瀝青混合料抗車轍性能評價研究綜述

易 斌 張 鵬 沈菊男

(蘇州科技大學道路工程研究中心，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

車轍是瀝青路面最常見的病害之一。瀝青混合料是一種典型的粘彈性材料，其物理力學性能隨著溫度和荷載作用的改變而改變。由于材料的自身特性和外部環境因素的多樣性，使得瀝青路面結構的車轍病害成為一個世界性的難題，而瀝青路面永久變形的研究一直都是國內外研究者關注的熱點問題。影響瀝青路面車轍形成的因素主要包括瀝青的性質、集料的性質、混合料級配的組成等。當然還有外部條件的變化，比如環境溫度的上升、汽車荷載的增加等一系列原因。那么如何準確評價瀝青混合料抗車轍性能對混合料結構設計具有重要的意義。

1 關于瀝青混合料車轍評價及預測研究進展

王端宜等[1]提出了基于粗集料接觸點數量來評價瀝青混合料的抗車轍性能，它是通過集料接觸點數量的增加多少與集料傾角均值的減小程度來判斷混合料的高溫性能，應用數字圖像技術進行分析。但集料接觸點增加越多，集料傾角均值減小越小，瀝青混合料的車轍深度越小，抗車轍性能越好。研究表明粗集料級配多的骨架型混合料的抗車轍性能比較好。

張德育等[2]對瀝青混合料車轍試件建立二維離散元模型，并進行車轍試驗二維離散元模擬。通過PFC3D自動識別不同時刻聚粒集料的質心位置及角速度來分析瀝青混合料永久變形過程中粗集料的空間運動情況來評價混合料的抗車轍性能。

級配中含有較多粗集料能增加瀝青混合料的抗車轍性能，這與較大粒徑的瀝青混合料的粗集料骨架作用和抗塑性變形能力更強有關。在采用粗集料較多的級配時選用合理的車轍試件厚度對車轍的評價也至關重要。趙彬強等[3]對瀝青混合料車轍試件壓實厚度進行研究，推薦8 cm作為LSPM-30車轍試件的標準厚度。此外還提出用初始變形階段曲線的割線斜率d1來表征瀝青混合料路面的早期車轍情況，線性發展階段曲線的割線斜率d2來表征瀝青路面的長期高溫穩定性。經過分析兩個指標能夠合理的用于評價大粒徑瀝青混合料的早期車轍深度和長期高溫穩定性。

S.P.Atul Narayan等[4]研究瀝青的力學性能如何影響瀝青混合料的整體非線性行為，分析了這些力學性能與瀝青混合料路面車轍深度的相關性，并基于已開發的非線性粘彈性模型對瀝青混合料的車轍發展進行預測。

為了對現場瀝青路面結構抗車轍性能的評價，張爭奇等[5]采用現場鉆芯取樣的圓柱形試件進行車轍實驗，并采用有限元法分析用該圓柱形試件進行車轍試驗的可行性，還提出了試驗的方法和標準。謝玲兒等[6]研究了采用圓柱形試件進行車轍試驗的準確性。研究表明，對于改性瀝青混合料，試驗溫度為70 ℃時動穩定度具有良好的區分度；試件在成型后需至少放置2 d來保證改性瀝青充分固化；試件拼接縫需保證在8 mm之內，否則試驗結果無效。李衛勇等[7]將國標下的圓柱形試件車轍動穩定度分別與漢堡車轍試驗的車轍深度、APA車轍試驗動穩定度和MMLS3試驗蠕變速率進行相關性分析，數據結果顯示相關性分別為0.930 3,0.987 5,0.900 3，說明了采用圓柱形試件國標車轍試驗方法是可行的。張苛等[8]對圓柱形試件車轍動穩定度和板式試件車轍動穩定度建立了換算公式，并且建立了圓柱形試件車轍試驗的評判標準，為現場評價瀝青混合料路面的抗車轍性能提供了依據。

國內外的學者在瀝青混合料車轍發展預估方面也做了許多研究。Weiguang Zhang等[10]基于漢堡車輪跟蹤測試對瀝青混合料車轍發展進行預估。RRI是基于漢堡車輪試驗開發出來評價瀝青混合料的一個參數。如圖1所示為RRI、漢堡車轍深度與現場車轍深度的相關關系，可以看出RRI、漢堡車轍深度與現場車轍深度沒有相關性，這表明單獨的漢堡車轍測試結果與現場車轍深度沒有很強的關系。研究人員將標準化系數、路面交通量、RRT、路面齡期、路面結構綜合考慮建立車轍預估模型如式(1)所示，并用Loocv方法驗證車轍深度模型，相關關系如圖2所示,擬合方程相關性表明模型預估現場車轍深度需要綜合考慮各方面因素的影響。

Y=-0.489 776-0.062 497In(X1)+0.119 943In(X2)+
0.018 386In(X3)+0.043 839In(X4)+0.086 717In(X5)

(1)

2 基于車轍試驗對評價指標改進的研究進展

目前，國內外院校和科研機構用來評價瀝青混合料車轍性能的試驗方法很多。國內最主要采用車轍試驗并以動穩定度(DS)作為評價指標來判斷瀝青混合料的抗車轍性能。動穩定度公式選取的是車轍試驗中第45 min和第60 min的車轍深度。因此，動穩定度值的大小僅僅反映的是45 min～60 min時間段內瀝青混合料的抗車轍能力，忽略了車轍試驗中初始壓實產生的永久變形對車轍深度的影響，這導致動穩定度值的大小有時與車轍深度不符。另外，改性瀝青混合料的車轍曲線在45 min～60 min時間段內趨勢趨于平緩，那么d60～d45的差值就非常小，這也導致DS值存在相對誤差的變大的可能性。基于動穩定度值評價改性瀝青混合料存在的誤差，許多學者和研究人員對評價指標進行了研究。

岳學軍等[11]分析了上面層動穩定度、中下面層動穩定度與相對變形之間的相關關系，研究表明當車轍試驗測試的動穩定度數據較小時,動穩定度與相對變形具很好的相關關系；當動穩定度數據很大時二者的相關關系較差。我國采用動穩定度來評價瀝青混合料路面的抗車轍性能是一個間接指標，加之國產車轍儀測量變形的精度不是很高，因此試驗誤差比較大。

Kim等[12]將車轍試驗循環次數增加到3 600次，并對DS評價的計算方法進行了改進見式(2)～式(4)：

(2)

(3)

(4)

其中,D500，D1 500，D1 800,D2 500，D3 000，D3 600分別是試驗輪在500 cycle，1 800 cycle，2 500 cycle，3 000 cycle，3 600 cycle時車轍深度，mm。

將改進后公式得到的數值與車轍深度進行相關關系分析，研究表明3個公式均符合實際情況。

鄭傳峰等[13]研究改進了DS判定標準，采用0 min～60 min時段內全程求解動穩定度，將全程變形都考慮在內，其計算方法如式(5)所示：

(5)

研究人員對不同成型荷載試件的車轍試驗用DS和DSwp分別計算，計算結果表明不同成型荷載下用全程動穩定法DSwp分析都與瀝青混合料實際抗車轍能力保持了很好的一致性，而用DS計算結果分析存在誤差。這說明對車轍試驗全過程進行分析對評價瀝青混合料抗車轍性能有參考意義。

動穩定度值(DS)表示的是壓實穩定期漸近線的斜率，僅僅考慮了壓實穩定期的剪切流動變形增長的速率，忽略了壓實過渡期的變形，從而導致動穩定指標不能很好的反映實際情況。方昊等[14]也對動穩定度計算公式進行了改進，考慮了壓實過渡期產生的永久變形對車轍總變形的影響。

Barugahare Javilla等[15，16]采用0.5 MPa-0.7 MPa-0.9 MPa，0.7 MPa-0.9 MPa-0.5 MPa，0.9 MPa-0.7 MPa-0.5 MPa三種不同的荷載組合分別在30 ℃,40 ℃,50 ℃,60 ℃,70 ℃試驗溫度下進行車轍試驗，每個荷載階段作用次數分別是10 000 cycles，5 000 cycles，5 000 cycles。車轍曲線在低于50 ℃的溫度下，車轍發展的速度是線性的，但在較高的溫度下呈指數增長，這說明溫度是比荷載作用順序影響車轍形成更顯著的因素。三種不同荷載組合的車轍曲線在第一階段產生的永久變形比重都遠遠大于后二階段的比重，這說明車轍變形在前10 000 cycles已經發展充分。

3 結語

瀝青混合料車轍問題一直都是國內外研究人員研究的熱門課題。現在研究工作已經從單一因素評價指標轉到車轍模擬預測和多個因素評價指標，由于瀝青混合料外在環境因素過于復雜，若采用模型來對車轍發展進行預估，可靠性無法得到保證，各個混合料之間也很難有統一的預估模型。利用國內外常用的車轍試驗得出可靠的評價指標是值得研究的。對于國產車轍儀器車轍試驗得到的DS計算公式還需要進一步的研究、驗證，如試驗溫度、試驗時間、荷載壓力等。瀝青車轍試驗產生的永久變形是由壓實過渡期的變形和壓實穩定期的變形組成，所以需要把壓實過渡期的變形也要在指標中體現出來。基于現有的研究進展，對于車轍試驗DS計算方法的研究工作可進一步開展。