沥青路面抗车辙性能评价及结构优化研究

陈 萍

(湖南城市学院检测中心有限公司，湖南 益阳 413001)

0 引 言

山区高速公路发生最多的病害就是车辙病害，并且随着汽车荷载的重复作用，车辙问题表现越来越突出。长陡坡路段由于自身纵坡大，车辆行驶速度低，所以车辙病害较为严重，当温度较高时，沥青路面的结构开始降低，车辙发展迅速，造成严重的交通阻碍。车辙病害的主要表现形式是车辆轮迹作用处产生下陷。由于车辆荷载的挤密作用使车轮边缘发生隆起。这种现象主要发生在结构层的面层。根据调查发现大部分沥青路面需进行养护是因为车辙变形造成的，与其他病害相比较，车辙的危害表现最明显。沥青路面车辙病害的存在给道路研究工作带来重大挑战，所以提高沥青路面的质量非常重要。

1 评价方法

1.1 马歇尔试验

混合料高温稳定性会影响车辙的深度，对车辙病害有直接的影响。最初评定混合料的高温性能是通过马歇尔试验进行的，利用DS(稳定度)和F(流值)来作为评定指标。随着课题的深入研究发现试验的评价指标DS与车辙病害没有很好的相关度[1]。所以最终认为马歇尔试验在评价沥青混合料的高温稳定性时存在局限性。通过对马歇尔试验的分析可知，该方法是一种经验方法，适用范围较小，通过该方法确定的最佳沥青用量并不精准；DS和F指标对于力学计算很困难，很难确定沥青混合料的剪切变形[2]。

1.2 轮辙试验

车辙的试验还可以利用室内车辙试验仪进行模拟车辆作用时产生的车辙深度。该方法成件较容易，是我国目前最主要的车辙检测试验。该试验的评价指标是动稳定度。该指标所表达的指标含义为：高温状态下，沥青混合料在试验时产生1 mm变形量时的轴载作用次数。该种试验方法的缺点是不能评价模量较高的混合料[3]。

2 DWPA车辙试验

2.1 试验材料

本文所采用的沥青有3类，分别为70#基质沥青、SBS改性沥青、高模量沥青；集料采用的是花岗岩，矿粉是石灰岩，试验原材料经测定指标均满足要求。

试验中共采用了6种不同的沥青混合料，主要级配有：AC-13F、AC-13C、SMA-13、MLB-13 混合料，经过对混合料进行设计得到各自的最佳油石比，经过沥青与矿料级配相匹配得到AC-13F的SBS改性沥青混合料、SMA-13的SBS改性沥青混合料、MLB-13的SBS改性沥青混合料、AC-13C的SBS高模量沥青混合料、AC-13C的SBS改性沥青混合料、AC-13C的70#基质沥青混合料。本文中DWPA车辙试验选用的车辙试件厚50 mm，将试件固定在试件夹上，荷载作用次数为10 000次，进行DWPA车辙试验，平行试验设定为2次，试验结果取平均值[4]。

2.2 结果及数据分析

经上述试验将各组数据进行整理，拟合出相关曲线如图1所示。

图1 车辙试验曲线图

由图1可知，矿料级配为AC-13C型的各种沥青混合料表现出同一规律，即车辙深度和沥青针入度成正比变化。通过联系工程实际情况,可知该结论具有参考性。当沥青种类相同时，DWPA车辙试验还可以分析出级配对试验结果的影响变化,即级配类型为MLB-13 和SMA-13的SBS改性沥青混合料出现的车辙深度较小，而级配类型为AC-13F的SBS改性沥青混合料出现的车辙深度与以上二者相比较最大。通过对以上数据进行分析可知,该车辙系统能对试验数据进行精确的采集，且数据具有一定的参考价值；同时说明该种试验方法可用于对沥青混合料车辙性能的分析评价。

2.3 评价指标的选取

进行沥青混合料抗车辙性能的评价指标主要有以下3个：变形斜率、变形率、变形总量[5]。变形率指沥青混合料在进行车辙试验时变形量与试件厚度的比值，该指标评价混合料的抗车辙能力时具有一定的局限性，表现为实验过程中受加载模式的影响程度较大。

变形斜率是指图1中一定范围内纵坐标与横坐标的比值。该指标主要测定混合料在蠕变阶段的抗车辙能力。但是在时间点的选取过程中各国存在一定差异，导致对抗车辙性能的评价结果不一致。

变形总量是指试件在进行车辙试验时所发生的总的车辙深度。DWPA试验的评判标准为：沥青混合料试件在进行8000次车辙荷载作用后产生的深度小于等于15 mm。

通过以上对沥青混合料抗车辙能力的分析指标进行分析可以看出变形斜率和变形率作为评价指标时具有一定的局限性。通过对变形总量以及DWPA车辙试验的结果进行分析可知，该指标适合抗车辙性能的评价。

3 结构优化设计

3.1 路面结构组合

根据实际工程及相关规定要求初定两种路面结构，面层厚度分别4 cm+6 cm+8 cm和5 cm+6 cm+7 cm，将不同材料及不同结构层厚度进行组合共得到28种结构组合方案，按类别可将方案分为上面层加强组合、中面层加强组合、多层加强组合[6]。

3.2 有限元分析

利用有限元软件对以上所有方案进行剪应力分析计算，设置条件同DWPA车辙试验，最终得到:沥青面层厚度组合为(4+6+8)cm时的剪应力分布,如图2所示。沥青面层厚度组合为(5+6+7)cm时的剪应力分布，如图3所示。

图2 (4+6+8)cm剪应力分布图

图3 (5+6+7)cm剪应力分布图

由图2可知，面层结构的厚度为(4+6+8)cm时，共有14种组合方案，剪应力分布变化表现为相同的规律，其峰值出现在深度为4 cm处，路面结构中受行车荷载的水平分力影响，上面层和中面层出现较大的剪应力，而下面层承受的剪应力较小。

由图3可知，面层结构的厚度为(5+6+7)cm时，共有14种组合方案，剪应力分布变化表现为相同的规律，其峰值出现在深度为4～5 cm处，路面结构中受行车荷载的水平分力影响，上面层和中面层出现较大的剪应力，而下面层承受的剪应力较小。

3.3 车辙深度预估结果

通过对不同交通等级和不同行车速度条件下，面层结构为(4+6+8)cm的车辙深度预估结果分析可知：

(1) 1(a)～5(a)是上面层加强方案，上面层抗车辙性能增加时，产生的车辙总量有一定程度减小，说明该结构的抗车辙性能提高。

(2) 6(a)～10(a)是采用中面层进行加强的方案，当中面层抗车辙性能增加时，路面整体结构的抗车辙性能有显著增长。

(3) 组合11(a)～14(a)是采用全结构进行加强的方案，该方案表现出的抗车辙能力最明显。

经过对面层结构的厚度为(5+6+7)cm进行分析时，变化规律同(4+6+8)cm时的变化规律，但对抗车辙能力的加强程度较小。

在以上3种方案中，对路面的抗车辙能力加强程度表现为全结构加强>中面层加强>上面层加强。当路面结构进行加强方案采用全结构时，面层厚度为(4+6+8)cm的组合方式表现最优秀。

4 结 论

本文通过对沥青路面的抗车辙性能进行分析时得到以下结论：

(1) 评价沥青混合料的抗车辙性能的试验方法有马歇尔试验、轮辙试验等。

(2) 本文通过利用DWPA车辙试验对沥青混合料的抗车辙性能进行评价证明了该方法的可行性，并对评价指标进行了分析，得到DWPA车辙试验表现最佳的评价指标是车辙总量。

(3) 通过对路面结构进行优化可以得到结论是：对路面的抗车辙能力加强程度表现为全结构加强>中面层加强>上面层加强。当路面结构进行加强方案采用全结构时，面层厚度为(4+6+8)cm的组合方式表现最优秀。