高速公路路面抗車轍性能分析

余輝耀

（1.岳陽市公路橋梁基建總公司，湖南岳陽414000；2.岳陽縣岳路供水有限公司，湖南岳陽414000）

1 引言

車轍現象是高速公路的主要病害形式之一，它是指路面性能不佳時，高載量的機動車經過會引起車輪外緣輪跡路面的部分凹陷或隆起，是一種永久形變性質的路面損壞。出現車轍現象的路面，若機動車不減速行駛，很容易因跳車現象導致交通事故發生，若是高速路段出現車轍問題，將會給城市交通帶來極大的隱患。因此，深入探究路面的抗車轍性能，是具有現實意義的。

2 影響路面抗車轍性能的主要因素

2.1 路面內因問題

若是路面密實度達不到設計要求，當車輛荷載經過時，很容易使這種路面結構穩定性被破壞，引起局部荷載失衡產生車轍[1]。另一方面瀝青材料與集料本身的質量問題，也會使路面抗車轍性能受到影響。

2.2 外部環境原因

瀝青材料是一種流動性較差的液體，高速公路面層的穩定性與瀝青材料的黏度有著密切關聯。正常情況下，它能與集料很好地結合為一個具有抗蠕變性的整體結構。但在夏季高溫環境下，高速公路的溫度急劇升高，導致瀝青黏度急劇下降，在受到荷載作用時，很容易使瀝青橫向流動，從而使路面產生永久剪切形變。除了環境誘因以外，渠化交通也是路面抗車轍性能下降的主要原因，路面反復被車輪碾壓的部位長期受到荷載作用，尤其是一些上坡路段，由于行車速度較慢，車輛靜荷載作用面積較大，會催化車轍現象形成[2]。

3 抗車轍性能研究思路

首先，用動穩定度DS 表征法，將瀝青面層以5 cm 為單位，分為上下兩個薄層，在分析過程中，將各個薄層受到碾壓的塑性形變分別求出，而后再將各個薄層的形變量結果疊加在一起，求出瀝青路面的車轍形變。瀝青混合料是一種帶有黏性彈塑性質的材料，在路面荷載狀態下，車轍深度只與瀝青面層的應力狀態、瀝青層的塑性應變與荷載特性有關。而瀝青面層的塑性應變與荷載特性等方面的差異，又是來自路面溫度、混合料壓實度、結構層變形累積以及瀝青混合料的材料特性差異。因此，通過DS 表征法，能夠清楚直觀地反映出高速公路路面抗車轍性能與混合料及材料組合方式的關系[3]。

試驗選用了不同瀝青混合料類型的組合方式，選出14 中排列組合。為了能夠真實模擬高速公路路面的荷載情況，試驗中將每組試樣在上下分層的基礎上，底層加設5 cm 密實度為98%的夯實砂層作為路基結構，4 組獨立試樣的材料截面尺寸均為30 cm×30 cm。為了強化粘連效果，在每組模擬路面試樣的分層界面撒布一層瀝青。

在動穩定度試驗的基礎上，同步記錄試樣路面溫度與最大形變量的變化，而后用灰關聯度排序法，來分析比較試驗中各個變量對抗車轍性能的影響程度。

4 車轍試驗輪行進操作

車轍試驗嚴格按照JTG E20—2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的相關標準進行。首先，將保溫箱內的路面試樣連同磨具一同放置在車轍試驗機的試驗臺上，調整車轍試驗輪起始位置位于瀝青混合料試樣的中心位置，且必須確保車轍試驗輪與試樣的末次碾壓方向為同向。確保試樣與試驗臺接觸良好，校準車轍試驗輪位置準確后，啟動車轍試驗機，并驅動車轍試驗輪向前推進與后撤，在試驗碾壓時，必須要確保試驗輪全過程都與試樣存在有效接觸面積，車轍試驗輪往復行走時長不得小于1 h[5]。在試驗開始前，還要在試件未受試驗輪碾壓的部位埋入安裝一個熱電藕溫度計，開始碾壓實驗時，分別記錄路面試樣的溫度變化曲線以及荷載形變量變化曲線。

5 動穩定度DS 的計算方法

在得出各組不同的瀝青混合料路面試樣經過1 h 試驗輪碾壓的溫度與形變變化曲線后，按照式（1）方法求出不同試樣的動穩定度DS 的值：

式中，T為試驗輪碾壓時間全長，即60 min；t為試驗輪碾壓45 min 時長；D為試驗輪碾壓結束后儀器記錄的上下兩層塑性形變量總和；d為在碾壓第45 min 時刻對應的路面試樣塑性形變量總和；C與c為試驗修正系數。其中，C為試驗機修正系數，根據試驗輪的驅動模擬方式不同選擇對應的取值，其中曲軸連桿驅動的變速行走試驗輪取值為1.0，鏈式傳導驅動的等速代替試驗輪取值為1.5；c為試樣修正系數，本文所用的30 cm×30 cm 實驗室標準制樣取值1.0，瀝青路面切割面寬為150 mm 的試樣取值為0.8；N為試驗輪的行進碾壓頻率，次/min。計算得出動穩定度DS 單位為次/mm。

6 灰關聯分析法

除了物理力學試驗以外，本文還采用了灰關聯法對各個試驗系統進行分析，首先找出能夠反映系統特征的幾組參考變量數列，如AC-13 與AC-20 的材料差異，上下面層混合料的結構差異、集料級配的差異等。而后對上述比較數列的差異性進行無量綱化處理，求出各個差異值之間的灰色關聯系數xi。灰關聯程度，就是指不同試樣溫度與形變曲線在幾何圖形上的變化程度，以曲線離散或靠攏的關系，來作為衡量灰色關聯程度的基本依據。其中灰色關聯系數xi通過式（2）求出：

式中，Δ 為兩組數列之間的第二極差，若為最小差時，記作Δ（min），若為最大差時，記作Δ（max）；P為分辨修正系數，通常取值為0.5；Δoi為溫度與形變量曲線變化圖上某一參考點對應的曲線變化絕對差值；k為差異數列的系數。求出灰色關聯系數后，再將這個結果代入關聯度r的計算公式中：

關聯度r的值與1 的差值越小，則說明對應的兩組差異數列之間的關聯性越高。最后對試驗試樣的幾組變量控制對應的差異數列按照關聯度大小的次序進行排序描述，就能夠判別出各種不同因素對路面抗車轍性能的影響程度大小了[6]。

7 抗高溫穩定性能與抗車轍性能之間的關系

通過以往的經驗以及大量試驗數據，可以基本得出影響高速公路面層高溫穩定性的主要因素有如下：瀝青拌和料、集料級配、混合料性能和集料性能。而瀝青的高溫穩定性可以用瀝青材料的針入度來表示，鑒于瀝青材料黏度受溫度升高而降低的特性影響，本文考慮將針入度作為瀝青拌和料質量的主要影響因素之一。所以說瀝青材料的抗高溫性能，也是會影響路面抗車轍性能的主要參數，因此，在灰關聯分析法中，必須要將瀝青材料受碾壓后，溫度隨時間變化的曲線情況列入差異數列中。而通常情況下，瀝青材料的抗高溫性能往往與集料之間的間隙有關，也就是集料顆粒的直徑越大，理論上的抗高溫穩定性能就越強。那么順著這個邏輯思路，通過集料的曲率系數與不均勻系數，就可以側面表征出瀝青材料的抗高溫穩定性能。其中曲率系數CC的計算公式如式（4）：

式中，d60為集料顆粒質量通過率為60%的顆粒直徑；d10為集料顆粒質量通過率為10%的顆粒直徑。而不均勻系數Cu則是用來表示集料之間不同粒徑的顆粒分布情況的數值，它的計算公式為如式（5）：

理論上來講，上述兩個值越大，則說明瀝青材料的抗高溫穩定性能越好。

8 結果分析

8.1 高速公路路面抗車轍性能與瀝青材料之間的關系

試驗發現AC-13 瀝青材料的最大形變量遠高于AC-20，動穩定度DS 值卻大于AC-20。在灰關聯度中，集料粒徑對抗車轍性能的影響程度最大，說明瀝青混合材料的粒徑越大，路面獲得的抗車轍性能就越強。這說明了動穩定度DS 值只能夠反映穩定形變后瀝青材料荷載的形變速率，也就是試驗試樣在45～60 min 以內的形變情況。

其次，對路面抗車轍性能影響較大的因素是瀝青材料的黏度，按照抗車轍性能從優到劣排列順序為：改性瀝青、高黏瀝青、基質瀝青。AC-13 與AC-20 的試驗結果均表明了此規律，這足以說明了改性瀝青在材料質量上的優越性。

8.2 高速公路路面抗車轍性能與路面面層的關系

從灰關聯分析度排序中發現，路面上層的瀝青混合料質量關聯度，明顯高于下層面層，其中上面層的灰關聯度r 值約是下面層的7.8 倍。所以為了提高瀝青混合料路面的穩定結構，應當著重考慮路面面層的瀝青混合料性能。即下層應當選用AC-20 這種礦物集料顆粒直徑較大的瀝青材料，而上層選用集料粒徑較小的AC-16 瀝青混合物，這樣路面才會獲得較好的抗車轍性能。

但從上下面層之間的最大形變量發生的時間來看，14 個試樣均在路面下5～7 cm 處出現了荷載剪切應力集中的問題。在瀝青路面產生車轍開始，上層面層對抗車轍性能的影響將會越來越小，而下層面層對抗車轍性能的影響將會越來越大，當達到路面最大形變量的時候，上層面層的灰關聯度r值將會下降為下層面層的1.6 倍左右。此外，與10 號試樣在動穩定度DS 相近的6 號試樣，上層路面采用2 改性瀝青，瀝青飽和度為78.1%，下層路面采用1 基質瀝青，飽和度為67.2%，在最大形變量上遠大于10 號試樣。所以對于長期荷載的路面來說，下層路面的瀝青材料質量也比較重要，下層路面的瀝青材料將會影響路面車轍的最大形變量，也就是車轍深度。

9 結語

綜上所述，以動穩定度DS 表征法和最大形變量結果評價的路面抗車轍性能會存在較大出入。首先，是瀝青混合料本身的質量對瀝青抗車轍性能影響最大，AC-16 在45 min 形變穩定后，繼續形變的速率遠低于AC-20。其次，是瀝青路面集料的粒徑會影響路面的車轍深度，粒徑小的瀝青材料能夠產生的形變量遠大于粒徑大的瀝青材料。再次，是瀝青材料的黏度會影響瀝青材料的動穩定度，改性瀝青的抗車轍性能遠高于基質瀝青。最后，是上半層路面對抗車轍性能的影響要大于下半層面層，但從車轍形變發生開始，下半層面層對抗車轍性能的影響會逐漸升高。所以理想狀態下，高速公路道路想要獲得最好的穩定性能，可以在路面上半層選用2 改性瀝青材料的AC-16 瀝青混合料，下半層選用高黏瀝青材料的AC-20 瀝青混合料。