基于车辙的路面结构层临界温度评价方法研究

张芳超， 刘玉恒， 张贤明

(1.公路养护装备国家工程实验室， 河南 新乡 453003； 2.河南省高远公路养护技术有限公司， 河南 新乡 453003；3.河南省高等级公路检测与养护技术重点实验室， 河南 新乡 453003)

沥青路面车辙的产生机理是沥青混合料在竖直方向上承受车辆反复荷载作用产生的永久变形累积。众所周知，高温是沥青路面产生车辙最主要最直接的原因。在一定荷载作用下，存在一个特殊的临界温度，本文定义为高温临界温度，若超过此温度界限，沥青混合料高温稳定性将瞬间被削弱，可能一次较小的车轮荷载就会产生很大的车辙变形。高温临界温度，即使沥青混合料高温稳定性指标发生骤降的临界温度，本文的主要目的是确定一种真正适合用于确定高温临界温度的试验方法，为预防性养护提供依据[1-2]。

Brues Marshall提出的马歇尔试验至今依然是国内外沥青混合料配合比设计的标准，但马歇尔试验过程中试件内部的应力分布状态极为复杂，很难评价其与实际路面受力状态的相关性[2]。岳学军等[3]通过单轴静载蠕变试验对沥青混合料的高温稳定性评价指标进行对比分析，认为单轴静载蠕变试验操作及结果处理较为容易，但不同条件下试验结果差异较大。任瑞等[4]认为单轴压缩蠕变试验可以较好地模拟面层的实际变形情况，但其受力图示较难体现混合料的侧向压力，单轴压缩蠕变试验难以反映粗集料的骨架作用。张裕卿等[5]采用三轴重复荷载蠕变试验从流变次数和斜率方面分析了混合料的高温性能，但其设备要求高，试验过程复杂，实际应用较少。刘宴荣等[6]认为普通车辙试验动稳定度指标仅考虑了车辙板试件后15 min的永久变形率，缺乏对最大永久变形量的考虑。许严等[7]通过对比分析，提出运用单轴贯入剪切试验研究沥青混合料的永久变形，可以很好地显示出沥青混合料的三阶段变形。傅志勇[8]根据SHRP中简单剪切试验，考察了沥青混合料高温永久变形的过程，虽更有效地模拟了混合料在路用状态下的受力破坏形式，但这种简单剪切试验的结果与实际路面车辙情况相关性并不理想，存在试验设备昂贵、操作方法复杂等局限性。谢军等[9]开发了中空圆柱体试件的扭转剪切试验，该试验法向和剪切应力都是均匀分布，适用于研究沥青混合料动态特性，但扭转剪切试验同样受试验条件的限制，难以推广运用。长安大学冯振刚等[10]基于美国足尺路面的经验，研究传感器的布设方案，评价沥青路面的路用性能，其最能反映实际路面的车辙形成过程，便于分析，但试验成本高，试验周期长，不易开展。王家主[11]针对高硫高沥青质沥青混合料的三轴围压动态模量进行研究，得出E/sin σ值与路面永久变形的相关性较好，适用于评价沥青混合料高温稳定性。

本文着重对比分析马歇尔试验、单轴贯入试验和三轴围压动态模量试验，确定沥青路面结构层产生车辙的高温临界温度评价方法，为预防性养护提供理论基础。

1 试件制备和试验过程

1.1 试件制备

本试验芯样取于特定高速公路路段(已通车10 a)，经实地调查，对于出现车辙的路段，采用可调节芯样高度的沥青混合料取芯机，分别在1、1.5、2 cm车辙深度位置取圆柱形芯样，经试验室处理只保留路面上、中面层(5 cmAC-16C+6 cmAC-20C沥青混凝土)作为试验试件，试件高度为9～10 cm，如图1和图2所示。

图1 路面实际取芯位置示意图

图2 不同车辙深度芯样试件

1.2 试验过程

本文所选试验在相同条件下依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)规定的平行试件进行相关试验。由于马歇尔试验和单轴贯入强度试验离散性较大，试验时进行3组平行试验，以其平均值作为试验结果，各需有效芯样45个；而三轴围压动态模量试验离散性较小，不同车辙深度的试件已达到平行试验的效果，需有效芯样75个。试验前剔除不合格试件，即本次研究现场共取有效芯样165个。

1.2.1马歇尔试验

根据ASTM D1559，对不同车辙深度芯样试件进行马歇尔稳定度和流值试验。马歇尔稳定度，单位为kN;其对应的变形称为流值，单位为0.1 mm。

1.2.2三轴围压动态模量试验

本试验依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的沥青混合料单轴压缩动态模量试验方法，测试设备为MTS-LandMark伺服液压动态试验系统，另加设围压施加系统，为试验提供各级围压。参考NCHRP9-19的试验方法，采用围压为138 kPa，试验装置如图3所示。

图3 三轴围压动态模量试验装置图

1.2.3单轴贯入强度试验

单轴贯入试验与路面结构的受力极为相似，对试件进行加压，记录试验过程中最大破坏荷载强度，试验现场如图4所示。

2 结果与讨论

2.1 马歇尔试验

不同车辙深度的马歇尔试验结果随温度的变化规律如图5和图6所示。

图5 马歇尔稳定度随温度的变化规律

图6 流值随温度的变化规律

由图5和图6可知：

1)不同车辙深度的马歇尔稳定度随温度的增加不断减小，这是由于随着温度的升高沥青胶结料的黏度逐渐降低，致使试件承受破坏荷载的能力降低。同时不同车辙深度的流值随温度升高而增大，这是因为随着沥青胶结料黏度降低，试件的抗变形能力减弱。

2)在相同温度下，随着车辙深度的增加，出现了稳定度不断减小而流值显著增大的现象，这是由于沥青混合料首先被压密，进而网络骨架结构失稳，最后向失稳型车辙转变造成的。

3)车辙深度为1、1.5、2 cm时,相邻节点温度的马歇尔稳定度最多，仅分别降低了10.0%、12.1%和10.8%;流值仅分别增加了15.0%、13.1%和13.7%。在整个温度范围内，稳定度和流值都无失效式突变，这是因为马歇尔试验试件的受力状态与路面沥青混合料的三向受力相差甚远，2个指标对温度的变化极为不敏感，不适宜作为确定高温临界温度的方法。

2.2 三轴围压动态模量试验

将不同车辙深度的三轴围压动态模量进行整理，不同频率下动态模量随温度的变化趋势如图7～9所示。

图7 1 cm车辙深度处动态模量的变化规律

图8 1.5 cm车辙深度处动态模量的变化规律

图9 2.5 cm车辙深度处动态模量的变化规律

在不同车辙深度部位，对比不同频率下三轴围压动态模量随温度的变化规律可得：

1)在一定车辙深度位置，不同频率下的三轴围压动态模量均随着温度增加而不断减小，这是由于沥青混合料是典型的黏、弹塑性材料，随着温度升高，强度和刚度均有不同程度减弱，即动态模量不断减小。另外，在相同温度和相同频率下，动态模量随着车辙深度增加而减小，造成这种现象的最直接原因是随着车辙深度增加沥青混合料的骨架结构嵌挤力残值不断减小，动态模量值相应减小。

2)在相同试验温度条件下，动态模量变化趋势与加载频率成正比，即随加载频率增加而增大，主要原因是沥青混合料的黏性特性随加载频率增加而减弱，相反弹性特性增强，动态模量增大。

3)虽然三轴围压动态模量随温度增大表现出不断减小趋势，但是3种不同车辙深度位置的动态模量在一定温度范围内变化幅度很小，同样没有失效式突变。一定加载频率范围内，相邻节点温度下的动态模量最大仅降低10%左右。在三轴围压条件下，动态模量指标对温度的变化较为不敏感，所以此试验很难作为确定高温临界温度的方法。

2.3 单轴贯入强度试验

为方便对结果进行计算与分析，采取试验过程中极值点强度作为沥青混合料抗剪强度，不同车辙深度位置芯样的抗剪强度变化规律较为一致，如图10所示。

图10 单轴贯入强度随温度的变化规律

由图10的变化规律可知：

1)在3个不同车辙深度位置处，试件的抗剪强度均随着温度的升高而降低，这是由于随着温度升高，沥青混合料黏聚力不断减小，最大剪应力逐渐降低，抵抗破坏的能力减弱。

2)设1、1.5、2 cm车辙深度处芯样抗剪强度分别为R1、R1.5和R2，在相同温度下，不同车辙深度处芯样抗剪强度大小排序为：R1>R1.5> R2。这个现象说明，随着车辙深度增大，沥青混合料的内摩擦角减小、集料间的嵌挤作用越来越弱，相应抗剪强度不断减小。

3)在抗剪强度随温度升高逐渐变小的趋势中，在50 ℃处均出现失效式突变，即沥青混合料抵抗破坏的能力在50 ℃处瞬间失效严重，这与沥青路面在一定临界温度下突然产生车辙的现象一致，即本试验确定的车辙产生临界温度为50 ℃。造成这种一致性现象的原因有：①单轴贯入试验试件内部剪应力分布与实际轮载下剪应力分布极为相似；②试验过程中试件周边沥青混合料可对压头下部沥青混合料产生侧向约束，其与路面性能相关性较大。所以单轴贯入强度试验较适宜作为确定路面结构层临界温度的评价方法。

3 结论

对不同车辙深度位置处的芯样进行马歇尔试验、三轴围压动态模量试验、单轴贯入试验，得到如下结论：

1)不同车辙深度的马歇尔稳定度随温度增加不断减小，流值随温度升高而增大，沥青胶结料的黏度逐渐降低，抵抗荷载能力变形能力减弱；在相同温度下，随着车辙深度增加，出现了稳定度不断减小而流值则显著增大的现象，预示着沥青混合料的网络骨架结构失稳，进而向失稳型车辙转变。

2)不同频率下的三轴围压动态模量均随着温度增加而不断减小，强度和刚度均有不同程度减弱；在相同温度和相同频率下，动态模量随着车辙深度增加而减小，骨架结构嵌挤力残值不断减小；在相同试验温度条件下，动态模量变化趋势与加载频率成正比，即沥青混合料弹性特性增强，动态模量增大。

3)不同车辙深度位置处，试件的抗剪强度均随着温度升高而降低，抵抗破坏的能力随之减弱；车辙深度越大，沥青混合料的内摩擦角越小、集料间的嵌挤作用越弱，相应抗剪强度不断减小。

4)在一定温度范围内，马歇尔试验和三轴围压动态模量试验的各项指标随温度的变化较为平缓，而单轴贯入强度在50℃时发生失效式突变，符合实际路面产生车辙的现象，所以单轴贯入强度试验更适合作为确定路面结构层临界温度评价方法。