潘濤　浦鵬　楊杰　李順良　張吉峰

摘 要：隨著中國高速公路網(wǎng)的初步形成，瀝青路面的早期病害也變得十分嚴重，車轍問題已經(jīng)成為引人注目的普遍性問題。近年來，許多瀝青路面都不同程度產(chǎn)生了車轍?？梢哉f車轍是道路破壞的主要形式之一。它除了影響行車舒適性外，還對交通安全有直接影響。由于瀝青混合料所固有的粘彈特性、瀝青路面高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性因素的多樣性、車轍形成的復(fù)雜性等，使得永久變形成為一個世界性的難題，防治瀝青路面的車轍也成為世界各國公路技術(shù)人員的重要研究課題。

關(guān)鍵詞：高溫；瀝青混合材料；車轍試驗

中圖分類號：TU1 文獻標志碼：A 文章編號：1673-291X（2014）06-0216-03

車轍是瀝青路面特有的主要破壞現(xiàn)象之一。據(jù)統(tǒng)計，高速公路的瀝青路面由于車轍而進行維修、加鋪或翻修面層工程的比例占整個維修工程的一半以上。20世紀70年代美國的調(diào)查表明，在州際和主要公路上車轍所致路面損害的40%；20世紀80年代日本的調(diào)查表明由于車轍引起的路面損害高達80%。在中國，近幾年來高速公路的迅猛發(fā)展，在許多省區(qū)瀝青路面均不同程度出現(xiàn)了大面積的早期車轍破壞。長期以來，已經(jīng)發(fā)展了各種方法來評價瀝青混合料的高溫性能，主要是以經(jīng)驗性或模擬性的試驗為主，其試驗結(jié)果與實際路面的永久變形相關(guān)性不好，不能完全反映瀝青混合料高溫永久變形過程，因為瀝青混合料是一種粘彈性材料，瀝青路面第二階段永久變形主要是由于瀝青混合料塑性剪切流動引起的。研究瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能主要是針對瀝青路面的車轍而言的。為了防止出現(xiàn)車轍，提高混合料的高溫抗車轍能力具有重要的意義。針對上述情況，本文通過對瀝青混合料車轍的試驗分析來研究瀝青路面的高溫穩(wěn)定性。

一、國外對車轍實驗的研究

早在1962年美國AASHO試驗路研究期間，對車轍路段進行了開挖，Hofstra提出的報告認為產(chǎn)生車轍的主要原因是剪切應(yīng)力，由此結(jié)果推薦使用高強度的路面材料。1987年Eisenmann的報告指出，瀝青層的組成為5cm+18cm，出現(xiàn)的車轍表現(xiàn)出輪胎下方下沉量（體積）要大于兩側(cè)隆起的體積，說明車轍的初期階段主要是壓密造成的。而在此以后，車輪的下沉逐漸與兩側(cè)隆起的體積平衡，說明壓密已經(jīng)完成，車轍是由流動產(chǎn)生的。Hofstra還指出瀝青路面的變形在路表面最大，越向下越小，這一方面是下部抵抗塑性流動變形能力強，同時也是因為下部的剪切應(yīng)力小的緣故。根據(jù)AASHO試驗路測定，車轍量隨瀝青層厚度的增加而增加，到25cm達到極限，瀝青面層再加厚車轍深度不再增加。

此后，瀝青路面車轍問題得到相當程度的控制，在1982年召開的第五屆CSDAP上，有關(guān)車轍預(yù)測的新文章很少，只有一些驗證性論文，路面工程師們的興趣已轉(zhuǎn)移。但第五屆會議以后，車轍問題又重新提出來，涉及到輪荷載和輪胎壓力對路面應(yīng)力與應(yīng)變的影響，研究方向為材料特性與制定預(yù)測模型，有關(guān)的論文、報告十分豐富。從經(jīng)驗到考慮粘彈性的各種方法都有。

在國外，對于重載瀝青路面，聯(lián)邦公路管理局（FHWA）的FreddyL.Robert、Harold vonQuintus和W.RonaldHudson針對行駛重型車輛的公路進行了旨在修建高級路面結(jié)構(gòu)的研究，提出了免養(yǎng)護路面的設(shè)計指標和方法：TRRL針對不同底基層和交通量超過8.0萬標準軸時所需的密級配瀝青碎石上基層厚度，繪出了設(shè)計曲線；在第二次世界大戰(zhàn)的初期，美國陸軍工兵部對機場設(shè)計采用了CBR法，來適應(yīng)飛機荷載，可以看出對重載的探索：澳大利亞公路學會在《路面設(shè)計·公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計指南》一書中，提出了保證路用性能的設(shè)計交通量與有粘結(jié)基層（水泥處治穩(wěn)定集料）的設(shè)計表層彎沉值之間的關(guān)系；法國大型環(huán)道試驗進行了不同軸載作用下的車轍研究，并給出了回歸公式；Walter.P.Kilareki對重車的影響及超載限值進行了研究，奧地利維也納技術(shù)大學H.Knoflacher研究了卡車超載對道路養(yǎng)護造價的影響。

二、國內(nèi)對車轍實驗的研究

中國公路科技人員對瀝青混合料高溫特性進行過大量試驗研究，取得過許多有價值的研究成果，提出了適合中國國情的瀝青混合料高溫性能技術(shù)指標與標準，使中國瀝青路面高溫穩(wěn)定性問題得到了有效的控制，極大地減少了高溫車轍的破損現(xiàn)象。

在國內(nèi)，由于重型車的不斷增加，不少機構(gòu)和學者也對重載交通路面進行了探索。對于重載作用下的瀝青路面，山西交通科學研究所的黃勇、虞文景等人針對重載道路的特點，利用幾種典型半剛性基層材料的疲勞試驗結(jié)構(gòu)，根據(jù)疲勞等效原則，并考慮了車輛超載效應(yīng)，在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上，得出了以層底面拉應(yīng)力為指標的適應(yīng)重交通條件和半剛性基層瀝青路面特點的車輛軸載換算公式和相應(yīng)的設(shè)計方法。另外，同濟大學在中國汽車工業(yè)總公司及重型汽車工業(yè)總公司的支持下，從汽車設(shè)計角度研究了軸重對路面的影響及減輕重型貨車對道路的損傷。

綜上所述，國內(nèi)外研究車轍主要集中在機理、級配和改善結(jié)合料等方面。盡管國內(nèi)外許多學者對車轍進行了深入研究，取得了一定的研究成果，但是由于中國幅員遼闊，材料、氣候差異較大等原因，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料等方面，圍繞瀝青路面的車轍是怎樣產(chǎn)生的、如何提高瀝青路面的抗車轍性能，還沒有提出切合實際的技術(shù)對策。

因此，有必要針對高速公路高溫和重載的實際情況，找出該地區(qū)路面車轍的成因。

三、車轍形成的原因

車轍是瀝青路面在車輛荷載反復(fù)作用下產(chǎn)生豎向永久變形的積累。這種變形主要發(fā)生在夏季高溫時節(jié)，是瀝青混合料高溫穩(wěn)定性不足在重交通道路上的反映。

車轍的形成過程可簡單分為三個階段：（1）開始階段的壓密過程；（2）瀝青混合料的流動；（3）礦質(zhì)骨料的重新排列及礦質(zhì)骨架的破壞。

根據(jù)車轍形成機理，可將其分為三大類型：（1）失穩(wěn)型車轍。這是由于瀝青路面結(jié)構(gòu)層在車輪荷載作用下，其內(nèi)部材料的流動產(chǎn)生橫向位移而形成。通常發(fā)生在輪跡處，當瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不足時，在外力作用下就會產(chǎn)生這種車轍。這種車轍一般都有剪切變形產(chǎn)生的兩側(cè)隆起現(xiàn)象，對主要行駛雙輪車的路段，車轍斷面成w型。（2）結(jié)構(gòu)型車轍。這是由于路面結(jié)構(gòu)在交通荷載作用下產(chǎn)生整體永久變形而形成，這種變形主要是由于路基變形而產(chǎn)生。這種車轍的寬度較大，兩側(cè)沒有隆起現(xiàn)象，橫斷面成淺盆狀的u字型（凹型）。（3）磨耗型車轍。由于瀝青路面結(jié)構(gòu)頂層的材料受車輪磨擦和自然環(huán)境因素作用下持續(xù)不斷損耗而形成。在中國，由于基層基本上是半剛性基層，其強度及板體性好，基層及基層以下的變形極小，除了某些基層施工不良的路段外，磨損型車轍在中國也較少。

四、車轍實驗的原理

車轍試驗是用負有一定荷載的輪子，在規(guī)定的溫度下對瀝青混合料板狀試件在同一軌跡上作一定時間的反復(fù)碾壓，形成轍槽，以轍槽深度RD和動穩(wěn)定度DS（每產(chǎn)生1 mm轍槽所需的碾壓次數(shù)）來評價瀝青混合料抗車轍能力的一種試驗方法，也有通過一定作用次數(shù)產(chǎn)生的形變來評定的。

車轍試驗即是通過板塊狀試件與車輪之間的往復(fù)相對運動，使試塊在車輪的重復(fù)荷載作用下，產(chǎn)生壓密、剪切、推移和流動來評價瀝青混合料在規(guī)定溫度下抵抗塑性流動變形的能力。

據(jù)此可得到三類指標：

（1）任何一時刻的總變形，即車轍深度。

（2）在變形曲線的直線發(fā)展期，通常是取45min、60min的變形D45、D60按下式計算動穩(wěn)定度DS。

DS=×N×c1×c2

式中：DS——瀝青混合料的動穩(wěn)定度（次/mm）；d1——試驗時間為tl的試件變形量（ram）；d2——試驗時間為t：時試件變形量（mm）；c1——試驗機類型修正系數(shù)，曲柄連桿驅(qū)動試件的變速行走方式為1.0，鏈驅(qū)動方式試驗輪的等速方式為1.5；c2——試件系數(shù)，實驗室制備的寬300mm的試件為1.0，從路面切割的寬150mm的試件為1.5；N——實驗輪往返碾壓速度，通常為42次/min。

（3）變形速率RD，它實際上是動穩(wěn)定度的倒數(shù)。

由以上分析可以看出，車轍試驗可以很好地反映瀝青混合料永久變形隨時間變化的過程，比較符合路面的實際受力情況，因此本論文采用車轍試驗來研究瀝青混合料的高溫性能。

試驗設(shè)備：

本論文采用的車轍試驗設(shè)備是一種鏈驅(qū)動試驗輪方式的車轍試驗機，試塊固定，試驗機車輪行走。

加載輪尺寸：直徑200mm、寬50mm

加載輪材料：橡膠輪實心輪胎

輪壓：0.7Mpa

碾壓速度：42±1次/mm，行走均勻

試驗溫度；60±1℃

試件尺寸：300mmxl50mmx50mm

試驗精度：0.01mm

測試方法：

試驗前先對溫度控制系統(tǒng)、試驗系統(tǒng)以及定時系統(tǒng)進行校準，然后在試驗前設(shè)定到要求的試驗溫度、試驗荷載、加載速度及試驗時間。測試時，首先將高溫恒溫室升溫至設(shè)定的溫度。然后將試塊連模放入恒溫室中，當試塊溫度升至要求的試驗溫度，且試塊內(nèi)外溫度一致時，把試塊放在試驗機上進行試驗。試塊的升溫、恒溫過程，需用溫度計進行監(jiān)測。測試時使車輪行走方向與取樣試塊行車方向一致，并在開始試驗的同時記錄試驗時間、溫度、加荷次數(shù)、變形量。到規(guī)定時間后停止試驗。

五、車轍實驗數(shù)據(jù)分析

1.方差分析。方差分析是R.A.Fister發(fā)明的，用于兩個及兩個以上樣本均數(shù)差別的顯著性檢驗。方差分析方法在不同領(lǐng)域的各個分析研究中都得到了廣泛的應(yīng)用。從方差入手的研究方法有助于找到事物的內(nèi)在規(guī)律性。受不同因素的影響，研究所得的數(shù)據(jù)會不同。造成結(jié)果差異的原因可分成兩類：一類是不可控的隨機因素的影響，這是人為很難控制的一類影響因素，稱為隨機變量；另一類是研究中人為施加的可控因素對結(jié)果的影響，稱為控制變量。方差分析的基本思想就是：通過分析研究中不同變量的變異對總變異的貢獻大小，確定控制變量對研究結(jié)果影響力的大小。通過方差分析，分析不同水平的控制變量是否對結(jié)果產(chǎn)生了顯著影響，如果控制變量的不同水平對結(jié)果產(chǎn)生了顯著影響，那么它和隨機變量共同作用，必然使得結(jié)果有顯著的變化：如果控制變量的不同水平對結(jié)果沒有顯著的影響；那么結(jié)果的變化主要由隨機變量起作用，和控制變量關(guān)系不大。根據(jù)控制變量的個數(shù)可以將方差分析分成單因素方差分析和多因素方差分析。單因素方差分析的控制變量只有一個；多因素方差分析的控制變量在兩個或兩個以上，它的研究目的是要分析多個控制變量的作用、多個控制變量的交互作用以及其他隨機變量是否對結(jié)果產(chǎn)生了顯著影響。

2.協(xié)方差分析。協(xié)方差分析是將直線回歸和方差分析結(jié)合應(yīng)用的一種統(tǒng)計方法。用來消除混雜因素對分析指標的影響。因此協(xié)方差分析是將那些很難控制的因素作為協(xié)變量，在排除協(xié)變量影響的條件下，分析控制變量對觀察變量的影響，從而更加準確地對控制因素進行評價。如果忽略這些因素的影響，則有可能得到不正確的結(jié)論。為更加準確地研究控制變量不同水平對結(jié)果的影響，應(yīng)該盡量排除其他因素對分析結(jié)果的影響。利用協(xié)方差分析就可以完成這樣的功能。協(xié)方差將那些很難控制的隨機變量作為協(xié)變量，在分析中將其排除，然后再分析控制變量對觀察變量的影響從而實現(xiàn)對控制變量效果的準確評價。在本論文中，除了瀝青混合料內(nèi)在的影響因素外，還應(yīng)考慮超高、縱坡等因素對車轍深度的影響。

3.相關(guān)分析。相關(guān)分析是研究變量間密切程度的一種常用的統(tǒng)計方法，通常用相關(guān)系數(shù)r來表征變量之間的相關(guān)程度|r|越接近1，則兩者的相關(guān)程度越高。

六、結(jié)論

本文通過對車轍試驗的原理、實驗方法、實驗數(shù)據(jù)分析的闡釋，詳盡地解釋了高溫下瀝青路面車轍實驗的研究方法，為高性能瀝青的研究發(fā)展提展示了一種科學的方法。

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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

[責任編輯 吳 迪]