瀝青路面抗車轍性能評價及結構優化研究

陳 萍

(湖南城市學院檢測中心有限公司，湖南 益陽 413001)

0 引 言

山區高速公路發生最多的病害就是車轍病害，并且隨著汽車荷載的重復作用，車轍問題表現越來越突出。長陡坡路段由于自身縱坡大，車輛行駛速度低，所以車轍病害較為嚴重，當溫度較高時，瀝青路面的結構開始降低，車轍發展迅速，造成嚴重的交通阻礙。車轍病害的主要表現形式是車輛輪跡作用處產生下陷。由于車輛荷載的擠密作用使車輪邊緣發生隆起。這種現象主要發生在結構層的面層。根據調查發現大部分瀝青路面需進行養護是因為車轍變形造成的，與其他病害相比較，車轍的危害表現最明顯。瀝青路面車轍病害的存在給道路研究工作帶來重大挑戰，所以提高瀝青路面的質量非常重要。

1 評價方法

1.1 馬歇爾試驗

混合料高溫穩定性會影響車轍的深度，對車轍病害有直接的影響。最初評定混合料的高溫性能是通過馬歇爾試驗進行的，利用DS(穩定度)和F(流值)來作為評定指標。隨著課題的深入研究發現試驗的評價指標DS與車轍病害沒有很好的相關度[1]。所以最終認為馬歇爾試驗在評價瀝青混合料的高溫穩定性時存在局限性。通過對馬歇爾試驗的分析可知，該方法是一種經驗方法，適用范圍較小，通過該方法確定的最佳瀝青用量并不精準；DS和F指標對于力學計算很困難，很難確定瀝青混合料的剪切變形[2]。

1.2 輪轍試驗

車轍的試驗還可以利用室內車轍試驗儀進行模擬車輛作用時產生的車轍深度。該方法成件較容易，是我國目前最主要的車轍檢測試驗。該試驗的評價指標是動穩定度。該指標所表達的指標含義為：高溫狀態下，瀝青混合料在試驗時產生1 mm變形量時的軸載作用次數。該種試驗方法的缺點是不能評價模量較高的混合料[3]。

2 DWPA車轍試驗

2.1 試驗材料

本文所采用的瀝青有3類，分別為70#基質瀝青、SBS改性瀝青、高模量瀝青；集料采用的是花崗巖，礦粉是石灰巖，試驗原材料經測定指標均滿足要求。

試驗中共采用了6種不同的瀝青混合料，主要級配有：AC-13F、AC-13C、SMA-13、MLB-13 混合料，經過對混合料進行設計得到各自的最佳油石比，經過瀝青與礦料級配相匹配得到AC-13F的SBS改性瀝青混合料、SMA-13的SBS改性瀝青混合料、MLB-13的SBS改性瀝青混合料、AC-13C的SBS高模量瀝青混合料、AC-13C的SBS改性瀝青混合料、AC-13C的70#基質瀝青混合料。本文中DWPA車轍試驗選用的車轍試件厚50 mm，將試件固定在試件夾上，荷載作用次數為10 000次，進行DWPA車轍試驗，平行試驗設定為2次，試驗結果取平均值[4]。

2.2 結果及數據分析

經上述試驗將各組數據進行整理，擬合出相關曲線如圖1所示。

圖1 車轍試驗曲線圖

由圖1可知，礦料級配為AC-13C型的各種瀝青混合料表現出同一規律，即車轍深度和瀝青針入度成正比變化。通過聯系工程實際情況,可知該結論具有參考性。當瀝青種類相同時，DWPA車轍試驗還可以分析出級配對試驗結果的影響變化,即級配類型為MLB-13 和SMA-13的SBS改性瀝青混合料出現的車轍深度較小，而級配類型為AC-13F的SBS改性瀝青混合料出現的車轍深度與以上二者相比較最大。通過對以上數據進行分析可知,該車轍系統能對試驗數據進行精確的采集，且數據具有一定的參考價值；同時說明該種試驗方法可用于對瀝青混合料車轍性能的分析評價。

2.3 評價指標的選取

進行瀝青混合料抗車轍性能的評價指標主要有以下3個：變形斜率、變形率、變形總量[5]。變形率指瀝青混合料在進行車轍試驗時變形量與試件厚度的比值，該指標評價混合料的抗車轍能力時具有一定的局限性，表現為實驗過程中受加載模式的影響程度較大。

變形斜率是指圖1中一定范圍內縱坐標與橫坐標的比值。該指標主要測定混合料在蠕變階段的抗車轍能力。但是在時間點的選取過程中各國存在一定差異，導致對抗車轍性能的評價結果不一致。

變形總量是指試件在進行車轍試驗時所發生的總的車轍深度。DWPA試驗的評判標準為：瀝青混合料試件在進行8000次車轍荷載作用后產生的深度小于等于15 mm。

通過以上對瀝青混合料抗車轍能力的分析指標進行分析可以看出變形斜率和變形率作為評價指標時具有一定的局限性。通過對變形總量以及DWPA車轍試驗的結果進行分析可知，該指標適合抗車轍性能的評價。

3 結構優化設計

3.1 路面結構組合

根據實際工程及相關規定要求初定兩種路面結構，面層厚度分別4 cm+6 cm+8 cm和5 cm+6 cm+7 cm，將不同材料及不同結構層厚度進行組合共得到28種結構組合方案，按類別可將方案分為上面層加強組合、中面層加強組合、多層加強組合[6]。

3.2 有限元分析

利用有限元軟件對以上所有方案進行剪應力分析計算，設置條件同DWPA車轍試驗，最終得到:瀝青面層厚度組合為(4+6+8)cm時的剪應力分布,如圖2所示。瀝青面層厚度組合為(5+6+7)cm時的剪應力分布，如圖3所示。

圖2 (4+6+8)cm剪應力分布圖

圖3 (5+6+7)cm剪應力分布圖

由圖2可知，面層結構的厚度為(4+6+8)cm時，共有14種組合方案，剪應力分布變化表現為相同的規律，其峰值出現在深度為4 cm處，路面結構中受行車荷載的水平分力影響，上面層和中面層出現較大的剪應力，而下面層承受的剪應力較小。

由圖3可知，面層結構的厚度為(5+6+7)cm時，共有14種組合方案，剪應力分布變化表現為相同的規律，其峰值出現在深度為4～5 cm處，路面結構中受行車荷載的水平分力影響，上面層和中面層出現較大的剪應力，而下面層承受的剪應力較小。

3.3 車轍深度預估結果

通過對不同交通等級和不同行車速度條件下，面層結構為(4+6+8)cm的車轍深度預估結果分析可知：

(1) 1(a)～5(a)是上面層加強方案，上面層抗車轍性能增加時，產生的車轍總量有一定程度減小，說明該結構的抗車轍性能提高。

(2) 6(a)～10(a)是采用中面層進行加強的方案，當中面層抗車轍性能增加時，路面整體結構的抗車轍性能有顯著增長。

(3) 組合11(a)～14(a)是采用全結構進行加強的方案，該方案表現出的抗車轍能力最明顯。

經過對面層結構的厚度為(5+6+7)cm進行分析時，變化規律同(4+6+8)cm時的變化規律，但對抗車轍能力的加強程度較小。

在以上3種方案中，對路面的抗車轍能力加強程度表現為全結構加強>中面層加強>上面層加強。當路面結構進行加強方案采用全結構時，面層厚度為(4+6+8)cm的組合方式表現最優秀。

4 結 論

本文通過對瀝青路面的抗車轍性能進行分析時得到以下結論：

(1) 評價瀝青混合料的抗車轍性能的試驗方法有馬歇爾試驗、輪轍試驗等。

(2) 本文通過利用DWPA車轍試驗對瀝青混合料的抗車轍性能進行評價證明了該方法的可行性，并對評價指標進行了分析，得到DWPA車轍試驗表現最佳的評價指標是車轍總量。

(3) 通過對路面結構進行優化可以得到結論是：對路面的抗車轍能力加強程度表現為全結構加強>中面層加強>上面層加強。當路面結構進行加強方案采用全結構時，面層厚度為(4+6+8)cm的組合方式表現最優秀。