荷載對瀝青混合料高溫性能的影響研究

何俊輝 趙艷納

摘要：為全面分析荷載對瀝青混合料高溫性能的影響，真實模擬運營過程中荷載變化情況，文章通過對高速公路交通量的調查，得出車轍輪胎氣壓的分布圖，確定試驗荷載為0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa五個標準，并在標準車轍試驗的基礎上提出一種變載車轍儀，利用變載車轍試驗，以動穩定度、車轍深度、車轍總位移為指標，分析荷載對瀝青混合料高溫性能的影響規律。試驗結果表明：荷載對瀝青混合料高溫性能影響較大，隨著荷載的增大，動穩定度降低，基質瀝青和改性瀝青的荷載與動穩定度相關系數均達到0.95以上，表明兩者具有較好的線性關系，建議用線性模型描述兩者關系;隨著荷載增加，車轍深度呈增大的趨勢，但改性瀝青車轍深度增速相比基質瀝青較慢，表明改性瀝青的承重能力更強;動穩定度和車轍深度具有良好的相關關系，相同混合料可從車轍深度大小推算出混合料動穩定度，可從另一個角度為高溫穩定性提供評估指標。

關鍵詞：荷載;瀝青混合料;高溫性能;車轍

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，道路交通事業也進入飛速發展的階段。瀝青路面因具有表面平整、無接縫、行車舒適、噪音低等優點而被廣泛應用于高等級公路中。但瀝青混合料是一種典型的溫度敏感性材料，其路用性能受溫度影響較大，加上交通量增大、超載現象嚴重、渠化交通等因素的影響，瀝青路面在運營早期就會出現裂縫、車轍、坑槽等病害，嚴重影響路用性能。相關文獻表明，車轍是瀝青路面亟待解決的早期病害之一[1]。

車轍深度受環境溫度、原材料質量、荷載大小以及荷載作用時間等因素的影響[2]，其中車輛荷載是主要因素，國內外道路工作者對其進行了大量研究。Uzarowski，Ludomir[3]代表殼牌石油公司在第一屆國際瀝青路面結構設計會議中提出通過限制路基頂面垂直壓應變來控制路面車轍的產生。Seong-Wan Park[4]提出輪胎載荷和車軸的輪胎的幾何布置比總荷載更直接影響路面對車輛的響應，并提出一種在常規柔性路面（CFP）中建立基于車轍性能的載荷極限的方法。Huang Xiaoming等[5]利用有限元程序ABAQUS分析了瀝青路面車轍隨溫度和交通變化的關系，結果表明：在同樣的交通和溫度環境下，車轍深度與輪胎壓力呈線性正相關，但在重載條件下呈非線性。吳浩[6]在不同溫度不同應力條件下進行蠕變實驗，得出蠕變曲線，并提出一種時間-溫度-應力等效計算公式。栗培龍等[7]認為荷載對車轍的影響在高溫條件下更顯著，提出對標準車轍試驗環境“60 ℃、0.7 MPa”進行修正。周嵐[8]提出在高溫重載條件下，瀝青路面更易產生車轍。彭浩等[9]提出隨著荷載增加，動穩定度顯著減小。賀平等[10]提出荷載和環境溫度對瀝青混合料的高溫穩定性具有明顯的影響。張滿河[11]等通過高溫重載車轍試驗，發現粗集料含量較多的瀝青混合料，動穩定度較大且3 000次變形量最小，抵抗高溫重載能力更強。張敏[1]提出瀝青混合料的抗車轍性能隨著荷載的增加而降低，荷載對DS影響顯著。

通過檢索資料發現，現有荷載對瀝青混合料高溫性能影響研究，多采用標準荷載車轍儀，大約都是0.7 MPa（根據車輪受到的壓力和接觸面積的比值計算得出的），無法模擬實際路面荷載變化。本文為真實模擬路面荷載變化情況，通過對高速公路交通量的調查，得出車轍輪胎氣壓的分布圖，確定試驗荷載為0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa五個標準。對于在現有試驗設備的基礎上改變車轍碾壓輪壓強的問題，提出一種荷載變化范圍較廣的變載車轍儀，以更準確地研究荷載的變化對瀝青混合料性能的影響。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 原材料及配合比設計

（1）原材料

本文采用“昆侖”A級70#基質瀝青和“昆侖”SBS改性瀝青，集料采用宜陽弘源氧化鈣石料廠生產的石料。試驗檢測表明，原材料各指標均能滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的要求。

（2）配合比設計

本文偏重研究混合料的高溫性能，以中面層常用的AC-20為基礎，進行配合比設計。通過調整各檔料的比例，調整合成級配曲線圖，使得級配曲線在上、下限之間，并且使得曲線呈“S”型，使礦料中粗集料偏多，提高瀝青混合料的高溫性能。最終得到級配圖如圖1所示。

根據圖1，試著調整合成級配，得出比較平滑的兩個曲線，根據經驗確定一個油石比，進行試打級配，再根據馬歇爾試驗指標，選擇一個比較好的級配。

改性瀝青油石比確定采用一種級配、五種不同油石比，進行標準的馬歇爾試驗，測出馬歇爾試件毛體積相對密度、穩定度、流值、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度，取目標空隙率為4.6%時對應的油石比4.28%作為OAC1，且OAC1在OACmin～OACmax之間，從而確定OAC=4.34%，即下文瀝青混合料的高溫性能試驗最佳油石比為4.34%。

1.2 變載車轍試驗方法

1.2.1 荷載梯度的確定

本次現場交通量調查的地點選在蓮易高速公路紅旗收費站，采用人工法數固定時間段內通過該收費站的雙向混合交通量，采用輪重儀對通過的車輛載重進行現場實測，采用氣壓表測試之前測試輪重的車輛輪壓，其測試結果如表1、圖2所示。

根據荷載在路面結構深度分布規律，考慮最不利因素取上面層、中面層荷載范圍為0.7～1.3 MPa，下面層荷載范圍為0.5～1.1 MPa，為更全面分析荷載對瀝青混合料的影響，確定試驗荷載為0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa五個標準。

1.2.2 變載車轍試驗

為真實模擬運營過程中荷載變化情況，本文采用變載車轍試驗，變載車轍儀設計如下：

（1）測碾壓輪與車轍板的接觸面積。在溫度為60 ℃的環境下，在測試平臺上放置一個5 cm厚的鋼板，上鋪一張帶有復寫紙的方格紙，然后放下荷載輪垂直靜壓鋼板，從方格紙上可測出接觸面積S。

（2）測碾壓輪與車轍板的壓力。在溫度為60 ℃的環境下，在測試平臺上放置一個2.5 cm厚的鋼板，然后在鋼板上放置量程為5～180 kg的電子秤，把碾壓輪放在上邊即可測出壓力F。

（3）改變配重的質量。碾壓輪對接觸面的壓力是靠配種自身的重力傳遞得到的，所以通過改變配重的質量可以實現改變壓力。根據測出的接觸面積S，通過試算，推出每個壓強對應的壓力，從而得到所需配重的質量m，換算結果如表2所示。

2 試驗結果分析

取AC-20改性瀝青、基質瀝青兩種瀝青混合料，分別在0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa五個不同壓強下，進行車轍試驗，每組取3個平行試樣記錄45～60 min內車轍位移，計算動穩定度，求其平均值，結果如表3和表4所示。

2.1 荷載與動穩定度的關系

為研究改性瀝青、基質瀝青兩種AC-20車轍板的動穩定度與荷載之間的關系，列出兩種瀝青混合料隨荷載的變化趨勢如圖3所示。

從整個試驗結果可以看出，無論是改性瀝青還是基質瀝青混合料，在溫度條件一定時，動穩定度隨著荷載的增加而減小，并且變化幅度比較穩定。本次試驗溫度是60 ℃，已超過基質瀝青的軟化點，因此基質瀝青混合料彈性模量、蠕變模量等指標較低，輪壓從0.7～1.3 MPa變化時，動穩定度變化較大，從2 342（次/mm）下降到539（次/mm），已經不能滿足規范的要求。改性瀝青在60 ℃的環境下，有較強的彈性模量、蠕變模量，所以在加載的過程中，試驗指標變化比較穩定，基本呈線性變化。

以上兩個回歸公式，相關系數都達到0.95以上，結果表明，瀝青混合料的動穩定度與車輪所受的荷載有著很好的相關性，這為以后進行重載車轍研究提供有力的依據。考慮到今后對車轍預估模型的簡化，建議用線性模型來描述荷載與動穩定度的關系。

2.2荷載與車轍總位移的關系

由圖4、圖5可知，隨著荷載的增加，車轍深度呈增大的趨勢，改性瀝青車轍深度增加緩慢，荷載從0.5 MPa增到1.3 MPa時，車轍深度增加不到30%，而基質瀝青車轍深度增加明顯，荷載從0.5 MPa增到1.3 MPa時，車轍深度從3 mm增到6.4 mm，增幅達100%以上。表明改性瀝青承受重載的能力強，增幅逐漸減慢這是因為荷載較大時，易將瀝青混合料壓密，剛開始變形深度增加很快，之后隨著碾壓次數的增加，混合料逐漸密實，最后車轍深度變化趨于穩定。

2.3 動穩定度與車轍深度的關系

動穩定度是瀝青混合料高溫穩定性的主要控制指標，而車轍深度是路面高溫病害的主要表現形式。根據動穩定度計算公式可知，動穩定度是由不同時間所對應的車轍深度計算得來的，所以動穩定度與車轍深度必然有著很好的相關關系。

由以上瀝青混合料的試驗結果可以列出不同荷載下車轍深度與動穩定度之間的關系如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7可以得出：車轍深度增大時，動穩定度減小，表明相同混合料可從車轍深度大小推算出混合料動穩定度，可將車轍深度作為評價指標對瀝青混合料高溫穩定性進行評價，提供了從另一個角度評價瀝青混合料高溫性能的方法。

2.4 荷載對瀝青混合料高溫性能的影響

通過變載車轍試驗，分析荷載與動穩定度、車轍深度等高溫性能評價指標的關系，發現動穩定度隨著荷載的增加而減小，車轍深度隨著荷載的增加呈現增大的趨勢，表明荷載對瀝青混合料高溫性能影響較大。在實際工程中，應注重重載交通條件下瀝青路面的高溫性能。

3 結語

（1）荷載對瀝青混合料高溫性能影響較大。瀝青混合料的動穩定度與車轍所受的荷載相關系數都達到0.95以上，表明兩者有著很好的相關性，這為以后進行重載車轍研究提供有力的依據。考慮到今后對車轍預估模型的簡化，建議用線性模型來描述荷載與動穩定度的關系。

（2）隨著荷載的增加，車轍深度呈增大的趨勢，改性瀝青車轍深度增加緩慢，荷載從0.5 MPa增到1.3 MPa時，車轍深度增加不到30%，而基質瀝青車轍深度增加明顯，表明改性瀝青混合料的承重能力更強。

（3）相同混合料可從車轍深度大小推算出混合料動穩定度，可將車轍深度作為評價指標對瀝青混合料高溫穩定性進行評價，提供了從另一個角度評價瀝青混合料高溫性能的方法。

參考文獻：

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