沥青混合料抗车辙性能常用试验方法综述

余 华

(西安铁路工程职工大学， 陕西西安 710065)

车辙作为车辆荷载反复作用下沥青路面在竖直方向永久变形的积累，一般发生在高温季节。尤其是渠化交通以后的车辆荷载作用下，沥青面层进一步被压实使轮迹带下沉，其内部材料或可能在剪应力的作用下横向流动，导致两侧隆起，形成波峰、波谷状[1]。车辙不仅直接影响沥青路面的平整度、使用性能，还将严重危及行车安全，正确评价沥青混合料的抗车辙能力对于有效防治车辙病害意义重大。

多数研究者认为用依据马歇尔法设计的沥青混合料稳定度和流值指标与实际路面永久变形的相关性并不理想，建议采用车辙试验进行补充验证。车辙试验是模拟实际车轮荷载在路面上行走而形成车辙的试验方法。一般而言，室内小型往复车辙试脸、旋转车辙试验、大型环道试脸、直道试验等都属于车辙试验范畴。车辙试验在开展过程中可以改变温度、荷载、试件厚度、尺寸与成型条件等，以完成对路面实际情况的真实模拟[3]。目前阶段，车辙试验已成评价混合料抗车辙性能最常用的室内试验方法[4]。

现阶段，我国车辙试验规范中建议采用车辙仪对沥青路面的抗车辙性能展开评价，通过测定车轮荷载加载次数与试件的变形关系，评价过程以动稳定度为主要指标。在近几年的工程应用中发现，虽然室内车辙试验能够满足规范要求，然而实际路用性能并不理想，试验结果与路面实际使用状况相关性一般。针对国内外评价沥青混合料抗车辙性能的多种试验方法，重点分析了各方法的优缺点及适用性，进而为实际工程应用提供参考。

1 沥青混合料抗车辙性能的常用试验方法

1.1 径向试验

径向加载试验加载过程为沿柱体试件高度方向垂直施加压力荷载。在荷载作用下，试件在垂直于荷载方向产生间接拉应力。在该过程中，试件处于二维受力状态，接近于实际路面的工作状态。径向加载试验的关键技术为变形测量，主要原因是低温条件下试件变形小、加载时间短，导致变形的测量工作较难开展。

1.2 单轴试验

单轴静载试验最早被应用于荷兰阿姆斯特丹壳牌石油公司试验室(KSLA)的相关研究。具体步骤为：向试件施加轴向瞬时荷载—持荷—瞬时卸载，试件变形恢复—变形测量，获取蠕变曲线。试验结果主要反映沥青路面在车轮荷载下的变形累积效应[5,6]。单轴重复荷载与动载试验借助正弦波荷载实现模拟汽车动力荷载的模拟，并测试沥青混合料的阻尼比动力模量、与泊松比，相比于单轴静载试验，后者能更好地反映实际交通荷载的作用。

1.3 三轴试验

与单轴试验相比，三轴试验的区别在于加载过程中需对试件进行围压加载[7,8]。由于侧向约束的施加，三轴试验能更好地模拟实际路面混合料的受力状态，模拟荷载更接近真实荷载。三轴蠕变试验可以获得的反映路面变形特征的数据主要包括：回弹模量、动力模量、蠕变劲度模量、泊松比、永久变形等。

1.4 剪切试验

美国战略公路研究计划中曾采用剪切蠕变、剪切重复荷载、常高度简单剪切试验对沥青混合料的高温性能展开评价[9]。

其中，常高度SST重复剪切试验在模拟道路交通影响方面主要借助剪切应变。扭转剪切试验则是指在扭矩与轴向载荷的共同作用下，试件的内、外壁产生均匀径向压力，试件将处于三维应力状态。简单的剪切试验是由岩土材料直剪试验发展而来，为实现沥青混合料实际受力环境的模拟，在施加垂直动荷、温度与围压的基础上，通过施加重复或动载测试试件的回弹剪切模量、动力剪切模量与剪切阻尼响应等参数。

1.5 弯曲蠕变试验

弯曲蠕变试验通过在简支梁式试件中部进行瞬时加载并持荷，测试试件内部挠度变形，进而得到试件的蠕变参数。弯曲蠕变试验中所施加的荷载相对，主要由于试件的横截面尺寸较小，为将沥青混合料的变形控制在线性范围内，所施加的荷载不能过大。即使是在温度较低的情况下展开试验，所施加荷载量值仍需严格控制。

1.6 马歇尔试验

马歇尔方法于20世纪70年代被引入我国并用以评价沥青混合料高温性能，评价过程主要借助稳定度与流值两个指标，例如Marshall和维姆Hveem混合料设计方法。以上两种方法在世界范围内被应用较为广泛，目前仍是包括中国在内的众多国家所采用的评价方法[10]。第十九届世界道路会议上，英、法、德等16个国家的调查显示，除法国外，其余国家均采取马歇尔方法确定沥青混合料的最优沥青用量。

1.7 车辙试验

车辙试验作为一种室内试验方法，已经成为沥青混合料抗车辙性能的主要评价方法之一。车辙的产生主要由于车轮在路面的反复加载，使得沥青混合料不断压密、推移、流动所产生，故该方法通过模拟实际轮载在试件上的反复碾压形成车辙[11]。试验过程中通过记录沥青混合料试件的变形与加载时间、加载次数的关系，进而确定变形率或动稳定度[12-14]。

1.8 大型环道、直道试验

用于大型环道试验的试验设备包括单臂、双臂、多臂等多种类型，通过实际轮载绕中心的转动实现循环加载。环形试槽中足尺路面结构的修筑，可根据具体试验目的调整荷载量值及轮载转动速度。试验过程中分次检测、记录路面厚度的减薄量。一般而言，两个车轮轮迹处的车辙深度并不相等，内轮车辙深度略大于外轮，主要由于环道试验及本身的构造原因所引起。车轮在围绕中心转动时，在离心力作用下，环道路面除承受垂直方向力以及车轮行驶方向的剪力之外，还同时承受径向剪切力作用，在以上综合受力状态下，两个车轮对路面的作用力并不相同，进而导致两个轮迹处车辙深度的差异。

2 沥青混合料抗车辙性能试验方法的对比分析

2.1 径向试验

径向试验中，劈裂试件在荷载作用正方向承受拉应力，在沥青混合料的变形过程中，结合料的影响程度将高于集料，因此径向试验更适用于循环加载试验以及回弹模量的测定[15-17]。静态劈裂试验中的试件成型较为简单故其试验过程更容易实现，多种试验机均有与之匹配的试验设备。然而试件形状对结果的影响程度相对较大且应力差异性较大，故并不太适用于沥青混合料抗车辙能力的评价；当荷载水平较高或者在高温试验条件下，试件的变形过大导致其变形量、应力测试难度增加，试验结果将低估沥青混合料的实际抗车辙能力。除此之外，径向试验属于拉伸试验的范畴，该类试验主要反映的是胶结料的特性，而非混合料的实际特性，已有研究数据表明，当前阶段的径向试验并不能很好地满足预测沥青混合料抗车辙性能的预测要求。

2.2 单轴试验

单轴静载试验过程、设备简单易于实现且可以得到不同加载时间与温度下沥青混合料的劲度模量，在当前阶段的研究中应用较为广泛，并且已有大量的试验资料被储存以备用。然而，由于温度过高或者荷载水平过大的原因，试验过程中的时间往往过早损坏而导致试验过程终止，所以在正常开展的试验过程中，试验温度条件及荷载水平通常都低于路面的实际情况。因此，单轴试验在动态荷载的模拟方面，并不能更好地接近路面实际情况。此外，尽管单轴加载试验与动载试验均属于非破坏性试验，理论上试件可以重复利用，但是由于试验设备复杂且影响结果的因素众多，该类试验在目前的研究中仍未获得大面积推广。壳牌石油实验室曾利用上述方法给出了沥青路面车辙深度的预测方法，但由于荷载量值、加载频率及加载时间间隔对结果具有不可忽略的影响，预测效果很难控制[18,19]。截止目前，已有试验数据表明试验结果与混合料性能的相关性都比较小，并且缺乏规范化的试验过程控制标准，因此不建议将该类试验直接用于沥青混合料抗车辙性能的评价。

2.3 三轴试验

三轴试验在路面受力状况的模拟效果方面更好，多项历史试验数据均表明三轴重复试验和三轴蠕变试验试验结果与沥青混合料实际的抗车辙性能的相关程度较高。适用于不同试件尺寸，且有成熟标准的试验规程可循。然而三轴试验设备复杂，试验要求较高，且指标标准很难达成一致，试验数据的信息挖掘仍需进一步探讨。在高温条件下开展的三轴试验，由于试验是一个复杂的系统，对小变形测量的灵敏度要求较高，且在测试过程中LVDT的固定于排列均有可能出现问题。鉴于以上问题，该试验尚未被确定为沥青混合料抗车辙性能的标准试验方法。

2.4 剪切试验

由于恒高简单剪切试验对体积变形的消除，其结果能够很好地反映混合料的抗剪切变形能力。简单剪切试验中所提供的接近于纯剪切应力状态与实际路面应力状态更为接近，故美国SHRP简单剪切试验对沥青混合料抗剪切流动性能的研究尤为适用。与三轴试验相比较，简单剪切试验相对简单，但试验设备仍然比较复杂，且设备昂贵难以操作。已有部分研究认为，简单剪切试验结果与实际路面抗车辙性能的相关性仍不太理想。

2.5 弯曲蠕变试验

弯曲蠕变试验中为准确测定荷载量值与微小变形，对试验检测设备灵敏度的要求较高。受条件所限，材料的性能试验仅能在一定的温度与时间范围内开展，导致试验环境与实际状况存在一定差异，为了解目标材料在更大的时间域、温度域内的特性，需要借助时间—温度换算法则对蠕变柔量曲线进行绘制。试验进程中，加载瞬间的变形量对总变形影响显著，且加载瞬间的变形量测试较为困难，所以试验的可重复性较差。虽然已有学者提出，可以采取若干次预加荷载方法消除瞬态变形的影响，但该方法仍难以排除加载瞬间变形的影响，在较高温度下的预加载更是难以开展，所以只能借助数据分析消除加载瞬间变形测量误差的影响[20]。

2.6 马歇尔试验

实际工程应用效果显示，虽然马歇尔稳定度与混合料的高温性能具有相关性，但大量路况调查表明马歇尔稳定度与路面的车辙深度没有较好的相关性。除此之外，马歇尔稳定度无法有效区分不同沥青混合料抗车辙性能的优劣，也难以有效预测沥青混合料的永久变形情况，因此该指标的应用已经愈来愈淡化。国内外学者多年的研究成果表明[21,22]，马歇尔试验在沥青混合料高温性能的确定方面仍存在一定的局限性、片面性与孤立性。(1)该试验方法是一种经验方法，仅能适用于特定的环境荷载条件与材料类别；(2)依据马歇尔试验所确定的最优化沥青用量与控制车辙的最佳沥青用量并不一致；(3)马歇尔试验主要的控制指标与沥青混合料的路用性能缺乏直接的联系，不能直接用于路面力学分析计算；(4)稳定度试验难以合理度量混合料的剪切强度进而对其康破换能力进行预估。在我国，尽管有最小稳定度的限制，但动稳定度更多地作为关键指标被应用于混合料高温性能的评价。在当前阶段，马歇尔试验重要被应用于施工质量检验以及配合比设计。

2.7 车辙试验

车辙试验可以用改变温度、荷载试件尺寸等条件在一定程度上对沥青混合料的抗车辙性能进行模拟研究，试验结果与实际情况关联性较强。目前，车辙试验已经成为最普遍的试验方法用以沥青混合料高温性能的评价。车辙试验可以对车轮行驶的实际情况进行充分的模拟，有利于针对车辙变形与发展的相关影响因素展开参数分析。但车辙试验作为工程试验方法的一种，其结果多为工程指标而非力学参数，很难被应用于理论分析计算。已有研究成果显示车辙试验结果与实际路面车辙性能的相关性能够完好吻合，借助经验公式对沥青路面车辙深度展开预测以及抗车辙能力的检测是目前车辙试验的主要方向。在针对沥青混合料永久变形性能的相关研究中，英国诺丁汉大学SWK路面公司提出车辙率的概念。与变形率相比，车辙率增加了车辙与试块间的接触应力这一参数。当接触应力是个常量时，车辙率与变形率具有相同的表达形式。当车辙试验机的运行速度是确定值时，可以与动稳定度进行相互换算[23,24]。

2.8 大型环道、直道试验

环道、直道试验是一种大型的足尺路面结构试验，该试验过程直接承受实际车轮荷载。试验结果与实际路面结构情况相关性很好。与其他室内试验方法相比，足尺路面结构试验的应力、应变状态与实际路面更加接近，结果可以较为真实地反映实际路面的车辙发展状况。但受限于试验本身复杂性、实施难度以及试验经费等问题，环道或直道试验很少被采用[25]。相比于环道试验，直道试验由于侧向荷载的消除使其受力更加简单，尽管两种试验的的设备、试验条件有差异，但就结果而言，两种试验结果在数值上较接近且与服役中的路面所产生的车辙情况较为一致。通过试验数据的统计、对比、回归分析发现，以RD=a·Nb的形式来表征车辙深度与加载次数间的关系较为合理。法、美、德等国对各种不同类型的回归模式展开研究，虽然这些公式的表现形式不同，但其共同的特点在于，车辙深度与加载次数间表现为在单对数或双对数坐标上的线性关系。通常，不同的荷载对路面的作用可按等效原则进行换算。然而，我国现行规范是以疲劳损伤等效进行轴载换算的，这显然并不适用高温车辙累积的当量换算[15,26]。

3 当前研究存在问题及进一步研究方向

(1)单轴静载试验的蠕变试验结果反映了在车轮荷载作用下沥青路面变形的累积效应。虽然单轴重复荷载和动载试验属于非破坏性试验，试件可重复使用，但是试验设备复杂，影响试验结果的因素较多。目前不建议将该类试验直接用于评价沥青混合料抗车辙性能。

(2)三轴重复试验和三轴蠕变试验结果与沥青混合料抗车辙性能的相关程度很高。但是，三轴试验由于试验设备复杂，试验要求高，指标标准不能达成一致，试验设备复杂且昂贵。因此，还不能被确定为评价沥青混合料的抗车辙性能的标准试验方法。

(3)马歇尔试验用于确定沥青混合料的高温性能存在一定的局限性、片面性与孤立性。马歇尔稳定度与路面的车辙深度没有良好的相关关系，不能有效控制车辙的发生，无法有效区分不同沥青混合料、不同沥青抗车辙性能的优劣，也不能有效预测沥青混合料永久变形性能。目前，马歇尔试验不用于检验沥青混合料的高温稳定性，而是主要用于配合比设计与施工质量检验。由于马歇尔方法的稳定度、流值指标，难以控制实际路面的永久变形，因此，建议补充车辙试验机试验(英国的TRRL或法国的LCPC)来控制车辙变形。

(4)室内小型车辙试验由于试验本身简单、易推广，车辙试件制作容易，试验费用低，设备简单，且与实际路面的永久变形有较好的相关性，目前已成为我国检测沥青混合料抗车辙性能的主要方法。但是国内车辙无法同时考虑重载和低速，无法评价沥青面层的整体抗车辙性能，无法模拟路面温度梯度。国产车辙仪只能对10 cm以下厚度的试件进行试验分析，不能分析沥青路面整体性能。我国常规的车辙试验仅可以区分出刚度较小的沥青混合料抗车辙性能，无法对高模量混合料抗车辙性能的评价。

4 结论

虽然目前国内外评价沥青混合料康车辙性的试验方法很多，但各有其优缺点与适用条件，特别是室内模拟试验与现场实际情况存在较大差异。因此，对沥青混合料抗车辙性的试验方法仍需进一步研究，加强室内试验与实际路面的关联度。建议在使用马歇尔试验评价沥青混合料的高温稳定性时，以车辙试验机试验控制车辙变形。建议在评价沥青混合料的抗车辙性能时尽可能使用多种试验方法进行综合评价。