沥青混合料抗车辙性能评价研究综述

易 斌 张 鹏 沈菊男

(苏州科技大学道路工程研究中心，江苏 苏州 215000)

0 引言

车辙是沥青路面最常见的病害之一。沥青混合料是一种典型的粘弹性材料，其物理力学性能随着温度和荷载作用的改变而改变。由于材料的自身特性和外部环境因素的多样性，使得沥青路面结构的车辙病害成为一个世界性的难题，而沥青路面永久变形的研究一直都是国内外研究者关注的热点问题。影响沥青路面车辙形成的因素主要包括沥青的性质、集料的性质、混合料级配的组成等。当然还有外部条件的变化，比如环境温度的上升、汽车荷载的增加等一系列原因。那么如何准确评价沥青混合料抗车辙性能对混合料结构设计具有重要的意义。

1 关于沥青混合料车辙评价及预测研究进展

王端宜等[1]提出了基于粗集料接触点数量来评价沥青混合料的抗车辙性能，它是通过集料接触点数量的增加多少与集料倾角均值的减小程度来判断混合料的高温性能，应用数字图像技术进行分析。但集料接触点增加越多，集料倾角均值减小越小，沥青混合料的车辙深度越小，抗车辙性能越好。研究表明粗集料级配多的骨架型混合料的抗车辙性能比较好。

张德育等[2]对沥青混合料车辙试件建立二维离散元模型，并进行车辙试验二维离散元模拟。通过PFC3D自动识别不同时刻聚粒集料的质心位置及角速度来分析沥青混合料永久变形过程中粗集料的空间运动情况来评价混合料的抗车辙性能。

级配中含有较多粗集料能增加沥青混合料的抗车辙性能，这与较大粒径的沥青混合料的粗集料骨架作用和抗塑性变形能力更强有关。在采用粗集料较多的级配时选用合理的车辙试件厚度对车辙的评价也至关重要。赵彬强等[3]对沥青混合料车辙试件压实厚度进行研究，推荐8 cm作为LSPM-30车辙试件的标准厚度。此外还提出用初始变形阶段曲线的割线斜率d1来表征沥青混合料路面的早期车辙情况，线性发展阶段曲线的割线斜率d2来表征沥青路面的长期高温稳定性。经过分析两个指标能够合理的用于评价大粒径沥青混合料的早期车辙深度和长期高温稳定性。

S.P.Atul Narayan等[4]研究沥青的力学性能如何影响沥青混合料的整体非线性行为，分析了这些力学性能与沥青混合料路面车辙深度的相关性，并基于已开发的非线性粘弹性模型对沥青混合料的车辙发展进行预测。

为了对现场沥青路面结构抗车辙性能的评价，张争奇等[5]采用现场钻芯取样的圆柱形试件进行车辙实验，并采用有限元法分析用该圆柱形试件进行车辙试验的可行性，还提出了试验的方法和标准。谢玲儿等[6]研究了采用圆柱形试件进行车辙试验的准确性。研究表明，对于改性沥青混合料，试验温度为70 ℃时动稳定度具有良好的区分度；试件在成型后需至少放置2 d来保证改性沥青充分固化；试件拼接缝需保证在8 mm之内，否则试验结果无效。李卫勇等[7]将国标下的圆柱形试件车辙动稳定度分别与汉堡车辙试验的车辙深度、APA车辙试验动稳定度和MMLS3试验蠕变速率进行相关性分析，数据结果显示相关性分别为0.930 3,0.987 5,0.900 3，说明了采用圆柱形试件国标车辙试验方法是可行的。张苛等[8]对圆柱形试件车辙动稳定度和板式试件车辙动稳定度建立了换算公式，并且建立了圆柱形试件车辙试验的评判标准，为现场评价沥青混合料路面的抗车辙性能提供了依据。

国内外的学者在沥青混合料车辙发展预估方面也做了许多研究。Weiguang Zhang等[10]基于汉堡车轮跟踪测试对沥青混合料车辙发展进行预估。RRI是基于汉堡车轮试验开发出来评价沥青混合料的一个参数。如图1所示为RRI、汉堡车辙深度与现场车辙深度的相关关系，可以看出RRI、汉堡车辙深度与现场车辙深度没有相关性，这表明单独的汉堡车辙测试结果与现场车辙深度没有很强的关系。研究人员将标准化系数、路面交通量、RRT、路面龄期、路面结构综合考虑建立车辙预估模型如式(1)所示，并用Loocv方法验证车辙深度模型，相关关系如图2所示,拟合方程相关性表明模型预估现场车辙深度需要综合考虑各方面因素的影响。

Y=-0.489 776-0.062 497In(X1)+0.119 943In(X2)+
0.018 386In(X3)+0.043 839In(X4)+0.086 717In(X5)

(1)

2 基于车辙试验对评价指标改进的研究进展

目前，国内外院校和科研机构用来评价沥青混合料车辙性能的试验方法很多。国内最主要采用车辙试验并以动稳定度(DS)作为评价指标来判断沥青混合料的抗车辙性能。动稳定度公式选取的是车辙试验中第45 min和第60 min的车辙深度。因此，动稳定度值的大小仅仅反映的是45 min～60 min时间段内沥青混合料的抗车辙能力，忽略了车辙试验中初始压实产生的永久变形对车辙深度的影响，这导致动稳定度值的大小有时与车辙深度不符。另外，改性沥青混合料的车辙曲线在45 min～60 min时间段内趋势趋于平缓，那么d60～d45的差值就非常小，这也导致DS值存在相对误差的变大的可能性。基于动稳定度值评价改性沥青混合料存在的误差，许多学者和研究人员对评价指标进行了研究。

岳学军等[11]分析了上面层动稳定度、中下面层动稳定度与相对变形之间的相关关系，研究表明当车辙试验测试的动稳定度数据较小时,动稳定度与相对变形具很好的相关关系；当动稳定度数据很大时二者的相关关系较差。我国采用动稳定度来评价沥青混合料路面的抗车辙性能是一个间接指标，加之国产车辙仪测量变形的精度不是很高，因此试验误差比较大。

Kim等[12]将车辙试验循环次数增加到3 600次，并对DS评价的计算方法进行了改进见式(2)～式(4)：

(2)

(3)

(4)

其中,D500，D1 500，D1 800,D2 500，D3 000，D3 600分别是试验轮在500 cycle，1 800 cycle，2 500 cycle，3 000 cycle，3 600 cycle时车辙深度，mm。

将改进后公式得到的数值与车辙深度进行相关关系分析，研究表明3个公式均符合实际情况。

郑传峰等[13]研究改进了DS判定标准，采用0 min～60 min时段内全程求解动稳定度，将全程变形都考虑在内，其计算方法如式(5)所示：

(5)

研究人员对不同成型荷载试件的车辙试验用DS和DSwp分别计算，计算结果表明不同成型荷载下用全程动稳定法DSwp分析都与沥青混合料实际抗车辙能力保持了很好的一致性，而用DS计算结果分析存在误差。这说明对车辙试验全过程进行分析对评价沥青混合料抗车辙性能有参考意义。

动稳定度值(DS)表示的是压实稳定期渐近线的斜率，仅仅考虑了压实稳定期的剪切流动变形增长的速率，忽略了压实过渡期的变形，从而导致动稳定指标不能很好的反映实际情况。方昊等[14]也对动稳定度计算公式进行了改进，考虑了压实过渡期产生的永久变形对车辙总变形的影响。

Barugahare Javilla等[15，16]采用0.5 MPa-0.7 MPa-0.9 MPa，0.7 MPa-0.9 MPa-0.5 MPa，0.9 MPa-0.7 MPa-0.5 MPa三种不同的荷载组合分别在30 ℃,40 ℃,50 ℃,60 ℃,70 ℃试验温度下进行车辙试验，每个荷载阶段作用次数分别是10 000 cycles，5 000 cycles，5 000 cycles。车辙曲线在低于50 ℃的温度下，车辙发展的速度是线性的，但在较高的温度下呈指数增长，这说明温度是比荷载作用顺序影响车辙形成更显著的因素。三种不同荷载组合的车辙曲线在第一阶段产生的永久变形比重都远远大于后二阶段的比重，这说明车辙变形在前10 000 cycles已经发展充分。

3 结语

沥青混合料车辙问题一直都是国内外研究人员研究的热门课题。现在研究工作已经从单一因素评价指标转到车辙模拟预测和多个因素评价指标，由于沥青混合料外在环境因素过于复杂，若采用模型来对车辙发展进行预估，可靠性无法得到保证，各个混合料之间也很难有统一的预估模型。利用国内外常用的车辙试验得出可靠的评价指标是值得研究的。对于国产车辙仪器车辙试验得到的DS计算公式还需要进一步的研究、验证，如试验温度、试验时间、荷载压力等。沥青车辙试验产生的永久变形是由压实过渡期的变形和压实稳定期的变形组成，所以需要把压实过渡期的变形也要在指标中体现出来。基于现有的研究进展，对于车辙试验DS计算方法的研究工作可进一步开展。