基于正交实验评价多因素对组合车辙试件的影响*

曾金煌 胡锦轩 刘全涛 聂 帅

(1.广东省南粵交通揭惠高速公路管理中心 揭阳 515325；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

车辙是指路面在车辆荷载长期反复作用后，在车辆集中通过位置所产生的永久变形的累积[1-2]。车辙作为沥青路面的主要破坏形式之一，一直以来备受关注，因为它不仅严重地影响了路面的平整度和服务质量，对行车安全也有很大影响[3]。车辙的形成除了与材料自身性能有关，与荷载、环境条件也存在密切关联[4-5]。

为模拟路面车辙的产生情况，实验室通常采用一个小型车轮在试件上进行往复行走试验[6]。通过测定车轮作用次数与板块试件变形的关系，得出变形速率RD或动稳定度DS，作为评价试件抗永久变形性能的指标[7]。车辙试验所采用的变量为温度、荷载以及水损害3个因素，但是对于这3个变量对变形速率RD的影响规律还有待研究。

正交实验在研究多水平、多因素的设计方法中，因其具备高效、经济解决问题的特点一直备受青睐[8-9]。在车辙影响因素的研究中，引入正交实验设计方法，可解决单因素实验研究中，有效地区别各个因素之间的互相影响，能正确指导多因素对车辙的耦合作用分析。

目前关于试件厚度对车辙的影响结果尚存在争议。有观点认为厚度越大，车辙越严重，对此也有学者存在不同看法，认为厚度过薄可能变形更大[10-12]。本文为排除厚度对车辙的影响，按照实际路面采用全厚式组合车辙试件，上、中、下3层高度分别为4,6,8 cm，试件长度为1 m，宽度0.5 m，可真实模拟实际路面情况，对碾压1 h和5 h后的车辙深度在不同温度、荷载以及水损害下进行了研究。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

沥青为70号基质沥青及SBS改性沥青，集料分别为石灰岩和玄武岩。试件上面层级配为AC-13，由SBS改性沥青与玄武岩成型，中面层级配为AC-20，下面层继配为石灰岩成型，由70号基质沥青和玄武岩成型。

1.2 正交实验设计

正交实验表如表1所示。

表1 沥青混合料车辙实验正交表

其中，水损害采用了向试样表面喷水的形式，以模拟降雨时的场景，喷淋速率分别为0，2，4 mm/h。实验中每组试件施加荷载次数为2 500次和12 000次，施加时间分别为1 h和5 h。实验所用仪器为自主研发的多功能路面材料全寿命分析仪，可实现可靠模拟温度、降雨、荷载、紫外线等环境因素。评价指标车辙深度RD为碾压后的试件变形量，计算方法见式(1)。

RD=Dn

(1)

式中：RD为车辙深度，mm；Dn为碾压n小时后试件变形量，mm。

2 结果与分析

2.1 多因素对1 h后车辙深度的影响

各因素对1 h车辙深度影响见图1～图3。

图1 单因素对1 h车辙深度的影响

由图1可见，随着温度增加，车辙深度呈明显增加趋势，并且在较低温度区间(40～50 ℃)时增加更明显，在较高温度区间(50～60 ℃)时增加幅度变缓。随着荷载增大，碾压后车辙深度增加。说明荷载对车辙具有明显促进作用。在有水存在时，车辙深度有所增加，说明水损害对车辙有一定影响。

正交实验方差分析见表2。

表2 碾压1 h后车辙深度方差分析

由表2可见，根据文中所选取因素的水平，温度、荷载和水对车辙深度的影响力为：温度>荷载>水，即温度对车辙深度有显著影响，荷载对车辙深度有影响，水对车辙深度影响不显著。

2.2 多因素对5 h车辙深度的影响

各因素对5 h车辙深度的影响见图2。

图2 各因素对5 h车辙深度的影响

由图2可见，对于碾压5 h后的车辙深度，温度区间对其促进作用大致相同，温度每上升1 ℃，车辙深度大约增加0.08 mm。荷载对于碾压5 h后的车辙深度的影响与其增量呈线性关系，荷载每上升0.1 MPa，车辙深度增加0.4 mm。温度以及荷载对于车辙深度的影响，线性相关性较1 h更好，这可能是由于随着碾压时间延长，这2个因素对实验的误差作用变小。碾压5 h后的车辙深度随喷淋速率增加的规律与1 h相似，表明水的喷淋速率对车辙深度有确切的促进作用。

碾压5 h后的车辙深度方差分析见表3。

表3 碾压5 h后车辙深度方差分析

由表3可见，对于碾压5 h后的车辙深度，温度及荷载对其均有显著影响，而水对车辙深度的影响不显著。3因素对碾压5 h后车辙深度的影响程度为：荷载>温度>水。相比1 h的结果，碾压5 h后，温度的影响有所下降，而荷载与水的作用有所增强。这可能是由于在长时间碾压后，荷载在后期的永久变形作用中发挥作用更大，而随着降水时间的延长，动水应力的作用也开始显露，导致水的影响加强。

3 结论

1) 对于碾压1 h后的车辙深度，温度对其有显著影响，荷载对其有影响，水对其影响不显著。

2) 对于碾压5 h后的车辙深度，温度及荷载对其有显著影响，水对其影响不显著。

3) 多因素对于不同碾压时间的车辙深度的影响大致相同，正交实验在车辙深度多因素影响研究中切实可行。

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