柔性基层沥青路面车辙性能的影响因素

，，，，

(1.湖南科技学院，湖南 永州 425199； 2.重庆交通大学，重庆 400074； 3.湖南城市学院，湖南 益阳 413000)

柔性基层沥青路面车辙性能的影响因素

李丽民1,2，何兆益2，冯浩雄3，靳鹏伟1，雷婷2

(1.湖南科技学院，湖南永州425199；2.重庆交通大学，重庆400074；3.湖南城市学院，湖南益阳413000)

为解决柔性基层沥青路面车辙问题，采用室内试验和数值模拟对柔性基层沥青路面车辙性能的影响因素进行了研究。结果表明，空隙率是影响柔性基层沥青混合料抗车辙能力最关键的因素，宜为4%左右；级配形成骨架嵌挤结构能明显提高柔性基层混和料的抗车辙能力，但级配不宜太粗；对SBS改性沥青，可根据基质沥青的高温性能指标来选择改性沥青；温度、荷载、行车速度对柔性基层沥青路面车辙性能有显著影响。

车辙； 柔性基层； 沥青路面； 影响因素

1 引 言

目前我国半刚性基层沥青路面耐久性差、使用寿命短，给我国道路建设带来了严重的经济和社会影响[1-2]。郑健龙院士指出：提高沥青路面使用寿命已成为中国公路交通领域刻不容缓的重要任务[3]。借鉴国外成功经验[4-5]，采用沥青柔性基层可望解决我国半刚性基层沥青路面的缺陷，提高路面的耐久性。但车辙问题是其需要解决的关键问题之一。国内外对沥青路面车辙性能影响因素进行了大量研究，一致认为其影响因素非常多，同时也提出了各自不同的研究结论[6-10]。由于车辙影响因素众多，面临的情况确实比较复杂，无法定量确定各个因素对混合料抗车辙能力的贡献，使得不同条件下得出的研究结论无法统一，在一定程度上造成实际认知上的某种困惑，使之无法很好地指导沥青路面设计。目前，我国对沥青路面车辙性能的研究大都集中在半刚性基层沥青路面[11-12]。因此，为在我国推广应用柔性基层耐久性沥青路面，对柔性基层沥青路面车辙性能的影响因素进行深入系统研究，是十分必要的。

2 柔性基层沥青路面车辙性能影响因素分析

2.1级配对车辙性能的影响

选用图1中九种柔性基层级配进行研究。以美国提出的4.75mm以上的粗集料骨架间隙率VCA作为粗集料嵌挤作用的衡量指标，其粗集料骨架间隙率VCAmix、VCADRC试验测定结果见表1，表中：ρca为粗集料合成毛体积密度，ρ为粗集料干捣密度，ρmb为沥青混合料毛体积相对密度，PCA为沥青混合料中粗集料比例，VCAmix为压实状态下沥青混合料的粗集料骨架间隙率，VCADRC为粗集料的干插捣实骨架间隙率。车辙试验结果见图2。

图1 采用级配 Fig.1 Gradation for test

Gradationρca/g·cm-3ρ/g·cm-3ρmb/g·cm-3PCA/%VCADRC/%VCAmix/%Skeletondensesituation1#2.6971.5402.4528042.9027.27Yes2#2.7021.5432.4927042.9135.44Yes3#2.7011.5552.4837042.4335.65Yes4#2.6971.5852.47470.541.2335.33Yes5#2.7061.5652.4906042.1744.79No6#2.6851.5902.4598040.7826.73Yes7#2.6881.5702.4937041.5935.08Yes8#2.6951.5852.4707141.4934.93Yes9#2.6931.5502.4956042.4444.41No

图2 抗车辙柔性基层级配车辙试验结果Fig.2 Rutting test Results of the resisting rut flexible base gradation

结果表明：选择柔性基层级配时，保证级配形成骨架嵌挤结构能明显提高混和料的抗车辙能力，但级配不宜太粗，大于4.75mm的粗集料宜保持在70%左右。

2.2沥青对车辙性能的影响

研究发现[8]，沥青粘度、稠度与沥青的高温性能有良好的相关性，但粘度试验相对比较麻烦，国内无法普及；而稠度目前国内还没有统一的标准，故选用针入度、环球软化点、当量软化点、针入度指数和同温度车辙因子等评价指标进行研究。对文献[13]测定的壳牌70#、泰普克70#、东营90#、欢喜岭90#四种基质沥青及其对应的4.5%SBS四种改性沥青的试验数据进行整理后得到的结果见图3～图7。采用2#柔性基层级配，大港AH-50、中海AH-70、韩国SK-70三种基质沥青及其SBS改性沥青，进行最佳沥青用量混合料的车辙试验，试验结果见图8。

结果发现：对基质沥青，针入度、针入度指数、软化点、同温度车辙因子G*/Sinδ等高温指标与动稳定度有很好的相关性，沥青的针入度越小，针入度指数、软化点、车辙因子越大，其沥青混合料的抗车辙性能越好；对于SBS改性沥青，针入度指数、软化点、同温度车辙因子与动稳定度的相关性较弱，仅针入度指标与动稳定度有较好的相关性，基质沥青和改性沥青的高温性能存在很大差异，25℃针入度可作为评价沥青高温性能的通用指标；基质沥青与改性沥青混合料的车辙性能有很好的一致性，选择改性沥青时，可根据基质沥青的高温性能指标来选择改性沥青。

图3 25℃针入度与动稳定度的关系 (a) 基质和改性沥青； (b) 基质沥青； (c) 改性沥青Fig.3 Relationship between of 25℃ penetration and dynamic stability (a) Matrix and modified asphalt; (b) Matrix asphalt; (c) Modified asphalt

图4 环球软化点与动稳定度的关系 (a) 基质和改性沥青； (b) 基质沥青； (c) 改性沥青Fig.4 Relationship between of soft point and dynamic stability (a) Matrix and modified asphalt; (b) Matrix asphalt; (c) Modified asphalt

图5 当量软化点与动稳定度的关系 (a) 基质和改性沥青； (b) 基质沥青； (c) 改性沥青Fig.5 Relationship between of equivalent softening point and dynamic stability(a) Matrix and modified asphalt; (b) Matrix asphalt; (c) Modified asphalt

图6 针入度指数与动稳定度的关系 (a) 基质和改性沥青； (b) 基质沥青； (c) 改性沥青Fig.6 Relationship between of penetration index and dynamic stability (a) Matrix and modified asphalt; (b) Matrix asphalt; (c) Modified asphalt

图7 58℃车辙因子与动稳定度的关系 (a) 基质和改性沥青； (b) 基质沥青； (c) 改性沥青Fig.7 Relationship between of 58℃ rutting factor and dynamic stability (a) Matrix and modified asphalt; (b) Matrix asphalt; (c) Modified asphalt

图8 不同沥青、2#级配沥青混合料的动稳定度Fig.8 Dynamic stability of differ asphalt for ATB25 asphalt mixture

2.3体积指标对车辙性能的影响

考虑到饱和度是一个由混合料空隙率和矿料间隙率确定的参数，体积指标只研究空隙率和矿料间隙率。采用图1中九种柔性基层级配，韩国SK AH-70沥青和石灰石岩集料，沥青指标见表2。先进行大马歇尔试验以确定最佳沥青用量及其体积指标，然后进行各级配最佳沥青用量下的车辙试验，再对2#和6#两种级配，进行不同沥青用量、不同轮碾压实次数和不同混合料轮碾压实温度的车辙试验，车辙试件体积指标用钻头为φ100mm的钻芯机从轮迹带两侧钻取圆柱体试件，将试件放在干燥通风的环境中风干，测定空隙率VV、矿料间隙率VMA等体积指标，试验结果见图9～图15。

表2 沥青性能指标

图9 沥青混合料不同级配的动稳定度Fig.9 Dynamic stability of differ gradation

图10 不同沥青用量(2#、6#)的动稳定度Fig.10 Dynamic stability of differ asphalt content

图11 不同压实次数(2#、6#)的动稳定度Fig.11 Dynamic stability of differ compaction times

图12 不同压实温度(2#、6#)的动稳定度Fig.12 Dynamic stability of differ compaction temperature

图13 压实度与空隙率的关系Fig.13 Relationship between of compaction degree and air void

图14 压实温度与空隙率的关系Fig.14 Relationship between of compaction temperature and air void

图15 沥青用量与空隙率的关系Fig.15 Relationship between of asphalt content and air void

结果表明：对不同级配，在最佳沥青用量时，混合料体积指标与动稳定度成抛物线变化，在空隙率4%附近，混合料抗车辙能力最强；相同材料和级配情况下，不同沥青用量、不同碾压实次数和不同轮碾压实温度造成的混合料的空隙率都与动稳定度强线性相关，而矿料间隙率与动稳定度的相关性不强，表明压实度、压实温度和沥青用量对混合料车辙性能的影响都能通过空隙率这一指标来反应，空隙率是影响沥青混合料抗车辙能力最关键的因素。

2.4温度和交通条件对车辙性能的影响

采用韩国SK AH-70沥青和石灰石岩集料，2#和6#级配，选用最佳沥青用量，进行不同温度和轮压的车辙试验，试验结果分别见图16～图19。采用文献[14]提出的经实测数据验证合理的基于动力有限元的车辙预估计算方法(包括边界条件，力学参数取值)，采用ANSYS软件，对表3柔性基层沥青路面结构进行计算，结果见图20～图23。

图16 温度与动稳定度的关系Fig.16 Relationship between of temperature and dynamic stability

图17 不同温度2#级配沥青混合料的车辙变形Fig.17 rutting deformation of differ temperature for asphalt mixtures of 2# gradation

图18 不同温度6#级配沥青混合料的车辙变形Fig.18 rutting deformation of differ temperature for asphalt mixtures of 6# gradation

结果表明：温度对沥青路面的抗车辙性能有很大的影响，沥青混合料的动稳定度随着温度升高而迅速下降，沥青混合料及路面的车辙变形度随温度的升高而明显增加，高温时沥青混合料车辙变形量迅速增加，45℃～60℃车辙发展迅速，车辙深度增加明显；对于同样的轴载作用次数，温度越高，路面产生车辙变形量越大；并且随着轴载作用次数的增加，温度影响越明显，持续高温是造成路面车辙破坏的重要原因。不同荷载作用下，沥青混和料的抗车辙能力并不是直线变化，动稳定度随轮压的增加而下降，在轮压大于0.9MPa后，动稳定度显著下降，路面车辙变形深度随轮压的增加而增加，在轮压大于0.9MPa后，路面车辙深度显著增加，路面上方的隆起车辙加剧，车辙主要是由横向剪切引起，重载是造成沥青路面车辙破坏又一重要原因；沥青路面的车辙深度随轴载作用次数的增加而逐渐增大，在轴载作用次数小于104时，路面车辙深度增长缓慢，大于106次后，车辙深度急剧增加，且轮压对车辙深度的影响更为明显；并且沥青路面的车辙深度随行车速度的增加而减小，速度小于60km/h时，车辙深度随车速的减小迅速增加。

图19 轮压与动稳定度的关系Fig.19 Relationship between of wheel pressure and dynamic stability

图20 轴载作用次数的106时温度与车辙深度的关系Fig.20 Relationship between of temperature and rut depth under axle load action times of 106

图21 轴载作用次数106次时胎压与车辙深度的关系Fig.21 Relationship between of tire pressure and rut depth under 106 axle load action times

图22 轴载作用次数106次，胎压0.7MPa时速度与车辙深度的关系Fig.22 Relationship between of speed and rut depth under 106 axle load action times and 0.7MPa tire pressure

图23 轴载作用次数与车辙深度的关系Fig.23 Relationship between of axle load action times and rut depth

表3 计算路面结构参数Table 3 Calculated pavement structural parameters

3 结 论

1.对SBS改性沥青，基质沥青与改性沥青混合料的车辙性能有很好的一致性，可根据基质沥青的高温性能指标来选择改性沥青。

2.选择柔性基层级配时，保证级配形成骨架嵌挤结构能明显提高混和料的抗车辙能力，但级配不宜太粗，大于4.75mm的粗集料宜保持在70%左右。

3.空隙率是影响柔性基层沥青混合料抗车辙能力最关键的因素，空隙率在4%附近，混合料抗车辙性能最好。

4.温度、荷载、行车速度对柔性基层沥青路面抗车辙性能有显著影响。我国路面设计规范中采用单一温度、单一速度、单一轮压，并不考虑不同等级不同类型的沥青路面上行车速度、气候条件和交通条件等不同而引起的车辙破坏的差异性，难以保证柔性基层沥青路面在设计荷载作用次数下不产生车辙破坏。

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EffectFactorsofRuttingPerformanceonFlexibleBaseAsphaltPavement

LILimin1,HEZhaoyi2,FENGHaoxiong3,JINPengwei1,LEITing2

(1.HunanUniversityofScienceandEngineering,Yongzhou425199,China;2.ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China;3.HunanCityUniversity,Yiyang413000,China)

To solve the rutting problem of flexible base asphalt pavement, the influence factors of the rutting performance of the flexible base asphalt pavement were studied, based on laboratory tests and numerical simulation. The results show that the void ratio is the most important factor which affects the anti-rutting ability of flexible base asphalt mixture, and that it should be about 4%. The gradation of skeleton structure can improve the anti-rutting ability of the flexible base asphalt mixture, but it should not be too coarse. The SBS modified asphalt can be selected, based on the high temperature performance of matrix asphalt index. Temperature, load and speed significantly affect the rutting resistance of flexible base asphalt pavement.

rutting; flexible base; asphalt pavement; effect factors

U416.217

：ADOI:10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.04.012

1673-2812(2017)04-0575-07

2016-08-17；

：2016-11-04

湖南省教育厅重点资助项目(16A082)，湖南省自然科学基金资助项目(2015JJ2073)，湖南省教育厅科学研究资助项目(13C345)，永州市2016年度指导性科技计划资助项目

李丽民(1974-)，博士，副教授，主要从事道路工程研究，E-mail：li-li-min@126.com。

冯浩雄(1979-)，讲师，博士研究生，主要从事桥梁及混凝土结构研究，E-mail：fhaoxiong@163.com。