沥青混凝土室内车辙试验及评价指标对比研究

周栋，周志刚，刘靖宇

(长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410004)

车辙是沥青路面服役周期内的主要病害形式之一[1-3]。室内车辙试验通过车轮在试件上往复运动，模拟车辆轮胎对沥青路面的作用，从而实现对车辙试件抗车辙能力的试验评价。因操作简便、周期短和费用低，室内车辙试验在国内外科学研究及工程实践中广泛应用，并有多种车辙试验机及其测试方法，包括我国现行规范标准的车辙试验[4-5]、汉堡车辙(HWTD)[6]和沥青路面分析仪(APA)[7]等。标准车辙试验在我国应用时间最长、范围最广，国内对标准车辙试验设备及方法的研究较深入。关宏信等[8-9]在标准车辙试验仪的基础上进行改进，开发了能够对沥青路面结构车辙进行试验的全厚度车辙试验。黄卫东等[10]为模拟高温多雨试验条件下TB沥青的抗车辙性能，采用HWTD对其试验曲线及指标进行了分析。周健民等[11-12]参照APA车辙试验的试件固定方法，将圆柱形试件放入方形模具中，使标准车辙仪对路面芯样也能进行车辙试验，研究同样试件形状对车辙试验结果影响不大。这些研究对我国现行标准车辙试验做出改进，是对我国沥青路面车辙试验方法及评价体系的有益补充。栗培龙等[13-14]研究了汉堡车辙试验方法，结果同样表明，圆柱体试件与方形试件车辙试验结果具有较好的相关性；总结和探讨了HWTD相关试验条件、试件尺寸、车辙深度模型等问题的现状和存在的问题，展望了进一步研究方向。TSAI等[6]结合有限元方法深入分析了AAS‐HTO汉堡车辙试验方法的合理性。APA车辙试验在我国的应用相对较少，李闯民等[15]采用APA车辙试验对沥青混合料进行了浸水车辙试验，并推荐了AC-5沥青混合料体积参数设计。王慧等[7]同样研究了试件形状和空隙率对APA车辙的影响，结果表明APA梁形试件与圆柱体试件力学响应基本一致，并推荐车辙采用空隙率为4%的圆柱体试件。这些研究对HWTD和APA试验方法进行了试验和分析，充分论证了HWTD和APA在我国的适用性，为这些试验方法在我国的推广应用做出了贡献，但相关试验对比研究的全面性还不够，也没有体现几种车辙试验方法对沥青混合料抗车辙性能评价的准确性。为此，研究设计沥青类型、公称最大粒径和混合料级配类型作为影响因素，通过国内标准车辙、德国汉堡车辙(HWTD)及美国沥青路面分析仪(APA)分别评价了10种沥青混合料的高温性能，并在试验结果的基础上展开对比研究。

1 室内车辙试验方法

采用标准车辙、HWTD和APA进行车辙试验对比研究，3种试验方法对比见表1，试验温度均为60℃。参考已有研究成果[7,12]，板式试件与圆柱体试件在试验中具有良好线性相关性，因此HWTD与APA采用圆柱体试件。

结合表1可知，标准车辙、HWTD和APA车辙试验方法差异如下。

表1 轮辙试验方法对比Table 1 Comparison of rutting testmethods

1)加载次数和时长不同：标准车辙试验时长最短，加载次数不到2 500次，时间约为1 h；HWTD耗时最长，需加载2万次，时间约为7 h。

2)加载方式不同：APA车辙试验将钢轮往复作用于充气软管上(气压0.69 MPa)，标准车辙和HWTD直接将钢轮作用于试件表面。

3)评价指标不同：除最大车辙深度外，标准车辙、HWTD和APA还有其他不同评价指标，如标准车辙动稳定度(Dynam ic Stability,DS)、汉堡车辙蠕变斜率(Creep Slope,CS)和APA试验车辙深度变化速率(Rate of Rutting,RR)。

2 材料组成及试验方案

试验采用秦皇岛30号、70号和SBS改性沥青，并以70号沥青为基质沥青加入改性剂，制备得到掺加22%废胎胶粉的橡胶沥青(AR)、掺加0.8%RA抗车辙剂的抗车辙沥青(RA)，沥青实测技术指标见表2所示。粗集料采用辉绿岩，细集料和矿粉采用石灰岩，粗、细集料性能指标分别见表3和表4所示。

表2 沥青主要技术指标Table 2 Main technicalspecificationsof bitumen

表3 粗集料性能指标Table 3 Technicalspecificationsof coarse aggregate

表4 细集料性能指标Table 4 Technicalspecificationsof fine aggregate

沥青混合料采用中下面层常用的AC20和AC25级配，上面层常用的AC13，SAC13，SMA13和PAC13(大空隙开级配沥青混合料)沥青混合料进行级配设计。AC20，AC25和AC13级配接近规范推荐的级配曲线中值，SAC13是4.75筛孔通过率比AC13低5%的粗级配沥青混合料，SMA掺0.3%木质素纤维，PAC13是大空隙开级配沥青混合料，不同类型沥青混合料的油石比、改性剂掺量和级配设计均按最佳配比设计，各混合料级配和油石比、密度分别见表5和表6所示。

表5 混合料级配通过率Table 5 Pass rate of aggregate gradation

表6 混合料油石比及密度Table 6 Oilstone ratio and density ofm ixture

采用AC13-SBS，SAC13-SBS，SMA13-SBA，PAC13-SBS，AC25-SBS，AC20-SBS，AC20-30，AC20-70，AC20-AR和AC20-RA共10种沥青混合料，设计不同沥青类型、不同公称最大粒径、不同级配等因素影响下的车辙对比试验，以研究3种车辙试验方法对不同沥青混合料评价结果的差异。

3 结果分析与讨论

3.1 最大车辙深度

3.1.1 时程曲线对比

以最大车辙深度为评价指标，研究在不同沥青类型、公称最大粒径和级配类型等因素影响下，3种车辙试验方法的评价结果差异，分别见图1～3所示。

由图1～3可知，3种车辙试验方法对不同沥青类型混合料车辙性能评价结果一致，按最大车辙深度从低到高排序依次为：SBS＜RA＜AR＜30号＜70号；3种车辙试验方法对不同级配类型混合料抗车辙性能的评价结果一致，按最大车辙深度从低到高排序依次为：SMA13＜PAC13＜SAC13＜AC13。表明3种车辙试验方法均能较好地区分不同沥青类型和级配类型沥青混合料的抗车辙性能优劣。

图1 不同沥青类型对比Fig.1 Comparison of differentasphalt types

图3 不同级配类型对比Fig.3 Comparison of differentgradation types

由图2可知，标准车辙试验AC25沥青混合料车辙深度最小，HWTD和APA试验AC25沥青混合料车辙深度最大。产生该差异的原因可能是试件成型方式的不同，标准车辙采用轮碾压实方式，AC25级配集料粒径更粗，更易于形成骨架结构，产生的车辙深度最小；APA和HWTD采用旋转压实成型方式，AC25级配集料粒径较粗不易形成密实结构，产生的车辙深度最大；导致标准车辙试验与APA和HWTD试验对不同公称最大粒径混合料车辙深度的评价结果出现差异。

图2 不同公称最大粒径对比Fig.2 Comparison of differentnom inalmaximum particle sizes

综上，3种车辙方法均能较好地区分不同沥青和级配类型混合料的高低温性能，但对不同公称最大粒径混合料高低温性能评价存在差异。

3.1.2 敏感性分析

基于车辙试验结果，采用方差分析法分析各试验方法最大车辙深度指标对不同沥青类型、不同级配类型和不同公称最大粒径等因素的影响是否显著，共150组试验数据，对比结果见表7所示。

表7结果进一步验证了3.1.1小节所述3种车辙试验方法差异性。标准车辙试验对不同公称最大粒径混合料的敏感程度较低，P值远大于APA试验和HWTD试验，表明标准车辙试验不能较好地区分改性沥青类型和沥青混合料级配类型；APA和HWTD车辙试验P值均小于0.05，表明2种车辙试验方法均能较好地区分不同沥青类型、不同级配类型和公称最大粒径沥青混合料高低温性能。

表7 不同因素P值对比Table 7 Comparison of P value from different factors

3.2 不同指标对比

3.2.1 CS，DS和RR指标对比

分析可知，蠕变斜率CS和车辙变形速率RR为某段车辙时程曲线的斜率，动稳定度DS一般为45～60m in车辙时程曲线的反斜率(暂不考虑修正系数)。为便于对比，分别计算3种车辙试验结果对应的CS，RR1，RR2和1/DS指标值，分析不同指标结果随沥青混合料类型的变化趋势差异，结果见图4所示。

图4 不同指标随混合料类型变化规律Fig.4 Variation law of different indexesw ithm ixture type

根据图4可知，1/DS，CS，RR1和RR24种指标结果随沥青混合料类型变化规律接近，表明4种指标均能对不同类型沥青混合料抗车辙性能进行定性评价，但AC13-SBS沥青混合料的1/DS指标结果与其他指标结果存在较大差异：采用1/DS指标时，AC13-SBS沥青混合料的抗车辙性能最差，而采用CS和RR指标时，AC13-SBS沥青混合料的抗车辙性能在10种沥青混合料中处于中等水平。产生该差异的原因可能是AC13-SBS混合料细集料较多，第1阶段的变形受混合料密实程度的影响较大，导致1/DS指标与RR和CS指标出现较大差异。

3.2.2 相关性分析

基于上述分析，为减小第1阶段变形对车辙试验结果的影响，采用最大车辙深度指标进行分析，分别对比不同沥青混合料3种车辙试验CS与DS，CS与RR1指标相关性及最大车辙深度指标相关性，结果分别如图5和图6所示。

图5 CS，DS与RR1结果相关性Fig.5 Correlation of CS，DSand RR1

根据图5和图6可知，标准车辙试验DS指标与HWTD试验CS指标相关性仅0.22，采用最大车辙深度作为评价指标时相关性系数约为0.65，比动稳定度提高0.43。表明标准车辙试验采用最大车辙深度作为评价指标时，试验结果与HWTD和APA相关性显著提高，比DS指标相关性提高了0.43。

图6 最大车辙深度结果相关性Fig.6 Correlation ofmaximum rutting depth results

HWTD和APA车辙试验最大车辙深度指标和CS，RR1指标相关性系数均超过了0.90，表明2种试验方法及其评价指标均存在较好的相关性。

3.2.3 RR与CS指标对比

假设某次轮辙试验时程曲线如图7所示，n1为该曲线第2车辙变形阶段的起点，n2和n3分别为曲线加载次数的中点和终点，hi为ni次加载对应的车辙深度(i=1，2，3)。则RR和CS计算公式分别如式(1)和式(2)所示。

图7 某次轮辙试验时程曲线Fig.7 A rut testcurve of time-history

其中，RR1和RR2分别是0～n2次和n2～n3次加载对应的RR值(对于APA试验，n2=4 000，n3=8 000)，可知RR和CS都是关于车辙深度和加载次数比值的一次函数。

以AC20 5种沥青混合料的HWTD试验车辙时程曲线为例(其他混合料规律类似)，分别计算其RR1，RR2和CS值，得到结果如图8所示。

图8表明，RR指标同样适用于HWTD试验，且其评价结果与CS指标具有较好相关性。考虑到：1)APA试验时长更短，仅为HWTD试验时长的42.9%；2)RR指标分别取第50次、10 000次和20 000次加载对应车辙曲线进行计算，数据后处理比HWTD试验更简便，因此推荐采用RR作为评价指标。

图8 RR和CS散点图Fig.8 Scatter diagram of RR and CS

4 结论

1)3种车辙试验方法及其指标均能定性评价不同沥青和级配类型的沥青混合料高温性能，但标准车辙试验对不同公称粒径沥青混合料高温性能评价结果与HWTD和APA试验结果的差异性较大。

2)标准车辙试验加载次数最少，分别为APA和HWTD试验的31.3%和12.5%，其动稳定度指标与HWTD试验蠕变斜率指标相关性仅0.22；当采用最大车辙深度作为评价指标时相关性系数约为0.65，比动稳定度提高0.43，建议增加最大车辙深度指标作为标准车辙辅助评价指标。

3)HWTD和APA车辙试验最大车辙深度及蠕变斜率、车辙变形速率等指标均具有较好的相关性，且APA试验的车辙变形速率指标也适用于HWTD试验，考虑到试验时长和数据处理简便性，在2种车辙试验方法中更推荐APA试验及其车辙变形速率指标。