基于漢堡車轍試驗的瀝青混合料性能診斷性分析與評價

摘要：為科學評價瀝青混合料的高溫抗車轍性能和水穩定性，進行漢堡車轍（Hamburg wheel tracking device，HWTD）試驗，采用外觀評價法、輪跡曲線評價法和變形曲線評價法3種診斷評價法，評價和統計分析多種瀝青瑪蹄脂碎石混合料（stone matrix asphalt，SMA）和密級配熱拌瀝青混合料（asphalt concrete，AC）進行HWTD試驗后的芯樣狀態和結果。結果表明：采用外觀評價法可客觀反映芯樣受輪碾破壞形態，對芯樣損壞原因進行定性分析，宏觀判斷瀝青混合料性能；采用輪跡曲線評價法可根據試件受壓面的離散狀態準確選取有效變形點位，進行變形曲線分析；采用變形曲線評價法可計算瀝青混合料的最大車轍深度和剝落拐點，定量評價瀝青混合料高溫抗車轍性能和抗水損害性能；以蠕變階段和剝落階段的變形評價瀝青混合料高溫抗車轍性能更具可信度和準確性，可將其作為主要評價指標定量評價瀝青混合料性能；計算剝落拐點受人為因素干擾極大，可將其作為輔助指標評價瀝青混合料的抗水損害性能。

關鍵詞：HWTD試驗；外觀評價；輪跡曲線評價；變形曲線評價；瀝青混合料；車轍深度

中圖分類號：U416.217; P632+.6文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2024）04-0073-07

0引言

我國瀝青路面的早期破壞形式以車轍和水損壞為主，影響道路的平整度和行車舒適性，存在嚴重的安全隱患。準確評估和提高瀝青路面的高溫抗車轍性能及水穩定性，成為當前道路工程領域亟待解決的重要問題[1]。在我國現行規范中，主要通過實驗室條件下的車轍、凍融等試驗評價瀝青混合料的高溫穩定性和水穩定性，在一定程度上為材料性能的評估提供依據，但實驗室環境與現場施工條件間存在較大差異，如取樣、溫度控制、壓實工藝及材料均勻性等，實驗室成型試件與現場大規模施工的瀝青混合料在路用性能上往往存在較大偏差。單純依賴實驗室試驗難以全面、準確地反映瀝青路面的實際性能，尋找能更直接、更有效地評估現場路面性能的檢測手段尤為重要[2]。

瀝青混合料漢堡車轍試驗（Hamburg wheel tracking test， HWTD）起源于德國漢堡，是評估重載交通與多雨環境設計道路性能的方法，從路面取芯進行試驗，試驗結果與現場路面車轍及水穩定性高度相關，Hall等[3]對比分析漢堡車轍試驗與多種瀝青路面車轍儀的室內試驗結果，發現漢堡車轍試驗與現場路面車轍的相關性較高，采用漢堡車轍評價瀝青路面的抗車轍性能較合理；Zhu等[4]研究瀝青混合料重復三軸試驗和漢堡車轍試驗的相關性，認為二者均能有效識別瀝青混合料的高溫性能，二者最終結果間的相關性及變形發展間的相關性較好；齊琳等[5]進行瀝青混合料水穩定性漢堡車轍試驗研究，結果表明相較于常規水穩定性試驗和浸水車轍試驗，漢堡車轍試驗能有效地動態評價瀝青混合料的水穩性，較好模擬瀝青路面水損害發生時的實際狀態。我國瀝青混合料普遍采用嵌擠結構設計，表面凸起石子對輪碾結果影響較大，采集數據極易出現偏離，采用單點變形曲線評價瀝青混合料性能在一定程度上影響試驗結果的準確度，通過試驗數據直接評價路面性能不能客觀反映實際情況。

本文采用HWTD試驗評估瀝青混合料的高溫抗車轍性能和水穩定性，通過診斷性分析，以試驗芯樣的破壞形態為基礎，從定性與定量雙重維度，采用外觀評價法、輪跡曲線評價法和變形曲線評價法3種診斷評價法，對多種瀝青瑪蹄脂碎石混合料（stone matrix asphalt，SMA）和密級配熱拌瀝青混合料（asphalt concrete，AC）HWTD試驗后的芯樣狀態和結果進行評價和統計分析，構建更科學、全面的HWTD試驗診斷性分析與評價方法，以期為工程實踐提供指導。

1HWTD試驗方案

HWTD試驗方法尚未納入我國現行規范，設置水浴溫度為（50±1）℃，荷載為（705.0±4.5）N，加載速度為（52±2）次/min，室內驗證建議瀝青混合料空隙率為（7±1）%，現場取芯以實測空隙率為準，試驗溫度為50 ℃[6-7]。

參照瀝青性能等級確定試驗次數，采用PG64或性能等級更低、PG70、PG76或性能等級更高的瀝青混合料，車轍深度12.7 mm對應的最小作用次數分別為1.0萬、1.5萬、2.0萬次，以碾壓規定次數車轍深度不大于12.7 mm或碾壓最大車轍深度為20.0 mm作為評價標準[8-9]。基于大量HWTD試驗現場取芯檢測數據，對不同瀝青SMA和密級配熱拌AC試驗結果進行診斷性分析與評價。

2瀝青混合料性能診斷性分析與評價

2.1HWTD 試驗外觀評價

HWTD試驗外觀評價是指評價碾壓后芯樣的受擠壓狀態或破壞形態，判斷芯樣損壞類型，客觀表達芯樣優、良、合格、較差、差的等級，評價瀝青路面材料的力學性能。基于大量試驗數據統計分析發現，HWTD試驗外觀評價可分為壓密型、凹陷型、兩側凸起型、松散破壞型4類，表示瀝青混合料力學性能逐步變差的狀態。壓密型漢堡芯樣表現為：芯樣頂面出現輕微輪跡，兩側無隆起，無剝落石子，車轍深度一般為3.0～5.0 mm，主要在前期的急劇壓密階段變形顯著，后期車轍深度逐漸變小，典型壓密型漢堡芯樣如圖1所示，車轍深度與碾壓次數的關系曲線如圖2所示。此類瀝青混合料結構較穩定，抗高溫車轍和抗水損害性能較好，可初步判定為優。

凹陷型漢堡芯樣表現為：芯樣頂面出現的輪跡深度進一步加深，兩側多出現擠壓型破壞，常伴隨微隆起，在完成前期壓密階段后車轍深度繼續增大，輪碾處有時出現瀝青膜脫落裸露石子現象，但較少出現剝落點，最大車轍深度一般為5.0～12.0 mm，典型凹陷型漢堡芯樣如圖3所示，車轍深度與碾壓次數的關系曲線如圖4所示。此類瀝青混合料的抗高溫車轍和抗水損害性能基本滿足要求，根據車轍深度變化可初步判定為良或合格。

兩側凸起型漢堡芯樣表現為：芯樣車轍深度相對較大，兩側受擠壓隆起較大，常出現剝落點，車轍深度多大于12.0 mm，典型兩側凸起型漢堡芯樣如圖5所示，車轍深度與碾壓次數的關系曲線如圖6所示。碾壓完成后有較大可能析出大量粉類顆粒物，使水變渾濁，此類瀝青混合料的抗高溫車轍及水損壞能力往往較差，根據深度和剝落點可初步判定為合格或較差。

松散破壞型漢堡芯樣表現為：芯樣車轍深度極大，兩側受擠壓隆起后松散破壞，剝落點出現較早，較快碾壓到最大車轍深度20.0 mm，典型松散破壞型漢堡芯樣如圖7所示，車轍深度與碾壓次數的關系曲線如圖8所示。保溫水槽中常析出大量粉類顆粒物，使水變渾濁，偶爾有瀝青斑點漂浮水面。此類瀝青混合料的抗高溫車轍和水損壞能力極差，可初步判定為差。

2.2HWTD試驗輪跡曲線評價

HWTD試驗采用圓柱型試件，直徑為150 mm，2個芯樣為1組，傳感器在碾壓軌跡上可間隔均勻采集11個點位[10-13]（1～11）的數據，采集點位分布如圖9所示。

進行HWTD試驗時需切割拼接芯樣，芯樣尺寸影響試件內所受橫向應力，影響試驗結果。瀝青混合料離析、切割后芯樣表面的骨料量對試驗結果影響也較大。根據碾壓輪跡曲線分析芯樣的橫斷面狀態，判斷芯樣受切割、凸起石子、離析等因素的影響程度，選擇有效點位進行變形曲線分析。通過大量試驗數據統計分析發現，輪跡曲線可分為平穩凹型、中間凹陷型、偏心型、不規則型4類，如圖10所示。

平穩凹型HWTD芯樣的11個點位的輪跡深度如圖10a）所示。點位1、11靠近模具兩側邊緣，車轍深度較其他點位偏小，點位6位于芯樣拼接處，車轍深度稍大，但輪跡曲線整體分布趨勢平穩，表明瀝青混合料芯樣受壓均勻，應采用芯樣點位3、9進行變形曲線評價。

中間凹陷型HWTD芯樣的輪跡深度如圖10b）所示。芯樣中間拼接處點位5～7車轍深度較大，其中點位6車轍深度最大，其他各點位車轍深度相差不大，原因可能是兩芯樣縫隙未完全貼緊或此處瀝青混合料出現破損、剝落等情況，應先分析點位6表現異常的原因，避免采用點位5～7點進行變形曲線評價。

偏心型HWTD芯樣的輪跡深度如圖10c）所示。一側芯樣整體車轍深度較小，另一側芯樣車轍深度較大，原因一般為瀝青混合料存在離析或芯樣表面粗、細骨料不均，此類型應增大試驗檢測頻率，以單個芯樣評價變形曲線分布規律并說明原因，不能以2個芯樣的平均車轍深度或最大車轍深度進行評價。

不規則型HWTD芯樣的輪跡深度如圖10d）所示。11個點位的輪跡深度分布較離散且無規律，原因一般為瀝青混合料在此區域存在大顆粒石子、石子剝落或瀝青細料膠團等情況，此類型應增大試驗檢測頻率，采用多點綜合評價，不能采用單點車轍深度或平均車轍深度進行評價。

2.3HWTD試驗變形曲線評價

進行HWTD試驗評價車轍變形曲線時，芯樣點位存在突變性，直接采用中間點位3、9易產生錯誤的評價結果，基于HWTD試驗輪跡曲線評價原則，選取有效點位，按k倍標準差方法剔除異常值或采用多點綜合評價，以免試驗結果偏離。

HWTD試驗變形曲線評價方法較多，一般采用最大車轍深度和剝落拐點評價瀝青混合料性能[14-17]。SMA類和AC類瀝青路面芯樣的車轍深度與輪碾次數的關系曲線如圖11所示。

由圖11a）可知：輪碾次數小于2 000時，SMA類瀝青混合料為壓密階段，路面芯樣的車轍深度急劇增大約1.0～3.0 mm，壓密拐點明顯，其后基本為變形蠕變階段，較少出現剝落拐點，與SMA瀝青、粗集料、礦粉三者質量分數較大，細集料質量分數較小的結構組成有較大關系。

由圖11b）可知：輪碾次數約為1 000時，AC類密級配瀝青混合料為壓密階段，車轍深度急劇增大約1.0～5.0 mm，出現壓密拐點。根據瀝青混合料的性能，壓密階段后AC類密級配瀝青混合料存在3種情況：1）瀝青混合料后期基本為變形蠕變階段，未出現剝落現象；2）變形蠕變階段后，瀝青混合料出現剝落現象，但大多數情況下拐點不明顯，很難準確計算；3）瀝青混合料直接剝落，無壓密拐點和剝落拐點。

HWTD試驗最大深度變形曲線由壓密、蠕變、剝落3個階段組成，壓密階段車轍深度多受瀝青混合料的類型、構造深度、空隙率等因素影響[18-20]。碾壓SMA類瀝青混合料約2 000次、碾壓AC類瀝青混合料約1 000次后出現壓密拐點，完成初始壓密，其后的碾壓階段是瀝青混合料車轍變形階段。蠕變階段和剝落階段的變形量是定量評價瀝青混合料性能的主要評價指標，以此評價瀝青混合料高溫抗車轍性能更具可信度和準確性[21-23]。

進行HWTD試驗，以剝落拐點評價瀝青混合料的抗水損壞性能。HWTD試驗的理想變形曲線如圖12所示。

剝落拐點車轍深度[24-25]

hSIP=（b2-b1）/（kr-kb），

式中：b1為第1部分的截距，b2為第2部分的截距，kr為蠕變斜率，kb為剝落斜率。

SMA類瀝青混合料幾乎不出現剝落拐點，AC類密級配瀝青混合料的剝落拐點極少能達到如圖12所示的理想狀態，受人為因素干擾極大，很難科學定量計算準確，只作為輔助指標定性評價瀝青混合料的水損壞性能。

3結論

1）對SMA類和AC類瀝青混合料進行HWTD試驗，外觀破壞形態可分為壓密型、凹陷型、兩側凸起型和松散破壞型等4類，表示瀝青混合料受輪碾荷載變形的不同類型，兩側凸起越高，瀝青混合料越難承受車轍變形，相應的車轍深度通常為3.0～5.0 mm、gt;5.0～12.0 mm、＞12.0 mm、≥20.0 mm，由此初步給出優、良、合格、較差、差的定性結論，宏觀判斷瀝青混合料的性能。

2）進行HWTD輪跡曲線評價，試件承受輪碾荷載時受壓面的輪跡曲線分為平穩凹型、中間凹陷型、偏心型、不規則型4類，選擇有效變形點位，進行變形曲線分析。

3）通過HWTD變形曲線評價，將變形曲線分為壓密、蠕變、剝落3個階段，蠕變階段和剝落階段的變形量是定量評價瀝青混合料高溫抗車轍性能的主要指標，更具可信度和準確性；剝落拐點的計算受人為因素干擾極大，很難科學定量，較難保證計算準確，只作為輔助指標。

HWTD試驗診斷性分析與評價將外觀評價方法和變形曲線評價方法相結合，從定性和定量兩方面科學、準確地評價瀝青混合料的高溫抗車轍性能和水穩定性能；輪跡曲線評價方法作為變形曲線點位選擇方法，能準確判斷有效變形點位，提高變形曲線評價方法的準確度和可靠性。

參考文獻：

[1]劉至飛，丁敏.長期服役瀝青路面面層材料漢堡車轍試驗研究[J].公路工程，2018，43（3）：225-228.

[2]栗培龍，張爭奇，李洪華，等.瀝青混合料漢堡車轍試驗方法[J].交通運輸工程學報，2010，10（2）：30-35.

[3]HALL K D， WILLIAMS S G. Acquisition and evaluation of Hamburg wheel-tracking device[R].Arkansas： University of Arkansas，1999．

[4]ZHU H R， YANG J， SHI X， et al. Relationship between repeated triaxial test and Hamburg wheel tracking test on asphalt mixtures[J].Journal of Southeast University（ English Edition），2010，26（1）：117-121．

[5]齊琳，沙愛民，陳凱.瀝青混合料水穩定性漢堡車轍試驗研究[J].武漢理工大學學報，2009，31（8）：42-45.

[6]American Association of State Highway and Transportation Officials. Hamburg wheel-track testing of compacted hot-mix asphalt （HMA）：T 324-2004[S].Washington： AASHTO， 2014.

[7]栗培龍，張爭奇，李洪華，等.瀝青混合料漢堡車轍試驗條件及評價指標研究[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2011，35（1）：113-117.

[8]張爭奇，羅要飛，張苛.瀝青混合料漢堡車轍試驗評價研究綜述[J].材料導報A（綜述篇），2017，31（2）：96-105.

[9]Texas Department of Transportation. Hamburg wheel-tracking test： Tex-242-F[S].Texas： TkDOT， 2009．

[10]胡家波，曲向龍，崔世萍.基于正交試驗的漢堡輪轍深度影響因素分析[J].山東建筑大學學報，2016，31（2）：172-176.

[11]李衛勇，張雷，楊建華，等.圓柱形試件用于國標車轍動穩定度試驗的可行性分析[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2017，36（12）：22-29.

[12]賈娟，張肖寧.瀝青混合料車轍試驗方法的比較分析[J].公路，2004（11）：199-202.

[13]林有貴，杜榮耀.基于芯樣漢堡車轍試驗的廣西地區瀝青路面車轍預測模型研究[J].中外公路，2021，41（2）：54-60.

[14]崔文博，郝培文.基于Hamburg車轍試驗的瀝青路面車轍損壞分析[J].中外公路，2014，34（1）：95-98.

[15]栗培龍，李洪華，張爭奇，等.瀝青混合料車轍進程影響因素及預估模型研究[J].武漢理工大學學報，2011，33（7）：57-61.

[16]齊琳，沙愛民，陳凱.瀝青混合料水穩定性漢堡車轍試驗研究[J].武漢理工大學學報，2009，31（8）：42-45.

[17]李鋒，曹榮吉，吳春穎，等.基于漢堡車轍試驗的瀝青路面永久變形預估模型研究[J].筑路機械與施工機械化，2020，37（12）：10-15.

[18]周棟，周志剛，劉靖宇.瀝青混凝土室內車轍試驗及評價指標對比研究[J].鐵道科學與工程學報，2022，19（8）：2287-2294.

[19]趙志強.漢堡試驗評價空隙率對車轍和水穩定性的影響[J].山西建筑，2019，45（17）：112-113.

[20]莊恢將，鐘皓白，王嘉琪，等.SBS改性瀝青及其混合料高溫性能試驗對比分析[J].公路工程，2023，48（1）：116-122.

[21]李洪華.瀝青路面車轍成因分析及車轍試驗研究[D].西安：長安大學，2008.

[22]劉至飛，丁敏.長期服役瀝青路面面層材料漢堡車轍試驗研究[J].公路工程，2018，43（3）：225-228.

[23]胡曉宇，單建飛，姜正暉.基于浸水漢堡車轍試驗的瀝青路面水損壞性能評價[J].公路工程，2022，47（3）：125-130.

[24]賈娟，張肖寧.瀝青混合料車轍試驗方法的比較分析[J].公路，2004（11）：199-202.

[25]張爭奇，尚同羊，孔慧，等.基于現場鉆芯取樣的瀝青結構層抗車轍性能評價方法[J].中國公路學報，2012，25（5）：31-37.

Diagnostic analysis and evaluation of asphalt mixture performance

based on Hamburg wheel tracking device test

Abstract：The Hamburg wheel tracking device （HWTD） test is used to scientifically evaluate the high temperature rutting resistance and water stability of asphalt mixture. Three diagnostic evaluation methods，including visual evaluation， track curve evaluation， and deformation curve evaluation， are employed to assess the core sample state and results of stone matrix asphalt （SMA） and asphalt concrete （AC） mixture after HWTD test. Results indicate that visual evaluation method objectively reflects core sample damage caused by wheel loading， qualitatively analyzes the reasons for core sample damage， and macroscopically assesses asphalt mixture performance. Track curve evaluation method accurately selects effective deformation points based on the discrete state of the loaded surface of the specimen for deformation curve analysis. Deformation curve evaluation method calculates the maximum rut depth and stripping inflection points of the asphalt mixture， quantitatively evaluating high temperature rutting resistance and water damage resistance. Evaluating asphalt mixture high temperature rutting resistance based on the creep stage and stripping stage is more reliable and accurate， serving as the main quantitative evaluation index for asphalt mixture performance. Calculation of stripping inflection points is greatly influenced by human factors， making it a supplementary index for evaluating the water damage resistance of asphalt mixture.

Keywords：HWTD test; visual evaluation; track curve evaluation; deformation curve evaluation; asphalt mixture; rut depth