瀝青路面抗車轍性能評(píng)價(jià)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

陳 萍

(湖南城市學(xué)院檢測(cè)中心有限公司，湖南 益陽(yáng) 413001)

0 引 言

山區(qū)高速公路發(fā)生最多的病害就是車轍病害，并且隨著汽車荷載的重復(fù)作用，車轍問題表現(xiàn)越來(lái)越突出。長(zhǎng)陡坡路段由于自身縱坡大，車輛行駛速度低，所以車轍病害較為嚴(yán)重，當(dāng)溫度較高時(shí)，瀝青路面的結(jié)構(gòu)開始降低，車轍發(fā)展迅速，造成嚴(yán)重的交通阻礙。車轍病害的主要表現(xiàn)形式是車輛輪跡作用處產(chǎn)生下陷。由于車輛荷載的擠密作用使車輪邊緣發(fā)生隆起。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)層的面層。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)大部分瀝青路面需進(jìn)行養(yǎng)護(hù)是因?yàn)檐囖H變形造成的，與其他病害相比較，車轍的危害表現(xiàn)最明顯。瀝青路面車轍病害的存在給道路研究工作帶來(lái)重大挑戰(zhàn)，所以提高瀝青路面的質(zhì)量非常重要。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 馬歇爾試驗(yàn)

混合料高溫穩(wěn)定性會(huì)影響車轍的深度，對(duì)車轍病害有直接的影響。最初評(píng)定混合料的高溫性能是通過馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行的，利用DS(穩(wěn)定度)和F(流值)來(lái)作為評(píng)定指標(biāo)。隨著課題的深入研究發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)DS與車轍病害沒有很好的相關(guān)度[1]。所以最終認(rèn)為馬歇爾試驗(yàn)在評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性時(shí)存在局限性。通過對(duì)馬歇爾試驗(yàn)的分析可知，該方法是一種經(jīng)驗(yàn)方法，適用范圍較小，通過該方法確定的最佳瀝青用量并不精準(zhǔn)；DS和F指標(biāo)對(duì)于力學(xué)計(jì)算很困難，很難確定瀝青混合料的剪切變形[2]。

1.2 輪轍試驗(yàn)

車轍的試驗(yàn)還可以利用室內(nèi)車轍試驗(yàn)儀進(jìn)行模擬車輛作用時(shí)產(chǎn)生的車轍深度。該方法成件較容易，是我國(guó)目前最主要的車轍檢測(cè)試驗(yàn)。該試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)是動(dòng)穩(wěn)定度。該指標(biāo)所表達(dá)的指標(biāo)含義為：高溫狀態(tài)下，瀝青混合料在試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生1 mm變形量時(shí)的軸載作用次數(shù)。該種試驗(yàn)方法的缺點(diǎn)是不能評(píng)價(jià)模量較高的混合料[3]。

2 DWPA車轍試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

本文所采用的瀝青有3類，分別為70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、高模量瀝青；集料采用的是花崗巖，礦粉是石灰?guī)r，試驗(yàn)原材料經(jīng)測(cè)定指標(biāo)均滿足要求。

試驗(yàn)中共采用了6種不同的瀝青混合料，主要級(jí)配有：AC-13F、AC-13C、SMA-13、MLB-13 混合料，經(jīng)過對(duì)混合料進(jìn)行設(shè)計(jì)得到各自的最佳油石比，經(jīng)過瀝青與礦料級(jí)配相匹配得到AC-13F的SBS改性瀝青混合料、SMA-13的SBS改性瀝青混合料、MLB-13的SBS改性瀝青混合料、AC-13C的SBS高模量瀝青混合料、AC-13C的SBS改性瀝青混合料、AC-13C的70#基質(zhì)瀝青混合料。本文中DWPA車轍試驗(yàn)選用的車轍試件厚50 mm，將試件固定在試件夾上，荷載作用次數(shù)為10 000次，進(jìn)行DWPA車轍試驗(yàn)，平行試驗(yàn)設(shè)定為2次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值[4]。

2.2 結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

經(jīng)上述試驗(yàn)將各組數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，擬合出相關(guān)曲線如圖1所示。

圖1 車轍試驗(yàn)曲線圖

由圖1可知，礦料級(jí)配為AC-13C型的各種瀝青混合料表現(xiàn)出同一規(guī)律，即車轍深度和瀝青針入度成正比變化。通過聯(lián)系工程實(shí)際情況,可知該結(jié)論具有參考性。當(dāng)瀝青種類相同時(shí)，DWPA車轍試驗(yàn)還可以分析出級(jí)配對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響變化,即級(jí)配類型為MLB-13 和SMA-13的SBS改性瀝青混合料出現(xiàn)的車轍深度較小，而級(jí)配類型為AC-13F的SBS改性瀝青混合料出現(xiàn)的車轍深度與以上二者相比較最大。通過對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知,該車轍系統(tǒng)能對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的采集，且數(shù)據(jù)具有一定的參考價(jià)值；同時(shí)說(shuō)明該種試驗(yàn)方法可用于對(duì)瀝青混合料車轍性能的分析評(píng)價(jià)。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

進(jìn)行瀝青混合料抗車轍性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有以下3個(gè)：變形斜率、變形率、變形總量[5]。變形率指瀝青混合料在進(jìn)行車轍試驗(yàn)時(shí)變形量與試件厚度的比值，該指標(biāo)評(píng)價(jià)混合料的抗車轍能力時(shí)具有一定的局限性，表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)過程中受加載模式的影響程度較大。

變形斜率是指圖1中一定范圍內(nèi)縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)的比值。該指標(biāo)主要測(cè)定混合料在蠕變階段的抗車轍能力。但是在時(shí)間點(diǎn)的選取過程中各國(guó)存在一定差異，導(dǎo)致對(duì)抗車轍性能的評(píng)價(jià)結(jié)果不一致。

變形總量是指試件在進(jìn)行車轍試驗(yàn)時(shí)所發(fā)生的總的車轍深度。DWPA試驗(yàn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為：瀝青混合料試件在進(jìn)行8000次車轍荷載作用后產(chǎn)生的深度小于等于15 mm。

通過以上對(duì)瀝青混合料抗車轍能力的分析指標(biāo)進(jìn)行分析可以看出變形斜率和變形率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)具有一定的局限性。通過對(duì)變形總量以及DWPA車轍試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析可知，該指標(biāo)適合抗車轍性能的評(píng)價(jià)。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 路面結(jié)構(gòu)組合

根據(jù)實(shí)際工程及相關(guān)規(guī)定要求初定兩種路面結(jié)構(gòu)，面層厚度分別4 cm+6 cm+8 cm和5 cm+6 cm+7 cm，將不同材料及不同結(jié)構(gòu)層厚度進(jìn)行組合共得到28種結(jié)構(gòu)組合方案，按類別可將方案分為上面層加強(qiáng)組合、中面層加強(qiáng)組合、多層加強(qiáng)組合[6]。

3.2 有限元分析

利用有限元軟件對(duì)以上所有方案進(jìn)行剪應(yīng)力分析計(jì)算，設(shè)置條件同DWPA車轍試驗(yàn)，最終得到:瀝青面層厚度組合為(4+6+8)cm時(shí)的剪應(yīng)力分布,如圖2所示。瀝青面層厚度組合為(5+6+7)cm時(shí)的剪應(yīng)力分布，如圖3所示。

圖2 (4+6+8)cm剪應(yīng)力分布圖

圖3 (5+6+7)cm剪應(yīng)力分布圖

由圖2可知，面層結(jié)構(gòu)的厚度為(4+6+8)cm時(shí)，共有14種組合方案，剪應(yīng)力分布變化表現(xiàn)為相同的規(guī)律，其峰值出現(xiàn)在深度為4 cm處，路面結(jié)構(gòu)中受行車荷載的水平分力影響，上面層和中面層出現(xiàn)較大的剪應(yīng)力，而下面層承受的剪應(yīng)力較小。

由圖3可知，面層結(jié)構(gòu)的厚度為(5+6+7)cm時(shí)，共有14種組合方案，剪應(yīng)力分布變化表現(xiàn)為相同的規(guī)律，其峰值出現(xiàn)在深度為4～5 cm處，路面結(jié)構(gòu)中受行車荷載的水平分力影響，上面層和中面層出現(xiàn)較大的剪應(yīng)力，而下面層承受的剪應(yīng)力較小。

3.3 車轍深度預(yù)估結(jié)果

通過對(duì)不同交通等級(jí)和不同行車速度條件下，面層結(jié)構(gòu)為(4+6+8)cm的車轍深度預(yù)估結(jié)果分析可知：

(1) 1(a)～5(a)是上面層加強(qiáng)方案，上面層抗車轍性能增加時(shí)，產(chǎn)生的車轍總量有一定程度減小，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的抗車轍性能提高。

(2) 6(a)～10(a)是采用中面層進(jìn)行加強(qiáng)的方案，當(dāng)中面層抗車轍性能增加時(shí)，路面整體結(jié)構(gòu)的抗車轍性能有顯著增長(zhǎng)。

(3) 組合11(a)～14(a)是采用全結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)的方案，該方案表現(xiàn)出的抗車轍能力最明顯。

經(jīng)過對(duì)面層結(jié)構(gòu)的厚度為(5+6+7)cm進(jìn)行分析時(shí)，變化規(guī)律同(4+6+8)cm時(shí)的變化規(guī)律，但對(duì)抗車轍能力的加強(qiáng)程度較小。

在以上3種方案中，對(duì)路面的抗車轍能力加強(qiáng)程度表現(xiàn)為全結(jié)構(gòu)加強(qiáng)>中面層加強(qiáng)>上面層加強(qiáng)。當(dāng)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)方案采用全結(jié)構(gòu)時(shí)，面層厚度為(4+6+8)cm的組合方式表現(xiàn)最優(yōu)秀。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)瀝青路面的抗車轍性能進(jìn)行分析時(shí)得到以下結(jié)論：

(1) 評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗車轍性能的試驗(yàn)方法有馬歇爾試驗(yàn)、輪轍試驗(yàn)等。

(2) 本文通過利用DWPA車轍試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料的抗車轍性能進(jìn)行評(píng)價(jià)證明了該方法的可行性，并對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分析，得到DWPA車轍試驗(yàn)表現(xiàn)最佳的評(píng)價(jià)指標(biāo)是車轍總量。

(3) 通過對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化可以得到結(jié)論是：對(duì)路面的抗車轍能力加強(qiáng)程度表現(xiàn)為全結(jié)構(gòu)加強(qiáng)>中面層加強(qiáng)>上面層加強(qiáng)。當(dāng)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)方案采用全結(jié)構(gòu)時(shí)，面層厚度為(4+6+8)cm的組合方式表現(xiàn)最優(yōu)秀。