萬(wàn)頃

(中國(guó)人民解放軍廣東省珠海警備區(qū)， 廣東珠海 440400)

瀝青混合料車轍試驗(yàn)方法、指標(biāo)及影響因素研究綜述

萬(wàn)頃

(中國(guó)人民解放軍廣東省珠海警備區(qū)， 廣東珠海 440400)

車轍病害已經(jīng)成為我國(guó)主要路面形式-瀝青路面的主要病害。國(guó)內(nèi)研究人員為此做了大量預(yù)防與檢驗(yàn)車轍病害的車轍試驗(yàn)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo),以及影響因素的研究。但未有關(guān)于這些研究系統(tǒng)而全面的介紹與分析。為此,全面、系統(tǒng)地介紹與分析車轍試驗(yàn)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo),以及影響因素非常必要。

瀝青混合料;車轍試驗(yàn);試驗(yàn)方法;評(píng)價(jià)指標(biāo);影響因素

0 前言

瀝青路面不僅是我國(guó)公路路面鋪裝的重要形式,而且已經(jīng)成為市政道路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)的主力軍。然而,經(jīng)濟(jì)發(fā)展大大推動(dòng)了我國(guó)車輛數(shù)量、重量,以及形式向著多元化、重載化、量增化的方向急速前行的同時(shí),給瀝青道路帶來(lái)了嚴(yán)重壓力,車轍病害頻發(fā),嚴(yán)重破壞瀝青路面,同時(shí)也造成了潛在道路安全問(wèn)題。

因此,瀝青路面鋪裝不但要應(yīng)用抗車轍性能良好的瀝青混合料,而且要在應(yīng)用瀝青混合料之前進(jìn)行科學(xué)、系統(tǒng)的抗車轍試驗(yàn)。由于受不同因素和條件的影響,現(xiàn)有抗車轍性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)及方法不具備普適性,存在一定的局限性和不足。為此,國(guó)內(nèi)道路領(lǐng)域科研人員對(duì)此進(jìn)行了大量詳細(xì)而深入研究?？傮w上,研究?jī)?nèi)容包括車轍方法研究、評(píng)價(jià)指標(biāo)研究,以及影響因素研究三個(gè)方面。而本文將較為系統(tǒng)而全面地介紹目前國(guó)內(nèi)在這三個(gè)方面的研究狀況。

1 車轍試驗(yàn)方法及研究簡(jiǎn)述

目前國(guó)內(nèi)外常用的車轍試驗(yàn)方法以法國(guó)瀝青路面車轍儀(PRT)、漢堡輪轍設(shè)備(WTD)、佐治亞瀝青路面分析儀(APA),以及我國(guó)國(guó)產(chǎn)車轍試驗(yàn)儀為主。美國(guó)國(guó)家瀝青技術(shù)中心(NCAT),以及其它相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)APA與路面實(shí)際使用性能相關(guān)性較好［1］。旋轉(zhuǎn)輪轍儀(RLWT)［2］產(chǎn)于20世紀(jì)90年代末的美國(guó),便攜簡(jiǎn)單,適用于施工質(zhì)量控制和對(duì)車轍病害路段進(jìn)行調(diào)查分析。

我國(guó)規(guī)范中的車轍試驗(yàn)使用的是國(guó)產(chǎn)車轍試驗(yàn)儀。賈娟等人［3］通過(guò)采用國(guó)標(biāo)車轍試驗(yàn)儀、佐治亞瀝青路面分析儀(APA)、旋轉(zhuǎn)輪轍儀(RLWT)對(duì)AC-13、AC-20、AC-25三種不同粒徑瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)國(guó)標(biāo)車轍試驗(yàn)的變形深度最大,2000次加載次數(shù)時(shí),變形深度是APA結(jié)果的1.6倍,RLWT的8.3倍;APA與RLWT都以最終的車轍深度來(lái)評(píng)價(jià)抗車轍能力,但它們之間的相關(guān)性較差。相比之下,國(guó)產(chǎn)車轍試驗(yàn)儀更適合我國(guó)交通和道路情況。

2 國(guó)標(biāo)車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

國(guó)標(biāo)車轍試驗(yàn)儀評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車轍性能采用的常用指標(biāo)參數(shù)包括動(dòng)穩(wěn)定度、絕對(duì)變形量、相對(duì)變形率、蠕變率等,受試件制作、碾壓次數(shù)、溫度等眾多內(nèi)外因素的影響,上述幾種評(píng)價(jià)指標(biāo)存在或多或少的局限性。

在國(guó)內(nèi),王旭東［4］相對(duì)較早地根據(jù)現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程計(jì)算了瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度和相對(duì)變形指標(biāo),發(fā)現(xiàn)兩者存在較明顯的差別,認(rèn)為從概念和實(shí)際操作性角度,相對(duì)變形指標(biāo)比動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)更加合理。曹林濤等人［5］通過(guò)比較研究室內(nèi)車轍試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)加速加載試驗(yàn)(ALF),發(fā)現(xiàn)蠕變率和相對(duì)變形參數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)論相同,且與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際一致,建議采用蠕變率和相對(duì)變形聯(lián)合評(píng)價(jià)瀝青混合料車轍試驗(yàn)。向晉源［6］進(jìn)行車轍試驗(yàn)研究,認(rèn)為由于動(dòng)穩(wěn)定度、絕對(duì)變形量、相對(duì)變形率均是實(shí)測(cè)值,會(huì)受到實(shí)測(cè)值和試件中的誤差影響,試驗(yàn)重現(xiàn)性不好,而通過(guò)SPT試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析認(rèn)為修正后動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)混合料抗車轍性能更加合理,而修正后的相對(duì)變形率在控制變形(車轍)深度更加有效,兩者聯(lián)合作為車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)更好。

王淑娟［7］對(duì)瀝青混合料的車轍試驗(yàn)、蠕變勁度試驗(yàn)、高溫抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)及對(duì)應(yīng)實(shí)體工程車轍深度的跟蹤觀測(cè)研究表明0.7 MPa 荷載條件下,瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度及相對(duì)變形、蠕變勁度、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)之間有較好的一致性,與現(xiàn)場(chǎng)瀝青路面高溫性能之間無(wú)明顯相關(guān)性;1.05 MPa荷載、50%保證率溫度條件下,瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度與現(xiàn)場(chǎng)瀝青路面高溫性能間具有良好的相關(guān)性。胡曉倩等人［8］研究6種瀝青混合料的車轍試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):同一瀝青混合料在相同試驗(yàn)條件,最大變形量與動(dòng)穩(wěn)定度值存在矛盾性,而用車轍變形曲線橫坐標(biāo)上的 20 min和60 min對(duì)應(yīng)車轍變形曲線圍成的閉合區(qū)域的面積定義并衡量瀝青混合料的抗車轍性能,與最大變形量實(shí)現(xiàn)了良好的相關(guān)性,較動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)更具科學(xué)性。

較為詳細(xì)及全面的國(guó)內(nèi)關(guān)于車轍試驗(yàn)的典型評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式或表達(dá)方式可參見(jiàn)表1所列。

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究,可以發(fā)現(xiàn)用相對(duì)變形評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車轍性能較為合理,且無(wú)論修正后的相對(duì)變形指標(biāo),還是相對(duì)變形與蠕變率、相對(duì)變形率、動(dòng)穩(wěn)定度等指標(biāo)聯(lián)合均能較好地實(shí)現(xiàn)室內(nèi)測(cè)試與路面實(shí)際車轍良好的關(guān)聯(lián)性。

3 影響車轍試驗(yàn)因素的研究

影響車轍試驗(yàn)的因素非常多,可分成試件制作和試驗(yàn)條件兩類,目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行了研究的影響因素可參見(jiàn)表2所列。下面將就這兩個(gè)方面影響因素的研究情況做詳細(xì)介紹與分析。

3.1 試件

3.1.1 材料、級(jí)配及制樣

瀝青混合料由瀝青、集料,以及礦粉混合組成,這些材料的物理力學(xué)直接影響瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性［9］。集料的不規(guī)則形、堿性程度,瀝青種類、粘附性,級(jí)配粗細(xì)搭配情況,以及制樣過(guò)車的質(zhì)量和穩(wěn)定性控制等都對(duì)后續(xù)車轍試驗(yàn)、穩(wěn)定性、變異性、準(zhǔn)確性及科學(xué)性產(chǎn)生關(guān)鍵影響［10］。

3.1.2 試件尺寸

尹峰等人結(jié)合Finn等,根據(jù)AASHO試驗(yàn)路觀測(cè)結(jié)果得的兩種車轍預(yù)估公式,發(fā)現(xiàn)車轍隨厚度變化的趨勢(shì)基本符合Finn得出的規(guī)律,試件轍槽深度(永久變形量)隨厚度增加而增加,動(dòng)穩(wěn)定度則隨厚度增加而減?。?1］。石立萬(wàn)等人研究認(rèn)為全厚度車轍試驗(yàn)可作為常規(guī)瀝青混合料車轍試驗(yàn)的補(bǔ)充,對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的整體抗車轍性能進(jìn)行檢驗(yàn),其評(píng)價(jià)指標(biāo)可沿用單層瀝青混合料車轍控制的指標(biāo),即以車轍試驗(yàn)45～60 min時(shí)的車轍變形計(jì)算全厚度車轍動(dòng)穩(wěn)定度［12］。

此外,根據(jù)國(guó)標(biāo)車轍試驗(yàn)規(guī)定: 輪碾成型采用300 mm×300 mm×50 mm； 現(xiàn)場(chǎng)切割采用300 mm× 150 mm ×50 mm。而我國(guó)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ014 -97)推薦的高速公路的瀝青層厚度為12～18 cm,而我國(guó)普遍采用的是4 cm、5 cm、6 cm的結(jié)構(gòu),這與5 cm的試件總厚度有較大的差距。因此,只用 5 cm 厚的試件來(lái)模擬整個(gè)路面的車轍,顯然是不合適的。

表1 車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式或表達(dá)方式統(tǒng)計(jì)一覽表［4-9］

表2 影響車轍試驗(yàn)的因素一覽表

因此,為了保證馬歇爾車轍試驗(yàn)的可靠性、穩(wěn)定性,需要在進(jìn)行試驗(yàn)制作過(guò)程中,確保材料的均勻性、級(jí)配唯一性、制樣過(guò)程的嚴(yán)格控制,以及根據(jù)實(shí)際路面情況調(diào)整車轍試驗(yàn)厚度,厚度偏差盡量小。

3.2 試驗(yàn)條件

我國(guó)現(xiàn)行國(guó)標(biāo)車轍試驗(yàn)條件(見(jiàn)表3)已難適應(yīng)和滿足高低溫、重載、超載及大坡度等實(shí)際瀝青路面要求。為此國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了溫度、速度、時(shí)間、荷載、坡度等多方面車轍試驗(yàn)條件研究。

表3 國(guó)標(biāo)車轍試驗(yàn)條件一覽表

3.2.1 溫度

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性決定了路面抗車轍能力,尤其在炎熱夏季，氣溫高，局部高溫地區(qū)可突破40℃，路表面溫度達(dá)到70℃,室內(nèi)試驗(yàn)通過(guò)改變溫度進(jìn)行車轍試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果顯示,瀝青混合料車轍動(dòng)穩(wěn)定度隨試驗(yàn)溫度的升高,呈直線下降趨勢(shì),其車轍深度隨試驗(yàn)溫度的升高而加深，具有良好的二次線性關(guān)系［11］。

彭浩等人［13］取標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的荷載0.7MPa、不浸水狀態(tài),而溫度分別取為40℃、50℃、60℃,對(duì)瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析,發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高,動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)衰減的趨勢(shì),并且下降的速率隨溫度的升高急劇增大,當(dāng)溫度從40℃上升到50℃時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度衰減了18.9%,當(dāng)溫度從50℃上升到60℃時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度衰減了60.2%。

關(guān)宏信［14］等人則通過(guò)改變荷載和輪碾速度,考察了30℃、45℃及60℃的車轍指標(biāo),發(fā)現(xiàn)重載和低速的聯(lián)合很容易影響車轍指標(biāo),45℃車轍試驗(yàn)溫度下的車轍指標(biāo)值劣于60℃、標(biāo)準(zhǔn)輪壓和標(biāo)準(zhǔn)輪碾速度條件下的結(jié)果;而在30℃試驗(yàn)溫度下,即使有重載和低速的聯(lián)合影響,車轍指標(biāo)值仍然好于60℃、標(biāo)準(zhǔn)輪壓和標(biāo)準(zhǔn)輪碾速度條件下的結(jié)果。

3.2.2 荷載

彭浩等人［13］在標(biāo)準(zhǔn)溫度和濕度試驗(yàn)條件下,分別取為0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa,進(jìn)行對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)隨著荷載增加,動(dòng)穩(wěn)定度呈現(xiàn)一直下降的趨勢(shì),并且下降的幅度比較大,當(dāng)荷載從0.7 MPa增加到0.8 MPa,以及由0.8 MPa增加到0.9 MPa時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度分別下降了53.5%和43.7%,表明荷載對(duì)瀝青混合料的高溫性能的影響非常大,在設(shè)計(jì)重載交通的路面時(shí),要特別注意荷載對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響。由于我國(guó)的車輛趨于重型化,各主要路線均存在嚴(yán)重的超載、重載現(xiàn)象,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了 0.7 MPa,甚至達(dá)到了1.2 MPa［15］。因此現(xiàn)行的車轍試驗(yàn)的荷載偏小,已不能客觀地評(píng)價(jià)實(shí)際軸載造成的車轍情況,因此,試驗(yàn)荷載亟待提高。此外,實(shí)驗(yàn)室車轍的加載形式主要是豎向荷載,但是實(shí)際路面除了豎向荷載外,還要考慮水平剪力的影響。

3.2.3 速度、時(shí)間及坡度

變速車轍試驗(yàn)結(jié)果表明重載低速嚴(yán)重影響瀝青混合料車轍性能,建立動(dòng)穩(wěn)定度隨試驗(yàn)輪行走速度的變化方程,可以將低速下的動(dòng)穩(wěn)定度值轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的動(dòng)穩(wěn)定度值［16］。

大部分典型車轍試驗(yàn)的時(shí)間超過(guò)2 h,劉毅等人［17］通過(guò)車轍試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間不能改善試驗(yàn)結(jié)果的平行性,但有助于不同瀝青混合料的區(qū)分,不同荷載與溫度條件下的車轍試驗(yàn),其試驗(yàn)時(shí)間不是材料失穩(wěn)的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有的車轍試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為60 min,而有關(guān)分析與研究認(rèn)為,當(dāng)室內(nèi)試驗(yàn)輪碾速度變化時(shí),不應(yīng)該把試驗(yàn)時(shí)間還定為60 min,而應(yīng)該保證每次試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)輪對(duì)試件總的輪碾次數(shù)不變,如當(dāng)輪碾速度為標(biāo)準(zhǔn)輪碾速度的n倍時(shí)，那么試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)調(diào)節(jié)為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)間的1/n倍［14］。

通過(guò)將車轍儀一端墊高來(lái)改變坡度,測(cè)得數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn),隨著坡度的增大,車速越小,坡度越大車轍深度增加的幅度越大［11］。

總之,影響車轍試驗(yàn)的試驗(yàn)因素很多,還包括濕度、養(yǎng)生時(shí)間、輪碾次數(shù)等等［18］,對(duì)此,要根據(jù)國(guó)內(nèi)不同區(qū)域的氣候、溫度、交通狀況、坡度等情況,選擇合理而穩(wěn)定的制樣條件,科學(xué)合適的試驗(yàn)溫度、荷載、速度及試驗(yàn)條件,不能照搬規(guī)程規(guī)定的試驗(yàn)條件。

4 總結(jié)

本文在簡(jiǎn)述國(guó)內(nèi)外車轍試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上,較為系統(tǒng)而全面地介紹和分析了國(guó)內(nèi)車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo),以及車轍試驗(yàn)影響因素的有關(guān)研究成果與結(jié)論。關(guān)于國(guó)內(nèi)在這三個(gè)方面的研究結(jié)果和成果可總結(jié)如下:

(1)目前主要的車轍試驗(yàn)測(cè)試以國(guó)標(biāo)車轍試驗(yàn)、佐治亞瀝青路面分析儀、旋轉(zhuǎn)輪轍儀為主,我國(guó)普遍采用國(guó)標(biāo)車轍試驗(yàn)儀。

(2)研究表明,在多種評(píng)價(jià)指標(biāo)當(dāng)中,相對(duì)變形指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車轍性能較為合理,且無(wú)論修正后的相對(duì)變形指標(biāo),還是相對(duì)變形與蠕變率、相對(duì)變形率、動(dòng)穩(wěn)定度等指標(biāo)聯(lián)合均能較好實(shí)現(xiàn)室內(nèi)測(cè)試與路面實(shí)際車轍良好的關(guān)聯(lián)性。

(3)只有確保材料均勻、級(jí)配唯一、制樣過(guò)程嚴(yán)格、試件尺寸厚度與實(shí)際相符的制樣條件,以及因地制宜的試驗(yàn)溫度、荷載、速度、坡度等試驗(yàn)條件下,才能將各種車轍試驗(yàn)影響因素控制在于實(shí)際車轍情況相符合的范圍內(nèi),試驗(yàn)結(jié)果才能更為客觀、穩(wěn)定、可靠的反應(yīng)實(shí)際路面車轍情況。

總之,隨著我國(guó)道路,尤其瀝青路面事業(yè)的發(fā)展,車轍試驗(yàn)方法及影響因素必將發(fā)生變化,道路從業(yè)和研究人員與時(shí)俱進(jìn),將會(huì)進(jìn)一步積極探索和研究。

［1］ Williams R C and Prowell B D.Comparison of Laboratory Wheel Tracking Results to WesTrack Performance ［A］ . Preprint. Annual Meeting of Transportation Research Board， Washington， D.C.1999.

［2］ Powell R B.Laboratory Performance Testing for the NCAT Pavement Test Track ［A］. Annual Meeting of Transportation Research Board， Washington， D.C.2003.

［3］ 賈娟， 張肖寧.瀝青混合料車轍試驗(yàn)方法的比較分析［J］.公路，2004， (11):199-203.

［4］王旭東， 何兆益. 瀝青混凝土動(dòng)穩(wěn)定度和相對(duì)變形指標(biāo)的研究［J］.重慶交通學(xué)院 學(xué)報(bào)， 2000，19(3):44-46.

［5］ 曹林濤， 李立寒， 孫大權(quán),等. 瀝青混合料車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)研究［J］武漢理 工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2007， 29(11): 14-17.

［6］ 向晉源， 孫杰. 瀝青混合料車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)研究［J］.石油瀝青， 2009， 23(4):9-12.

［7］ 王淑娟. 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)與現(xiàn)場(chǎng)車轍深度的相關(guān)性分析［J］.公路交通技術(shù)， 2011， (4):35-38.

［8］ 胡曉倩， 葛折圣， 王建萍. 瀝青混合料抗車轍性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程， 2012， 12 (31):8304-8037.

［9］ JTG E20-2011， 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［10］ 黃明星， 鞠亞娟， 王軍. 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)檢測(cè)方法及其影響因素［J］.工程技術(shù)， 2013， (10):247.

［11］ 尹峰， 張宏武. 試驗(yàn)條件對(duì)車轍試驗(yàn)影響的研究［J］.內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸， 2007， (99):9-13.

［12］ 石立萬(wàn)， 王端宜， 吳瑞麟. 溫度荷載聯(lián)合作用下瀝青路面全厚度車轍研究 ［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2013， 41 (11):37-40.

［13］ 彭浩， 楊濤， 鮮銘明,等. 環(huán)境及荷重變化條件下的瀝青混合料車轍試驗(yàn)研究［J］.道路工程， 2012， (3):83-86.

［14］ 關(guān)宏信， 張起森， 徐暘等. 瀝青混合料中溫車轍試驗(yàn)研究［J］.公路交通科技， 2010， 27(11):38-42.

［15］ 溫志華， 劉英勇， 陳剛. 瀝青混合料車轍試驗(yàn)方法與指標(biāo)的局限性分析［J］.北方交通， 2011， (9):21-23.

［16］ 關(guān)宏信， 張起森， 徐暘,等. 低速行車條件下瀝青混合料抗車轍性能試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)， 2010，43(10):130-134.

［17］ 劉毅， 李永斌. 瀝青混合料車轍試驗(yàn)時(shí)間研究 ［J］.交通科技，2014，(2)122-124.

［18］ 王昌衡， 龔平，盧少林. 瀝青混合料車轍試驗(yàn)的影響因素分析［J］.西部探礦工程， 2005， (7):152-153.

U416.217

A

1009-7716(2015)03-0138-04

2014--12-22

萬(wàn)頃(1985-),男,湖南岳陽(yáng)人,工程師,從事工程項(xiàng)目管理工作。