瀝青混凝土室內(nèi)車(chē)轍試驗(yàn)及評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比研究

周棟，周志剛，劉靖宇

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

車(chē)轍是瀝青路面服役周期內(nèi)的主要病害形式之一[1-3]。室內(nèi)車(chē)轍試驗(yàn)通過(guò)車(chē)輪在試件上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，模擬車(chē)輛輪胎對(duì)瀝青路面的作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)轍試件抗車(chē)轍能力的試驗(yàn)評(píng)價(jià)。因操作簡(jiǎn)便、周期短和費(fèi)用低，室內(nèi)車(chē)轍試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)外科學(xué)研究及工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用，并有多種車(chē)轍試驗(yàn)機(jī)及其測(cè)試方法，包括我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)轍試驗(yàn)[4-5]、漢堡車(chē)轍(HWTD)[6]和瀝青路面分析儀(APA)[7]等。標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)在我國(guó)應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)、范圍最廣，國(guó)內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)設(shè)備及方法的研究較深入。關(guān)宏信等[8-9]在標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)了能夠?qū)r青路面結(jié)構(gòu)車(chē)轍進(jìn)行試驗(yàn)的全厚度車(chē)轍試驗(yàn)。黃衛(wèi)東等[10]為模擬高溫多雨試驗(yàn)條件下TB瀝青的抗車(chē)轍性能，采用HWTD對(duì)其試驗(yàn)曲線及指標(biāo)進(jìn)行了分析。周健民等[11-12]參照APA車(chē)轍試驗(yàn)的試件固定方法，將圓柱形試件放入方形模具中，使標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍儀對(duì)路面芯樣也能進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，研究同樣試件形狀對(duì)車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果影響不大。這些研究對(duì)我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)做出改進(jìn)，是對(duì)我國(guó)瀝青路面車(chē)轍試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)體系的有益補(bǔ)充。栗培龍等[13-14]研究了漢堡車(chē)轍試驗(yàn)方法，結(jié)果同樣表明，圓柱體試件與方形試件車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果具有較好的相關(guān)性；總結(jié)和探討了HWTD相關(guān)試驗(yàn)條件、試件尺寸、車(chē)轍深度模型等問(wèn)題的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，展望了進(jìn)一步研究方向。TSAI等[6]結(jié)合有限元方法深入分析了AAS‐HTO漢堡車(chē)轍試驗(yàn)方法的合理性。APA車(chē)轍試驗(yàn)在我國(guó)的應(yīng)用相對(duì)較少，李闖民等[15]采用APA車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行了浸水車(chē)轍試驗(yàn)，并推薦了AC-5瀝青混合料體積參數(shù)設(shè)計(jì)。王慧等[7]同樣研究了試件形狀和空隙率對(duì)APA車(chē)轍的影響，結(jié)果表明APA梁形試件與圓柱體試件力學(xué)響應(yīng)基本一致，并推薦車(chē)轍采用空隙率為4%的圓柱體試件。這些研究對(duì)HWTD和APA試驗(yàn)方法進(jìn)行了試驗(yàn)和分析，充分論證了HWTD和APA在我國(guó)的適用性，為這些試驗(yàn)方法在我國(guó)的推廣應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)，但相關(guān)試驗(yàn)對(duì)比研究的全面性還不夠，也沒(méi)有體現(xiàn)幾種車(chē)轍試驗(yàn)方法對(duì)瀝青混合料抗車(chē)轍性能評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。為此，研究設(shè)計(jì)瀝青類(lèi)型、公稱(chēng)最大粒徑和混合料級(jí)配類(lèi)型作為影響因素，通過(guò)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍、德國(guó)漢堡車(chē)轍(HWTD)及美國(guó)瀝青路面分析儀(APA)分別評(píng)價(jià)了10種瀝青混合料的高溫性能，并在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上展開(kāi)對(duì)比研究。

1 室內(nèi)車(chē)轍試驗(yàn)方法

采用標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍、HWTD和APA進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)比研究，3種試驗(yàn)方法對(duì)比見(jiàn)表1，試驗(yàn)溫度均為60℃。參考已有研究成果[7,12]，板式試件與圓柱體試件在試驗(yàn)中具有良好線性相關(guān)性，因此HWTD與APA采用圓柱體試件。

結(jié)合表1可知，標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍、HWTD和APA車(chē)轍試驗(yàn)方法差異如下。

表1 輪轍試驗(yàn)方法對(duì)比Table 1 Comparison of rutting testmethods

1)加載次數(shù)和時(shí)長(zhǎng)不同：標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)最短，加載次數(shù)不到2 500次，時(shí)間約為1 h；HWTD耗時(shí)最長(zhǎng)，需加載2萬(wàn)次，時(shí)間約為7 h。

2)加載方式不同：APA車(chē)轍試驗(yàn)將鋼輪往復(fù)作用于充氣軟管上(氣壓0.69 MPa)，標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍和HWTD直接將鋼輪作用于試件表面。

3)評(píng)價(jià)指標(biāo)不同：除最大車(chē)轍深度外，標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍、HWTD和APA還有其他不同評(píng)價(jià)指標(biāo)，如標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度(Dynam ic Stability,DS)、漢堡車(chē)轍蠕變斜率(Creep Slope,CS)和APA試驗(yàn)車(chē)轍深度變化速率(Rate of Rutting,RR)。

2 材料組成及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用秦皇島30號(hào)、70號(hào)和SBS改性瀝青，并以70號(hào)瀝青為基質(zhì)瀝青加入改性劑，制備得到摻加22%廢胎膠粉的橡膠瀝青(AR)、摻加0.8%RA抗車(chē)轍劑的抗車(chē)轍瀝青(RA)，瀝青實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2所示。粗集料采用輝綠巖，細(xì)集料和礦粉采用石灰?guī)r，粗、細(xì)集料性能指標(biāo)分別見(jiàn)表3和表4所示。

表2 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technicalspecificationsof bitumen

表3 粗集料性能指標(biāo)Table 3 Technicalspecificationsof coarse aggregate

表4 細(xì)集料性能指標(biāo)Table 4 Technicalspecificationsof fine aggregate

瀝青混合料采用中下面層常用的AC20和AC25級(jí)配，上面層常用的AC13，SAC13，SMA13和PAC13(大空隙開(kāi)級(jí)配瀝青混合料)瀝青混合料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)。AC20，AC25和AC13級(jí)配接近規(guī)范推薦的級(jí)配曲線中值，SAC13是4.75篩孔通過(guò)率比AC13低5%的粗級(jí)配瀝青混合料，SMA摻0.3%木質(zhì)素纖維，PAC13是大空隙開(kāi)級(jí)配瀝青混合料，不同類(lèi)型瀝青混合料的油石比、改性劑摻量和級(jí)配設(shè)計(jì)均按最佳配比設(shè)計(jì)，各混合料級(jí)配和油石比、密度分別見(jiàn)表5和表6所示。

表5 混合料級(jí)配通過(guò)率Table 5 Pass rate of aggregate gradation

表6 混合料油石比及密度Table 6 Oilstone ratio and density ofm ixture

采用AC13-SBS，SAC13-SBS，SMA13-SBA，PAC13-SBS，AC25-SBS，AC20-SBS，AC20-30，AC20-70，AC20-AR和AC20-RA共10種瀝青混合料，設(shè)計(jì)不同瀝青類(lèi)型、不同公稱(chēng)最大粒徑、不同級(jí)配等因素影響下的車(chē)轍對(duì)比試驗(yàn)，以研究3種車(chē)轍試驗(yàn)方法對(duì)不同瀝青混合料評(píng)價(jià)結(jié)果的差異。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 最大車(chē)轍深度

3.1.1 時(shí)程曲線對(duì)比

以最大車(chē)轍深度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究在不同瀝青類(lèi)型、公稱(chēng)最大粒徑和級(jí)配類(lèi)型等因素影響下，3種車(chē)轍試驗(yàn)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果差異，分別見(jiàn)圖1～3所示。

由圖1～3可知，3種車(chē)轍試驗(yàn)方法對(duì)不同瀝青類(lèi)型混合料車(chē)轍性能評(píng)價(jià)結(jié)果一致，按最大車(chē)轍深度從低到高排序依次為：SBS＜RA＜AR＜30號(hào)＜70號(hào)；3種車(chē)轍試驗(yàn)方法對(duì)不同級(jí)配類(lèi)型混合料抗車(chē)轍性能的評(píng)價(jià)結(jié)果一致，按最大車(chē)轍深度從低到高排序依次為：SMA13＜PAC13＜SAC13＜AC13。表明3種車(chē)轍試驗(yàn)方法均能較好地區(qū)分不同瀝青類(lèi)型和級(jí)配類(lèi)型瀝青混合料的抗車(chē)轍性能優(yōu)劣。

圖1 不同瀝青類(lèi)型對(duì)比Fig.1 Comparison of differentasphalt types

圖3 不同級(jí)配類(lèi)型對(duì)比Fig.3 Comparison of differentgradation types

由圖2可知，標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)AC25瀝青混合料車(chē)轍深度最小，HWTD和APA試驗(yàn)AC25瀝青混合料車(chē)轍深度最大。產(chǎn)生該差異的原因可能是試件成型方式的不同，標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍采用輪碾壓實(shí)方式，AC25級(jí)配集料粒徑更粗，更易于形成骨架結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的車(chē)轍深度最??；APA和HWTD采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方式，AC25級(jí)配集料粒徑較粗不易形成密實(shí)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的車(chē)轍深度最大；導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)與APA和HWTD試驗(yàn)對(duì)不同公稱(chēng)最大粒徑混合料車(chē)轍深度的評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)差異。

圖2 不同公稱(chēng)最大粒徑對(duì)比Fig.2 Comparison of differentnom inalmaximum particle sizes

綜上，3種車(chē)轍方法均能較好地區(qū)分不同瀝青和級(jí)配類(lèi)型混合料的高低溫性能，但對(duì)不同公稱(chēng)最大粒徑混合料高低溫性能評(píng)價(jià)存在差異。

3.1.2 敏感性分析

基于車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果，采用方差分析法分析各試驗(yàn)方法最大車(chē)轍深度指標(biāo)對(duì)不同瀝青類(lèi)型、不同級(jí)配類(lèi)型和不同公稱(chēng)最大粒徑等因素的影響是否顯著，共150組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表7所示。

表7結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了3.1.1小節(jié)所述3種車(chē)轍試驗(yàn)方法差異性。標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)不同公稱(chēng)最大粒徑混合料的敏感程度較低，P值遠(yuǎn)大于APA試驗(yàn)和HWTD試驗(yàn)，表明標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)不能較好地區(qū)分改性瀝青類(lèi)型和瀝青混合料級(jí)配類(lèi)型；APA和HWTD車(chē)轍試驗(yàn)P值均小于0.05，表明2種車(chē)轍試驗(yàn)方法均能較好地區(qū)分不同瀝青類(lèi)型、不同級(jí)配類(lèi)型和公稱(chēng)最大粒徑瀝青混合料高低溫性能。

表7 不同因素P值對(duì)比Table 7 Comparison of P value from different factors

3.2 不同指標(biāo)對(duì)比

3.2.1 CS，DS和RR指標(biāo)對(duì)比

分析可知，蠕變斜率CS和車(chē)轍變形速率RR為某段車(chē)轍時(shí)程曲線的斜率，動(dòng)穩(wěn)定度DS一般為45～60m in車(chē)轍時(shí)程曲線的反斜率(暫不考慮修正系數(shù))。為便于對(duì)比，分別計(jì)算3種車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的CS，RR1，RR2和1/DS指標(biāo)值，分析不同指標(biāo)結(jié)果隨瀝青混合料類(lèi)型的變化趨勢(shì)差異，結(jié)果見(jiàn)圖4所示。

圖4 不同指標(biāo)隨混合料類(lèi)型變化規(guī)律Fig.4 Variation law of different indexesw ithm ixture type

根據(jù)圖4可知，1/DS，CS，RR1和RR24種指標(biāo)結(jié)果隨瀝青混合料類(lèi)型變化規(guī)律接近，表明4種指標(biāo)均能對(duì)不同類(lèi)型瀝青混合料抗車(chē)轍性能進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，但AC13-SBS瀝青混合料的1/DS指標(biāo)結(jié)果與其他指標(biāo)結(jié)果存在較大差異：采用1/DS指標(biāo)時(shí)，AC13-SBS瀝青混合料的抗車(chē)轍性能最差，而采用CS和RR指標(biāo)時(shí)，AC13-SBS瀝青混合料的抗車(chē)轍性能在10種瀝青混合料中處于中等水平。產(chǎn)生該差異的原因可能是AC13-SBS混合料細(xì)集料較多，第1階段的變形受混合料密實(shí)程度的影響較大，導(dǎo)致1/DS指標(biāo)與RR和CS指標(biāo)出現(xiàn)較大差異。

3.2.2 相關(guān)性分析

基于上述分析，為減小第1階段變形對(duì)車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用最大車(chē)轍深度指標(biāo)進(jìn)行分析，分別對(duì)比不同瀝青混合料3種車(chē)轍試驗(yàn)CS與DS，CS與RR1指標(biāo)相關(guān)性及最大車(chē)轍深度指標(biāo)相關(guān)性，結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖5 CS，DS與RR1結(jié)果相關(guān)性Fig.5 Correlation of CS，DSand RR1

根據(jù)圖5和圖6可知，標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)DS指標(biāo)與HWTD試驗(yàn)CS指標(biāo)相關(guān)性僅0.22，采用最大車(chē)轍深度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)相關(guān)性系數(shù)約為0.65，比動(dòng)穩(wěn)定度提高0.43。表明標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)采用最大車(chē)轍深度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果與HWTD和APA相關(guān)性顯著提高，比DS指標(biāo)相關(guān)性提高了0.43。

圖6 最大車(chē)轍深度結(jié)果相關(guān)性Fig.6 Correlation ofmaximum rutting depth results

HWTD和APA車(chē)轍試驗(yàn)最大車(chē)轍深度指標(biāo)和CS，RR1指標(biāo)相關(guān)性系數(shù)均超過(guò)了0.90，表明2種試驗(yàn)方法及其評(píng)價(jià)指標(biāo)均存在較好的相關(guān)性。

3.2.3 RR與CS指標(biāo)對(duì)比

假設(shè)某次輪轍試驗(yàn)時(shí)程曲線如圖7所示，n1為該曲線第2車(chē)轍變形階段的起點(diǎn)，n2和n3分別為曲線加載次數(shù)的中點(diǎn)和終點(diǎn)，hi為ni次加載對(duì)應(yīng)的車(chē)轍深度(i=1，2，3)。則RR和CS計(jì)算公式分別如式(1)和式(2)所示。

圖7 某次輪轍試驗(yàn)時(shí)程曲線Fig.7 A rut testcurve of time-history

其中，RR1和RR2分別是0～n2次和n2～n3次加載對(duì)應(yīng)的RR值(對(duì)于APA試驗(yàn)，n2=4 000，n3=8 000)，可知RR和CS都是關(guān)于車(chē)轍深度和加載次數(shù)比值的一次函數(shù)。

以AC20 5種瀝青混合料的HWTD試驗(yàn)車(chē)轍時(shí)程曲線為例(其他混合料規(guī)律類(lèi)似)，分別計(jì)算其RR1，RR2和CS值，得到結(jié)果如圖8所示。

圖8表明，RR指標(biāo)同樣適用于HWTD試驗(yàn)，且其評(píng)價(jià)結(jié)果與CS指標(biāo)具有較好相關(guān)性?？紤]到：1)APA試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)更短，僅為HWTD試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)的42.9%；2)RR指標(biāo)分別取第50次、10 000次和20 000次加載對(duì)應(yīng)車(chē)轍曲線進(jìn)行計(jì)算，數(shù)據(jù)后處理比HWTD試驗(yàn)更簡(jiǎn)便，因此推薦采用RR作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖8 RR和CS散點(diǎn)圖Fig.8 Scatter diagram of RR and CS

4 結(jié)論

1)3種車(chē)轍試驗(yàn)方法及其指標(biāo)均能定性評(píng)價(jià)不同瀝青和級(jí)配類(lèi)型的瀝青混合料高溫性能，但標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)不同公稱(chēng)粒徑瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)結(jié)果與HWTD和APA試驗(yàn)結(jié)果的差異性較大。

2)標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)加載次數(shù)最少，分別為APA和HWTD試驗(yàn)的31.3%和12.5%，其動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)與HWTD試驗(yàn)蠕變斜率指標(biāo)相關(guān)性僅0.22；當(dāng)采用最大車(chē)轍深度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)相關(guān)性系數(shù)約為0.65，比動(dòng)穩(wěn)定度提高0.43，建議增加最大車(chē)轍深度指標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3)HWTD和APA車(chē)轍試驗(yàn)最大車(chē)轍深度及蠕變斜率、車(chē)轍變形速率等指標(biāo)均具有較好的相關(guān)性，且APA試驗(yàn)的車(chē)轍變形速率指標(biāo)也適用于HWTD試驗(yàn)，考慮到試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)和數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便性，在2種車(chē)轍試驗(yàn)方法中更推薦APA試驗(yàn)及其車(chē)轍變形速率指標(biāo)。