圆柱形试件用于国标车辙动稳定度试验的可行性分析*

李卫勇，张 雷，杨建华，张争奇

(1. 陕西省高速公路建设集团公司，陕西 西安 710009； 2. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

圆柱形试件用于国标车辙动稳定度试验的可行性分析*

李卫勇1，张 雷1，杨建华2，张争奇2

(1. 陕西省高速公路建设集团公司，陕西 西安 710009； 2. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

分析了笔者提出的圆柱形试件用于评价沥青混合料抗车辙性能的可行性，采用室内试验对比分析的方法。首先，选取国际上广泛认可的汉堡车辙试验、APA车辙试验和小型加速加载试验，对6种不同类型的沥青混合料圆柱形试件分别进行试验，且将结果分别与笔者提出的圆柱形试件国标车辙试验结果进行相关性分析；其次，比较板式试件和圆柱形试件用于国标车辙仪时的试件成型空隙率变异性和动稳定度变异性，讨论圆柱形试件车辙试验的可靠度。结果表明：圆柱形试件国标车辙试验的动稳定度指标与汉堡车辙深度、APA试验动稳定度和小型加速加载试验蠕变速率指标之间均有良好的相关性，且较板式试件，圆柱形试件用于国标车辙试验的可靠度更高，表明圆柱形试件用于国标车辙仪评价沥青混合料的抗车辙性能是可行的。

道路工程；圆柱形试件；沥青混合料；抗车辙性能；可行性

0 引 言

车辙是沥青路面的一种主要病害形式，其不仅影响路面平整度和使用性能，而且严重危及行车安全。抗车辙性能是沥青路面设计的基本要求，但目前我国仅在沥青混合料配合比设计阶段，采用车辙试验作为沥青混合料设计结果的验证，缺乏对沥青路面结构层抗车辙性能的检测评价，这就无法保证路面具有良好的抗车辙性能。我国正在修订的《沥青路面设计规范》的校对稿中已增加将沥青层的永久变形作为沥青路面的设计指标，在设计阶段已充分认识到沥青路面抗车辙性能的重要性，但相应的检测和验收规范仍缺乏与沥青路面抗车辙性能紧密相关的检测指标，使得设计阶段和施工质量验收阶段处于脱节状态。所以，研究沥青路面结构层现场抗车辙性能检测方法具有重要的现实意义。

笔者提出采用圆柱形试件进行车辙试验，不仅可以用于评价沥青混合料的高温抗车辙性能，尤其是如果采用现场钻芯取样的圆柱形试件，其可用于评价路面现场的抗车辙性能，圆柱形试件容易获得且对路面的损伤程度小，这可降低路面取样位置发生次生病害的风险。鉴于此，笔者分析圆柱形试件用于国标车辙仪评价沥青混合料的抗车辙能力的可行性，为圆柱形试件车辙试验的应用提供保障。

1 试验原材料

试验采用AC-13和AC-20两种矿料级配、3种沥青(70#、90#和SBS)共6种不同类型的混合料进行试验，为了确保试验结果的准确性，对矿料和沥青的各项技术指标进行检测，检测结果均能满足相关规范要求[1-2]。采用Superpave设计方法，最终确定的矿料合成级配见表1，不同混合料类型的最佳沥青含量见表2。

表1 AC-13和AC-20合成级配Table 1 Synthetic gradation of AC-13 and AC-20 %

表2 不同类型混合料的最佳沥青含量Table 2 Optimum asphalt content of different typesof asphalt mixtures %

2 圆柱形试件车辙试验方法

2.1 圆柱形试件试验模具

为了便于推广和应用圆柱形试件车辙试验方法，加载装置仍然采用我国规范规定的车辙仪，加载轮的轮压、轮宽、轮直径、加载长度和加载速率均与规范保持一致，而车辙试验模具采用圆柱形规格的模具。

结合国标车辙试验仪的轮径、轮宽和轮碾压长度及旋转压实法所能够成型的沥青混合料圆柱体试件的尺寸，自行设计试验模具，其具有耐高温、耐腐蚀且抗压强度高的特性，模具尺寸规格见图1。考虑到若该模具用于衡量沥青路面中、上面层的抗车辙性能，采用50、60 mm两种厚度规格，模具中部圆的直径150 mm，由两部分对称拼接而成，拼接部位圆的弦长为90 mm，中空部分待放入芯样进行试验。这样的设置既能保证碾压轮的宽度(50 mm)小于两个试件相接触部分的宽度，也能保证碾压长度(230±10 mm)小于试件的270 mm的总长度，在满足这两者条件下试件应尽可能大，以减少边界条件对试件内部变形的影响，保证位移传感器能够精确地检测到试件的车辙变形量。当用于评价结构层厚度为40 mm的芯样试件时，只需在50 mm厚度的试模底部加10 mm厚的垫片。

图1 圆柱形试件车辙试验模具尺寸规格示意图(单位：mm)Fig.1 Schematic diagram of mould size specification forcylindrical specimen rutting test

2.2 圆柱形试件试验方法

笔者按照圆柱形试模尺寸，在室内利用SGC成型直径150 mm、高度50 mm的圆柱形试件，对混合料类型相同的两个试件进行切割修整并放入图1所示试模。在国标要求的车辙仪上进行试验，试验温度为60 ℃，试件厚度5 cm。 每种类型的混合料分别进行4组平行试验，测定其动稳定度指标，试验结果见表3。如果用于路面结构层抗车辙性能评价，可结合沥青路面压实度检测项目，在现场钻取直径150 mm的芯样并进行压实度检测后，对试件进行切割修整，放入车辙试验模具1中进行车辙试验。

表3 圆柱形试件车辙试验动稳定度Table 3 Dynamic stability of cylindrical specimen rutting test

3 汉堡车辙试验验证

3.1 试验方法简介

汉堡车辙试验(HWTD)可用于评价沥青混合料的永久变形、疲劳和水稳性能，结果采用车辙深度、蠕变速率和剥落速率表征。沥青混合料的高温抗变形能力通过最终车辙深度来评价，试验可以采用板式与圆柱形两种试件，试验环境可以采用空气浴和水浴。本次试验采用空气浴控制温度的方式，试验温度60 ℃，采用钢轮加载，加载频率为52 PPM，加载通过一个47 mm宽的钢轮施加705 N的荷载来回碾压试件，试验轮重复碾压20 000次[3-4]。汉堡车辙试验见图2。

图2 汉堡车辙试验Fig.2 Hamburg rutting test

3.2 试验结果与圆柱形试件试验结果的相关性分析

按照汉堡车辙试验设备模具的尺寸，利用SGC分别成型上文所述的3种沥青、两种矿料级配共6种沥青混合料圆柱形试件，每种混合料类型成型两个试件，作为1组。试件成型待其充分固化后，将试件切割修整放入试模待试验，见图2(b)。经试验，6种混合料的汉堡车辙试验曲线见图3。

图3 汉堡车辙试验曲线Fig.3 Hamburg rutting test curves

根据图3可知，在上述试验条件下，试件都能完整地承受20 000次的轮载作用，且没有发生明显的屈服破坏。将汉堡试验的车辙深度指标与圆柱形国标车辙试验的动稳定度指标进行回归分析，见图4(图中横坐标表示DS均值，纵坐标为20 000次汉堡车辙深度)。

根据图4，圆柱形试件车辙试验动稳定度与汉堡车辙深度之间具有良好的指数相关性。由于汉堡车辙试验用于混合料高温性能评价和路面现场芯样抗车辙性能检测在国外得到了很好的应用，因此可认为笔者提出的圆柱形试件车辙试验方法是合理可行的，能够评价沥青混合料和路面现场芯样的抗车辙性能的优劣。

图4 圆柱形试件国标车辙试验与汉堡试验结果的相关性曲线Fig.4 Correlation curves between results of cylindrical specimennotational standard rutting test and Hamburg rutting test

4 APA试验验证

4.1 试验方法简介

APA(沥青路面分析仪)试验可以评价车辙、疲劳和水稳定性，其是GLWT(乔治亚荷载轮试验机)的改进型，与GLWT有着相似的车辙试验过程。APA试验与GLWT车辙测定程序一样，采用3个加载凹形轮沿充气的橡胶管在试件上往复运动进行加载，轮载455 N，橡胶管气压690 kPa，循环加载次数为8 000次，但APA可以进行浸水试验。APA试验试件尺寸为125 mm×300 mm×75 mm板式试件或直径150 mm、高75 mm的圆柱形试件，板式试件的空隙率控制在7%，圆柱形试件的空隙率一般是4%和7%，试验温度为40.6 ℃～64 ℃[5-6]。APA试验装置见图5。

图5 APA试验装置Fig.5 APA experiment device

4.2 试验结果与圆柱形试件试验结果的相关性分析

通过SGC分别成型6种不同类型的混合料圆柱形试件，其直径均为150 mm、高度75 mm，相同类型的两个试件作为1组，按照APA试验装置规定的尺寸切割待用。

APA采用干法试验，温度条件为60 ℃，采用充气轮加载，轮载455 N，加载循环次数8 000次。试验前，将成型好的试件置于常温下至少4 h，然后置于内环境温度为60 ℃的APA中保温2 h。试验得各混合料车辙深度随加载次数的关系曲线见图6。

图6 APA车辙深度与荷载作用次数关系Fig.6 Relation graph between APA rutting depth

从图6可以看出，试件的车辙变形主要发生在初始阶段，此阶段沥青混合料被压密，车辙量较后期增长速度快。参考我国轮辙试验动稳定度的概念，通过测量沥青混合料2 000～7 000次的变形来计算APA车辙动稳定度，记为DSAPA。其计算式为式(1)：

(1)

式中：RD7000为荷载作用7 000次时的车辙深度；RD2 000为荷载作用2 000次时的车辙深度。

将计算得到的不同混合料的APA车辙试验动稳定度与圆柱形国标车辙试验动稳定度均值进行相关性分析，见图7。

根据图7，圆柱形试件车辙试验的动稳定度与APA试验的动稳定度之间具有良好的线形相关性，这种相关性与沥青混合料的种类无关。因此，笔者提出的圆柱形试件车辙试验方法是可行的，其可用于评价实验室混合料设计结果的高温性能和现场路面抗车辙性能。

图7 圆柱形试件国标车辙试验与APA试验动稳定度相关关系Fig.7 Correlation between dynamic stability of cylindricalspecimen notational standard rutting test and APA rutting test

5 MMLS3设备试验验证

5.1 试验方法简介

MMLS3是最新一代的加速加载试验设备，其克服了大多数足尺加速加载设备体积庞大、移动不方便、造价昂贵的缺点，能够测定路面在不同干湿条件和温度条件下的永久变形，可以通过室内试验在短时间内获得路面结构的使用性能指标，对沥青路面的耐久性和抗车辙性能进行评价，其数据真实，可靠度高[7-9]。

运用MMLS3进行室内加速加载试验时，沥青混合料试件的制备采用质量控制，即一定质量混合料压实到一定高度位置。按照上文的沥青混合料类型，通过SGC成型直径150 mm的圆柱形试件，切割修整成符合MMLS3底座要求的试件，放入试验槽中待用，MMLS3试验设备与试验槽如图8。试验前，将切割修整好的试件放入试验槽中保温4 h，试验时温度设定为60 ℃，加载频率7 200次/h，本次试验设定加载次数为40 000次，分别在加载至不同累积加载次数时用剖面仪测量车辙变形量。

图8 MMLS3试验设备与试验槽Fig.8 MMLS3 experiment device and test tank

5.2 试验结果与圆柱形试件试验结果的相关性分析

试验得各沥青混合料车辙深度与荷载作用次数间的关系曲线见图9。从图9可看出，各不同类型沥青混合料试件的抗车辙性能存在明显差异，用MMLS3测得的车辙曲线明显存在两个阶段：迅速增大的压密阶段和稳定增加的蠕变阶段，这同汉堡车辙试验和APA试验所得曲线很相似。且荷载作用次数为40 000时，各沥青混合料抗车辙性能从优到劣排序为AC-20-SBS>AC-13-SBS>AC-20-70#>AC-13-70#>AC-20-90#>AC-13-90#，这与60 ℃条件下5 cm厚度的圆柱形国标车辙试验动稳定度所反映的抗车辙性能排序是一致的。

图9 各类型沥青混合料MMLS3试验车辙曲线Fig.9 MMLS3 rutting curves of different types of asphalt mixtures

在稳定蠕变阶段，沥青混合料的蠕变速率可以较好地反映其高温性能，是通常选用的重要指标[10]。图9中沥青混合料的稳定阶段可视为荷载作用10 000次到35 000次之间，对该阶段不同沥青混合料的车辙变形与荷载作用次数进行线性拟合，得各种沥青混合料试件的蠕变速率，且将该蠕变速率与圆柱形试件国标车辙试验动稳定度进行相关性分析，相关性曲线见图10。根据图10，两指标间存在良好的线形相关性，因此可以认为圆柱形试件车辙试验方法是可行的，该方法能够用于评价沥青混合料的高温抗车辙性能。

图10 圆柱形试件车辙试验动稳定度与MMSL3试验蠕变速率关系Fig.10 Relation graph between cylindrical specimens dynamicstability and creep rate of MMLS3 test

6 圆柱形试件车辙试验可靠性评估

由于板式试件与圆柱形试件尺寸的不同，成型效果必然存在差异，因此需对圆柱形试件车辙试验方法的可靠性进行评估。笔者在分析评价两种试件的空隙率变异性与动稳定度变异性的基础上，评估圆柱形试件车辙试验方法的可靠性。

6.1 圆柱形试件与板式试件空隙率变异性分析

对于不同类型沥青混合料的两种规格试件，每种规格试件的空隙率变异性规律相似。因此，选择上文所述的一种沥青混合料(AC-13-70#基质沥青混合料)成型两种规格试件进行分析，试件空隙率均为4%。利用轮碾成型机制备板式试件，其尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，并将其平均分割成9块，如图11。分别测定每一小块的空隙率，见表4；圆柱形试件采用SGC成型，成型时试件高度预设定为100 mm，然后将试件切割成两个高度均为50 mm的圆柱形试件，分别测定试件空隙率，测定结果见表5。

编号123456789空隙率/%5．485．534．653．954．523．864．885．214．92变异系数17．78

表5 圆柱形试件分块空隙率Table 5 Each block void volume of cylindrical specimen

根据表4，车辙板试件9个不同小块的空隙率相差较大，极差达到1.67。空隙率表现出中间部分低、边缘部分高的现象，整块板式试件不同位置处的空隙率不均匀，这与试件成型装模过程中混合料的离析以及人为操作有关，很难完全避免。而圆柱形试件的空隙率与设计空隙率4%相比波动较小。通过对比表4和表5，可知圆柱形试件的空隙率变异系数明显低于板式试件空隙率变异系数，从而表明圆柱形试件空隙率变异性水平比板式试件低，这在一定程度上保证了圆柱形试件车辙试验方法的可靠性。

6.2 两种规格试件车辙试验动稳定度变异性分析

车辙试验中，试件在重复试验下应具有良好的平行性，以保证车辙试验结果具有较高的重复性，这样试验结果才具有说服力[10]。笔者以动稳定度变异系数来表征结果的可靠性，变异系数越大表明可靠性越差。

试验中，利用SBS改性沥青和基质沥青混合料分别成型不同厚度的圆柱形试件和板式试件，每种试件的平行试验均为3个，在60 ℃条件下分别进行车辙试验。计算动稳定度变异系数，其结果见表6～表7。

表6 AC-20沥青混合料试件动稳定度变异性Table 6 Variability of dynamic stability of AC-20 asphalt mixture specimen

表7 AC-13沥青混合料试件动稳定度变异性Table 7 Variability of dynamic stability of AC-13 asphalt mixture specimen

由表6～表7可知：圆柱形试件平行试验的车辙动稳定度变异性普遍小于板式试件试验的动稳定度变异性，其原因主要是板式试件的空隙率变异性大，空隙率直接影响车辙试验的密实度，而密实度是影响车辙试验结果的一个重要因素，因此产生以上结果。且两种级配的混合料相比，AC-13显著小于AC-20混合料两种规格试件的动稳定度变异性，这说明动稳定度变异性与级配类型也有很大关系。

综上分析，从成型效果和动稳定度变异性水平来看，圆柱形试件优于板式试件，圆柱形试件试验结果的平行性更好，动稳定度指标的离散性更小，这在一定程度上反映出圆柱形试件车辙试验是可行的。

7 结 论

为了分析圆柱形试件用于国标车辙仪评价沥青混合料高温性能试验方法的可行性，笔者将圆柱形试件车辙试验结果分别与国际上普遍采用的衡量沥青混合料高温性能的3种试验方法的结果进行相关性分析，且评价了圆柱形试件车辙试验的可靠度。所得结论如下：

1) 圆柱形试件车辙试验的动稳定度与汉堡车辙深度之间具有良好的指数相关性，其相关系数为0.930 9。两指标的变化趋势相反，即随着国产车辙试验动稳定度的增大，汉堡车辙深度逐渐减小。试验结果表明圆柱形试件国标车辙试验方法是可行的。

2) 圆柱形试件国标车辙试验的动稳定度与APA试验动稳定度之间具有很好的线形相关性，其相关系数达0.986 6，并且这种相关性不受沥青混合料种类变化的影响，表明圆柱形试件国标车辙试验方法是可行的。

3) 圆柱形试件车辙试验的动稳定度与小型加速加载试验蠕变率指标间同样具有良好的线形相关性，相关系数为0.900 3，且小型加速加载试验车辙变形量所反映的沥青混合料抗车辙性能排序与圆柱形试件车辙试验动稳定度所体现的沥青混合料抗车辙性能排序一致，同样表明圆柱形试件国标车辙试验方法是可行的。

4) 圆柱形试件较板式试件车辙试验的可靠度更高，在一定程度上反映出圆柱形试件车辙试验的可行性。

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Feasibility Analysis of Cylindrical Specimen for National StandardRutting Dynamic Stability Test

LI Weiyong1，ZHANG Lei1，YANG Jianhua2，ZHANG Zhengqi2

(1. Shaanxi Provincial Expressway Construction Group Co. Ltd.，Xi’an 710009，Shaanxi，P. R. China;2. Highway School，Chang’an University，Xi’an 710064，Shaanxi，P. R. China)

In order to analyze the feasibility of cylindrical specimens used to evaluate the anti-rutting performance of asphalt mixture，a comparative and contrastive method of indoor experiment was adopted. Firstly，the internationally recognized Hamburg rutting test，APA rutting test and small-scaled acceleration loading test were selected; the cylindrical specimens of 6 different types of asphalt mixtures were experimented respectively; and the correlation between the results obtained from the above three methods and the national standard rutting test results of cylindrical specimen proposed in the text was analyzed. Secondly，the variation of void fraction and dynamic stability of specimen formation of plate specimen and cylindrical specimen used in national standard rutting tester was compared，and the reliability of cylindrical specimen rutting test was discussed. The results show that there is a close correlation among the dynamic stability indexes of the cylindrical specimen national standard rutting test，the rutting depth of Hamburg，the dynamic stability of APA rutting test and the creep rate of small-scaled acceleration loading test. Also，the reliability of the cylindrical specimen for national standard rutting test is higher than that of the slab specimen，which represents that it is feasible for cylindrical specimen applied in national standard rutting tester to evaluate the anti-rutting performance of asphalt mixture.

highway engineering; cylindrical specimen; asphalt mixture; anti-rutting performance; feasibility

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.12.05

2016-09-13；

2016-11-10

国家自然科学基金项目(51008031)；陕西省交通科技项目(2014-01K)

李卫勇(1975—)，男，陕西乾县人，高级工程师，主要从事高速公路的建设与管理工作。E-mail：2294764141@qq.com。

U 416.03

A

1674-0696(2017)12-022-08

朱汉容)