甘肅省夏熱冬寒區車轍試驗方案設計研究

楊艷華

（甘肅省交通科學研究院有限公司，甘肅蘭州 730000）

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甘肅省夏熱冬寒區車轍試驗方案設計研究

楊艷華

（甘肅省交通科學研究院有限公司，甘肅蘭州 730000）

摘要：甘肅省夏熱冬寒區氣候條件惡劣，其2010年1月前竣工的部分高速公路車轍病害嚴重，僅依靠改變瀝青路面結構或瀝青混合料性能無法達到預期的路面需求，需對甘肅省夏熱冬寒區車轍試驗方案作進一步研究，在試驗研究的基礎上推薦適用于夏熱冬寒地區的瀝青混合料車轍試驗條件，以達到減少路面車轍病害的目的。

關鍵詞：公路；夏熱冬寒區；車轍；路面結構；瀝青混合料

中國瀝青混合料車轍試驗規程中規定車轍試驗條件為溫度60℃、輪壓0.7 MPa、時間60 min，JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》中規定車轍試驗必須在規定的試驗條件下（T0719）進行。而美國科羅拉多州的研究結論為確定車轍試驗測試溫度時應考慮混合料使用地的氣候條件。中國國土遼闊、氣候區域性顯著，將溫度和時間等設為定值并不合理。

根據瀝青路用性能氣候分區原則，甘肅省甘南、祁連山等地區為夏熱冬寒區。該區氣候條件較惡劣，有冬季漫長的嚴寒，最低氣溫可達-30℃以下，又有夏季的高溫，且日照強烈，極端高溫時路表溫度可達到60℃以上。而且隨著甘肅省經濟的快速增長，瀝青路面重載車輛越來越多。在如此嚴酷的氣候條件及交通荷載條件下采用標準車轍試驗條件得出的試驗數據與現實有一定差別，因為標準車轍試驗條件在溫度、試件厚度等方面與實際瀝青路面有很大差距。

很多學者對改善瀝青路面的抗車轍性作了研究，一般從瀝青混合料高溫性能的評價方法、影響因素、評價指標及標準等方面研究如何提高瀝青混合料的抗車轍性能。據調查，甘肅省夏熱冬寒地區2010年1月以前竣工驗收的部分高速公路瀝青砼路面的車轍深度為2.0～6.0 cm，個別達到10.0 cm，多為中～重度車轍，路面整個結構已發生破壞，對行車安全及舒適性造成較大影響。尤其是經過夏季高溫季節的行車碾壓，車轍深度會進一步加劇。面對如此嚴重的車轍，僅依靠改變瀝青路面結構或瀝青混合料性能無法達到預期的路面需求，需針對甘肅省夏熱冬寒區特殊的氣候特點，在試驗研究的基礎上推薦適用于夏熱冬寒地區的瀝青混合料車轍試驗條件，減少路面車轍病害。

1　問題的提出

車轍試驗是模擬瀝青混合料在低勁度模量的情況下長期承受重復荷載、永久變形不斷累積的一項試驗。隨著溫度的改變，瀝青膠結料的勁度發生變化，溫度升高時車轍深度增大，可以認為試驗溫度是影響車轍試驗的重要控制因素。各類車轍儀的測試溫度一般為40～65℃，其中：漢堡車轍試驗儀（HWTD）因為使用浸水鋼輪加載，試驗溫度通常定為40或50℃；多功能加載輪測試儀（APA）和加載輪測試儀（GLWT）的測試溫度多使用瀝青的PG等級溫度或稍高于PG等級溫度。目前APA和GLWT在美國東南部的測試溫度在64℃左右；PRT針對不同混合料設定試驗溫度，如表面層混合料設定為60℃，基層聯結層混合料設定為50℃；MMLS3在潮濕環境下設定為30℃，干燥環境設定為50或60℃。而中國規范規定試驗溫度統一設定為60℃。

與溫度情況類似，荷載增大時車轍深度也增加。美國通過大量研究建立了GLWT溫度效應模型，將測試溫度、加載次數、車轍深度三者聯系起來。研究表明：當荷載增幅較小時，APA車轍深度變化不明顯；當荷載增幅足夠大時，其測試結果顯著增大。由于加載輪大小、接地面積不同，各類車轍儀的荷載水平有所差異，但都遵循一個基本原則即盡量模擬實際汽車荷載作用，故各類車轍儀的加載輪與試件的接觸壓強都為0.6～0.9 MPa，這個壓強代表單軸雙輪汽車的一個輪胎的接地壓強。中國規范規定車轍試驗輪胎接地壓強為0.7 MPa，但相關軸載調查顯示重載情況較為突出。

根據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的要求，瀝青混合料車轍試件厚度為5 cm。但在路面結構設計中，瀝青混合料集料的公稱最大粒徑與結構層厚度存在相關關系，瀝青路面設計規范建議路面結構層厚度與瀝青混合料集料公稱最大粒徑比值為大于2.5倍，對于公稱粒徑為26.5 mm的瀝青混合料而言，5 cm的厚度明顯太薄。

該文針對甘肅省夏熱冬寒區特殊的氣候條件，對同一級配的瀝青混合料分別以45、60、70℃進行車轍試驗，計算不同溫度條件下混合料的動穩定度，對比研究溫度對瀝青混合料高溫穩定性的影響；對同一級配的瀝青混合料分別以0.7、1.0、1.4 MPa進行車轍試驗，分析荷載大小對瀝青混合料高溫穩定性的影響；并分別取5、6、7、8 cm厚度進行車轍試驗，對比研究板厚對瀝青混合料高溫穩定性的影響。

2　不同試驗條件下的車轍試驗

選取高性能瀝青混合料Superpave-20為試驗研究對象，經過室內試驗確定礦料的比例為碎石（10 ～20 mm）∶碎石（5～10 mm）∶碎石（3～5 mm）∶石屑∶礦粉=43∶19∶7∶28∶3，最佳瀝青含量為4.22%。在不同溫度、不同荷載、不同板厚條件下進行Superpave-20車轍試驗，探討瀝青混合料在不同試驗條件下的抗車轍能力，試驗方案見表1。

表1　車轍試驗方案

2.1不同溫度、荷載作用下的車轍試驗

在溫度、荷載雙重作用下對瀝青混合料進行車轍試驗，結果見表2、圖1～2。

表2　不同試驗條件下的車轍深度對比

圖1　不同輪壓、溫度與車轍深度的關系曲線

圖2　不同溫度、輪壓與動穩定度的關系

從圖1可以看出：

（1）在45℃條件下，1.0、1.4 MPa條件下的車轍深度均大于標準試驗條件下的車轍深度，說明在中溫條件下，重載因素的影響會使瀝青混合料抗車轍能力不足。

（2）輪壓對車轍深度的影響隨著溫度的升高而增大，70℃下車轍深度的增幅最大，45℃下車轍深度的增幅較小。

從圖2可以看出：

（1）在相同輪壓條件下，動穩定度隨著溫度的升高而大幅降低。

（2）在相同溫度條件下，動穩定度隨著輪壓的增大而大幅降低。

（3）在45℃條件下，1.0、1.4 MPa條件下的動穩定度均小于標準試驗條件下的動穩定度，說明在較低溫度條件下，重載因素的影響會使瀝青混合料的抗車轍能力不足。這與前述車轍深度得出的結論一致。

2.2不同板厚條件下的車轍試驗

在60℃、0.7 MPa條件下進行不同車轍板厚的車轍試驗，結果見表3、圖3～5。

表3　不同試件厚度車轍試驗結果

圖3　車轍試件厚度與動穩定度的關系曲線

圖4　車轍試件厚度與變形量的關系曲線

圖5　車轍試件厚度與相對變形率的關系曲線

由圖3可見：動穩定度隨車轍板厚度的增加而下降。按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的要求，如果以5 cm厚的車轍板為動穩定度比較基準，當車轍板厚為4、6、7 cm時，各車轍試件動穩定度分別是5 cm厚車轍試件動穩定度的1.22、1.08、0.92倍。

為控制車轍永久變形量為最小值，存在最佳路面厚度的問題。從圖4可看出：瀝青混合料3～4倍公稱最大粒徑左右厚度的路面永久變形量最小。對某一層瀝青混合料而言，抗車轍能力最好的最佳路面厚度為公稱最大粒徑的3倍左右。從圖5可看出：從相對變形率的角度來看，抗車轍能力較好的最佳路面厚度為最大公稱粒徑的4倍左右。永久變形量、相對變形率的試驗結果說明瀝青層的合理厚度為公稱最大粒徑的3～4倍。

3　結論

JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》推薦寒冷地區瀝青混合料車轍試驗溫度為45℃。該文研究表明，在45℃試驗條件下，試驗用Superpave-20抗車轍能力低于標準試驗下的抗車轍能力。因此，如果寒冷地區瀝青混合料車轍試驗采用45℃、0.7 MPa、42次/min的試驗條件來進行，其實質是放低了對瀝青混合料抗車轍性能的要求，客觀上容易導致寒冷區公路車轍問題的產生。寒冷地區瀝青混合料的抗車轍性能檢驗中如果將試驗溫度定為45℃，就應根據所建項目的交通量、軸載情況考慮是否需要進行重載的車轍試驗，這樣才能達到控制車轍病害發生的目的。對于夏熱冬寒地區車轍試驗車轍板厚度，建議遵循公稱最大粒徑的3～4倍并結合瀝青路面實際厚度進行取值。

參考文獻：

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中圖分類號：U416.217

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0103-03

收稿日期：2015-10-28