沥青路面抗车辙性能的改善措施及评价方法

肖桂清 曹立松

(天津市市政工程设计研究院，天津 300457)

沥青路面抗车辙性能的改善措施及评价方法

肖桂清 曹立松

(天津市市政工程设计研究院，天津 300457)

通过对沥青混合料与沥青路面结构的抗车辙性能的研究，提出了改善沥青路面抗车辙性能的措施，并介绍了评估沥青路面抗车辙性能的方法，同时针对沥青路面抗车辙性能评价方法的不足，总结出了科学有效的改进方式，以供参考借鉴。

沥青路面，混合料，路面结构，车辙试验

随着我国经济的快速发展，道路上重载、超载现象愈加严重，一些处在重要运输通道的高等级道路更为严重。而高等级道路绝大部分为沥青路面，致使其出现严重的车辙损坏，且运行初期出现的早期车辙问题大有愈演愈烈的趋势。相当多的沥青路面在运行前几年内，甚至几个月就出现了程度不一的车辙损害，导致了严重的经济浪费。车辙的出现很明显地降低了车辆行驶的舒适及安全性，影响了道路的使用感受，减短了道路的使用周期。因此，降低沥青路面的车辙损坏是个刻不容缓的研究课题。一直以来，全世界范围内每年都有许多道路工作者将科研经费用于沥青道路车辙问题调查研究［1］。大量研究结果表明提高沥青混合料的高温稳定性能，可以有效地预防沥青路面车辙的产生。沥青道路的车辙病害一般从路面材料与路面结构两个方面来缓解，而世界各国对路面车辙的研究，大多偏向于材料方面，对结构因素的研究较少，甚至处于淡化状态［2］。但有研究表明，路面结构因素对于提高沥青路面结构的抗车辙性能具有很大作用，必须加以重视，总结出具有较好抗车辙性能的沥青路面结构组合。在沥青路面工程中，有了较好的路面材料和结构，还需要科学合理的评价方法来评估不同材料及结构组合的抗车辙性能，才能准确比较各自的抗车辙性能。所以评价沥青路面抗车辙性能的方法也是一个重要的研究方向。沥青路面车辙根据成因机理不同基本分为结构型车辙、失稳型车辙、磨耗型车辙以及压密性车辙等［3］，图1为典型的结构型车辙示意图。在国内，高等级沥青道路的基层大部分为半刚性基层，特点是整体性好、强度高、刚度大，基层及其以下的变形很小。所以国内的车辙变形主要发生在沥青道路的面层，并且失稳型车辙和压实性车辙是主要的类型。

图1 沥青路面结构型车辙示意图

1 沥青混合料的抗车辙性能研究

沥青路面的构成材料主要是沥青混合料。沥青混合料暴露在交通荷载和恶劣的自然环境中，在抵抗车辙病害上，发挥着重要的作用。若想提高沥青路面的抗车辙性能，就要优化所有构成沥青混合料的材料及其比例以及使用外掺剂等。概括来讲，可以使用品质较高的集料，采用改性沥青，控制沥青的用量，调整沥青混合料的级配曲线等手段，也就是通过内在构成材料的方面来改善沥青路面的抗车辙性能［4］，也可以在沥青混合料中添加抗车辙剂等外掺剂来提高沥青路面的抗车辙性能。

虽然改善沥青混合料抗车辙性能的方法很多，但不同方法改善的机理不同。使用高质量的集料及改性沥青会显著地增强集料与沥青的粘结作用，继而减少了集料的散失和沥青混合料的流动变形，从而提高了沥青路面的抗车辙性能。有学者研究成果表明，基质沥青的油石比提高0.5%，会导致车辙损害发生的概率增加54%。这是因为当沥青用量超过最佳沥青用量时，混合料中有自由沥青的存在，矿料颗粒之间是由自由沥青粘结，而不是结构沥青，导致相互之间的粘结力较小，加大了沥青混合料流动的可能，导致沥青路面在高温下更易发生流动型车辙。在集料尺寸方面，若是两种沥青混合料的公称最大粒径相同，粗集料比例较高的沥青混合料具有更好的抗车辙性能［5］，其原因是沥青混合料的结构类型发生了变化(AC类转变为SMA或ATB类)，粗集料能更好的抵抗变形，另外粗集料增多，沥青用量也会降低，共同的作用导致抗车辙性能的改善。

在抗车辙剂等外掺剂对改善沥青路面的抗车辙性能方面，许多国内外学者都做了研究。目前使用较多的抗车辙剂有德国的DuroFlex和法国的PRPLASTS等等。大量的研究表明代表性的抗车辙剂可以明显地提高沥青路面的抗车辙性能，并且没有降低沥青路面的低温抗裂性。与此同时，路面的水稳定性也有一定程度的改善［6］，这就说明抗车辙剂等外掺剂并不是以降低沥青路面的低温性能等其他性能来改善其高温抗车辙性，可以大规模使用。

不同提高沥青路面抗车辙性能的方式，改善效果不尽相同。有研究表明，添加抗车辙剂对沥青路面抗车辙性能的改善效果好于调整级配的方式，但是随集料粒径的增大，两者对沥青路面抗车辙性能的改善程度都出现逐渐减小的现象，不过添加抗车辙剂的改善效果降低的趋势要慢于调整级配的方式，也就说明了在沥青路面中添加抗车辙剂的方式提高其抗车辙性能的改善效果对集料粒径的依赖性小于调整级配方式［7］，对不同类型的沥青路面具有更广的适用性。

随着沥青路面研究的深入，许多更加经济、环保、可持续的方法被用来提高沥青路面的抗车辙性能。国外一些沥青道路应用研究较广的国家，尤其是美国，为解决越来越多报废轮胎的堆积以及重复利用老旧沥青路面中的沥青混合料，已经开始研究把再生沥青混合料(RAP)和橡胶颗粒加入到新的热拌沥青混合料中。通过大量的试验应用，表明这些混合的沥青混合料吸收了橡胶沥青混合料的优点以及旧沥青混合料模量较高的特点，可以有效地改善混合后沥青混合料的抗车辙性能。

2 沥青路面结构的抗车辙性能研究

目前，在高等级沥青道路中，高质量的集料、改性沥青、级配、使用抗车辙剂等已经应用的很普遍。一些废旧的沥青路面材料也可以通过混合的方式应用到新铺筑的沥青道路中达到抗车辙的目的，而在沥青路面结构组合方面的抗车辙研究还没有这么广泛。

我国半刚性基层十分普及，导致我国沥青道路的车辙几乎都发生在面层。而在高等级公路的三个面层中，中面层是最易发生车辙的层位。有研究针对路面结构因素对车辙深度的影响规律进行探究发现，沥青路面车辙变形大部分来源于中面层的流动变形，约占总车辙变形的60%［8］。而中面层的流动变形是在外界温度和外力荷载等综合作用下所导致，利用有限元进行计算，结果表明在模拟真实道路所处的多种不同车辆荷载和温度应力组合工况下，剪应力最大、分布最集中的区域均是中面层;而中面层位于下面层之上，吸收热量更多，又被上面层所覆盖，吸收的热量相对于上面层不易释放，积累的热量最多，因此出现车辙的概率最大［9］。所以需要加强中面层强度的设计，将其模量增大一倍，其他条件相同的情况下，剪应变降低了一半，但最大剪应力变化不大。更近一步发现，实际路面结构的车辙变形量受中面层动稳定度的影响非常显著，二者的相关性相对于上、下面层也最大。也就是说在沥青路面的三个面层中，提高中面层材料的抗车辙性能可以最为明显地改善整体路面结构的抗车辙性能。

沥青路面作为三个面层的结构组合，在抗车辙性能设计的时候需要考虑科学合理的结构组合，这样才会使整体沥青路面结构的抗车辙性能最为可靠。沥青混合料是一种既常见又具有代表性的粘弹性材料，当温度升高时，其模量和强度会快速降低，抗车辙性能也就跟随着减弱。研究表明当沥青路面的上、中面层结构出现模量组合不甚合理时，上面层非常容易出现由于沥青混合料的侧向流动导致的失稳变形［10］，随着变形量的逐渐积累也就出现了失稳型车辙。综上所述，从沥青路面结构的角度出发，改善实际沥青道路整体抗车辙性能的关键手段是:强化中面层的材料设计，使其具有较好的抗车辙性能，与此同时，比较、分析、优化整体面层的结构组合，保证各层材料的模量连续，不出现大的间断变化［11］。

3 沥青路面抗车辙性能评价方法的研究

评估沥青路面抗车辙性能的关键是取用科学合理的评价方法。目前国内外对沥青路面抗车辙性能的评价方法一般是基于其永久变形试验，主要分为三大类［12］:最为常用的一类采用室内试验方法模拟沥青路面在车辆荷载作用下的行为，传统的室内车辙试验就是最为典型的代表;第二类是基于力学原理获取沥青混合料的相关参数来比较抗车辙性能优劣的试验方法，代表是静态或动态的蠕变试验;最后一类是现场足尺寸试验，采用加速加载试验模拟真实沥青路面结构在车辆荷载作用下车辙变形的发展规律(见图2)。

图2 车辙试验与单轴压缩动态蠕变试验

目前在国内，室内车辙试验是规范规定的评价沥青混合料抗车辙性能的方法，动稳定度是评价指标。车辙试验能在一定程度上模拟沥青路面在车辆荷载作用下车辙的产生及变化，但由于采用的沥青混合料试件为30 cm×30 cm(长×宽)大小，存在边界效应，测试结果与实际沥青路面的抗车辙性能相关性不甚理想。且室内车辙试验只是检验单层沥青混合料的抗车辙性能，没有体现结构组合因素的影响，所以其测试结果并不足以体现实际沥青路面的抗车辙性能。蠕变试验是一种基于流变特性的测试方法，有静态和动态两种加载方式，一般的MTS或UTM均可实现加载。蠕变试验的结果是获取沥青混合料的蠕变参数，比较不同沥青混合料在同样荷载作用下抵抗变形的能力，可以较好的比较永久变形的大小，不过没有量化的参数直接比较抗车辙性能的大小。现场足尺寸试验是基于可以铺筑试验路的条件上，利用实际车辆加载或是加速加载方式来施加荷载，可以最大程度的模拟实际路面结构在车辆荷载作用下的变形发展过程，具有很高的可靠度，但是其施工和运行成本较高，难以达到普遍应用的程度。

针对沥青路面抗车辙性能评价方法的不足，在研究中逐渐做出改进。采用双层结构车辙试验来体现结构组合因素对沥青路面抗车辙性能的影响，以修正传统车辙试验的不足［13］。分析两种试验的结果发现，结构组合的因素并没有在传统车辙试验中体现出来，双层结构车辙试验结果能更好的代表实际沥青路面的抗车辙性能，也消除了一部分一层混合料下面就是刚性模具所带来的误差。因此，传统一层沥青混合料试件的车辙试验结果并不能说明沥青路面的抗车辙设计可以满足使用要求，相反的，由于单一沥青面层不能决定整体沥青路面结构的抗车辙性能，所以在抗车辙设计检验时要在满足规范的基础上最大程度上考虑结构组合的因素。

现场对实际路面结构进行测试，无疑是准确获知实际路面结构抗车辙性能的最佳方式。当光纤光栅传感器被应用到道路、桥梁的变形监测中后，使得对实际沥青路面的抗车辙性能现场测试成为可能。但是将光纤光栅传感器埋设在路面结构中时，由于其刚度比较大，与路面材料的变形并不相同，测试获得的应变场并不是路面结构的真实应变行为。不过在随后的研究中可以发现，传感器所测得的应变可以通过计算修正为沥青路面的应变场，进而利用沥青路面的材料试验获取相关参数，就可以计算出沥青路面的永久变形［14］。采用此技术可以实时监测沥青路面的变形发展，来验证室内试验手段的合理性。有条件时，还可以采用不同的评价方法对新建沥青路面的抗车辙性能进行评价，以达到准确比较分析的目的。

4 结语

沥青道路是由沥青混合料作为面层铺筑而成。作为代表性的粘弹性材料，沥青混合料在高温、荷载的作用下会出现粘滞流动，其中有一部分的流动变形具有不可恢复性，即残余变形。残余变形的逐渐积累也就形成了车辙。提高沥青道路的抗车辙性能可以从沥青路面材料和路面结构组合两个方面来着手，不同措施对抗车辙性能的改善程度并不相同，需要进行比较找寻经济有效的方式。沥青路面的抗车辙性能要借助于室内试验等评价方法进行评估，才能比较各种措施的有效程度，所以一个科学有效的评价方法对于提高沥青路面的抗车辙性能具有积极推进的作用。

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On im provementmeasures for anti-rutting performance on asphalt roadbed and its evaluation methods

Xiao Guiqing Cao Lisong

(Tianjin Municipal Engineering Design Institute，Tianjin 300457，China)

According to the research on the anti-rutting performance of the asphaltmixture and asphalt roadbed structure，the paper points out the measures to improve the anti-rutting performance on asphalt roadbed，introduces the evaluationmethods for the performance，and sums up the scientific and effective improvement approaches according to the insufficient evaluation methods for the anti-rutting performance，so as to provide some reference.

asphalt roadbed，mixture，roadbed structure，rutting test

U416.217

A

1009-6825(2015)29-0166-03

2015-08-07

肖桂清(1988-)，男，硕士，助理工程师