基于车辙试验的沥青混合料车辙评价指标分析*

方 昊 Barugahare Javilla 磨炼同

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

0 引 言

影响沥青路面高温性能的因素包括沥青的性质、级配设计、集料性质等，还包括环境温度、交通荷载、雨水等外部原因[1-6].

目前沥青混合料车辙性能的测试和评价方法主要有经验型测试与力学测试.前者是指试验设备尽量模拟路面实际情况，包括复式轮辙试验、大型环道试验、加速加载试验等；后者则是通过试验获取能够表征车辙性能的力学指标[7].

室内车辙试验是经验型测试方法的一种，其特点在于能够直观地了解混合料的永久变形特性，反映时间和温度变化对沥青混合料永久变形的影响规律，并且与实际路面受力情况和车辆轮胎荷载作用比较相符[8]，因此，这一试验方法被广泛应用于沥青混合料的高温性能评价，并列入规范，同时拥有多种指标评价车辙试验结果，这些评价指标包括[9-11]：①动稳定度(DS)指标，通过测定试验轮作用次数与车辙变形的关系，绘出变形-时间曲线图，就能够计算得出动稳定度值；②变形量指标(RD)，是指在规定的试验时间内产生的变形总量，单位为mm，它是最直观、最简单的车辙评价指标，考虑了试验时间内的所有累积变形，但无法反应出车辙发展趋势；③相对变形率指标，是指在规定作用次数、时间内所产生的车辙变形与试件总厚度的比值；④变形率(S)，车辙发展分为三个阶段，其中第二阶段的车辙变形随荷载次数匀速增加，取这一变形速率；⑤综合稳定指数(CI)，由动稳定度的计算式改进而来，将压实过渡阶段产生的变形考虑了进来.

为了对比分析不同车辙评价指标的准确性和可靠性，文中通过在不同温度和荷载条件下对AC-20沥青混合料进行了室内车辙试验，基于试验结果得到了不同条件下车辙评价指标，包括动稳定度(DS)、变形量(RD)、变形率(S)和综合稳定指数(CI)，通过对比分析了几种指标的准确性及可靠性.

1 原材料和试验方法

采用高速公路中面层常用的AC-20沥青混合料级配，同时为了降低每个车辙试样的差异，对集料进行筛分处理后，按规范级配中值进行了混合料的制备.

混合料所用沥青为SBS改性沥青，基本指标为：针入度，72.6(25 ℃)(0.1 mm)；延度，50 cm(5 ℃)；软化点，76 ℃.所用集料为石灰岩，其基本指标为：表观密度，2.703 g/cm3；洛杉矶磨耗22.1%；压碎值，21.5%；棱角性，17%.混合料的最佳油石比通过马歇尔设计方法确定为4.3%.

为了对比分析不同车辙评价指标，在温度30～70 ℃、应力0.5～0.9 MPa对沥青混合料进行了一系列室内车辙试验.其中选用的轮压应力0.5，0.7和0.9 MPa，分别表示路面轻载、中载和重载的情况，车辙试验的时间为4 h.车辙试样尺寸为300 mm×300 mm×50 mm；每个条件下都进行了至少三次重复试验.

2 结果与分析

2.1 各温度荷载条件下沥青混合料车辙发展

图1为不同温度和荷载条件下沥青混合料的车辙发展曲线.由图1可知，沥青混合料车辙变形随着温度的升高和荷载的增加而增加，在40 ℃以下的较低温度下，增加0.2 MPa的荷载对沥青混合料车辙永久变形的影响比温度上升10 ℃带来的影响要大；而从50 ℃开始，温度上升10 ℃相比荷载增加0.2 MPa产生了更大的永久变形；同时增加温度和荷载的情况下，可以看到车辙深度变化大于单独升高温度或增加荷载的变化；同时可以看到温度为60和70 ℃，荷载为0.9 MPa条件下的变形量指标达到10 mm以上，相比较低温度荷载条件下显著增加，由此可知温度-荷载耦合作用对沥青混合料永久变形的影响在高温以及高荷载条件下更加显著.

图1 不同荷载温度条件下的车辙发展

2.2 各车辙评价指标的获取

表1为不同温度和荷载条件下几种车辙评价指标的具体数值，其中：RD为4 h试验结束后的总的车辙变形；S为车辙发展第二阶段的变形率(即斜率)，DS为以第一个小时45 min和60 min车辙深度计算出的标准动稳定度，DS1为以180 min和240 min的车辙变形基于动稳定度计算公式计算出的非标准动稳定度值；CI为综合稳定指数基于180 min和240 min的车辙深度得到，其计算公式见式(1)，相比于动稳定度的计算公式，分母增加了d1.

(1)

式中：d1，d2为时间t1，t2所对应的竖向变形量，mm；C1为车辙试验机类型修正系数，曲柄连杆驱动试件的变速行走方式取1.0，链驱动试验轮的等速方式则取1.5；C2为试件系数，试件宽为300 mm时取1.0，从路面切割宽为150 mm的试件则取0.8；N为试验轮往返速度，通常设置为42次/min.

表1 不同温度和应力水平下车辙试验各评价指标汇总

2.3 温度和荷载对车辙评价指标的影响研究

图2为0.7 MPa荷载条件下五个车辙评价指标随温度变化的趋势图.由图2可知，标DS出现了随温度升高而变大的现象，这代表随温度升高沥青混合料抗车辙能力增加了，这显然是不符合实际的，同时在其他荷载条件下DS1也出现随温度升高而变大的现象；这是因为动稳定度指标仅仅考虑了压实稳定期的剪切变形速率，忽略了压实过渡期产生的变形，会出现动稳定度大，车辙深度也大的情况；这也说明动稳定度对于沥青混合料高温稳定性的评价存在一定的局限性.而CI在每个荷载下随温度变化的趋势相同，总是随着温度的增加而减小，表明随着温度的增加沥青混合料高温稳定性变弱，更容易产生车辙变形；同时S和RD在每个荷载下都随着温度的增加而增加，在相同的荷载下，较高的温度会产生较大的车辙深度.

图2 荷载 0.7 MPa条件下车辙评价指标随温度的变化

图3为60 ℃温度条件下五个车辙评价指标随荷载变化的趋势图.由图3可知，DS，DS1和CI在同一温度不同荷载条件下趋势相同，总是随着荷载的增加而减小，表明随着荷载的增加沥青混合料高温稳定性变弱，更容易产生车辙变形；同时S和RD规律性较好在同一温度下都随着荷载的增加而增加，表明在相同的温度下，较大的荷载，车辙深度较大.

图3 60 ℃温度条件下车辙评价指标随应力的变化

2.4 不同车辙评价指标的对比分析

为了评价几种车辙评价指标的相关性，分别对DS，DS1，CI，S四大车辙评价指标与RD进行了相关性分析，结果见图4.

图4 不同车辙评价指标同车辙深度的相关关系

由图4可知，标准动稳定度指标、非标准的动稳定度指标和综合稳定指数与车辙深度都呈现出幂函数相关关系，同时都随着车辙深度增加而减小；而变形率与车辙深度呈现出线性相关关系，随着车辙深度增大变形率增大；从相关系数可以看出四种车辙评价指标和车辙深度都有良好的相关性，相关系数均大于90%；其中综合稳定指数和变形率两个车辙评价指标与车辙深度的相关系数大小相当，都在98%左右，大于另外两个动稳定度指标与车辙深度的相关系数，由此说明在室内车辙试验的基础上，综合稳定指数和变形率能够更合理的评价沥青混合料的高温车辙性能.

3 结 论

1) 温度-荷载耦合作用对混合料车辙发展影响较大，特别是在高温以及高荷载条件下其影响更加显著.

2) 动稳定度指标随温度和应力改变存在异常变化，不能够比较全面的评价沥青混合料的车辙性能.

3) 综合稳定指数和变形率两个车辙评价指标与车辙深度的相关性较之动稳定度更好，在室内车辙试验的基础上，综合稳定指数和变形率能够更合理的评价沥青混合料的高温车辙性能.

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