瀝青混合料抗車轍性能常用試驗方法綜述

余 華

(西安鐵路工程職工大學(xué)， 陜西西安 710065)

車轍作為車輛荷載反復(fù)作用下瀝青路面在豎直方向永久變形的積累，一般發(fā)生在高溫季節(jié)。尤其是渠化交通以后的車輛荷載作用下，瀝青面層進(jìn)一步被壓實使輪跡帶下沉，其內(nèi)部材料或可能在剪應(yīng)力的作用下橫向流動，導(dǎo)致兩側(cè)隆起，形成波峰、波谷狀[1]。車轍不僅直接影響瀝青路面的平整度、使用性能，還將嚴(yán)重危及行車安全，正確評價瀝青混合料的抗車轍能力對于有效防治車轍病害意義重大。

多數(shù)研究者認(rèn)為用依據(jù)馬歇爾法設(shè)計的瀝青混合料穩(wěn)定度和流值指標(biāo)與實際路面永久變形的相關(guān)性并不理想，建議采用車轍試驗進(jìn)行補(bǔ)充驗證。車轍試驗是模擬實際車輪荷載在路面上行走而形成車轍的試驗方法。一般而言，室內(nèi)小型往復(fù)車轍試臉、旋轉(zhuǎn)車轍試驗、大型環(huán)道試臉、直道試驗等都屬于車轍試驗范疇。車轍試驗在開展過程中可以改變溫度、荷載、試件厚度、尺寸與成型條件等，以完成對路面實際情況的真實模擬[3]。目前階段，車轍試驗已成評價混合料抗車轍性能最常用的室內(nèi)試驗方法[4]。

現(xiàn)階段，我國車轍試驗規(guī)范中建議采用車轍儀對瀝青路面的抗車轍性能展開評價，通過測定車輪荷載加載次數(shù)與試件的變形關(guān)系，評價過程以動穩(wěn)定度為主要指標(biāo)。在近幾年的工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，雖然室內(nèi)車轍試驗?zāi)軌驖M足規(guī)范要求，然而實際路用性能并不理想，試驗結(jié)果與路面實際使用狀況相關(guān)性一般。針對國內(nèi)外評價瀝青混合料抗車轍性能的多種試驗方法，重點分析了各方法的優(yōu)缺點及適用性，進(jìn)而為實際工程應(yīng)用提供參考。

1 瀝青混合料抗車轍性能的常用試驗方法

1.1 徑向試驗

徑向加載試驗加載過程為沿柱體試件高度方向垂直施加壓力荷載。在荷載作用下，試件在垂直于荷載方向產(chǎn)生間接拉應(yīng)力。在該過程中，試件處于二維受力狀態(tài)，接近于實際路面的工作狀態(tài)。徑向加載試驗的關(guān)鍵技術(shù)為變形測量，主要原因是低溫條件下試件變形小、加載時間短，導(dǎo)致變形的測量工作較難開展。

1.2 單軸試驗

單軸靜載試驗最早被應(yīng)用于荷蘭阿姆斯特丹殼牌石油公司試驗室(KSLA)的相關(guān)研究。具體步驟為：向試件施加軸向瞬時荷載—持荷—瞬時卸載，試件變形恢復(fù)—變形測量，獲取蠕變曲線。試驗結(jié)果主要反映瀝青路面在車輪荷載下的變形累積效應(yīng)[5,6]。單軸重復(fù)荷載與動載試驗借助正弦波荷載實現(xiàn)模擬汽車動力荷載的模擬，并測試瀝青混合料的阻尼比動力模量、與泊松比，相比于單軸靜載試驗，后者能更好地反映實際交通荷載的作用。

1.3 三軸試驗

與單軸試驗相比，三軸試驗的區(qū)別在于加載過程中需對試件進(jìn)行圍壓加載[7,8]。由于側(cè)向約束的施加，三軸試驗?zāi)芨玫啬M實際路面混合料的受力狀態(tài)，模擬荷載更接近真實荷載。三軸蠕變試驗可以獲得的反映路面變形特征的數(shù)據(jù)主要包括：回彈模量、動力模量、蠕變勁度模量、泊松比、永久變形等。

1.4 剪切試驗

美國戰(zhàn)略公路研究計劃中曾采用剪切蠕變、剪切重復(fù)荷載、常高度簡單剪切試驗對瀝青混合料的高溫性能展開評價[9]。

其中，常高度SST重復(fù)剪切試驗在模擬道路交通影響方面主要借助剪切應(yīng)變。扭轉(zhuǎn)剪切試驗則是指在扭矩與軸向載荷的共同作用下，試件的內(nèi)、外壁產(chǎn)生均勻徑向壓力，試件將處于三維應(yīng)力狀態(tài)。簡單的剪切試驗是由巖土材料直剪試驗發(fā)展而來，為實現(xiàn)瀝青混合料實際受力環(huán)境的模擬，在施加垂直動荷、溫度與圍壓的基礎(chǔ)上，通過施加重復(fù)或動載測試試件的回彈剪切模量、動力剪切模量與剪切阻尼響應(yīng)等參數(shù)。

1.5 彎曲蠕變試驗

彎曲蠕變試驗通過在簡支梁式試件中部進(jìn)行瞬時加載并持荷，測試試件內(nèi)部撓度變形，進(jìn)而得到試件的蠕變參數(shù)。彎曲蠕變試驗中所施加的荷載相對，主要由于試件的橫截面尺寸較小，為將瀝青混合料的變形控制在線性范圍內(nèi)，所施加的荷載不能過大。即使是在溫度較低的情況下展開試驗，所施加荷載量值仍需嚴(yán)格控制。

1.6 馬歇爾試驗

馬歇爾方法于20世紀(jì)70年代被引入我國并用以評價瀝青混合料高溫性能，評價過程主要借助穩(wěn)定度與流值兩個指標(biāo)，例如Marshall和維姆Hveem混合料設(shè)計方法。以上兩種方法在世界范圍內(nèi)被應(yīng)用較為廣泛，目前仍是包括中國在內(nèi)的眾多國家所采用的評價方法[10]。第十九屆世界道路會議上，英、法、德等16個國家的調(diào)查顯示，除法國外，其余國家均采取馬歇爾方法確定瀝青混合料的最優(yōu)瀝青用量。

1.7 車轍試驗

車轍試驗作為一種室內(nèi)試驗方法，已經(jīng)成為瀝青混合料抗車轍性能的主要評價方法之一。車轍的產(chǎn)生主要由于車輪在路面的反復(fù)加載，使得瀝青混合料不斷壓密、推移、流動所產(chǎn)生，故該方法通過模擬實際輪載在試件上的反復(fù)碾壓形成車轍[11]。試驗過程中通過記錄瀝青混合料試件的變形與加載時間、加載次數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而確定變形率或動穩(wěn)定度[12-14]。

1.8 大型環(huán)道、直道試驗

用于大型環(huán)道試驗的試驗設(shè)備包括單臂、雙臂、多臂等多種類型，通過實際輪載繞中心的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)循環(huán)加載。環(huán)形試槽中足尺路面結(jié)構(gòu)的修筑，可根據(jù)具體試驗?zāi)康恼{(diào)整荷載量值及輪載轉(zhuǎn)動速度。試驗過程中分次檢測、記錄路面厚度的減薄量。一般而言，兩個車輪輪跡處的車轍深度并不相等，內(nèi)輪車轍深度略大于外輪，主要由于環(huán)道試驗及本身的構(gòu)造原因所引起。車輪在圍繞中心轉(zhuǎn)動時，在離心力作用下，環(huán)道路面除承受垂直方向力以及車輪行駛方向的剪力之外，還同時承受徑向剪切力作用，在以上綜合受力狀態(tài)下，兩個車輪對路面的作用力并不相同，進(jìn)而導(dǎo)致兩個輪跡處車轍深度的差異。

2 瀝青混合料抗車轍性能試驗方法的對比分析

2.1 徑向試驗

徑向試驗中，劈裂試件在荷載作用正方向承受拉應(yīng)力，在瀝青混合料的變形過程中，結(jié)合料的影響程度將高于集料，因此徑向試驗更適用于循環(huán)加載試驗以及回彈模量的測定[15-17]。靜態(tài)劈裂試驗中的試件成型較為簡單故其試驗過程更容易實現(xiàn)，多種試驗機(jī)均有與之匹配的試驗設(shè)備。然而試件形狀對結(jié)果的影響程度相對較大且應(yīng)力差異性較大，故并不太適用于瀝青混合料抗車轍能力的評價；當(dāng)荷載水平較高或者在高溫試驗條件下，試件的變形過大導(dǎo)致其變形量、應(yīng)力測試難度增加，試驗結(jié)果將低估瀝青混合料的實際抗車轍能力。除此之外，徑向試驗屬于拉伸試驗的范疇，該類試驗主要反映的是膠結(jié)料的特性，而非混合料的實際特性，已有研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)前階段的徑向試驗并不能很好地滿足預(yù)測瀝青混合料抗車轍性能的預(yù)測要求。

2.2 單軸試驗

單軸靜載試驗過程、設(shè)備簡單易于實現(xiàn)且可以得到不同加載時間與溫度下瀝青混合料的勁度模量，在當(dāng)前階段的研究中應(yīng)用較為廣泛，并且已有大量的試驗資料被儲存以備用。然而，由于溫度過高或者荷載水平過大的原因，試驗過程中的時間往往過早損壞而導(dǎo)致試驗過程終止，所以在正常開展的試驗過程中，試驗溫度條件及荷載水平通常都低于路面的實際情況。因此，單軸試驗在動態(tài)荷載的模擬方面，并不能更好地接近路面實際情況。此外，盡管單軸加載試驗與動載試驗均屬于非破壞性試驗，理論上試件可以重復(fù)利用，但是由于試驗設(shè)備復(fù)雜且影響結(jié)果的因素眾多，該類試驗在目前的研究中仍未獲得大面積推廣。殼牌石油實驗室曾利用上述方法給出了瀝青路面車轍深度的預(yù)測方法，但由于荷載量值、加載頻率及加載時間間隔對結(jié)果具有不可忽略的影響，預(yù)測效果很難控制[18,19]。截止目前，已有試驗數(shù)據(jù)表明試驗結(jié)果與混合料性能的相關(guān)性都比較小，并且缺乏規(guī)范化的試驗過程控制標(biāo)準(zhǔn)，因此不建議將該類試驗直接用于瀝青混合料抗車轍性能的評價。

2.3 三軸試驗

三軸試驗在路面受力狀況的模擬效果方面更好，多項歷史試驗數(shù)據(jù)均表明三軸重復(fù)試驗和三軸蠕變試驗試驗結(jié)果與瀝青混合料實際的抗車轍性能的相關(guān)程度較高。適用于不同試件尺寸，且有成熟標(biāo)準(zhǔn)的試驗規(guī)程可循。然而三軸試驗設(shè)備復(fù)雜，試驗要求較高，且指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)很難達(dá)成一致，試驗數(shù)據(jù)的信息挖掘仍需進(jìn)一步探討。在高溫條件下開展的三軸試驗，由于試驗是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，對小變形測量的靈敏度要求較高，且在測試過程中LVDT的固定于排列均有可能出現(xiàn)問題。鑒于以上問題，該試驗尚未被確定為瀝青混合料抗車轍性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。

2.4 剪切試驗

由于恒高簡單剪切試驗對體積變形的消除，其結(jié)果能夠很好地反映混合料的抗剪切變形能力。簡單剪切試驗中所提供的接近于純剪切應(yīng)力狀態(tài)與實際路面應(yīng)力狀態(tài)更為接近，故美國SHRP簡單剪切試驗對瀝青混合料抗剪切流動性能的研究尤為適用。與三軸試驗相比較，簡單剪切試驗相對簡單，但試驗設(shè)備仍然比較復(fù)雜，且設(shè)備昂貴難以操作。已有部分研究認(rèn)為，簡單剪切試驗結(jié)果與實際路面抗車轍性能的相關(guān)性仍不太理想。

2.5 彎曲蠕變試驗

彎曲蠕變試驗中為準(zhǔn)確測定荷載量值與微小變形，對試驗檢測設(shè)備靈敏度的要求較高。受條件所限，材料的性能試驗僅能在一定的溫度與時間范圍內(nèi)開展，導(dǎo)致試驗環(huán)境與實際狀況存在一定差異，為了解目標(biāo)材料在更大的時間域、溫度域內(nèi)的特性，需要借助時間—溫度換算法則對蠕變?nèi)崃壳€進(jìn)行繪制。試驗進(jìn)程中，加載瞬間的變形量對總變形影響顯著，且加載瞬間的變形量測試較為困難，所以試驗的可重復(fù)性較差。雖然已有學(xué)者提出，可以采取若干次預(yù)加荷載方法消除瞬態(tài)變形的影響，但該方法仍難以排除加載瞬間變形的影響，在較高溫度下的預(yù)加載更是難以開展，所以只能借助數(shù)據(jù)分析消除加載瞬間變形測量誤差的影響[20]。

2.6 馬歇爾試驗

實際工程應(yīng)用效果顯示，雖然馬歇爾穩(wěn)定度與混合料的高溫性能具有相關(guān)性，但大量路況調(diào)查表明馬歇爾穩(wěn)定度與路面的車轍深度沒有較好的相關(guān)性。除此之外，馬歇爾穩(wěn)定度無法有效區(qū)分不同瀝青混合料抗車轍性能的優(yōu)劣，也難以有效預(yù)測瀝青混合料的永久變形情況，因此該指標(biāo)的應(yīng)用已經(jīng)愈來愈淡化。國內(nèi)外學(xué)者多年的研究成果表明[21,22]，馬歇爾試驗在瀝青混合料高溫性能的確定方面仍存在一定的局限性、片面性與孤立性。(1)該試驗方法是一種經(jīng)驗方法，僅能適用于特定的環(huán)境荷載條件與材料類別；(2)依據(jù)馬歇爾試驗所確定的最優(yōu)化瀝青用量與控制車轍的最佳瀝青用量并不一致；(3)馬歇爾試驗主要的控制指標(biāo)與瀝青混合料的路用性能缺乏直接的聯(lián)系，不能直接用于路面力學(xué)分析計算；(4)穩(wěn)定度試驗難以合理度量混合料的剪切強(qiáng)度進(jìn)而對其康破換能力進(jìn)行預(yù)估。在我國，盡管有最小穩(wěn)定度的限制，但動穩(wěn)定度更多地作為關(guān)鍵指標(biāo)被應(yīng)用于混合料高溫性能的評價。在當(dāng)前階段，馬歇爾試驗重要被應(yīng)用于施工質(zhì)量檢驗以及配合比設(shè)計。

2.7 車轍試驗

車轍試驗可以用改變溫度、荷載試件尺寸等條件在一定程度上對瀝青混合料的抗車轍性能進(jìn)行模擬研究，試驗結(jié)果與實際情況關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。目前，車轍試驗已經(jīng)成為最普遍的試驗方法用以瀝青混合料高溫性能的評價。車轍試驗可以對車輪行駛的實際情況進(jìn)行充分的模擬，有利于針對車轍變形與發(fā)展的相關(guān)影響因素展開參數(shù)分析。但車轍試驗作為工程試驗方法的一種，其結(jié)果多為工程指標(biāo)而非力學(xué)參數(shù)，很難被應(yīng)用于理論分析計算。已有研究成果顯示車轍試驗結(jié)果與實際路面車轍性能的相關(guān)性能夠完好吻合，借助經(jīng)驗公式對瀝青路面車轍深度展開預(yù)測以及抗車轍能力的檢測是目前車轍試驗的主要方向。在針對瀝青混合料永久變形性能的相關(guān)研究中，英國諾丁漢大學(xué)SWK路面公司提出車轍率的概念。與變形率相比，車轍率增加了車轍與試塊間的接觸應(yīng)力這一參數(shù)。當(dāng)接觸應(yīng)力是個常量時，車轍率與變形率具有相同的表達(dá)形式。當(dāng)車轍試驗機(jī)的運(yùn)行速度是確定值時，可以與動穩(wěn)定度進(jìn)行相互換算[23,24]。

2.8 大型環(huán)道、直道試驗

環(huán)道、直道試驗是一種大型的足尺路面結(jié)構(gòu)試驗，該試驗過程直接承受實際車輪荷載。試驗結(jié)果與實際路面結(jié)構(gòu)情況相關(guān)性很好。與其他室內(nèi)試驗方法相比，足尺路面結(jié)構(gòu)試驗的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)與實際路面更加接近，結(jié)果可以較為真實地反映實際路面的車轍發(fā)展?fàn)顩r。但受限于試驗本身復(fù)雜性、實施難度以及試驗經(jīng)費(fèi)等問題，環(huán)道或直道試驗很少被采用[25]。相比于環(huán)道試驗，直道試驗由于側(cè)向荷載的消除使其受力更加簡單，盡管兩種試驗的的設(shè)備、試驗條件有差異，但就結(jié)果而言，兩種試驗結(jié)果在數(shù)值上較接近且與服役中的路面所產(chǎn)生的車轍情況較為一致。通過試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、對比、回歸分析發(fā)現(xiàn)，以RD=a·Nb的形式來表征車轍深度與加載次數(shù)間的關(guān)系較為合理。法、美、德等國對各種不同類型的回歸模式展開研究，雖然這些公式的表現(xiàn)形式不同，但其共同的特點在于，車轍深度與加載次數(shù)間表現(xiàn)為在單對數(shù)或雙對數(shù)坐標(biāo)上的線性關(guān)系。通常，不同的荷載對路面的作用可按等效原則進(jìn)行換算。然而，我國現(xiàn)行規(guī)范是以疲勞損傷等效進(jìn)行軸載換算的，這顯然并不適用高溫車轍累積的當(dāng)量換算[15,26]。

3 當(dāng)前研究存在問題及進(jìn)一步研究方向

(1)單軸靜載試驗的蠕變試驗結(jié)果反映了在車輪荷載作用下瀝青路面變形的累積效應(yīng)。雖然單軸重復(fù)荷載和動載試驗屬于非破壞性試驗，試件可重復(fù)使用，但是試驗設(shè)備復(fù)雜，影響試驗結(jié)果的因素較多。目前不建議將該類試驗直接用于評價瀝青混合料抗車轍性能。

(2)三軸重復(fù)試驗和三軸蠕變試驗結(jié)果與瀝青混合料抗車轍性能的相關(guān)程度很高。但是，三軸試驗由于試驗設(shè)備復(fù)雜，試驗要求高，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)不能達(dá)成一致，試驗設(shè)備復(fù)雜且昂貴。因此，還不能被確定為評價瀝青混合料的抗車轍性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。

(3)馬歇爾試驗用于確定瀝青混合料的高溫性能存在一定的局限性、片面性與孤立性。馬歇爾穩(wěn)定度與路面的車轍深度沒有良好的相關(guān)關(guān)系，不能有效控制車轍的發(fā)生，無法有效區(qū)分不同瀝青混合料、不同瀝青抗車轍性能的優(yōu)劣，也不能有效預(yù)測瀝青混合料永久變形性能。目前，馬歇爾試驗不用于檢驗瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，而是主要用于配合比設(shè)計與施工質(zhì)量檢驗。由于馬歇爾方法的穩(wěn)定度、流值指標(biāo)，難以控制實際路面的永久變形，因此，建議補(bǔ)充車轍試驗機(jī)試驗(英國的TRRL或法國的LCPC)來控制車轍變形。

(4)室內(nèi)小型車轍試驗由于試驗本身簡單、易推廣，車轍試件制作容易，試驗費(fèi)用低，設(shè)備簡單，且與實際路面的永久變形有較好的相關(guān)性，目前已成為我國檢測瀝青混合料抗車轍性能的主要方法。但是國內(nèi)車轍無法同時考慮重載和低速，無法評價瀝青面層的整體抗車轍性能，無法模擬路面溫度梯度。國產(chǎn)車轍儀只能對10 cm以下厚度的試件進(jìn)行試驗分析，不能分析瀝青路面整體性能。我國常規(guī)的車轍試驗僅可以區(qū)分出剛度較小的瀝青混合料抗車轍性能，無法對高模量混合料抗車轍性能的評價。

4 結(jié)論

雖然目前國內(nèi)外評價瀝青混合料康車轍性的試驗方法很多，但各有其優(yōu)缺點與適用條件，特別是室內(nèi)模擬試驗與現(xiàn)場實際情況存在較大差異。因此，對瀝青混合料抗車轍性的試驗方法仍需進(jìn)一步研究，加強(qiáng)室內(nèi)試驗與實際路面的關(guān)聯(lián)度。建議在使用馬歇爾試驗評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性時，以車轍試驗機(jī)試驗控制車轍變形。建議在評價瀝青混合料的抗車轍性能時盡可能使用多種試驗方法進(jìn)行綜合評價。