梯度温度场下的沥青路面车辙性能分析*

张国付 庞 凌 游梓晗

(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

沥青是一种温敏材料，在众多环境影响因素中，温度成为影响沥青路面性能的主要因素之一[1].沥青老化、重载、水损害等沥青路面常见的损坏形式也与路面温度息息相关.

有关沥青路面在不同温度场条件下的性能研究方法有理论分析法和实验测试法.随着传感技术的发展，测量多点温度的实验方法变得更为经济.实验测试法基本思路是基于实测数据进行回归分析，建立经验方程，在实际应用中可靠性较高，实用性很强，越来越多的研究者在尝试建立经验方程以达到预测沥青路面温度场的目的[2].然而实验测试法在建立经验方程的过程中，对影响温度场的因素选择过于主观，可能会忽略一些重要的影响因素，而考虑那些影响并不明显的因素.再者，经验方程往往达不到量纲统一[3]，所建立的方程式物理意义不明确.

文献[4]针对车辙破坏提出了解决指导，设定了沥青混合料设计的车辙检验标准，但即使是满足规范标准的沥青混合料设计在用于实际路面时也会有不同程度的车辙破坏.本文利用多功能全寿命分析仪模拟沥青路面实际的环境因素，根据当地的环境因素，通过调节仪器温度、紫外强度等参数，来模拟当地实际路面温度场，可行性高，且不受地域限制.在模拟出的梯度温度场下对试件进行车辙性能检测，更符合实际.

1 原材料与试验方法

1.1 试验原材料

1) 沥青采用湖北鄂州生产的SBS改性沥青、AH-90基质沥青.依据文献[5]测得的沥青物理性质见表1～2.

表1 SBS改性沥青性能指标测试结果

2) 集料是沥青混合料中的骨料，集料的组成

表2 AH-90基质沥青常规指标试验结果

成分对沥青混合料的性能有显著影响，其中粒径大于3 mm的石料是成为骨架的重要部分，而粒径在3 mm以下的石料主要起填孔隙作用.本实验中下层和中层选用石灰岩，而上层则选择优质玄武岩以兼顾成本和车辙性能.其基本物理性能根据文献[6].

3) 矿粉选用某公司生产的石灰石矿粉.根据文献[6]对其进行测试，结果见表3.

表3 矿粉物理性能测试结果

1.2 沥青混合料的配比设计

试验采用全厚式沥青混凝土试件，以保证试件的结构与高等级路面完全相同，进而获得具有参考价值的实验数据.全厚式沥青混凝土试件由三层结构组成，分别是8 mm厚度的下面层，6 mm厚度的中面层以及4 mm厚度的上面层.中面层对沥青路面车辙性能的影响远大于另外两层，为了同时保证沥青路面使用过程中的舒适性，沥青路面的抗车辙性能以及铺设路面的成本，可以选择性的降低下面层的性能.故试验选择见表4.

表4 全厚式沥青混凝土试件配置

1.2.1上面层配合比设计和最佳油石比确定

上面层所用的玄武岩的筛分结果和配合比见表5.在确定上层的级配后，选定四个油石比：4.10%，4.40%，4.70%，5.00%作为实验参数.每一种油石比进行四次重复的马歇尔实验，得到的数据取平均值以减少误差，最终确定油石比为4.3%.

1.2.2下面层和中面层的配合比和最佳油石比确定

下面层和中面层所用的石灰岩的筛分结果及其配比见表6.下层和中层的级配确定后确定最佳油石比时选择3.7%，4.0%，4.3%，4.6%.按上述油石比每组进行四次重复的马歇尔实验，最终确定最佳油石比为4.30%.

表5 AC-20的集料筛分结果及其配合比

表6 AC-25的筛分及其配合比

1.3 温度测量点位置的确定

为了反映试件中的温度梯度，必须确定在不同深度位置测量温度以便反映试件所处的温度场.用红外相机拍摄在车辙实验机中保温后的试件表面以确定钻孔位置.红外相片见图1.

图1 试件温度分布图

由图1可知，试件靠近长边两侧分别有两个高温位置而温度随着远离这四个点逐渐降低，最低温度分别可以在试件中央处和试件靠宽边的边缘处.为了能反应轮碾部分的温度状况选取了在四个高温点中的三个点以及这三个点与长边平行的方向的左右距离10 cm的两个点.没有选择到的高温点被用来放置车辙实验机的温度控制热电偶.在三组位置分别钻孔，钻孔深度依次为3，7，14 cm.使用光纤温度传感器在轮碾过程中测量温度.具体方案见图2.图中白色原点位置为钻孔位置，白色斜线位置为车辙实验机温度传感器所处的位置.

图2 试件打钻孔位置图

1.4 试验方法

实际沥青混凝土路面在使用过程中，因为太阳辐射、气流等原因，沥青路面温度从表面到内部不同深度，存在一定的温度梯度[7-8].而室内模拟沥青混凝土在使用过程中发生高温车辙破坏，如汉堡车辙试验、沥青混合料车辙试验等，都是采用电热管加热方式在60 ℃或45 ℃等恒定的温度条件下进行；其它的如室内模拟沥青混凝土老化过程、疲劳和低温开裂破坏也都是保持气温在某一恒定的温度条件下进行.这些模拟实验中，无论是单一的恒定温度场和温度产生的来源，都与实际路面情况不相符，导致模拟试验车辙、裂缝形成以及老化规律与实际情况不相符[9-10].而采用紫外灯及空气温度调节器来控制沥青混凝土试件温度，可使试件处于温度梯度可调节的非恒定温度场下，科学地模拟实际沥青混凝土路面的温度场，在吃温度场下对试件进行车辙性能研究，具体试验参数见表7.

表7 实验参数

2 试验结果与讨论

将各组实验的车辙数据做成轮碾次数和车辙深度的曲线图，并根据曲线图拟合出各组数据的曲线方程，并用方程计算最终车辙深度.各组的拟合曲线方程整理见表8，各组实验的车辙数据拟合曲线统一绘制见图3.

表8 车辙数据拟合曲线方程

图3 车辙深度变化曲线

2.1 温度对车辙的影响

由图3可知，车辙的发展有两个阶段，即压密阶段和稳定增长阶段.在压密阶段发生破坏的速度较快，而稳定增长的过程中破坏速度越来越慢，最后趋近与一个定值.在轮碾次数达到约13 000次时环境条件温度和紫外强度较低的实验组(1-1，2-1，3-1，3-2)达到车辙破坏的最大破坏，而温度达到50 ℃或紫外强度达到70 kW/m2的实验组(2-2，3-3)在轮碾次数达到约22 000次左右时达到车辙破坏的最大值.

第一阶段中，不同温度的车辙破坏程度不同，温度较高的实验组，沥青流动性较好，沥青在压实过程中更易流动到骨架的空隙中，进而产生较大的车辙破坏.在稳定增长阶段中，车辙深度随着轮碾次数的增加而呈现接近线性的增长速度.试件进入第二阶段的先后与试件所处的实验温度和紫外强度有很大的影响，从图中紫外强度均为30 W/m2的2-1，2-2，3-1三个组别的比较中.可以观察得到实验温度较高的组别，进入第二阶段的时间较其他组别明显有延后.

动稳定度是指在车辙形成一定阶段，试件每产生1 mm变形所承受的标准轴轮碾次数.车辙实验中，车辙深度的测定往往有较大的误差，不宜重复实验[11].本试验中取车辙破坏进入稳定阶段的10 000～17 000的车辙变形来计算稳定度.不同温度下，试件的动稳定度见表9.

表9 不同温度下车辙试件的动稳定度

由表9可知，温度对动稳定度的影响很大，当温度从40 ℃升高到45 ℃时动稳定度减小了55.48%，而从40 ℃升高到50 ℃时，动稳定度减小了81.94%.动稳定度随温度的变化较为平稳，

2.2 紫外光对车辙的影响

由图3可知，紫外光强对试件的车辙深度有显著的影响，本次试验中使用紫外光照度仪测量了试件表面的紫外光作为控制紫外光强度的方法.紫外光可以产生温度梯度，温度梯度使得试件上面层的温度要远远高于中下两面层.上面层在高温条件下更易发生车辙破坏.紫外强度更高的情况下第一阶段压密阶段中车辙破坏会迅速的达到一个较严重的程度，随后车辙破坏的速度逐渐降低，直至稳定阶段.紫外强度越高达到稳定阶段的时间越晚.

2.2.1温度梯度

使用紫外灯可以在试件中产生一个有梯度的温度场，每组实验的温度梯度见表10.

由表10可知, 紫外光的照射会在试件中产生明显的梯度温度场，从1-1和3-1的对比中可以得到，30 W/m2的紫外光在试件中产生的温差比没有紫外光的情况下高了8 ℃左右.而在没有紫外光下试件产生温差的原因主要是从模具底部与测试机接触面的的热量流失，而这种热量流失是不可避免的.在温度条件皆为45 ℃的实验组(1-1,3-1,3-2,3-3)的比较中可知,紫外光越强，表面温度受紫外光影响升温越高，为了使试样表面温度一致，环境温度必须保持更低的水平，进而温度梯度也随着紫外光的强度增加而增大，产生较大的温度梯度进而使试件整体的温度偏离控制温度.在紫外条件皆为30 W/m2的实验组(2-1,2-2,3-1)的比较中可知在紫外强度相同时温度更多的是影响试件的整体温度水平，而并不会显著的影响温度梯度的大小.

表10 温度梯度分布情况

2.2.2动稳定度

本实验中以车辙破坏进入稳定阶段的15 000～20 000的车辙形变来计算稳定度.不同紫外强度下，试件的动稳定度见表11.

表11 不同紫外强度下车辙试件的动稳定度

紫外强度对试件的车辙深度有影响，紫外强度从0 W/m2增加到30 W/m2的时候动稳定度减小了70.13%，紫外强度从0 W/m2增加到50 W/m2的时候动稳定度降低了72.85%，紫外强度从0 W/m2增加到70 W/m2的时候动稳定度降低了84.58%.由此可见，紫外光产生梯度温度场确实会对试件的车辙破坏产生巨大的影响，动稳定度随紫外强度的变化呈现突变趋势，即在紫外光强度超过一个限度之后会对车辙破坏有更大的影响，而不同紫外强度对试件车辙性能的影响也符合不同紫外强度在试件中形成梯度温度的梯度大小以及试件所处温度的高低.

3 结 束 语

温度是影响车辙深度的重要因素之一，试验中车辙深度随着温度的提升显著增加，车辙深度的形成速度也随温度的提升显著增加.车辙破坏具有压密阶段和稳定阶段，压密阶段中车辙破坏发生的较快，稳定阶段中车辙破坏随时间增长的速度较慢且近似于直线关系，较高的温度会使车辙破坏进入稳定阶段的时间点延后.紫外光会使试件内产生明显的梯度温度场，紫外强度越高车辙深度越深，车辙破坏的形成速度也会增加.紫外强度越高车辙破坏进入稳定阶段的时间点越晚.紫外光对车辙破坏的影响一方面是由于在试件中产生了温度梯度，也有可能是紫外光对沥青的性能产生了一定影响.

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