基于車轍試驗的瀝青混合料車轍評價指標分析*

方 昊 Barugahare Javilla 磨煉同

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

0 引 言

影響瀝青路面高溫性能的因素包括瀝青的性質、級配設計、集料性質等，還包括環(huán)境溫度、交通荷載、雨水等外部原因[1-6].

目前瀝青混合料車轍性能的測試和評價方法主要有經(jīng)驗型測試與力學測試.前者是指試驗設備盡量模擬路面實際情況，包括復式輪轍試驗、大型環(huán)道試驗、加速加載試驗等；后者則是通過試驗獲取能夠表征車轍性能的力學指標[7].

室內車轍試驗是經(jīng)驗型測試方法的一種，其特點在于能夠直觀地了解混合料的永久變形特性，反映時間和溫度變化對瀝青混合料永久變形的影響規(guī)律，并且與實際路面受力情況和車輛輪胎荷載作用比較相符[8]，因此，這一試驗方法被廣泛應用于瀝青混合料的高溫性能評價，并列入規(guī)范，同時擁有多種指標評價車轍試驗結果，這些評價指標包括[9-11]：①動穩(wěn)定度(DS)指標，通過測定試驗輪作用次數(shù)與車轍變形的關系，繪出變形-時間曲線圖，就能夠計算得出動穩(wěn)定度值；②變形量指標(RD)，是指在規(guī)定的試驗時間內產(chǎn)生的變形總量，單位為mm，它是最直觀、最簡單的車轍評價指標，考慮了試驗時間內的所有累積變形，但無法反應出車轍發(fā)展趨勢；③相對變形率指標，是指在規(guī)定作用次數(shù)、時間內所產(chǎn)生的車轍變形與試件總厚度的比值；④變形率(S)，車轍發(fā)展分為三個階段，其中第二階段的車轍變形隨荷載次數(shù)勻速增加，取這一變形速率；⑤綜合穩(wěn)定指數(shù)(CI)，由動穩(wěn)定度的計算式改進而來，將壓實過渡階段產(chǎn)生的變形考慮了進來.

為了對比分析不同車轍評價指標的準確性和可靠性，文中通過在不同溫度和荷載條件下對AC-20瀝青混合料進行了室內車轍試驗，基于試驗結果得到了不同條件下車轍評價指標，包括動穩(wěn)定度(DS)、變形量(RD)、變形率(S)和綜合穩(wěn)定指數(shù)(CI)，通過對比分析了幾種指標的準確性及可靠性.

1 原材料和試驗方法

采用高速公路中面層常用的AC-20瀝青混合料級配，同時為了降低每個車轍試樣的差異，對集料進行篩分處理后，按規(guī)范級配中值進行了混合料的制備.

混合料所用瀝青為SBS改性瀝青，基本指標為：針入度，72.6(25 ℃)(0.1 mm)；延度，50 cm(5 ℃)；軟化點，76 ℃.所用集料為石灰?guī)r，其基本指標為：表觀密度，2.703 g/cm3；洛杉磯磨耗22.1%；壓碎值，21.5%；棱角性，17%.混合料的最佳油石比通過馬歇爾設計方法確定為4.3%.

為了對比分析不同車轍評價指標，在溫度30～70 ℃、應力0.5～0.9 MPa對瀝青混合料進行了一系列室內車轍試驗.其中選用的輪壓應力0.5，0.7和0.9 MPa，分別表示路面輕載、中載和重載的情況，車轍試驗的時間為4 h.車轍試樣尺寸為300 mm×300 mm×50 mm；每個條件下都進行了至少三次重復試驗.

2 結果與分析

2.1 各溫度荷載條件下瀝青混合料車轍發(fā)展

圖1為不同溫度和荷載條件下瀝青混合料的車轍發(fā)展曲線.由圖1可知，瀝青混合料車轍變形隨著溫度的升高和荷載的增加而增加，在40 ℃以下的較低溫度下，增加0.2 MPa的荷載對瀝青混合料車轍永久變形的影響比溫度上升10 ℃帶來的影響要大；而從50 ℃開始，溫度上升10 ℃相比荷載增加0.2 MPa產(chǎn)生了更大的永久變形；同時增加溫度和荷載的情況下，可以看到車轍深度變化大于單獨升高溫度或增加荷載的變化；同時可以看到溫度為60和70 ℃，荷載為0.9 MPa條件下的變形量指標達到10 mm以上，相比較低溫度荷載條件下顯著增加，由此可知溫度-荷載耦合作用對瀝青混合料永久變形的影響在高溫以及高荷載條件下更加顯著.

圖1 不同荷載溫度條件下的車轍發(fā)展

2.2 各車轍評價指標的獲取

表1為不同溫度和荷載條件下幾種車轍評價指標的具體數(shù)值，其中：RD為4 h試驗結束后的總的車轍變形；S為車轍發(fā)展第二階段的變形率(即斜率)，DS為以第一個小時45 min和60 min車轍深度計算出的標準動穩(wěn)定度，DS1為以180 min和240 min的車轍變形基于動穩(wěn)定度計算公式計算出的非標準動穩(wěn)定度值；CI為綜合穩(wěn)定指數(shù)基于180 min和240 min的車轍深度得到，其計算公式見式(1)，相比于動穩(wěn)定度的計算公式，分母增加了d1.

(1)

式中：d1，d2為時間t1，t2所對應的豎向變形量，mm；C1為車轍試驗機類型修正系數(shù)，曲柄連桿驅動試件的變速行走方式取1.0，鏈驅動試驗輪的等速方式則取1.5；C2為試件系數(shù)，試件寬為300 mm時取1.0，從路面切割寬為150 mm的試件則取0.8；N為試驗輪往返速度，通常設置為42次/min.

表1 不同溫度和應力水平下車轍試驗各評價指標匯總

2.3 溫度和荷載對車轍評價指標的影響研究

圖2為0.7 MPa荷載條件下五個車轍評價指標隨溫度變化的趨勢圖.由圖2可知，標DS出現(xiàn)了隨溫度升高而變大的現(xiàn)象，這代表隨溫度升高瀝青混合料抗車轍能力增加了，這顯然是不符合實際的，同時在其他荷載條件下DS1也出現(xiàn)隨溫度升高而變大的現(xiàn)象；這是因為動穩(wěn)定度指標僅僅考慮了壓實穩(wěn)定期的剪切變形速率，忽略了壓實過渡期產(chǎn)生的變形，會出現(xiàn)動穩(wěn)定度大，車轍深度也大的情況；這也說明動穩(wěn)定度對于瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的評價存在一定的局限性.而CI在每個荷載下隨溫度變化的趨勢相同，總是隨著溫度的增加而減小，表明隨著溫度的增加瀝青混合料高溫穩(wěn)定性變弱，更容易產(chǎn)生車轍變形；同時S和RD在每個荷載下都隨著溫度的增加而增加，在相同的荷載下，較高的溫度會產(chǎn)生較大的車轍深度.

圖2 荷載 0.7 MPa條件下車轍評價指標隨溫度的變化

圖3為60 ℃溫度條件下五個車轍評價指標隨荷載變化的趨勢圖.由圖3可知，DS，DS1和CI在同一溫度不同荷載條件下趨勢相同，總是隨著荷載的增加而減小，表明隨著荷載的增加瀝青混合料高溫穩(wěn)定性變弱，更容易產(chǎn)生車轍變形；同時S和RD規(guī)律性較好在同一溫度下都隨著荷載的增加而增加，表明在相同的溫度下，較大的荷載，車轍深度較大.

圖3 60 ℃溫度條件下車轍評價指標隨應力的變化

2.4 不同車轍評價指標的對比分析

為了評價幾種車轍評價指標的相關性，分別對DS，DS1，CI，S四大車轍評價指標與RD進行了相關性分析，結果見圖4.

圖4 不同車轍評價指標同車轍深度的相關關系

由圖4可知，標準動穩(wěn)定度指標、非標準的動穩(wěn)定度指標和綜合穩(wěn)定指數(shù)與車轍深度都呈現(xiàn)出冪函數(shù)相關關系，同時都隨著車轍深度增加而減?。欢冃温逝c車轍深度呈現(xiàn)出線性相關關系，隨著車轍深度增大變形率增大；從相關系數(shù)可以看出四種車轍評價指標和車轍深度都有良好的相關性，相關系數(shù)均大于90%；其中綜合穩(wěn)定指數(shù)和變形率兩個車轍評價指標與車轍深度的相關系數(shù)大小相當，都在98%左右，大于另外兩個動穩(wěn)定度指標與車轍深度的相關系數(shù)，由此說明在室內車轍試驗的基礎上，綜合穩(wěn)定指數(shù)和變形率能夠更合理的評價瀝青混合料的高溫車轍性能.

3 結 論

1) 溫度-荷載耦合作用對混合料車轍發(fā)展影響較大，特別是在高溫以及高荷載條件下其影響更加顯著.

2) 動穩(wěn)定度指標隨溫度和應力改變存在異常變化，不能夠比較全面的評價瀝青混合料的車轍性能.

3) 綜合穩(wěn)定指數(shù)和變形率兩個車轍評價指標與車轍深度的相關性較之動穩(wěn)定度更好，在室內車轍試驗的基礎上，綜合穩(wěn)定指數(shù)和變形率能夠更合理的評價瀝青混合料的高溫車轍性能.

[1] 駱妍.基于有限元法的瀝青路面車轍分析[D].石家莊：石家莊鐵道大學,2015.

[2] 張尚龍.基于動態(tài)模量的瀝青混合料車轍預估模型研究[D].西安：西安建筑科技大學,2014.

[3] 朱永炅.瀝青路面的車轍研究[J].華東公路,1988(5):386-391.

[4] 徐世法.瀝青路面的車轍深度與行車安全性[J].北京建筑工程學院學報,1994,10(1):47-51.

[5] 陳振富,吳旦,全鋒,等.瀝青路面車轍主要影響因素綜述[J].中外公路,2016,36(4):68-72.

[6] 李輝.瀝青路面車轍形成規(guī)律與溫度場關系研究[D].南京:東南大學,2007.

[7] 傅志勇.瀝青混合料高溫性能試驗方法研究[D].長沙：長沙理工大學,2005.

[8] MONISMITH C L, OGAWA N, FREEME C R. Permanent deformation characteristics of subgrade soils due to repeated loading[J]. Transportation Research Record,1975(5):878-884.

[9] ZHU T Y, MA T, HUANG X M, et al. Evaluating the rutting resistance of asphalt mixtures using a simplified triaxial repeated load test[J]. Construction and Building Materials,2016,116:72-78.

[10] 杜順成,戴經(jīng)梁.瀝青混合料永久變形評價指標[J].中國公路學報,2006,19(5):18-22.

[11] 賈皓杰.瀝青路面高溫車轍形成機理及評價指標探討[J].山東交通科技,2014(2):34-36.