荷载对沥青混合料高温性能的影响研究

何俊辉 赵艳纳

摘要：为全面分析荷载对沥青混合料高温性能的影响，真实模拟运营过程中荷载变化情况，文章通过对高速公路交通量的调查，得出车辙轮胎气压的分布图，确定试验荷载为0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa五个标准，并在标准车辙试验的基础上提出一种变载车辙仪，利用变载车辙试验，以动稳定度、车辙深度、车辙总位移为指标，分析荷载对沥青混合料高温性能的影响规律。试验结果表明：荷载对沥青混合料高温性能影响较大，随着荷载的增大，动稳定度降低，基质沥青和改性沥青的荷载与动稳定度相关系数均达到0.95以上，表明两者具有较好的线性关系，建议用线性模型描述两者关系;随着荷载增加，车辙深度呈增大的趋势，但改性沥青车辙深度增速相比基质沥青较慢，表明改性沥青的承重能力更强;动稳定度和车辙深度具有良好的相关关系，相同混合料可从车辙深度大小推算出混合料动稳定度，可从另一个角度为高温稳定性提供评估指标。

关键词：荷载;沥青混合料;高温性能;车辙

0 引言

随着我国经济的快速发展，道路交通事业也进入飞速发展的阶段。沥青路面因具有表面平整、无接缝、行车舒适、噪音低等优点而被广泛应用于高等级公路中。但沥青混合料是一种典型的温度敏感性材料，其路用性能受温度影响较大，加上交通量增大、超载现象严重、渠化交通等因素的影响，沥青路面在运营早期就会出现裂缝、车辙、坑槽等病害，严重影响路用性能。相关文献表明，车辙是沥青路面亟待解决的早期病害之一[1]。

车辙深度受环境温度、原材料质量、荷载大小以及荷载作用时间等因素的影响[2]，其中车辆荷载是主要因素，国内外道路工作者对其进行了大量研究。Uzarowski，Ludomir[3]代表壳牌石油公司在第一届国际沥青路面结构设计会议中提出通过限制路基顶面垂直压应变来控制路面车辙的产生。Seong-Wan Park[4]提出轮胎载荷和车轴的轮胎的几何布置比总荷载更直接影响路面对车辆的响应，并提出一种在常规柔性路面（CFP）中建立基于车辙性能的载荷极限的方法。Huang Xiaoming等[5]利用有限元程序ABAQUS分析了沥青路面车辙随温度和交通变化的关系，结果表明：在同样的交通和温度环境下，车辙深度与轮胎压力呈线性正相关，但在重载条件下呈非线性。吴浩[6]在不同温度不同应力条件下进行蠕变实验，得出蠕变曲线，并提出一种时间-温度-应力等效计算公式。栗培龙等[7]认为荷载对车辙的影响在高温条件下更显著，提出对标准车辙试验环境“60 ℃、0.7 MPa”进行修正。周岚[8]提出在高温重载条件下，沥青路面更易产生车辙。彭浩等[9]提出随着荷载增加，动稳定度显著减小。贺平等[10]提出荷载和环境温度对沥青混合料的高温稳定性具有明显的影响。张满河[11]等通过高温重载车辙试验，发现粗集料含量较多的沥青混合料，动稳定度较大且3 000次变形量最小，抵抗高温重载能力更强。张敏[1]提出沥青混合料的抗车辙性能随着荷载的增加而降低，荷载对DS影响显著。

通过检索资料发现，现有荷载对沥青混合料高温性能影响研究，多采用标准荷载车辙仪，大约都是0.7 MPa（根据车轮受到的压力和接触面积的比值计算得出的），无法模拟实际路面荷载变化。本文为真实模拟路面荷载变化情况，通过对高速公路交通量的调查，得出车辙轮胎气压的分布图，确定试验荷载为0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa五个标准。对于在现有试验设备的基础上改变车辙碾压轮压强的问题，提出一种荷载变化范围较广的变载车辙仪，以更准确地研究荷载的变化对沥青混合料性能的影响。

1 试验材料及试验方法

1.1 原材料及配合比設计

（1）原材料

本文采用“昆仑”A级70#基质沥青和“昆仑”SBS改性沥青，集料采用宜阳弘源氧化钙石料厂生产的石料。试验检测表明，原材料各指标均能满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的要求。

（2）配合比设计

本文偏重研究混合料的高温性能，以中面层常用的AC-20为基础，进行配合比设计。通过调整各档料的比例，调整合成级配曲线图，使得级配曲线在上、下限之间，并且使得曲线呈“S”型，使矿料中粗集料偏多，提高沥青混合料的高温性能。最终得到级配图如图1所示。

根据图1，试着调整合成级配，得出比较平滑的两个曲线，根据经验确定一个油石比，进行试打级配，再根据马歇尔试验指标，选择一个比较好的级配。

改性沥青油石比确定采用一种级配、五种不同油石比，进行标准的马歇尔试验，测出马歇尔试件毛体积相对密度、稳定度、流值、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度，取目标空隙率为4.6%时对应的油石比4.28%作为OAC1，且OAC1在OACmin～OACmax之间，从而确定OAC=4.34%，即下文沥青混合料的高温性能试验最佳油石比为4.34%。

1.2 变载车辙试验方法

1.2.1 荷载梯度的确定

本次现场交通量调查的地点选在莲易高速公路红旗收费站，采用人工法数固定时间段内通过该收费站的双向混合交通量，采用轮重仪对通过的车辆载重进行现场实测，采用气压表测试之前测试轮重的车辆轮压，其测试结果如表1、图2所示。

根据荷载在路面结构深度分布规律，考虑最不利因素取上面层、中面层荷载范围为0.7～1.3 MPa，下面层荷载范围为0.5～1.1 MPa，为更全面分析荷载对沥青混合料的影响，确定试验荷载为0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa五个标准。

1.2.2 变载车辙试验

为真实模拟运营过程中荷载变化情况，本文采用变载车辙试验，变载车辙仪设计如下：

（1）测碾压轮与车辙板的接触面积。在温度为60 ℃的环境下，在测试平台上放置一个5 cm厚的钢板，上铺一张带有复写纸的方格纸，然后放下荷载轮垂直静压钢板，从方格纸上可测出接触面积S。

（2）测碾压轮与车辙板的压力。在温度为60 ℃的环境下，在测试平台上放置一个2.5 cm厚的钢板，然后在钢板上放置量程为5～180 kg的电子秤，把碾压轮放在上边即可测出压力F。

（3）改变配重的质量。碾压轮对接触面的压力是靠配种自身的重力传递得到的，所以通过改变配重的质量可以实现改变压力。根据测出的接触面积S，通过试算，推出每个压强对应的压力，从而得到所需配重的质量m，换算结果如表2所示。

2 试验结果分析

取AC-20改性沥青、基质沥青两种沥青混合料，分别在0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa五个不同压强下，进行车辙试验，每组取3个平行试样记录45～60 min内车辙位移，计算动稳定度，求其平均值，结果如表3和表4所示。

2.1 荷载与动稳定度的关系

为研究改性沥青、基质沥青两种AC-20车辙板的动稳定度与荷载之间的关系，列出两种沥青混合料随荷载的变化趋势如图3所示。

从整个试验结果可以看出，无论是改性沥青还是基质沥青混合料，在温度条件一定时，动稳定度随着荷载的增加而减小，并且变化幅度比较稳定。本次试验温度是60 ℃，已超过基质沥青的软化点，因此基质沥青混合料弹性模量、蠕变模量等指标较低，轮压从0.7～1.3 MPa变化时，动稳定度变化较大，从2 342（次/mm）下降到539（次/mm），已经不能满足规范的要求。改性沥青在60 ℃的环境下，有较强的弹性模量、蠕变模量，所以在加载的过程中，试验指标变化比较稳定，基本呈线性变化。

以上两个回归公式，相关系数都达到0.95以上，结果表明，沥青混合料的动稳定度与车轮所受的荷载有着很好的相关性，这为以后进行重载车辙研究提供有力的依据。考虑到今后对车辙预估模型的简化，建议用线性模型来描述荷载与动稳定度的关系。

2.2荷载与车辙总位移的关系

由图4、图5可知，随着荷载的增加，车辙深度呈增大的趋势，改性沥青车辙深度增加缓慢，荷载从0.5 MPa增到1.3 MPa时，车辙深度增加不到30%，而基质沥青车辙深度增加明显，荷载从0.5 MPa增到1.3 MPa时，车辙深度从3 mm增到6.4 mm，增幅达100%以上。表明改性沥青承受重载的能力强，增幅逐渐减慢这是因为荷载较大时，易将沥青混合料压密，刚开始变形深度增加很快，之后随着碾压次数的增加，混合料逐渐密实，最后车辙深度变化趋于稳定。

2.3 动稳定度与车辙深度的关系

动稳定度是沥青混合料高温稳定性的主要控制指标，而车辙深度是路面高温病害的主要表现形式。根据动稳定度计算公式可知，动稳定度是由不同时间所对应的车辙深度计算得来的，所以动稳定度与车辙深度必然有着很好的相关关系。

由以上沥青混合料的试验结果可以列出不同荷载下车辙深度与动稳定度之间的关系如图6、图7所示。

从图6、图7可以得出：车辙深度增大时，动稳定度减小，表明相同混合料可从车辙深度大小推算出混合料动稳定度，可将车辙深度作为评价指标对沥青混合料高温稳定性进行评价，提供了从另一个角度评价沥青混合料高温性能的方法。

2.4 荷载对沥青混合料高温性能的影响

通过变载车辙试验，分析荷载与动稳定度、车辙深度等高温性能评价指标的关系，发现动稳定度随着荷载的增加而减小，车辙深度随着荷载的增加呈现增大的趋势，表明荷载对沥青混合料高温性能影响较大。在实际工程中，应注重重载交通条件下沥青路面的高温性能。

3 结语

（1）荷载对沥青混合料高温性能影响较大。沥青混合料的动稳定度与车辙所受的荷载相关系数都达到0.95以上，表明两者有着很好的相关性，这为以后进行重载车辙研究提供有力的依据。考虑到今后对车辙预估模型的简化，建议用线性模型来描述荷载与动稳定度的关系。

（2）随着荷载的增加，车辙深度呈增大的趋势，改性沥青车辙深度增加缓慢，荷载从0.5 MPa增到1.3 MPa时，车辙深度增加不到30%，而基质沥青车辙深度增加明显，表明改性沥青混合料的承重能力更强。

（3）相同混合料可从车辙深度大小推算出混合料动稳定度，可将车辙深度作为评价指标对沥青混合料高温稳定性进行评价，提供了从另一个角度评价沥青混合料高温性能的方法。

参考文献：

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[4]Seong-Wan Park.Load Limits Based on Rutting in Pavement Foundations[J].KSCE Journal of Civil Engineering，2004，8（1）：23-28.

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