高速公路路面抗車(chē)轍性能分析

余輝耀

（1.岳陽(yáng)市公路橋梁基建總公司，湖南岳陽(yáng)414000；2.岳陽(yáng)縣岳路供水有限公司，湖南岳陽(yáng)414000）

1 引言

車(chē)轍現(xiàn)象是高速公路的主要病害形式之一，它是指路面性能不佳時(shí)，高載量的機(jī)動(dòng)車(chē)經(jīng)過(guò)會(huì)引起車(chē)輪外緣輪跡路面的部分凹陷或隆起，是一種永久形變性質(zhì)的路面損壞。出現(xiàn)車(chē)轍現(xiàn)象的路面，若機(jī)動(dòng)車(chē)不減速行駛，很容易因跳車(chē)現(xiàn)象導(dǎo)致交通事故發(fā)生，若是高速路段出現(xiàn)車(chē)轍問(wèn)題，將會(huì)給城市交通帶來(lái)極大的隱患。因此，深入探究路面的抗車(chē)轍性能，是具有現(xiàn)實(shí)意義的。

2 影響路面抗車(chē)轍性能的主要因素

2.1 路面內(nèi)因問(wèn)題

若是路面密實(shí)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，當(dāng)車(chē)輛荷載經(jīng)過(guò)時(shí)，很容易使這種路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性被破壞，引起局部荷載失衡產(chǎn)生車(chē)轍[1]。另一方面瀝青材料與集料本身的質(zhì)量問(wèn)題，也會(huì)使路面抗車(chē)轍性能受到影響。

2.2 外部環(huán)境原因

瀝青材料是一種流動(dòng)性較差的液體，高速公路面層的穩(wěn)定性與瀝青材料的黏度有著密切關(guān)聯(lián)。正常情況下，它能與集料很好地結(jié)合為一個(gè)具有抗蠕變性的整體結(jié)構(gòu)。但在夏季高溫環(huán)境下，高速公路的溫度急劇升高，導(dǎo)致瀝青黏度急劇下降，在受到荷載作用時(shí)，很容易使瀝青橫向流動(dòng)，從而使路面產(chǎn)生永久剪切形變。除了環(huán)境誘因以外，渠化交通也是路面抗車(chē)轍性能下降的主要原因，路面反復(fù)被車(chē)輪碾壓的部位長(zhǎng)期受到荷載作用，尤其是一些上坡路段，由于行車(chē)速度較慢，車(chē)輛靜荷載作用面積較大，會(huì)催化車(chē)轍現(xiàn)象形成[2]。

3 抗車(chē)轍性能研究思路

首先，用動(dòng)穩(wěn)定度DS 表征法，將瀝青面層以5 cm 為單位，分為上下兩個(gè)薄層，在分析過(guò)程中，將各個(gè)薄層受到碾壓的塑性形變分別求出，而后再將各個(gè)薄層的形變量結(jié)果疊加在一起，求出瀝青路面的車(chē)轍形變。瀝青混合料是一種帶有黏性彈塑性質(zhì)的材料，在路面荷載狀態(tài)下，車(chē)轍深度只與瀝青面層的應(yīng)力狀態(tài)、瀝青層的塑性應(yīng)變與荷載特性有關(guān)。而瀝青面層的塑性應(yīng)變與荷載特性等方面的差異，又是來(lái)自路面溫度、混合料壓實(shí)度、結(jié)構(gòu)層變形累積以及瀝青混合料的材料特性差異。因此，通過(guò)DS 表征法，能夠清楚直觀地反映出高速公路路面抗車(chē)轍性能與混合料及材料組合方式的關(guān)系[3]。

試驗(yàn)選用了不同瀝青混合料類型的組合方式，選出14 中排列組合。為了能夠真實(shí)模擬高速公路路面的荷載情況，試驗(yàn)中將每組試樣在上下分層的基礎(chǔ)上，底層加設(shè)5 cm 密實(shí)度為98%的夯實(shí)砂層作為路基結(jié)構(gòu)，4 組獨(dú)立試樣的材料截面尺寸均為30 cm×30 cm。為了強(qiáng)化粘連效果，在每組模擬路面試樣的分層界面撒布一層瀝青。

在動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，同步記錄試樣路面溫度與最大形變量的變化，而后用灰關(guān)聯(lián)度排序法，來(lái)分析比較試驗(yàn)中各個(gè)變量對(duì)抗車(chē)轍性能的影響程度。

4 車(chē)轍試驗(yàn)輪行進(jìn)操作

車(chē)轍試驗(yàn)嚴(yán)格按照J(rèn)TG E20—2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。首先，將保溫箱內(nèi)的路面試樣連同磨具一同放置在車(chē)轍試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)上，調(diào)整車(chē)轍試驗(yàn)輪起始位置位于瀝青混合料試樣的中心位置，且必須確保車(chē)轍試驗(yàn)輪與試樣的末次碾壓方向?yàn)橥颉４_保試樣與試驗(yàn)臺(tái)接觸良好，校準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)輪位置準(zhǔn)確后，啟動(dòng)車(chē)轍試驗(yàn)機(jī)，并驅(qū)動(dòng)車(chē)轍試驗(yàn)輪向前推進(jìn)與后撤，在試驗(yàn)?zāi)雺簳r(shí)，必須要確保試驗(yàn)輪全過(guò)程都與試樣存在有效接觸面積，車(chē)轍試驗(yàn)輪往復(fù)行走時(shí)長(zhǎng)不得小于1 h[5]。在試驗(yàn)開(kāi)始前，還要在試件未受試驗(yàn)輪碾壓的部位埋入安裝一個(gè)熱電藕溫度計(jì)，開(kāi)始碾壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別記錄路面試樣的溫度變化曲線以及荷載形變量變化曲線。

5 動(dòng)穩(wěn)定度DS 的計(jì)算方法

在得出各組不同的瀝青混合料路面試樣經(jīng)過(guò)1 h 試驗(yàn)輪碾壓的溫度與形變變化曲線后，按照式（1）方法求出不同試樣的動(dòng)穩(wěn)定度DS 的值：

式中，T為試驗(yàn)輪碾壓時(shí)間全長(zhǎng)，即60 min；t為試驗(yàn)輪碾壓45 min 時(shí)長(zhǎng)；D為試驗(yàn)輪碾壓結(jié)束后儀器記錄的上下兩層塑性形變量總和；d為在碾壓第45 min 時(shí)刻對(duì)應(yīng)的路面試樣塑性形變量總和；C與c為試驗(yàn)修正系數(shù)。其中，C為試驗(yàn)機(jī)修正系數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)輪的驅(qū)動(dòng)模擬方式不同選擇對(duì)應(yīng)的取值，其中曲軸連桿驅(qū)動(dòng)的變速行走試驗(yàn)輪取值為1.0，鏈?zhǔn)絺鲗?dǎo)驅(qū)動(dòng)的等速代替試驗(yàn)輪取值為1.5；c為試樣修正系數(shù)，本文所用的30 cm×30 cm 實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)制樣取值1.0，瀝青路面切割面寬為150 mm 的試樣取值為0.8；N為試驗(yàn)輪的行進(jìn)碾壓頻率，次/min。計(jì)算得出動(dòng)穩(wěn)定度DS 單位為次/mm。

6 灰關(guān)聯(lián)分析法

除了物理力學(xué)試驗(yàn)以外，本文還采用了灰關(guān)聯(lián)法對(duì)各個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行分析，首先找出能夠反映系統(tǒng)特征的幾組參考變量數(shù)列，如AC-13 與AC-20 的材料差異，上下面層混合料的結(jié)構(gòu)差異、集料級(jí)配的差異等。而后對(duì)上述比較數(shù)列的差異性進(jìn)行無(wú)量綱化處理，求出各個(gè)差異值之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)xi?；谊P(guān)聯(lián)程度，就是指不同試樣溫度與形變曲線在幾何圖形上的變化程度，以曲線離散或靠攏的關(guān)系，來(lái)作為衡量灰色關(guān)聯(lián)程度的基本依據(jù)。其中灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)xi通過(guò)式（2）求出：

式中，Δ 為兩組數(shù)列之間的第二極差，若為最小差時(shí)，記作Δ（min），若為最大差時(shí)，記作Δ（max）；P為分辨修正系數(shù)，通常取值為0.5；Δoi為溫度與形變量曲線變化圖上某一參考點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲線變化絕對(duì)差值；k為差異數(shù)列的系數(shù)。求出灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)后，再將這個(gè)結(jié)果代入關(guān)聯(lián)度r的計(jì)算公式中：

關(guān)聯(lián)度r的值與1 的差值越小，則說(shuō)明對(duì)應(yīng)的兩組差異數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)性越高。最后對(duì)試驗(yàn)試樣的幾組變量控制對(duì)應(yīng)的差異數(shù)列按照關(guān)聯(lián)度大小的次序進(jìn)行排序描述，就能夠判別出各種不同因素對(duì)路面抗車(chē)轍性能的影響程度大小了[6]。

7 抗高溫穩(wěn)定性能與抗車(chē)轍性能之間的關(guān)系

通過(guò)以往的經(jīng)驗(yàn)以及大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以基本得出影響高速公路面層高溫穩(wěn)定性的主要因素有如下：瀝青拌和料、集料級(jí)配、混合料性能和集料性能。而瀝青的高溫穩(wěn)定性可以用瀝青材料的針入度來(lái)表示，鑒于瀝青材料黏度受溫度升高而降低的特性影響，本文考慮將針入度作為瀝青拌和料質(zhì)量的主要影響因素之一。所以說(shuō)瀝青材料的抗高溫性能，也是會(huì)影響路面抗車(chē)轍性能的主要參數(shù)，因此，在灰關(guān)聯(lián)分析法中，必須要將瀝青材料受碾壓后，溫度隨時(shí)間變化的曲線情況列入差異數(shù)列中。而通常情況下，瀝青材料的抗高溫性能往往與集料之間的間隙有關(guān)，也就是集料顆粒的直徑越大，理論上的抗高溫穩(wěn)定性能就越強(qiáng)。那么順著這個(gè)邏輯思路，通過(guò)集料的曲率系數(shù)與不均勻系數(shù)，就可以側(cè)面表征出瀝青材料的抗高溫穩(wěn)定性能。其中曲率系數(shù)CC的計(jì)算公式如式（4）：

式中，d60為集料顆粒質(zhì)量通過(guò)率為60%的顆粒直徑；d10為集料顆粒質(zhì)量通過(guò)率為10%的顆粒直徑。而不均勻系數(shù)Cu則是用來(lái)表示集料之間不同粒徑的顆粒分布情況的數(shù)值，它的計(jì)算公式為如式（5）：

理論上來(lái)講，上述兩個(gè)值越大，則說(shuō)明瀝青材料的抗高溫穩(wěn)定性能越好。

8 結(jié)果分析

8.1 高速公路路面抗車(chē)轍性能與瀝青材料之間的關(guān)系

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AC-13 瀝青材料的最大形變量遠(yuǎn)高于AC-20，動(dòng)穩(wěn)定度DS 值卻大于AC-20。在灰關(guān)聯(lián)度中，集料粒徑對(duì)抗車(chē)轍性能的影響程度最大，說(shuō)明瀝青混合材料的粒徑越大，路面獲得的抗車(chē)轍性能就越強(qiáng)。這說(shuō)明了動(dòng)穩(wěn)定度DS 值只能夠反映穩(wěn)定形變后瀝青材料荷載的形變速率，也就是試驗(yàn)試樣在45～60 min 以內(nèi)的形變情況。

其次，對(duì)路面抗車(chē)轍性能影響較大的因素是瀝青材料的黏度，按照抗車(chē)轍性能從優(yōu)到劣排列順序?yàn)椋焊男詾r青、高黏瀝青、基質(zhì)瀝青。AC-13 與AC-20 的試驗(yàn)結(jié)果均表明了此規(guī)律，這足以說(shuō)明了改性瀝青在材料質(zhì)量上的優(yōu)越性。

8.2 高速公路路面抗車(chē)轍性能與路面面層的關(guān)系

從灰關(guān)聯(lián)分析度排序中發(fā)現(xiàn)，路面上層的瀝青混合料質(zhì)量關(guān)聯(lián)度，明顯高于下層面層，其中上面層的灰關(guān)聯(lián)度r 值約是下面層的7.8 倍。所以為了提高瀝青混合料路面的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)著重考慮路面面層的瀝青混合料性能。即下層應(yīng)當(dāng)選用AC-20 這種礦物集料顆粒直徑較大的瀝青材料，而上層選用集料粒徑較小的AC-16 瀝青混合物，這樣路面才會(huì)獲得較好的抗車(chē)轍性能。

但從上下面層之間的最大形變量發(fā)生的時(shí)間來(lái)看，14 個(gè)試樣均在路面下5～7 cm 處出現(xiàn)了荷載剪切應(yīng)力集中的問(wèn)題。在瀝青路面產(chǎn)生車(chē)轍開(kāi)始，上層面層對(duì)抗車(chē)轍性能的影響將會(huì)越來(lái)越小，而下層面層對(duì)抗車(chē)轍性能的影響將會(huì)越來(lái)越大，當(dāng)達(dá)到路面最大形變量的時(shí)候，上層面層的灰關(guān)聯(lián)度r值將會(huì)下降為下層面層的1.6 倍左右。此外，與10 號(hào)試樣在動(dòng)穩(wěn)定度DS 相近的6 號(hào)試樣，上層路面采用2 改性瀝青，瀝青飽和度為78.1%，下層路面采用1 基質(zhì)瀝青，飽和度為67.2%，在最大形變量上遠(yuǎn)大于10 號(hào)試樣。所以對(duì)于長(zhǎng)期荷載的路面來(lái)說(shuō)，下層路面的瀝青材料質(zhì)量也比較重要，下層路面的瀝青材料將會(huì)影響路面車(chē)轍的最大形變量，也就是車(chē)轍深度。

9 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，以動(dòng)穩(wěn)定度DS 表征法和最大形變量結(jié)果評(píng)價(jià)的路面抗車(chē)轍性能會(huì)存在較大出入。首先，是瀝青混合料本身的質(zhì)量對(duì)瀝青抗車(chē)轍性能影響最大，AC-16 在45 min 形變穩(wěn)定后，繼續(xù)形變的速率遠(yuǎn)低于AC-20。其次，是瀝青路面集料的粒徑會(huì)影響路面的車(chē)轍深度，粒徑小的瀝青材料能夠產(chǎn)生的形變量遠(yuǎn)大于粒徑大的瀝青材料。再次，是瀝青材料的黏度會(huì)影響瀝青材料的動(dòng)穩(wěn)定度，改性瀝青的抗車(chē)轍性能遠(yuǎn)高于基質(zhì)瀝青。最后，是上半層路面對(duì)抗車(chē)轍性能的影響要大于下半層面層，但從車(chē)轍形變發(fā)生開(kāi)始，下半層面層對(duì)抗車(chē)轍性能的影響會(huì)逐漸升高。所以理想狀態(tài)下，高速公路道路想要獲得最好的穩(wěn)定性能，可以在路面上半層選用2 改性瀝青材料的AC-16 瀝青混合料，下半層選用高黏瀝青材料的AC-20 瀝青混合料。