重載瀝青路面結構組合的抗車轍性能分析

董澤蛟，肖桂清，龔湘兵，王 元

重載瀝青路面結構組合的抗車轍性能分析

董澤蛟，肖桂清，龔湘兵，王 元

（哈爾濱工業大學交通科學與工程學院，150090哈爾濱）

為研究結構組合對瀝青混合料抗車轍性能的影響，首先對所設計的7種瀝青混合料進行動態模量及單層車轍試驗，得到基本材料參數及抗車轍性能；然后對7種混合料組合而成的3種路面結構在重載條件下進行雙層結構車轍試驗，并與單層車轍試驗結果進行對比分析；最后，應用光纖光柵智能測試技術對實際路面進行現場應變測試，根據不同路面結構三向應變測試結果評價實際重載瀝青路面結構的抗車轍性能.結果表明，單層車轍試驗難以準確反映路面結構的抗車轍性能，而雙層車轍試驗效果良好.在設計抗車轍路面時要考慮不同面層的模量組合，才能最大程度地發揮各層混合料的抗車轍性能.

瀝青路面；重載；車轍；結構組合；結構車轍試驗；光纖光柵傳感器

目前我國公路超載、重載現象嚴重，導致瀝青路面車轍病害，尤其是早期車轍問題尤為突出，造成了巨大的經濟損失.研究者主要嘗試從材料與結構兩個方面來提高瀝青路面的抗車轍性能［1］.崔文社等［2］針對路面結構因素對車轍深度的影響進行研究發現，在荷載、環境溫度等作用下引起的中面層流動變形是路面車轍變形的主要根源，其變形可占車轍總量的60%.而有計算表明，無論是考慮軸載影響還是溫度作用，中面層均為剪應力最大，分布最集中的區域，同時處于高溫不利狀態的時間較長.因此，相對于上、下面層更易發生車轍［3-5］.當中面層模量提高一倍時，雖然由荷載產生的最大剪應力變化不大，但剪應變減少50%左右.同時中面層動穩定度對車轍深度的影響最為顯著，二者的相關程度也最大.喬英娟等［6］指出，當瀝青上、中面層結構組合不協調時，上面層極易出現側向流動而發生失穩變形.謝俊偉［7］認為瀝青混凝土是一種典型的粘彈性材料，溫度的升高會導致強度和模量的急劇減小，進而導致抗車轍性能的降低.因此，提高中面層瀝青混合料的高溫動態模量，優化各面層的模量組合是提高路面整體結構抗車轍性能的指導原則［8］.采取有效的評價方法是評判混合料抗車轍性能的關鍵.目前抗車轍性能的評價方法主要是基于瀝青混合料永久變形試驗，一般分為3類［9-12］:以室內車轍試驗為代表的性能相關模擬試驗方法，以靜態和動態蠕變試驗為代表的基于力學原理的試驗方法和以模擬真實路面結構行為的現場足尺寸試驗.蠕變試驗是針對一種瀝青混合料來獲取蠕變參數，其指標難以直觀量化來比較不同混合料的抗車轍性能；現場足尺寸試驗雖能很好的模擬車輛荷載作用下實際路面的變形發展過程，但其施工和運行成本較高，難以推廣應用；而常規室內車轍試驗只是檢驗單層瀝青混合料的高溫穩定性，沒有體現結構組合因素對抗車轍性能的影響.

室內試驗結果經過現場驗證具有更強的說服力.光纖光柵智能測試技術成為道路領域中實現現場測試的新興手段.清華大學、南開大學、武漢理工大學、哈爾濱工業大學均對光纖Bragg光柵傳感器的應用作了深入研究［13］.文獻［14-16］對光纖光柵傳感器與瀝青路面材料協調變形問題進行了系統研究，表明傳感器的植入對應變場的影響可以通過修正加以消除；并且采用其進行了大量的三向應變現場實測工作，在此基礎上利用實測信息和材料參數測試結果給出了瀝青路面永久變形計算方法.

本文主要就抗車轍的結構因素及評價方法進行探討，將結構組合因素與常規車轍試驗方法相結合，采用雙層結構車轍試驗［17-19］來評價不同路面結構的抗車轍性能，并基于實體工程光纖光柵傳感器三向應變的實測結果，進行重載瀝青路面不同結構組合的抗車轍性能比較和評價.

1 材料及路面結構

1.1 依托工程結構與材料

本文針對依托工程——黑龍江省依七（依蘭—七臺河）高速公路重載情況，在原設計方案的基礎上，以試驗路的形式增加兩種對比路面結構，分析重載情況下合理的瀝青路面結構形式.研究中所用材料皆為工程建設的實際用料.依托工程的設計方案為常規的連續密級配AC-16、AC-20和AC-25 3種瀝青混合料，定義為結構A，如表1所示.在依托工程級配規定范圍內調整混合料的級配，得到偏粗級配的瀝青混合料，作為兩種試驗路結構的材料，這里在原級配前加K以示區別，如表1所示.兩種試驗結構分別定義為結構B和結構C（見表1）.同時，為增加對比路面結構的抗車轍性能，在KAC-16和KAC-20中添加0.3%的KTL（墾特萊）抗車轍劑，用“+”表示.

表1 3種瀝青路面結構

從表2可以看出，級配調整略微提高了粗集料的比例.以中面層為例，除0.075、26.5 mm外，KAC-20只在9.5、4.75 mm篩的通過率略大于AC-20，其他篩孔均略小.

3種結構中，上、中面層混合料采用SBS改性瀝青，下面層采用AH-90基質瀝青.我國規范并未對下面層的動穩定度提出要求，所以一般不需摻加抗車轍劑及使用改性瀝青.文中所用材料的基本性質及瀝青混合料最佳油量下的物理指標均滿足公路瀝青路面施工技術規范要求，這里不加贅述.

表2 7種瀝青混合料不同篩孔下通過的百分率

1.2 動態模量及單層車轍試驗

為方便后文分析不同結構組合的抗車轍性能，參照美國ASTM D-3497試驗方法和公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程（以下簡稱試驗規程）進行上述7種瀝青混合料的動態模量試驗與常規單層車轍試驗.本文只分析高溫、重載情況下瀝青路面的抗車轍性能，圖1給出了各混合料在高溫（54.4℃）時動態模量隨加載頻率的變化曲線，表3為各混合料的動穩定度結果.

圖1 7種瀝青混合料的動態模量

從圖1可以看出，在高溫條件下，KAC-16+、KAC-20+相比于AC-16、AC-20動態模量均有提高，且中面層混合料提高幅度較大.而下面層KAC-25在低頻加載時動態模量高于AC-25，高頻加載時低于后者，說明其在低速或高溫條件下較后者高溫穩定性好.原因是KAC-25粗集料比例略大，瀝青含量較低，在低速或高溫情況下瀝青粘結作用影響較小，集料嵌擠作用影響較大，模量略高；而當高速或低溫時，瀝青的粘結作用影響較顯著，集料嵌擠作用影響較小，其模量略低于AC-25.但兩者的模量均低于ATB-25.總體來看，結構C的3種混合料的動態模量均高于結構B和結構A的動態模量.

表3 7種瀝青混合料的動穩定度

從表3中可以看出，高溫動態模量較大的KAC-16+、KAC-20+較AC-16、AC-20動穩定度大幅提高，分別為后者兩倍左右.這里可以看出，KAC-25與AC-25基本相當，ATB-25明顯高于其他兩種混合料，這與前述動態模量結果反映規律基本一致.

2 重載雙層結構車轍試驗及分析

2.1 試驗結構組合

本文采用雙層結構車轍試驗以比較不同結構組合的抗車轍性能.將表1中3種路面結構組合分為兩組，分別為上、中面層組合及中、下面層組合，如表4和表5所示.

表4 上、中面層結構組合

表5 中、下面層結構組合

2.2 試件成型及試驗條件

試驗中采用特制的雙層結構車轍模具，其長和寬與常規車轍模具相同（均為300 mm），高度為180 mm，不同組合的高度通過選擇不同的側擋板來實現，如圖2所示.采用分層輪碾成型方法進行多層混合料成型，輪碾次數根據試驗規程的規定，上面層為12次往返碾壓.由于中、下面層厚度較大，碾壓次數需另行確定，碾壓標準為車轍試件達到馬歇爾標準密實度的100%±1%.本研究中面層采用16次往返碾壓，下面層采用19次往返碾壓.試驗條件采用試驗規程規定的60℃.為考慮重載條件，參照依托工程現場車輛荷載的實測結果，采用1.1 MPa荷載水平.每組結構進行3次平行試驗.

圖2 雙層結構車轍試驗模具

2.3 試驗結果分析

本試驗采用動穩定度（DS）及車轍試件的變形量來評價不同結構組合的抗車轍性能.圖3和圖4分別給出了上、中面層結構組合的動穩定度及試件變形量的柱狀圖.可以看出，在1.1 MPa的荷載下，結構B、C的動穩定度明顯高于結構A，較后者提高52%，說明前者上、中面層結構組合的抗車轍性能優于后者.而從試件的變形量來看（如圖4所示），前者相對于后者，45、60 min變形量分別降低39.1%及39.0%，兩者的抗永久變形能力得到大幅改善.

圖3 上、中面層結構組合動穩定度

圖4 上、中面層結構組合變形量

中、下面層結構組合的動穩定度結果如圖5所示.可以看出，結構B和結構C的結構組合動穩定度較大，相比于結構A的5 268次／mm，分別提高68%和106%.總體而言，采用ATB-25的結構C抗車轍性能略強于以KAC-25為下面層的結構B.結合圖1（c）分析原因，可以看出，ATB-25較KAC-25高溫條件下動態模量大，且與中面層混合料相近，中、下面層之間模量沒有出現間斷變化.說明模量沒有較大間斷性變化的路面設計，即優化面層模量組合可以在一定程度上了提高整體路面結構的抗車轍性能.

圖5 中、下面層結構組合動穩定度

圖6 中、下面層結構組合變形量

另外，3組結構組合的變形量如圖6所示，可以看出，在試驗時間內，結構B的45、60 min變形量較結構A分別降低30%和31%.結構C的變形量與結構B的接近，所不同的是前者的45 min變形量略大，后期變形緩慢，60 min變形量相當，與動穩定度反映規律一致.究其原因在于結構C的中、下面層模量相差不大，變形分布相對較均勻.而結構B的下面層模量較低，當施加荷載后，更易發生變形.施加在結構B上的輪載經過中面層分散后，下面層的承載面積增加，應力減小，導致變形相對較慢.而在輪載持續作用后，下面層被進一步壓實，變形轉為主要由中面層承擔，在試驗末期兩者變形量相當.上述試驗結果也可以從國外柔性基層的大面積使用得到佐證，國外很多重載及高等級公路均為柔性基層，抗車轍效果良好，對我國抗車轍瀝青路面結構形式的選取具有一定的參考意義.

2.4 結構組合因素的影響分析

為比較不同混合料及其結構組合的抗車轍性能，這里進一步分析上述試驗結果，如圖7、8所示.其中，B-A代表結構B相比于結構A相應面層材料及其組合的動穩定度變化幅度，以百分率計；同理，C-B是結構C相比于結構B的相應面層材料及其組合的動穩定度指標變化幅度.

圖7 上、中面層結構組合動穩定度變化幅度

圖8 中、下面層結構組合動穩定度變化幅度

從圖7可以看出，結構B的上、中面層混合料動穩定度相比于結構A分別提高142%和110%，而其結構組合的動穩定度只比后者提高52%，說明傳統的單層車轍試驗難以體現結構組合因素對整體路面結構抗車轍性能的影響.由于實際路面結構的抗車轍性能不會相差很大，結構車轍試驗的結果更有可信度.

同樣從圖8也可以看出相似規律，結構B的中、下面層相比于結構A而言，動穩定度分別提高110%和降低3%，而其結構組合的動穩定度比后者提高68%.結構C的中、下面層相比于結構B分別提高0%和82%，而其結構組合較后者提高23%.結合圖7，發現結構組合的動穩定度提高程度與中面層材料相關性較大.結合前述各層混合料高溫動態模量結果，說明中面層的抗車轍性能對于整體結構的影響相對較大.

綜上所述，傳統單層車轍試驗難以計入結構因素的影響，結構車轍試驗的評價效果較好.加強中面層的材料設計和提高其抗車轍性能，同時優化面層結構組合，保證各面層模量沒有較大的間斷變化，是提高瀝青路面整體抗車轍性能的有效措施.

3 光纖光柵傳感器現場應變測試

由于室內試驗的環境等外在條件與實際路面結構的相差較大，室內試驗結果能否評價實際路面結構的抗車轍性能，需要經過現場測試結果的驗證.本研究中采用光纖光柵測試技術，進行現場三向應變測試，通過三向應變的測試結果來分析實際路面結構的抗車轍性能.

瀝青混合料是一種典型的黏彈性材料，其在高溫及荷載作用下產生的粘滯流動會導致路面形成不可恢復的殘余變形，逐漸積累即導致車轍病害.文獻［16］基于光纖光柵傳感測試技術討論了采用豎向應變計算瀝青路面永久變形的方法，發現永久變形與單次應變響應的殘余變形成正比，說明采用車輛荷載作用下的應變間接表征瀝青路面的抗車轍性能是合理的.

3.1 傳感器布設與現場測試

考慮室內雙層車轍試驗的結論及路面結構抗車轍性能分析的需要，將豎向應變傳感器布設于中面層中部監測豎向應變，橫向和縱向應變傳感器布設于下面層底部體現下面層的作用，溫度傳感器布設于相應層位底部用于溫度修正.圖9給出了現場光纖光柵應變傳感器的布設方案.由于施工原因，結構A的3個方向的應變傳感器整體遭到破壞，現采用結構B和結構C的三向應變傳感器的測試結果進行分析.

圖9 現場傳感器布設方案

測試中選用一雙軸貨車作為標準載荷，前后軸重分別為2.4、10.6 t.測試前，在傳感器的埋設點處做好標記，以便于盡量控制車輛荷載作用于傳感器上方.測試車輛以相同速度（實際操作過程中略有差異）分別駛過結構B和結構C，采用光纖光柵解調儀解調光信號，利用測試數據繪制三向應變的時程曲線.

3.2 數據處理

測試中采集的信息是光纖光柵傳感器的波長變化值，結構B和結構C的橫向、縱向和豎向應變計算公式為

式中:ε為縱向、橫向或豎向應變值；λ0為系統啟動時記錄的初始波長；λ1為傳感器測得的實時波長；αT為傳感器隨結構標定的溫度靈敏度系數；αε為傳感器的應變靈敏度系數；ΔT為相對標定溫度的溫度變化．

圖10給出了現場三向應變實測的典型時程曲線.可以看出，車輛加載過程中縱向應變出現拉、壓應變交替變化，而橫向應變以拉應變為主，豎向應變以壓應變為主，與以往研究規律相符.同時，車輛荷載后軸引起的應變明顯大于前軸，結構B的應變幅值總體上大于結構C.需要注意的是，從圖中也可以看出車輛經過兩種結構時車速沒有達到完全一致，這與現場操作中難以精確控制有關.

圖10 兩種結構應變時程曲線

3.3 傳感器數據對比分析

圖11給出了結構B和結構C在測試車輛后軸作用下的三向應變幅值.從中可以看出，結構C的縱向和橫向應變明顯小于結構B，而兩者的豎向應變大致相當.分析原因，水平向傳感器埋設在下面層底，豎向傳感器埋設在中面層層間，見圖9，兩種結構的區別僅為下面層不同，這從另一方面也說明了測試結果的合理性.結果表明，雖然中面層為主要的抗車轍層，但在路面結構的抗車轍性能上，下面層的作用不可忽略.從兩者的對比可以看出，結構C的縱向、橫向及豎向應變較結構B分別降低43.8%、57.9%和2.8%，說明前者的抗變形能力優于后者，這與前述室內動態模量試驗及結構車轍試驗結果反映的規律一致.

圖11 兩種結構三向應變

4 結 論

1）通過對比分析雙層結構車轍試驗與傳統車轍試驗的結果發現，后者難以計入結構組合因素的影響，而前者能更好地模擬實際路面結構的抗車轍性能.在進行路面抗車轍性能檢驗時不應以單一結構層合格為標準，而應采用結構組合進行檢驗.因為前者并不能完全決定整體路面結構的抗車轍性能，其中，中面層動穩定度提高程度與結構組合后相近，即中面層的影響最大.

2）試驗結果證明，動態模量與動穩定度呈正相關，提高瀝青混合料的動態模量有助于改善其高溫抗車轍性能.從結構組合因素影響分析，加強中面層的材料設計和提高其抗車轍性能，同時優化面層結構組合，保證各面層模量沒有較大的間斷變化，是提高瀝青路面整體抗車轍性能的有效措施.

3）現場對3種路面結構進行應變測試，獲得車輛荷載作用下的典型三向應變時程圖.以三向應變結果間接分析路面結構的抗車轍性能，發現不同路面結構的抗車轍性能不同，所設計的3種結構中，結構C的整體抗車轍性能最優，驗證了室內試驗的準確性.

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（編輯 魏希柱）

Rutting resistance analysis of structure combinations for asphalt pavement subjected to heavy loads

DONG Zejiao，XIAO Guiqing，GONG Xiangbing，WANG Yuan
（School of Transportation Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China）

To study the effect of structure combinations on rutting resistance，firstly，dynamic modulus tests and single-layered wheel tracking tests were carried out to get basic parameters and anti-rutting resistance of seven asphalt mixtures designed.Secondly，double-layered structural wheel tracking tests subjected to heavy loads were conducted for three pavement structure combinations made up of asphalt mixtures utilized，and then compared the results with the single-layered ones.Finally，three-directional strain of pavement was got on site utilizing fiber Bragg grating（FBG）intelligent test technology，and the rutting resistance of actual asphalt pavement was evaluated through these results.Results show that rutting resistance of pavement structures cannot be reflected by single-layered wheel tracking test accurately，while the double-layered does. Additionally，modulus combinations with different layers must be taken into account in order to maximize the rutting resistance of asphalt mixtures.

asphalt pavement；heavy loads；rutting；structure combination；structural wheel tracking test；fiber Bragg grating sensor

U416

A

0367-6234（2014）06-0072-07

2013-07-20.

國家自然科學基金資助項目（51278159，51008099）；哈爾濱工業大學科研創新基金項目（HIT.NSRIF. 2009103）.

董澤蛟（1979—），男，教授，博士生導師.

董澤蛟，hitdzj＠hit.edu.cn.