高速公路路面抗车辙性能分析

余辉耀

（1.岳阳市公路桥梁基建总公司，湖南岳阳414000；2.岳阳县岳路供水有限公司，湖南岳阳414000）

1 引言

车辙现象是高速公路的主要病害形式之一，它是指路面性能不佳时，高载量的机动车经过会引起车轮外缘轮迹路面的部分凹陷或隆起，是一种永久形变性质的路面损坏。出现车辙现象的路面，若机动车不减速行驶，很容易因跳车现象导致交通事故发生，若是高速路段出现车辙问题，将会给城市交通带来极大的隐患。因此，深入探究路面的抗车辙性能，是具有现实意义的。

2 影响路面抗车辙性能的主要因素

2.1 路面内因问题

若是路面密实度达不到设计要求，当车辆荷载经过时，很容易使这种路面结构稳定性被破坏，引起局部荷载失衡产生车辙[1]。另一方面沥青材料与集料本身的质量问题，也会使路面抗车辙性能受到影响。

2.2 外部环境原因

沥青材料是一种流动性较差的液体，高速公路面层的稳定性与沥青材料的黏度有着密切关联。正常情况下，它能与集料很好地结合为一个具有抗蠕变性的整体结构。但在夏季高温环境下，高速公路的温度急剧升高，导致沥青黏度急剧下降，在受到荷载作用时，很容易使沥青横向流动，从而使路面产生永久剪切形变。除了环境诱因以外，渠化交通也是路面抗车辙性能下降的主要原因，路面反复被车轮碾压的部位长期受到荷载作用，尤其是一些上坡路段，由于行车速度较慢，车辆静荷载作用面积较大，会催化车辙现象形成[2]。

3 抗车辙性能研究思路

首先，用动稳定度DS 表征法，将沥青面层以5 cm 为单位，分为上下两个薄层，在分析过程中，将各个薄层受到碾压的塑性形变分别求出，而后再将各个薄层的形变量结果叠加在一起，求出沥青路面的车辙形变。沥青混合料是一种带有黏性弹塑性质的材料，在路面荷载状态下，车辙深度只与沥青面层的应力状态、沥青层的塑性应变与荷载特性有关。而沥青面层的塑性应变与荷载特性等方面的差异，又是来自路面温度、混合料压实度、结构层变形累积以及沥青混合料的材料特性差异。因此，通过DS 表征法，能够清楚直观地反映出高速公路路面抗车辙性能与混合料及材料组合方式的关系[3]。

试验选用了不同沥青混合料类型的组合方式，选出14 中排列组合。为了能够真实模拟高速公路路面的荷载情况，试验中将每组试样在上下分层的基础上，底层加设5 cm 密实度为98%的夯实砂层作为路基结构，4 组独立试样的材料截面尺寸均为30 cm×30 cm。为了强化粘连效果，在每组模拟路面试样的分层界面撒布一层沥青。

在动稳定度试验的基础上，同步记录试样路面温度与最大形变量的变化，而后用灰关联度排序法，来分析比较试验中各个变量对抗车辙性能的影响程度。

4 车辙试验轮行进操作

车辙试验严格按照JTG E20—2011《公路沥青及沥青混合料试验规程》中的相关标准进行。首先，将保温箱内的路面试样连同磨具一同放置在车辙试验机的试验台上，调整车辙试验轮起始位置位于沥青混合料试样的中心位置，且必须确保车辙试验轮与试样的末次碾压方向为同向。确保试样与试验台接触良好，校准车辙试验轮位置准确后，启动车辙试验机，并驱动车辙试验轮向前推进与后撤，在试验碾压时，必须要确保试验轮全过程都与试样存在有效接触面积，车辙试验轮往复行走时长不得小于1 h[5]。在试验开始前，还要在试件未受试验轮碾压的部位埋入安装一个热电藕温度计，开始碾压实验时，分别记录路面试样的温度变化曲线以及荷载形变量变化曲线。

5 动稳定度DS 的计算方法

在得出各组不同的沥青混合料路面试样经过1 h 试验轮碾压的温度与形变变化曲线后，按照式（1）方法求出不同试样的动稳定度DS 的值：

式中，T为试验轮碾压时间全长，即60 min；t为试验轮碾压45 min 时长；D为试验轮碾压结束后仪器记录的上下两层塑性形变量总和；d为在碾压第45 min 时刻对应的路面试样塑性形变量总和；C与c为试验修正系数。其中，C为试验机修正系数，根据试验轮的驱动模拟方式不同选择对应的取值，其中曲轴连杆驱动的变速行走试验轮取值为1.0，链式传导驱动的等速代替试验轮取值为1.5；c为试样修正系数，本文所用的30 cm×30 cm 实验室标准制样取值1.0，沥青路面切割面宽为150 mm 的试样取值为0.8；N为试验轮的行进碾压频率，次/min。计算得出动稳定度DS 单位为次/mm。

6 灰关联分析法

除了物理力学试验以外，本文还采用了灰关联法对各个试验系统进行分析，首先找出能够反映系统特征的几组参考变量数列，如AC-13 与AC-20 的材料差异，上下面层混合料的结构差异、集料级配的差异等。而后对上述比较数列的差异性进行无量纲化处理，求出各个差异值之间的灰色关联系数xi。灰关联程度，就是指不同试样温度与形变曲线在几何图形上的变化程度，以曲线离散或靠拢的关系，来作为衡量灰色关联程度的基本依据。其中灰色关联系数xi通过式（2）求出：

式中，Δ 为两组数列之间的第二极差，若为最小差时，记作Δ（min），若为最大差时，记作Δ（max）；P为分辨修正系数，通常取值为0.5；Δoi为温度与形变量曲线变化图上某一参考点对应的曲线变化绝对差值；k为差异数列的系数。求出灰色关联系数后，再将这个结果代入关联度r的计算公式中：

关联度r的值与1 的差值越小，则说明对应的两组差异数列之间的关联性越高。最后对试验试样的几组变量控制对应的差异数列按照关联度大小的次序进行排序描述，就能够判别出各种不同因素对路面抗车辙性能的影响程度大小了[6]。

7 抗高温稳定性能与抗车辙性能之间的关系

通过以往的经验以及大量试验数据，可以基本得出影响高速公路面层高温稳定性的主要因素有如下：沥青拌和料、集料级配、混合料性能和集料性能。而沥青的高温稳定性可以用沥青材料的针入度来表示，鉴于沥青材料黏度受温度升高而降低的特性影响，本文考虑将针入度作为沥青拌和料质量的主要影响因素之一。所以说沥青材料的抗高温性能，也是会影响路面抗车辙性能的主要参数，因此，在灰关联分析法中，必须要将沥青材料受碾压后，温度随时间变化的曲线情况列入差异数列中。而通常情况下，沥青材料的抗高温性能往往与集料之间的间隙有关，也就是集料颗粒的直径越大，理论上的抗高温稳定性能就越强。那么顺着这个逻辑思路，通过集料的曲率系数与不均匀系数，就可以侧面表征出沥青材料的抗高温稳定性能。其中曲率系数CC的计算公式如式（4）：

式中，d60为集料颗粒质量通过率为60%的颗粒直径；d10为集料颗粒质量通过率为10%的颗粒直径。而不均匀系数Cu则是用来表示集料之间不同粒径的颗粒分布情况的数值，它的计算公式为如式（5）：

理论上来讲，上述两个值越大，则说明沥青材料的抗高温稳定性能越好。

8 结果分析

8.1 高速公路路面抗车辙性能与沥青材料之间的关系

试验发现AC-13 沥青材料的最大形变量远高于AC-20，动稳定度DS 值却大于AC-20。在灰关联度中，集料粒径对抗车辙性能的影响程度最大，说明沥青混合材料的粒径越大，路面获得的抗车辙性能就越强。这说明了动稳定度DS 值只能够反映稳定形变后沥青材料荷载的形变速率，也就是试验试样在45～60 min 以内的形变情况。

其次，对路面抗车辙性能影响较大的因素是沥青材料的黏度，按照抗车辙性能从优到劣排列顺序为：改性沥青、高黏沥青、基质沥青。AC-13 与AC-20 的试验结果均表明了此规律，这足以说明了改性沥青在材料质量上的优越性。

8.2 高速公路路面抗车辙性能与路面面层的关系

从灰关联分析度排序中发现，路面上层的沥青混合料质量关联度，明显高于下层面层，其中上面层的灰关联度r 值约是下面层的7.8 倍。所以为了提高沥青混合料路面的稳定结构，应当着重考虑路面面层的沥青混合料性能。即下层应当选用AC-20 这种矿物集料颗粒直径较大的沥青材料，而上层选用集料粒径较小的AC-16 沥青混合物，这样路面才会获得较好的抗车辙性能。

但从上下面层之间的最大形变量发生的时间来看，14 个试样均在路面下5～7 cm 处出现了荷载剪切应力集中的问题。在沥青路面产生车辙开始，上层面层对抗车辙性能的影响将会越来越小，而下层面层对抗车辙性能的影响将会越来越大，当达到路面最大形变量的时候，上层面层的灰关联度r值将会下降为下层面层的1.6 倍左右。此外，与10 号试样在动稳定度DS 相近的6 号试样，上层路面采用2 改性沥青，沥青饱和度为78.1%，下层路面采用1 基质沥青，饱和度为67.2%，在最大形变量上远大于10 号试样。所以对于长期荷载的路面来说，下层路面的沥青材料质量也比较重要，下层路面的沥青材料将会影响路面车辙的最大形变量，也就是车辙深度。

9 结语

综上所述，以动稳定度DS 表征法和最大形变量结果评价的路面抗车辙性能会存在较大出入。首先，是沥青混合料本身的质量对沥青抗车辙性能影响最大，AC-16 在45 min 形变稳定后，继续形变的速率远低于AC-20。其次，是沥青路面集料的粒径会影响路面的车辙深度，粒径小的沥青材料能够产生的形变量远大于粒径大的沥青材料。再次，是沥青材料的黏度会影响沥青材料的动稳定度，改性沥青的抗车辙性能远高于基质沥青。最后，是上半层路面对抗车辙性能的影响要大于下半层面层，但从车辙形变发生开始，下半层面层对抗车辙性能的影响会逐渐升高。所以理想状态下，高速公路道路想要获得最好的稳定性能，可以在路面上半层选用2 改性沥青材料的AC-16 沥青混合料，下半层选用高黏沥青材料的AC-20 沥青混合料。