论高温下车路结合研究

潘涛　浦鹏　杨杰　李顺良　张吉峰

摘 要：随着中国高速公路网的初步形成，沥青路面的早期病害也变得十分严重，车辙问题已经成为引人注目的普遍性问题。近年来，许多沥青路面都不同程度产生了车辙。可以说车辙是道路破坏的主要形式之一。它除了影响行车舒适性外，还对交通安全有直接影响。由于沥青混合料所固有的粘弹特性、沥青路面高温稳定性、水稳定性因素的多样性、车辙形成的复杂性等，使得永久变形成为一个世界性的难题，防治沥青路面的车辙也成为世界各国公路技术人员的重要研究课题。

关键词：高温；沥青混合材料；车辙试验

中图分类号：TU1 文献标志码：A 文章编号：1673-291X（2014）06-0216-03

车辙是沥青路面特有的主要破坏现象之一。据统计，高速公路的沥青路面由于车辙而进行维修、加铺或翻修面层工程的比例占整个维修工程的一半以上。20世纪70年代美国的调查表明，在州际和主要公路上车辙所致路面损害的40%；20世纪80年代日本的调查表明由于车辙引起的路面损害高达80%。在中国，近几年来高速公路的迅猛发展，在许多省区沥青路面均不同程度出现了大面积的早期车辙破坏。长期以来，已经发展了各种方法来评价沥青混合料的高温性能，主要是以经验性或模拟性的试验为主，其试验结果与实际路面的永久变形相关性不好，不能完全反映沥青混合料高温永久变形过程，因为沥青混合料是一种粘弹性材料，沥青路面第二阶段永久变形主要是由于沥青混合料塑性剪切流动引起的。研究沥青混合料的高温稳定性能主要是针对沥青路面的车辙而言的。为了防止出现车辙，提高混合料的高温抗车辙能力具有重要的意义。针对上述情况，本文通过对沥青混合料车辙的试验分析来研究沥青路面的高温稳定性。

一、国外对车辙实验的研究

早在1962年美国AASHO试验路研究期间，对车辙路段进行了开挖，Hofstra提出的报告认为产生车辙的主要原因是剪切应力，由此结果推荐使用高强度的路面材料。1987年Eisenmann的报告指出，沥青层的组成为5cm+18cm，出现的车辙表现出轮胎下方下沉量（体积）要大于两侧隆起的体积，说明车辙的初期阶段主要是压密造成的。而在此以后，车轮的下沉逐渐与两侧隆起的体积平衡，说明压密已经完成，车辙是由流动产生的。Hofstra还指出沥青路面的变形在路表面最大，越向下越小，这一方面是下部抵抗塑性流动变形能力强，同时也是因为下部的剪切应力小的缘故。根据AASHO试验路测定，车辙量随沥青层厚度的增加而增加，到25cm达到极限，沥青面层再加厚车辙深度不再增加。

此后，沥青路面车辙问题得到相当程度的控制，在1982年召開的第五届CSDAP上，有关车辙预测的新文章很少，只有一些验证性论文，路面工程师们的兴趣已转移。但第五届会议以后，车辙问题又重新提出来，涉及到轮荷载和轮胎压力对路面应力与应变的影响，研究方向为材料特性与制定预测模型，有关的论文、报告十分丰富。从经验到考虑粘弹性的各种方法都有。

在国外，对于重载沥青路面，联邦公路管理局（FHWA）的FreddyL.Robert、Harold vonQuintus和W.RonaldHudson针对行驶重型车辆的公路进行了旨在修建高级路面结构的研究，提出了免养护路面的设计指标和方法：TRRL针对不同底基层和交通量超过8.0万标准轴时所需的密级配沥青碎石上基层厚度，绘出了设计曲线；在第二次世界大战的初期，美国陆军工兵部对机场设计采用了CBR法，来适应飞机荷载，可以看出对重载的探索：澳大利亚公路学会在《路面设计·公路路面结构设计指南》一书中，提出了保证路用性能的设计交通量与有粘结基层（水泥处治稳定集料）的设计表层弯沉值之间的关系；法国大型环道试验进行了不同轴载作用下的车辙研究，并给出了回归公式；Walter.P.Kilareki对重车的影响及超载限值进行了研究，奥地利维也纳技术大学H.Knoflacher研究了卡车超载对道路养护造价的影响。

二、国内对车辙实验的研究

中国公路科技人员对沥青混合料高温特性进行过大量试验研究，取得过许多有价值的研究成果，提出了适合中国国情的沥青混合料高温性能技术指标与标准，使中国沥青路面高温稳定性问题得到了有效的控制，极大地减少了高温车辙的破损现象。

在国内，由于重型车的不断增加，不少机构和学者也对重载交通路面进行了探索。对于重载作用下的沥青路面，山西交通科学研究所的黄勇、虞文景等人针对重载道路的特点，利用几种典型半刚性基层材料的疲劳试验结构，根据疲劳等效原则，并考虑了车辆超载效应，在借鉴国外研究成果的基础上，得出了以层底面拉应力为指标的适应重交通条件和半刚性基层沥青路面特点的车辆轴载换算公式和相应的设计方法。另外，同济大学在中国汽车工业总公司及重型汽车工业总公司的支持下，从汽车设计角度研究了轴重对路面的影响及减轻重型货车对道路的损伤。

综上所述，国内外研究车辙主要集中在机理、级配和改善结合料等方面。尽管国内外许多学者对车辙进行了深入研究，取得了一定的研究成果，但是由于中国幅员辽阔，材料、气候差异较大等原因，在结构设计、材料等方面，围绕沥青路面的车辙是怎样产生的、如何提高沥青路面的抗车辙性能，还没有提出切合实际的技术对策。

因此，有必要针对高速公路高温和重载的实际情况，找出该地区路面车辙的成因。

三、车辙形成的原因

车辙是沥青路面在车辆荷载反复作用下产生竖向永久变形的积累。这种变形主要发生在夏季高温时节，是沥青混合料高温稳定性不足在重交通道路上的反映。

车辙的形成过程可简单分为三个阶段：（1）开始阶段的压密过程；（2）沥青混合料的流动；（3）矿质骨料的重新排列及矿质骨架的破坏。

根据车辙形成机理，可将其分为三大类型：（1）失稳型车辙。这是由于沥青路面结构层在车轮荷载作用下，其内部材料的流动产生横向位移而形成。通常发生在轮迹处，当沥青混合料的高温稳定性不足时，在外力作用下就会产生这种车辙。这种车辙一般都有剪切变形产生的两侧隆起现象，对主要行驶双轮车的路段，车辙断面成w型。（2）结构型车辙。这是由于路面结构在交通荷载作用下产生整体永久变形而形成，这种变形主要是由于路基变形而产生。这种车辙的宽度较大，两侧没有隆起现象，横断面成浅盆状的u字型（凹型）。（3）磨耗型车辙。由于沥青路面结构顶层的材料受车轮磨擦和自然环境因素作用下持续不断损耗而形成。在中国，由于基层基本上是半刚性基层，其强度及板体性好，基层及基层以下的变形极小，除了某些基层施工不良的路段外，磨损型车辙在中国也较少。

四、车辙实验的原理

车辙试验是用负有一定荷载的轮子，在规定的温度下对沥青混合料板状试件在同一轨迹上作一定时间的反复碾压，形成辙槽，以辙槽深度RD和动稳定度DS（每产生1 mm辙槽所需的碾压次数）来评价沥青混合料抗车辙能力的一种试验方法，也有通过一定作用次数产生的形变来评定的。

车辙试验即是通过板块状试件与车轮之间的往复相对运动，使试块在车轮的重复荷载作用下，产生压密、剪切、推移和流动来评价沥青混合料在规定温度下抵抗塑性流动变形的能力。

据此可得到三类指标：

（1）任何一时刻的总变形，即车辙深度。

（2）在变形曲线的直线发展期，通常是取45min、60min的变形D45、D60按下式计算动稳定度DS。

DS=×N×c1×c2

式中：DS——沥青混合料的动稳定度（次/mm）；d1——试验时间为tl的试件变形量（ram）；d2——试验时间为t：时试件变形量（mm）；c1——试验机类型修正系数，曲柄连杆驱动试件的变速行走方式为1.0，链驱动方式试验轮的等速方式为1.5；c2——试件系数，实验室制备的宽300mm的试件为1.0，从路面切割的宽150mm的试件为1.5；N——实验轮往返碾压速度，通常为42次/min。

（3）变形速率RD，它实际上是动稳定度的倒数。

由以上分析可以看出，车辙试验可以很好地反映沥青混合料永久变形随时间变化的过程，比较符合路面的实际受力情况，因此本论文采用车辙试验来研究沥青混合料的高温性能。

试验设备：

本论文采用的车辙试验设备是一种链驱动试验轮方式的车辙试验机，试块固定，试验机车轮行走。

加载轮尺寸：直径200mm、宽50mm

加载轮材料：橡胶轮实心轮胎

轮压：0.7Mpa

碾压速度：42±1次/mm，行走均匀

试验温度；60±1℃

试件尺寸：300mmxl50mmx50mm

试验精度：0.01mm

测试方法：

试验前先对温度控制系统、试验系统以及定时系统进行校准，然后在试验前设定到要求的试验温度、试验荷载、加载速度及试验时间。测試时，首先将高温恒温室升温至设定的温度。然后将试块连模放入恒温室中，当试块温度升至要求的试验温度，且试块内外温度一致时，把试块放在试验机上进行试验。试块的升温、恒温过程，需用温度计进行监测。测试时使车轮行走方向与取样试块行车方向一致，并在开始试验的同时记录试验时间、温度、加荷次数、变形量。到规定时间后停止试验。

五、车辙实验数据分析

1.方差分析。方差分析是R.A.Fister发明的，用于两个及两个以上样本均数差别的显著性检验。方差分析方法在不同领域的各个分析研究中都得到了广泛的应用。从方差入手的研究方法有助于找到事物的内在规律性。受不同因素的影响，研究所得的数据会不同。造成结果差异的原因可分成两类：一类是不可控的随机因素的影响，这是人为很难控制的一类影响因素，称为随机变量；另一类是研究中人为施加的可控因素对结果的影响，称为控制变量。方差分析的基本思想就是：通过分析研究中不同变量的变异对总变异的贡献大小，确定控制变量对研究结果影响力的大小。通过方差分析，分析不同水平的控制变量是否对结果产生了显著影响，如果控制变量的不同水平对结果产生了显著影响，那么它和随机变量共同作用，必然使得结果有显著的变化：如果控制变量的不同水平对结果没有显著的影响；那么结果的变化主要由随机变量起作用，和控制变量关系不大。根据控制变量的个数可以将方差分析分成单因素方差分析和多因素方差分析。单因素方差分析的控制变量只有一个；多因素方差分析的控制变量在两个或两个以上，它的研究目的是要分析多个控制变量的作用、多个控制变量的交互作用以及其他随机变量是否对结果产生了显著影响。

2.协方差分析。协方差分析是将直线回归和方差分析结合应用的一种统计方法。用来消除混杂因素对分析指标的影响。因此协方差分析是将那些很难控制的因素作为协变量，在排除协变量影响的条件下，分析控制变量对观察变量的影响，从而更加准确地对控制因素进行评价。如果忽略这些因素的影响，则有可能得到不正确的结论。为更加准确地研究控制变量不同水平对结果的影响，应该尽量排除其他因素对分析结果的影响。利用协方差分析就可以完成这样的功能。协方差将那些很难控制的随机变量作为协变量，在分析中将其排除，然后再分析控制变量对观察变量的影响从而实现对控制变量效果的准确评价。在本论文中，除了沥青混合料内在的影响因素外，还应考虑超高、纵坡等因素对车辙深度的影响。

3.相关分析。相关分析是研究变量间密切程度的一种常用的统计方法，通常用相关系数r来表征变量之间的相关程度|r|越接近1，则两者的相关程度越高。

六、结论

本文通过对车辙试验的原理、实验方法、实验数据分析的阐释，详尽地解释了高温下沥青路面车辙实验的研究方法，为高性能沥青的研究发展提展示了一种科学的方法。

参考文献：

[1] 刘国锋.广韶沥青路面高温车辙及其影响因素分析[D].长沙：长沙理工大学硕士学位论文，2006.

[2] 乔英娟.沥青混合料位移场测定与流动性车辙分析[D].大连：大连理工大学博士学位论文，2007.

[3] 王辉.广东地区极端气候条件对沥青路面的影响及应对措施[D].广州：华南理工大学硕士学位论文，2012.

[4] 陈凯.中国车辙实验与汉堡车辙实验对比研究[D].西安：长安大学硕士学位论文，2008.

Under the High Temperature of Asphalt Pavement Rutting Test

PAN Tao，PU Peng，YANG Jie，LI Shun-liang，ZHANG Ji-feng

（Kunming University，Department of Civil Engineering and Management，Kunming 650214，China）

Abstract：Along with our country highway system preliminary formation，also become very serious early disease，the universality of rut problem has become a conspicuous problem.In recent years，many different extent of asphalt pavement rutting.Rutting is one of the main form of damages to the road，so to speak.It besides affecting driving comfort，also directly affect on traffic safety.Due to the inherent in the viscoelastic characteristics of asphalt mixture，high temperature stability，water stability of asphalt pavement of diversity and complexity of rut formation，etc.，makes the permanent deformation become a worldwide problem，prevention and control of the asphalt surface rutting world highway technical personnel have become the important research subject.

Key words：high temperature ；asphalt mixture material ；rutting test

[責任编辑 吴 迪]