的試驗(yàn)分析來研究瀝青路面的高溫穩(wěn)定性。

一、國(guó)外對(duì)車轍實(shí)驗(yàn)的研究

早在1962年美國(guó)AASHO試驗(yàn)路研究期間，對(duì)車轍路段進(jìn)行了開挖，Hofstra提出的報(bào)告認(rèn)為產(chǎn)生車轍的主要原因是剪切應(yīng)力，由此結(jié)果推薦使用高強(qiáng)度的路面材料。1987年Eisenmann的報(bào)告指出，瀝青層的組成為5cm+18cm，出現(xiàn)的車轍表現(xiàn)出輪胎下方下沉量（體積）要大于兩側(cè)隆起的體積，說明車轍的初期階段主要是壓密造成的。而在此以后，車輪的下沉逐漸與兩側(cè)隆起的體積平衡，說明壓密已經(jīng)完成，車轍是由流動(dòng)產(chǎn)生的。Hofstra還指出瀝青路面的變形在路表面最大，越向下越小，這一方面是下部抵抗塑性流動(dòng)變形能力強(qiáng)，同時(shí)也是因?yàn)橄虏康募羟袘?yīng)力小的緣故。根據(jù)AASHO試驗(yàn)路測(cè)定，車轍量隨瀝青層厚度的增加而增加，到25cm達(dá)到極限，瀝青面層再加厚車轍深度不再增加。

此后，瀝青路面車轍問題得到相當(dāng)程度的控制，在1982年召開的第五屆CSDAP上，有關(guān)車轍預(yù)測(cè)的新文章很少，只有一些驗(yàn)證性論文，路面工程師們的興趣已轉(zhuǎn)移。但第五屆會(huì)議以后，車轍問題又重新提出來，涉及到輪荷載和輪胎壓力對(duì)路面應(yīng)力與應(yīng)變的影響，研究方向?yàn)椴牧咸匦耘c制定預(yù)測(cè)模型，有關(guān)的論文、報(bào)告十分豐富。從經(jīng)驗(yàn)到考慮粘彈性的各種方法都有。

在國(guó)外，對(duì)于重載瀝青路面，聯(lián)邦公路管理局（FHWA）的FreddyL.Robert、Harold vonQuintus和W.RonaldHudson針對(duì)行駛重型車輛的公路進(jìn)行了旨在修建高級(jí)路面結(jié)構(gòu)的研究，提出了免養(yǎng)護(hù)路面的設(shè)計(jì)指標(biāo)和方法：TRRL針對(duì)不同底基層和交通量超過8.0萬標(biāo)準(zhǔn)軸時(shí)所需的密級(jí)配瀝青碎石上基層厚度，繪出了設(shè)計(jì)曲線；在第二次世界大戰(zhàn)的初期，美國(guó)陸軍工兵部對(duì)機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)采用了CBR法，來適應(yīng)飛機(jī)荷載，可以看出對(duì)重載的探索：澳大利亞公路學(xué)會(huì)在《路面設(shè)計(jì)·公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》一書中，提出了保證路用性能的設(shè)計(jì)交通量與有粘結(jié)基層（水泥處治穩(wěn)定集料）的設(shè)計(jì)表層彎沉值之間的關(guān)系；法國(guó)大型環(huán)道試驗(yàn)進(jìn)行了不同軸載作用下的車轍研究，并給出了回歸公式；Walter.P.Kilareki對(duì)重車的影響及超載限值進(jìn)行了研究，奧地利維也納技術(shù)大學(xué)H.Knoflacher研究了卡車超載對(duì)道路養(yǎng)護(hù)造價(jià)的影響。

二、國(guó)內(nèi)對(duì)車轍實(shí)驗(yàn)的研究

中國(guó)公路科技人員對(duì)瀝青混合料高溫特性進(jìn)行過大量試驗(yàn)研究，取得過許多有價(jià)值的研究成果，提出了適合中國(guó)國(guó)情的瀝青混合料高溫性能技術(shù)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)，使中國(guó)瀝青路面高溫穩(wěn)定性問題得到了有效的控制，極大地減少了高溫車轍的破損現(xiàn)象。

在國(guó)內(nèi)，由于重型車的不斷增加，不少機(jī)構(gòu)和學(xué)者也對(duì)重載交通路面進(jìn)行了探索。對(duì)于重載作用下的瀝青路面，山西交通科學(xué)研究所的黃勇、虞文景等人針對(duì)重載道路的特點(diǎn)，利用幾種典型半剛性基層材料的疲勞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，根據(jù)疲勞等效原則，并考慮了車輛超載效應(yīng)，在借鑒國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上，得出了以層底面拉應(yīng)力為指標(biāo)的適應(yīng)重交通條件和半剛性基層瀝青路面特點(diǎn)的車輛軸載換算公式和相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。另外，同濟(jì)大學(xué)在中國(guó)汽車工業(yè)總公司及重型汽車工業(yè)總公司的支持下，從汽車設(shè)計(jì)角度研究了軸重對(duì)路面的影響及減輕重型貨車對(duì)道路的損傷。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外研究車轍主要集中在機(jī)理、級(jí)配和改善結(jié)合料等方面。盡管國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)車轍進(jìn)行了深入研究，取得了一定的研究成果，但是由于中國(guó)幅員遼闊，材料、氣候差異較大等原因，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料等方面，圍繞瀝青路面的車轍是怎樣產(chǎn)生的、如何提高瀝青路面的抗車轍性能，還沒有提出切合實(shí)際的技術(shù)對(duì)策。

因此，有必要針對(duì)高速公路高溫和重載的實(shí)際情況，找出該地區(qū)路面車轍的成因。

三、車轍形成的原因

車轍是瀝青路面在車輛荷載反復(fù)作用下產(chǎn)生豎向永久變形的積累。這種變形主要發(fā)生在夏季高溫時(shí)節(jié)，是瀝青混合料高溫穩(wěn)定性不足在重交通道路上的反映。

車轍的形成過程可簡(jiǎn)單分為三個(gè)階段：（1）開始階段的壓密過程；（2）瀝青混合料的流動(dòng)；（3）礦質(zhì)骨料的重新排列及礦質(zhì)骨架的破壞。

根據(jù)車轍形成機(jī)理，可將其分為三大類型：（1）失穩(wěn)型車轍。這是由于瀝青路面結(jié)構(gòu)層在車輪荷載作用下，其內(nèi)部材料的流動(dòng)產(chǎn)生橫向位移而形成。通常發(fā)生在輪跡處，當(dāng)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不足時(shí)，在外力作用下就會(huì)產(chǎn)生這種車轍。這種車轍一般都有剪切變形產(chǎn)生的兩側(cè)隆起現(xiàn)象，對(duì)主要行駛雙輪車的路段，車轍斷面成w型。（2）結(jié)構(gòu)型車轍。這是由于路面結(jié)構(gòu)在交通荷載作用下產(chǎn)生整體永久變形而形成，這種變形主要是由于路基變形而產(chǎn)生。這種車轍的寬度較大，兩側(cè)沒有隆起現(xiàn)象，橫斷面成淺盆狀的u字型（凹型）。（3）磨耗型車轍。由于瀝青路面結(jié)構(gòu)頂層的材料受車輪磨擦和自然環(huán)境因素作用下持續(xù)不斷損耗而形成。在中國(guó)，由于基層基本上是半剛性基層，其強(qiáng)度及板體性好，基層及基層以下的變形極小，除了某些基層施工不良的路段外，磨損型車轍在中國(guó)也較少。

四、車轍實(shí)驗(yàn)的原理

車轍試驗(yàn)是用負(fù)有一定荷載的輪子，在規(guī)定的溫度下對(duì)瀝青混合料板狀試件在同一軌跡上作一定時(shí)間的反復(fù)碾壓，形成轍槽，以轍槽深度RD和動(dòng)穩(wěn)定度DS（每產(chǎn)生1 mm轍槽所需的碾壓次數(shù)）來評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車轍能力的一種試驗(yàn)方法，也有通過一定作用次數(shù)產(chǎn)生的形變來評(píng)定的。

車轍試驗(yàn)即是通過板塊狀試件與車輪之間的往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使試塊在車輪的重復(fù)荷載作用下，產(chǎn)生壓密、剪切、推移和流動(dòng)來評(píng)價(jià)瀝青混合料在規(guī)定溫度下抵抗塑性流動(dòng)變形的能力。

據(jù)此可得到三類指標(biāo)：

（1）任何一時(shí)刻的總變形，即車轍深度。

（2）在變形曲線的直線發(fā)展期，通常是取45min、60min的變形D45、D60按下式計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定度DS。

DS=×N×c1×c2

式中：DS——瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度（次/mm）；d1——試驗(yàn)時(shí)間為tl的試件變形量（ram）；d2——試驗(yàn)時(shí)間為t：時(shí)試件變形量（mm）；c1——試驗(yàn)機(jī)類型修正系數(shù)，曲柄連桿驅(qū)動(dòng)試件的變速行走方式為1.0，鏈驅(qū)動(dòng)方式試驗(yàn)輪的等速方式為1.5；c2——試件系數(shù)，實(shí)驗(yàn)室制備的寬300mm的試件為1.0，從路面切割的寬150mm的試件為1.5；N——實(shí)驗(yàn)輪往返碾壓速度，通常為42次/min。

（3）變形速率RD，它實(shí)際上是動(dòng)穩(wěn)定度的倒數(shù)。

由以上分析可以看出，車轍試驗(yàn)可以很好地反映瀝青混合料永久變形隨時(shí)間變化的過程，比較符合路面的實(shí)際受力情況，因此本論文采用車轍試驗(yàn)來研究瀝青混合料的高溫性能。

試驗(yàn)設(shè)備：

本論文采用的車轍試驗(yàn)設(shè)備是一種鏈驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)輪方式的車轍試驗(yàn)機(jī)，試塊固定，試驗(yàn)機(jī)車輪行走。

加載輪尺寸：直徑200mm、寬50mm

加載輪材料：橡膠輪實(shí)心輪胎

輪壓：0.7Mpa

碾壓速度：42±1次/mm，行走均勻

試驗(yàn)溫度；60±1℃

試件尺寸：300mmxl50mmx50mm

試驗(yàn)精度：0.01mm

測(cè)試方法：

試驗(yàn)前先對(duì)溫度控制系統(tǒng)、試驗(yàn)系統(tǒng)以及定時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，然后在試驗(yàn)前設(shè)定到要求的試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)荷載、加載速度及試驗(yàn)時(shí)間。測(cè)試時(shí)，首先將高溫恒溫室升溫至設(shè)定的溫度。然后將試塊連模放入恒溫室中，當(dāng)試塊溫度升至要求的試驗(yàn)溫度，且試塊內(nèi)外溫度一致時(shí)，把試塊放在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。試塊的升溫、恒溫過程，需用溫度計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)試時(shí)使車輪行走方向與取樣試塊行車方向一致，并在開始試驗(yàn)的同時(shí)記錄試驗(yàn)時(shí)間、溫度、加荷次數(shù)、變形量。到規(guī)定時(shí)間后停止試驗(yàn)。

五、車轍實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1.方差分析。方差分析是R.A.Fister發(fā)明的，用于兩個(gè)及兩個(gè)以上樣本均數(shù)差別的顯著性檢驗(yàn)。方差分析方法在不同領(lǐng)域的各個(gè)分析研究中都得到了廣泛的應(yīng)用。從方差入手的研究方法有助于找到事物的內(nèi)在規(guī)律性。受不同因素的影響，研究所得的數(shù)據(jù)會(huì)不同。造成結(jié)果差異的原因可分成兩類：一類是不可控的隨機(jī)因素的影響，這是人為很難控制的一類影響因素，稱為隨機(jī)變量；另一類是研究中人為施加的可控因素對(duì)結(jié)果的影響，稱為控制變量。方差分析的基本思想就是：通過分析研究中不同變量的變異對(duì)總變異的貢獻(xiàn)大小，確定控制變量對(duì)研究結(jié)果影響力的大小。通過方差分析，分析不同水平的控制變量是否對(duì)結(jié)果產(chǎn)生了顯著影響，如果控制變量的不同水平對(duì)結(jié)果產(chǎn)生了顯著影響，那么它和隨機(jī)變量共同作用，必然使得結(jié)果有顯著的變化：如果控制變量的不同水平對(duì)結(jié)果沒有顯著的影響；那么結(jié)果的變化主要由隨機(jī)變量起作用，和控制變量關(guān)系不大。根據(jù)控制變量的個(gè)數(shù)可以將方差分析分成單因素方差分析和多因素方差分析。單因素方差分析的控制變量只有一個(gè)；多因素方差分析的控制變量在兩個(gè)或兩個(gè)以上，它的研究目的是要分析多個(gè)控制變量的作用、多個(gè)控制變量的交互作用以及其他隨機(jī)變量是否對(duì)結(jié)果產(chǎn)生了顯著影響。

2.協(xié)方差分析。協(xié)方差分析是將直線回歸和方差分析結(jié)合應(yīng)用的一種統(tǒng)計(jì)方法。用來消除混雜因素對(duì)分析指標(biāo)的影響。因此協(xié)方差分析是將那些很難控制的因素作為協(xié)變量，在排除協(xié)變量影響的條件下，分析控制變量對(duì)觀察變量的影響，從而更加準(zhǔn)確地對(duì)控制因素進(jìn)行評(píng)價(jià)。如果忽略這些因素的影響，則有可能得到不正確的結(jié)論。為更加準(zhǔn)確地研究控制變量不同水平對(duì)結(jié)果的影響，應(yīng)該盡量排除其他因素對(duì)分析結(jié)果的影響。利用協(xié)方差分析就可以完成這樣的功能。協(xié)方差將那些很難控制的隨機(jī)變量作為協(xié)變量，在分析中將其排除，然后再分析控制變量對(duì)觀察變量的影響從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制變量效果的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。在本論文中，除了瀝青混合料內(nèi)在的影響因素外，還應(yīng)考慮超高、縱坡等因素對(duì)車轍深度的影響。

3.相關(guān)分析。相關(guān)分析是研究變量間密切程度的一種常用的統(tǒng)計(jì)方法，通常用相關(guān)系數(shù)r來表征變量之間的相關(guān)程度|r|越接近1，則兩者的相關(guān)程度越高。

六、結(jié)論

本文通過對(duì)車轍試驗(yàn)的原理、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的闡釋，詳盡地解釋了高溫下瀝青路面車轍實(shí)驗(yàn)的研究方法，為高性能瀝青的研究發(fā)展提展示了一種科學(xué)的方法。

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Under the High Temperature of Asphalt Pavement Rutting Test

PAN Tao，PU Peng，YANG Jie，LI Shun-liang，ZHANG Ji-feng

（Kunming University，Department of Civil Engineering and Management，Kunming 650214，China）

Abstract：Along with our country highway system preliminary formation，also become very serious early disease，the universality of rut problem has become a conspicuous problem.In recent years，many different extent of asphalt pavement rutting.Rutting is one of the main form of damages to the road，so to speak.It besides affecting driving comfort，also directly affect on traffic safety.Due to the inherent in the viscoelastic characteristics of asphalt mixture，high temperature stability，water stability of asphalt pavement of diversity and complexity of rut formation，etc.，makes the permanent deformation become a worldwide problem，prevention and control of the asphalt surface rutting world highway technical personnel have become the important research subject.

Key words：high temperature ；asphalt mixture material ；rutting test

[責(zé)任編輯 吳 迪]