瀝青混合料抗車轍性能評(píng)價(jià)研究綜述

易 斌 張 鵬 沈菊男

(蘇州科技大學(xué)道路工程研究中心，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

車轍是瀝青路面最常見的病害之一。瀝青混合料是一種典型的粘彈性材料，其物理力學(xué)性能隨著溫度和荷載作用的改變而改變。由于材料的自身特性和外部環(huán)境因素的多樣性，使得瀝青路面結(jié)構(gòu)的車轍病害成為一個(gè)世界性的難題，而瀝青路面永久變形的研究一直都是國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。影響瀝青路面車轍形成的因素主要包括瀝青的性質(zhì)、集料的性質(zhì)、混合料級(jí)配的組成等。當(dāng)然還有外部條件的變化，比如環(huán)境溫度的上升、汽車荷載的增加等一系列原因。那么如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車轍性能對(duì)混合料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的意義。

1 關(guān)于瀝青混合料車轍評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)研究進(jìn)展

王端宜等[1]提出了基于粗集料接觸點(diǎn)數(shù)量來評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗車轍性能，它是通過集料接觸點(diǎn)數(shù)量的增加多少與集料傾角均值的減小程度來判斷混合料的高溫性能，應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)進(jìn)行分析。但集料接觸點(diǎn)增加越多，集料傾角均值減小越小，瀝青混合料的車轍深度越小，抗車轍性能越好。研究表明粗集料級(jí)配多的骨架型混合料的抗車轍性能比較好。

張德育等[2]對(duì)瀝青混合料車轍試件建立二維離散元模型，并進(jìn)行車轍試驗(yàn)二維離散元模擬。通過PFC3D自動(dòng)識(shí)別不同時(shí)刻聚粒集料的質(zhì)心位置及角速度來分析瀝青混合料永久變形過程中粗集料的空間運(yùn)動(dòng)情況來評(píng)價(jià)混合料的抗車轍性能。

級(jí)配中含有較多粗集料能增加瀝青混合料的抗車轍性能，這與較大粒徑的瀝青混合料的粗集料骨架作用和抗塑性變形能力更強(qiáng)有關(guān)。在采用粗集料較多的級(jí)配時(shí)選用合理的車轍試件厚度對(duì)車轍的評(píng)價(jià)也至關(guān)重要。趙彬強(qiáng)等[3]對(duì)瀝青混合料車轍試件壓實(shí)厚度進(jìn)行研究，推薦8 cm作為L(zhǎng)SPM-30車轍試件的標(biāo)準(zhǔn)厚度。此外還提出用初始變形階段曲線的割線斜率d1來表征瀝青混合料路面的早期車轍情況，線性發(fā)展階段曲線的割線斜率d2來表征瀝青路面的長(zhǎng)期高溫穩(wěn)定性。經(jīng)過分析兩個(gè)指標(biāo)能夠合理的用于評(píng)價(jià)大粒徑瀝青混合料的早期車轍深度和長(zhǎng)期高溫穩(wěn)定性。

S.P.Atul Narayan等[4]研究瀝青的力學(xué)性能如何影響瀝青混合料的整體非線性行為，分析了這些力學(xué)性能與瀝青混合料路面車轍深度的相關(guān)性，并基于已開發(fā)的非線性粘彈性模型對(duì)瀝青混合料的車轍發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)。

為了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)瀝青路面結(jié)構(gòu)抗車轍性能的評(píng)價(jià)，張爭(zhēng)奇等[5]采用現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣的圓柱形試件進(jìn)行車轍實(shí)驗(yàn)，并采用有限元法分析用該圓柱形試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)的可行性，還提出了試驗(yàn)的方法和標(biāo)準(zhǔn)。謝玲兒等[6]研究了采用圓柱形試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。研究表明，對(duì)于改性瀝青混合料，試驗(yàn)溫度為70 ℃時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度具有良好的區(qū)分度；試件在成型后需至少放置2 d來保證改性瀝青充分固化；試件拼接縫需保證在8 mm之內(nèi)，否則試驗(yàn)結(jié)果無效。李衛(wèi)勇等[7]將國(guó)標(biāo)下的圓柱形試件車轍動(dòng)穩(wěn)定度分別與漢堡車轍試驗(yàn)的車轍深度、APA車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度和MMLS3試驗(yàn)蠕變速率進(jìn)行相關(guān)性分析，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示相關(guān)性分別為0.930 3,0.987 5,0.900 3，說明了采用圓柱形試件國(guó)標(biāo)車轍試驗(yàn)方法是可行的。張苛等[8]對(duì)圓柱形試件車轍動(dòng)穩(wěn)定度和板式試件車轍動(dòng)穩(wěn)定度建立了換算公式，并且建立了圓柱形試件車轍試驗(yàn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，為現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)瀝青混合料路面的抗車轍性能提供了依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在瀝青混合料車轍發(fā)展預(yù)估方面也做了許多研究。Weiguang Zhang等[10]基于漢堡車輪跟蹤測(cè)試對(duì)瀝青混合料車轍發(fā)展進(jìn)行預(yù)估。RRI是基于漢堡車輪試驗(yàn)開發(fā)出來評(píng)價(jià)瀝青混合料的一個(gè)參數(shù)。如圖1所示為RRI、漢堡車轍深度與現(xiàn)場(chǎng)車轍深度的相關(guān)關(guān)系，可以看出RRI、漢堡車轍深度與現(xiàn)場(chǎng)車轍深度沒有相關(guān)性，這表明單獨(dú)的漢堡車轍測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)車轍深度沒有很強(qiáng)的關(guān)系。研究人員將標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)、路面交通量、RRT、路面齡期、路面結(jié)構(gòu)綜合考慮建立車轍預(yù)估模型如式(1)所示，并用Loocv方法驗(yàn)證車轍深度模型，相關(guān)關(guān)系如圖2所示,擬合方程相關(guān)性表明模型預(yù)估現(xiàn)場(chǎng)車轍深度需要綜合考慮各方面因素的影響。

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 基于車轍試驗(yàn)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)改進(jìn)的研究進(jìn)展

目前，國(guó)內(nèi)外院校和科研機(jī)構(gòu)用來評(píng)價(jià)瀝青混合料車轍性能的試驗(yàn)方法很多。國(guó)內(nèi)最主要采用車轍試驗(yàn)并以動(dòng)穩(wěn)定度(DS)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來判斷瀝青混合料的抗車轍性能。動(dòng)穩(wěn)定度公式選取的是車轍試驗(yàn)中第45 min和第60 min的車轍深度。因此，動(dòng)穩(wěn)定度值的大小僅僅反映的是45 min～60 min時(shí)間段內(nèi)瀝青混合料的抗車轍能力，忽略了車轍試驗(yàn)中初始?jí)簩?shí)產(chǎn)生的永久變形對(duì)車轍深度的影響，這導(dǎo)致動(dòng)穩(wěn)定度值的大小有時(shí)與車轍深度不符。另外，改性瀝青混合料的車轍曲線在45 min～60 min時(shí)間段內(nèi)趨勢(shì)趨于平緩，那么d60～d45的差值就非常小，這也導(dǎo)致DS值存在相對(duì)誤差的變大的可能性?；趧?dòng)穩(wěn)定度值評(píng)價(jià)改性瀝青混合料存在的誤差，許多學(xué)者和研究人員對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了研究。

岳學(xué)軍等[11]分析了上面層動(dòng)穩(wěn)定度、中下面層動(dòng)穩(wěn)定度與相對(duì)變形之間的相關(guān)關(guān)系，研究表明當(dāng)車轍試驗(yàn)測(cè)試的動(dòng)穩(wěn)定度數(shù)據(jù)較小時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度與相對(duì)變形具很好的相關(guān)關(guān)系；當(dāng)動(dòng)穩(wěn)定度數(shù)據(jù)很大時(shí)二者的相關(guān)關(guān)系較差。我國(guó)采用動(dòng)穩(wěn)定度來評(píng)價(jià)瀝青混合料路面的抗車轍性能是一個(gè)間接指標(biāo)，加之國(guó)產(chǎn)車轍儀測(cè)量變形的精度不是很高，因此試驗(yàn)誤差比較大。

Kim等[12]將車轍試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)增加到3 600次，并對(duì)DS評(píng)價(jià)的計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)見式(2)～式(4)：

(2)

(3)

(4)

其中,D500，D1 500，D1 800,D2 500，D3 000，D3 600分別是試驗(yàn)輪在500 cycle，1 800 cycle，2 500 cycle，3 000 cycle，3 600 cycle時(shí)車轍深度，mm。

將改進(jìn)后公式得到的數(shù)值與車轍深度進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析，研究表明3個(gè)公式均符合實(shí)際情況。

鄭傳峰等[13]研究改進(jìn)了DS判定標(biāo)準(zhǔn)，采用0 min～60 min時(shí)段內(nèi)全程求解動(dòng)穩(wěn)定度，將全程變形都考慮在內(nèi)，其計(jì)算方法如式(5)所示：

(5)

研究人員對(duì)不同成型荷載試件的車轍試驗(yàn)用DS和DSwp分別計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明不同成型荷載下用全程動(dòng)穩(wěn)定法DSwp分析都與瀝青混合料實(shí)際抗車轍能力保持了很好的一致性，而用DS計(jì)算結(jié)果分析存在誤差。這說明對(duì)車轍試驗(yàn)全過程進(jìn)行分析對(duì)評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車轍性能有參考意義。

動(dòng)穩(wěn)定度值(DS)表示的是壓實(shí)穩(wěn)定期漸近線的斜率，僅僅考慮了壓實(shí)穩(wěn)定期的剪切流動(dòng)變形增長(zhǎng)的速率，忽略了壓實(shí)過渡期的變形，從而導(dǎo)致動(dòng)穩(wěn)定指標(biāo)不能很好的反映實(shí)際情況。方昊等[14]也對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算公式進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了壓實(shí)過渡期產(chǎn)生的永久變形對(duì)車轍總變形的影響。

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三種不同的荷載組合分別在30 ℃,40 ℃,50 ℃,60 ℃,70 ℃試驗(yàn)溫度下進(jìn)行車轍試驗(yàn)，每個(gè)荷載階段作用次數(shù)分別是10 000 cycles，5 000 cycles，5 000 cycles。車轍曲線在低于50 ℃的溫度下，車轍發(fā)展的速度是線性的，但在較高的溫度下呈指數(shù)增長(zhǎng)，這說明溫度是比荷載作用順序影響車轍形成更顯著的因素。三種不同荷載組合的車轍曲線在第一階段產(chǎn)生的永久變形比重都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后二階段的比重，這說明車轍變形在前10 000 cycles已經(jīng)發(fā)展充分。

3 結(jié)語(yǔ)

瀝青混合料車轍問題一直都是國(guó)內(nèi)外研究人員研究的熱門課題。現(xiàn)在研究工作已經(jīng)從單一因素評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)到車轍模擬預(yù)測(cè)和多個(gè)因素評(píng)價(jià)指標(biāo)，由于瀝青混合料外在環(huán)境因素過于復(fù)雜，若采用模型來對(duì)車轍發(fā)展進(jìn)行預(yù)估，可靠性無法得到保證，各個(gè)混合料之間也很難有統(tǒng)一的預(yù)估模型。利用國(guó)內(nèi)外常用的車轍試驗(yàn)得出可靠的評(píng)價(jià)指標(biāo)是值得研究的。對(duì)于國(guó)產(chǎn)車轍儀器車轍試驗(yàn)得到的DS計(jì)算公式還需要進(jìn)一步的研究、驗(yàn)證，如試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)時(shí)間、荷載壓力等。瀝青車轍試驗(yàn)產(chǎn)生的永久變形是由壓實(shí)過渡期的變形和壓實(shí)穩(wěn)定期的變形組成，所以需要把壓實(shí)過渡期的變形也要在指標(biāo)中體現(xiàn)出來?；诂F(xiàn)有的研究進(jìn)展，對(duì)于車轍試驗(yàn)DS計(jì)算方法的研究工作可進(jìn)一步開展。