（道路与铁道工程专业论文）钢桥面铺装沥青混合料抗车辙性能研究.pdf

摘要 摘要 钢桥面铺装是一个世界性的问题，更是大跨径钢桥建设中的一个技术难点，由于其 使用条件和使用要求都远高于一般道路路面，对钢桥面铺装沥青混合料也提出了更高的 要求。本文主要针对钢桥面铺装的沥青混合料高温性能进行研究和探讨。 本文借助汉堡车辙仪、运用正交试验设计法进行多种沥青混合料的组合结构车辙试 验研究，对沥青混合料抗车辙性能的多方面因素进行分析，并结合力学分析对沥青铺装 层整体抗车辙性能进行研究。结果认为，在沥青性质一致的情况下，组合结构上面层的 级配类型的影响效果最为明显；在级配类型确定的情况下，沥青胶结料粘滞性则起到关 键的作用。对于双层的铺装结构来说，上下面层的抗车辙性能同样重要，整体抗车辙性 能往往决定于高温性能最差的结构，其中双层s m a 结构体现优异的抗车辙性能， s m a + a c 结构次之，s m a + m a 结构最差，在铺装结构中不宜出现s m a + m a 上下层模 量相差过大的情况。最后论文建议使用s m a l l + s m a l 0 的组合结构。 本文还借用了u t m ，运用动态三轴蠕变试验对优选组合结构的高温性能进行了研 究，并结合汉堡车辙试验，对三轴试验和车辙试验的相关性进行研究。结果发现，在所 选择的加载模式下，动态三轴试验与车辙试验体现出较好的相关性，但是动态三轴试验 更容易出现破坏状态。并利用p o w e rl a w 法和v e s y s 方程对车辙深度及三轴变形的发 展趋势作出探讨。 关键词：汉堡车辙试验，动态三轴蠕交试验，钢桥面铺装，高温性能，组合结构 a b s t r a c t p a v e m e n to ns t e e ld e c kb r i d g ei saw o r l d w i d ep r o b l e m ，e s p e c i a l l yt ot h a to fl o n gs p a ns t e e l d e c kb r i d g e s b e c a u s eo ft h em o r ed e m a n d i n gs e r v i c ec o n d i t i o na n dt h eh i g h e rs t r e n g t h r e q u i r e m e n t ，t h ep a v e m e n to ni ts h o u l db es u p e r i o rt ot h a tu s e do nh i g h w a yo ro t h e r s t h i s p a p e rm a i n l yf o c u s e do nt h es t u d yo nh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r eu s e d o ns t e e ld e c k i n t h i sp a p e r , o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o dw a su s e dt od e s i g nt h et e s tt oe v a l u a t e t h eh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo f m u l t i s t r u c t u r e sb yw h e e lt r a c k i n gt e s t ( w t t ) d u r i n g w h i c hh a m b u r gw h e e lt r a c k i n gd e v i c e ( h w t d ) w a s a d o p t e d ，v a r i o u sf a c t o r si n f l u e n c i n g r u t t i n gr e s i s t a n c eo fa s p h a l tm i x t u r ew e r ea n a l y z e da n dt h er u t t i n gr e s i s t a n c eo fp a v e m e n t s t r u c t u r ew a ss t u d i e db ym e c h a n i ca n a l y s i s t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h eg r a d i n go ft h e m i x t u r e so ft h et o pl a y e rw a st h ep r e d o m i n a n ti n f l u e n c i n gf a c t o r h o w e v e r , i ft h eg r a d i n gw a s t h es a m e ，t h et y p eo fb i t u m e nw o u l dt a k et h ep l a c e w i t hr e g a r dt od o u b l e - l a y e r e ds t r u c t u r e ， b o t hl a y e r sw o u l de x e r tr o u g h l yt h es a m ei n f l u e n c eo nt h er u t t i n gr e s i s t a n c e ，w h i l et h eg e n e r a l r o t t i n gr e s i s t a n c ew a su s u a l l yd e p e n d e n to nt h ei n f e r i o rl a y e r , a m o n gw h i c hs m a + s m a p r o v e dt h eb e s ts t r u c t u r ef o l l o w e db ys m a + a c a n ds m a + m aw a st h ew o r s t a sar e s u l t ，i t m a d eg r e a ts e n s et oa v o i dl a r g eg a po fm o d u l u sb e t w e e nt w ol a y e r si nt h es t r u c t u r eo f s m a + m a i nt e r m so ft h er u t t i n gr e s i s t a n c ee v a l u a t i o ni n d e x ，t h ef i n a ld e f o r m a t i o nc a l l b e t t e rr e f l e c t e dt h ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r ea so p p o s e dt ot h ed y n a m i cs t a b i l i t yw h i c h s h o u l db es h o u l db eo p t i m i z e da n dm a g n i f i e d a tl a s tt h es m a l l + s m a l 0s t r u c t u r ew a s s u g g e s t e da sas o u n do p t i o nb yt h i sp a p e r a n o t h e rt e s tc a l l e dd y n a m i ct r i a x i a lc r e e pt e s t ( d t c t ) w a sa l s oc a r r i e do u to nt h ec o m p o s i t e s t r u c t u r et os t u d yt h eh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r eb yu t m a l s ot h e c o r r e l a t i o nb e t w e e n ，1 ，ra n dd t c tw a sr e s e a r c h e d t h eg o o dc o r r e l a t i o nw a sf o u n d w h i l e t h es p e c i m e nu n d e rd t c tw a sm o r el i a b l et of a i l t h g np o w e rl a wa n dv e s y se q u a t i o n w e r ei n v i t e dt od i s c u s st h ed e v e l o p m e n to ft h ep e r m a n e n td e f o r m a t i o n 1 8 yw o r d s ：h a m b u r gw h e e lt r a c k i n gt e s t , d y n a m i ct r i a x i a lc r e e pt e s t , s t e e ld e c kp a v e m e n t , h i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ，c o m p o s i t es t r u c t a r e n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证节而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：垒叠日期：一2 立：垃墨 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：塾! 壶导师签名： 立玛匕日期：础 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 钢桥面铺装发展概述 第一章绪论 桥面铺装是大跨径桥梁工程的重要组成部分，其工程质量和运营状况直接影响大桥的通行能力 和行车的安全性、舒适性、桥梁结构的耐久性以及社会效益和经济效益。与钢箱梁桥如火如荼的发 展相比，钢箱梁桥面铺装的运营状况却不容乐观。虽然投入运营时间最长也仅有六、七年，可是除 少数几座桥梁桥面铺装的运营状况较为良好外，丈部分桥梁桥面铺装在建成通车后不久即出现高温 车辙、横向推挤、开裂等病害，个别桥梁的桥面铺装甚至已经面临第- 二次大修的局面，钢桥面铺装 早期破坏现象比较严重。钢桥面铺装早期病害的出现不仅危及到高速行车的安全，影响了钢桥面 板的使用寿命，同时也造成了较坏的社会影响。 目前针对桥面铺装的研究大多从铺装结构受力分析和材料性能研究两方面着手。理论分析通过 有限元单元法对桥面铺装受力规律进行深入分析，截取典型钢箱梁段分析在轮载作用下铺装层结构 内部的应力状态和桥面板受力最不利位置。材料研究是通过对铺装材料的一系列试验结果来确定合 理的铺装层结构、铺装材料、控制要素和施工工艺等，进而提出更加有效的试验评价方法及控制指 标。 现阶段，从铺装材料和施工方法角度来分，世界上主要采用的钢桥面铺装体系有四类“j ： ( 1 ) 以德国、日本、英国为代表的高温拌和浇注式沥青混凝土( g u s s a s p h a l t ) 体系，该体系混 合料在高温下长时间搅拌，使用专用搅拌运输车，从1 8 0 - 1 9 0 。c 拌和升温到2 4 0 - 2 6 0 温度下，沥青 混合料具有一定流动性，浇注式摊铺，一般需使用天然硬质沥青，较多采用特里尼达湖沥青； ( 2 ) 以英国为代表的沥青玛蹄脂混凝土( m a s t i c a s p h a d t ) 体系，该体系实际上也是浇注式沥青 混凝土，只是铺装厚度和工艺与日本有所不同； ( 3 ) 以美国为代表的环氧树脂沥青混凝土( e p o x y a s p h a l t ) 体系，该体系在沥青中添加热固性 环氧树脂和固化剂，经固化反应形成的一种高强度沥青混凝土； ( 4 ) 美国、德国、日本等国较多采用的沥青玛蹄脂碎石混合料( s m a ，s t o n em a s t i c a s p h a l t ) 体系，该体系是一种由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的 粗骨料骨架间隙而组成的沥青混合料。 我国对钢桥面铺装进行系统研究和分析始于虎门大桥。交通部重庆公路科研所在广泛调查世界 上各种铺装类型资料的基础上，针对铺装层的变形稳定性、疲劳耐久性、高粘结性、不透水性和良 好行驶性能等技术问题进行了系列研究，采用改性沥青s m a 方案对广东虎门大桥进行了铺装。但是 改性沥青s m a 铺装方案的实际运营质量却没有达到预计的效果，多座桥梁铺装层出现了开裂等早期 破坏。 1 9 9 9 年通车的江阴长江公路大桥，采用了英国的沥青玛蹄脂铺装方案。虽然沥青玛蹄脂铺装在 欧洲成功的例子很多，但大桥在通车数月后发现了较多的纵向裂缝，车辙也较明显，在进行简单维 修后，纵向裂缝仍有明显发展，无法彻底解决桥面的开裂和车辙问题。 从南京长江第二大桥开始，我国引入了环氧沥青这种桥面铺装形式。随后，润扬长江公路大桥、 南京长江第三大桥等工程相继运用环氧沥青，目前通车各桥的运营状况总体上令人满意。因此可以 初步判断，类似环氧沥青这样强度高、耐久性好的铺装材料相对适合于我国钢桥面铺装大交通量、 超载超限车辆比例高的现状。 东南大学硕上学位论文 表i i 国内外钢桥面铺装沥青混合料主要破坏类型调查 桥梁名称建成年代主梁类型铺装类型主要破坏形式 a u c k l a n dh a r b o r钢桁架梁橡胶政性沥青混合料纵向歼裂、脱层 p o p l a rs t r e e t 钢桁架粱同上 纵向开裂 3 5 m m 沥青玛蹄脂+ 3 f m 橡 w y e 钢桁架梁纵向开裂 胶沥青 f i r t ho ff o r t h 钢桁架梁 同上 纵向开裂 h a l eb o g g s 钢桁架梁5 0 m m 环氧沥青混凝上鼓包、开裂、车辙、脱层 l i o ng a t e1 9 7 8 钢桁架梁同上层问滑移 广东虎门大桥1 9 9 7钢箱梁5 5 6 0 r a m 单层改性s m a裂缝、车辙 厦门海沧大桥 1 9 9 9钢箱梁 3 0 r a m s m a l 3 + 3 5 m m s m a l 0 裂缝、车辙、层问滑移 武汉白沙洲人桥 2 0 0 0 钢箱梁 3 0 m m s m a l 3 b + 5 0 m m s m a l 3 a 裂缝、车辙、粘结层失效 香港青马大桥 1 9 9 7 钢桁架粱5 0 m m 沥青玛蹄脂局部气泡和粘层脱层 江阴大桥 1 9 9 9 钢箱粱同上开裂、车辙 由调查表格可以看出，纵向裂缝是国内外桥面铺装中普遍出现的问题，而车辙问题在我国出现 的较为严重。除使用环氧沥青外，国外运用良好的s m a ，m a 等结构形式在国内使用中均出现车辙、 拥包、推挤等由于高温稳定性不足而造成的破坏。如使用m a 的江阴长江公路大桥到2 0 0 2 年1 1 月， 铺装层的最大车辙深度己达到2 0 n u n 以上。与欧洲、美国、日本相比，我国气候条件较为恶劣，夏 季炎热，年温差丈的特点非常显著，我国汽车运输超载现象普遍而又严重，使钢桥面铺装层面临更 严峻的考验，这些给钢桥面铺装带来了极为不利的影响，是我国破坏较为严重的重要因素。而对沥 青混合料的高温性能的研究是解决高温稳定性，改善桥面铺装病害的主要途径。 1 1 2 钢桥面铺装层混合料高温性能研究 车辙是沥青铺装层在汽车荷载反复作用下产生竖直方向永久变形的累积，它是沥青混凝土路面 特有的一种破坏形式。其表现为沿行车轨迹产生纵向的带状凹槽，严重时车辙的两侧会有隆起变形。 铺装层车辙产生主要是由于沥青混合料级配设计不合理，热稳定性差或由于基层及面层施工压实度 不够，使轮迹带处的面层和基层材料在行车荷载反复作用下出现固结变形和侧向剪切而产生的一种 永久变形。 钢桥面沥青混合料铺装是一种铺筑在钢桥面板上的薄层沥青铺装层，不考虑钢桥面板的振动， 可以认为在荷载作用下均能保持在弹性工作阶段，铺装层的车辙相当于半刚性基层沥青路面的面层， 铺装层下面并没有基层、底基层、垫层和路基。因此，车辙来源于钢桥面热塑性类沥青混合科铺装 薄层在行车荷载、高温作用下抵抗热塑性流动或剪切变形能力不足引起的永久变形，荷载产生的剪 切力超过沥青混合料的抗剪强度，使流动变形不断累积形成流动性车辙”i 。 由于结构、材料、环境条件的不同，钢桥面铺装与公路沥青路面在设计上有所不同。首先，正 交异性钢板受力特性复杂，综合气候环境条件、交通等共同作用下铺装体系静力和动力特性与公路 上的半刚性基层、底基层、垫层和路基组成的基础有相当差异”j 。其次，钢桥面的环境状况比公路 上更为严酷，亦有针对钢桥面铺装温度场进行的研究表明，夏季高温时段钢桥面上的温度可以达到 7 0 ，比公路上的要高出1 0 左右。所以两者在设计时选用的温度标准不同，目前钢桥面铺装为 7 0 ，而公路上为6 0 ，严酷的条件要求钢桥面铺装的材料要有更好的高温稳定性能：大桥一般架 设在江海上，铺装所处环境的湿度较公路上大，设计中要更加注重材料防水性能；且大桥连接两岸， 是重要的交通枢纽，较大的交通量及超载的作用下，铺装材料的变形能力和抗疲劳性能的优劣也将 导致桥面服务水平下降，进而影响交通状况。因此在混合料设计中存在一定的矛盾现象，要求高温 性能好则要求混合料形成骨架结构，沥青用量适中；而富油低空隙率的混合料变形能力、密水性能、 低温抗疲劳能力强。如何平衡高温、低温及防水、变形之间的矛盾，是混合料性能研究的重点。 2 第一章绪论 钢桥面铺装混合料性能的研究是伴随着沥青路面混合料性能的研究而发展起来的。对于热塑性 的沥青混合料本身而占，i l i i 者在研究内容上基本相同，因此目前对钢桥面铺装层设计往往套用成熟 的沥青路面设计方法，结合钢桥面上更为严酷的自然环境条件。对铺装层沥青混合料性能提出一些 较高的要求。我国沥青路面设计的指标是设计弯沉值，国外对沥青路面车辙的控制方法有两个，一 个是车辙控制指标路基顶面压应变，一个是容许车辙深度，见表1 2 。但是对钢桥面铺装设计并 没有提出通用的设计规范，尤其在我国沥青路面设计标准也存在一定问题的情况下，钢桥面铺装的 设计指标研究更是处于初步阶段。目前有资料表明，丹麦在桥面铺装设计中，对s m a i l 混合料在 6 0 、水浴、胶轮2 0 0 0 0 次作用条件下，提出容许车辙深度为i 5 m m 的指标。借鉴、运用国外成功 的设计方法对我国钢桥面铺装车辙指标进行研究具有一定的探讨空间。 表1 2 国外沥青路面车辙设计方法控制指标及容许车辙深度研 设计方法车辙控制指标容许车辙深度 美国地沥青协会( a i ) 临界状态：乞= 4 8 2 n 4 ” 1 3 m m 乞- - 4 8 2 n 4 ” 高速公路：1 0 m m 壳牌石油公司( s h e l l ) 一般道路：3 0 m m 基层、面层永久变形 临界状态：乞= 4 5 1 n 4 “ 1 0 m m 诺丁汉( n o t t i n gh a m ) 2 0 m m 损坏状态：乞= 2 5 0 n 砘抛 干线公路：1 2 r a m 比利时 次级道路：1 8 m m s h r p1 2 5 m m 1 2 本文研究目标及意义 对沥青混合料高温稳定性能研究有很多种方法，其中三轴动态蠕变试验和车辙试验是目前室内 试验中使用展好，也最能反映路面实际情况的小型试验。在国内，传统的蠕变和车辙试验都是对单 层的沥青混合料进行研究，所得结果虽能反映该混合料性能，但不能反映层闻力的传递和各层变形 的累积。本文利用汉堡车辙试验进行组合结构车辙试验是一种新的尝试。 在对各沥青混合料高温性能的试验研究中发现，环氧沥青混合料由于其熟固性能且不可逆的特 性，高温性能非常优异，大大超过了常规的沥青混合料，很少出现高温的病害。因此本文以常规的 沥青混合料为研究对象。 综上，本次论文所设计实验运用常规沥青混合料，模拟桥面铺装两层结构，进行对组合结构研 究的尝试，通过动态三轴蠕变试验和车辙试验，研究组合结构抗车辙性能，探讨各层对铺装总变形 的贡献率，研究车辙发展趋势，进而探讨各结构层的设计要求和指标 1 3 研究内容和技术路线 本文通过对国内外钢桥面铺装的设计理论、试验规范以及铺装材料选择依据进行收集、整理和 比较，借鉴国外特别是德国s m a l l i 和英国沥青玛蹄脂的相关研究成果，采用大量的室内试验研究， 通过双层沥青混合料车辙试验和三轴动态蠕变试验，对常用钢桥面铺装铺装材料和结构高温性能进 行比较研究。具体的研究方法和过程如下： ( i ) 根据钢桥面铺装的特点，选择优质的集科、矿粉，沥青原材料，按照国内外规范和经验， 3 东南人学碘士学位论文 通过比选确定本文研究所用的矿料级配和沥青用量。由此，完成设计s m a l l 、s m a l 0 、a c l 0 和 m a 的配合比设计： ( 2 ) 影响混合料抗车辙性能的因素很多，本文采用正交设计，对不同性质沥青、不同级配类型、 不同结构组合及不同空隙率主次关系进行研究，并结合力学分析对车辙机理进行探讨，提出基于抗 车辙的合理的铺装结构。 ( 3 ) 车辙试验和三轴动态蠕变试验是两种研究混合料高温性能的重要手段，两者在结果处理和 试验指标上具有相似之处，但是对两者相关性的研究不多。本文在对优选结构进行车辙试验的同时， 从车辙板内取出圆柱体试件进行三轴试验，并对结果进行分析，并对两个试验方法的相关性进行研 究。 1 4 技术难点 1 车辙板成型时空隙率的控制较难。在相同配合比条件下的混合料，理论上空隙率是一定的， 若要达到空隙率的变化，可以通过控制试件厚度增减混合料质量或者同等质量条件下调节压实功来 达到目的。本文选用前者作为空隙率的控制方法。 2 关于三轴试验的试件成型，由于组合结构的圆柱体试件用旋转压实的方法成型较为复杂，本 文采用在成型好的组合车辙板中钻取芯样的方法成型试件。由于取芯机钻头的壁厚、车辙板表面平 整度等的影响，取出的芯样在尺寸、表面平整度等方面会有一定的差异。因此钻取芯样时应小心细 致。 3 考虑到设备使用过频会出现故障等因素，会对试验造成不利的影响，因此在处理数据时，需 要去伪存真，辨别取舍。 4 车辙试验与三轴动态蠕变是两种试验方法的相关性是否良好仍是有待研究的问题。如果两者 试验结果不甚相符，本文则选用车辙试验作为标准。 4 第二章钢桥面沥青混合科铺装叶：辙概论 第二章钢桥面沥青混合料铺装车辙概论 2 1 钢桥面铺装车辙破坏机理 车辙是沥青面层特有的一种损坏现象。多产生在车轮经常碾压的轮迹带上。车辙是在与时间有 关的荷载因素和气候冈素共同作用下，轮迹带逐渐产生下凹形变并形成的两条纵向辙槽，且较严重 的辙槽两边通常有膨起形变，一般单向行车道上会有两条明显辙槽。车辙深度( 1 i d ) 以轮迹带外侧 凸起部分的峰顶到槽的谷底垂直距离表示。 图2 - 1 沥青路面的车辙示意图 目前国内外学者一般将沥青铺装层的车辙分为三种类型f 6 l ： ( 1 ) 结构性车辙：由于荷载作用超过铺装层各层的强度，车辙主要发生在沥青面层以下包括路 基在内的各结构层的永久变形。这种车辙的宽度较大，两侧没有隆起现象，横断面成浅盆状的u 字 形。 ( 2 ) 流动性车辙：沥青混合料的侧向流动变形。在高温条件下，车轮碾压的反复作用，荷载产 生的剪应力超过沥青混合料的抗剪强度，使流动变形不断累积形成车辙。 沥青混合料在高温下处于以粘性为主的半固体，在轮胎荷载作用下，沥青及沥青胶浆便产生流 动，从而使混合科的网络骨架结构失稳。这部分半固体物质除部分填充混合料空隙外，还将随沥青 混合料自由流动，从而使铺装层受载处被压缩而产生塑性变形。同时，由于沥青及沥青胶浆在荷载 作用下首先产生流动，混合科中粗、细集料组成的骨架结构逐步成为荷载主要的承担者，再加上沥 青润滑作用，硬度较大的矿料颗粒在荷载直接作用下会沿矿料间接触面滑动，促使沥青及胶浆向其 富集区流动，以致流向混合料自由面，特别是当集料问沥青及胶浆过多时，这一过程会更加明显。 ( 3 ) 磨损性车辙：由于冬季埋钉轮胎磨损形成的车辙。 钢桥面铺装一般选材优质、施工严格，出现结构性车辙和磨损性车辙的几率较少。主要表现为 流动性车辙。 纵观流动性车辙的形成过程可简单的分为三个阶段： ( 1 ) 荷载作用下面层进一步压密，即面层永久垂直变形累积的初始阶段。在此阶段沥青层的进 一步压密变形远大于材料的剪切变形，因而表现为轮迹带铺装层沉陷，但很难观察到两侧铺装层的 隆起现象。本阶段一般发生在开放交通后3 4 年内( 实际上，由于超载运输等原因，该时间段明显 缩短) 1 7 1 。 ( 2 ) 荷载作用下沥青混合料的塑性流动阶段。轮迹带铺装层沉陷进一步加深。同时在其两侧出 现明显的隆起现象。在此阶段车辙本质上是由于材料的抗剪切流动能力不足造成的。 ( 3 ) 沥青混合料破坏阶段。在此阶段，铺装层受力条件进一步恶化，将出现过量的车辙，最终 5 东南大学硕七学位论文 导致铺装的破坏。通常都以破坏阶段刚开始时的铺装层车辙变形作为混合料的设计控制指标。 加州人学伯克利分校的c l m o n i s m i t h 通过对使用r3 q 年的沥青路面钻心取样及室内旋转压 实成型试件进行恒高简单剪切试验表明，对车辙贡献较大的是第一二阶段材料的剪切流动。另外，通 过单轴压缩蠕变试验和三轴压缩蠕变试验分析得混合料的剪切变形远大于体积变形，这些均表明铺 装层的车辙主要发生在第二阶段”j 。 由此可见，车辙形成的最初原因是压密及沥青高温下的流动，最后导致骨架的失稳，从本质上 讲就是沥青混合料的结构特征发生了变化。图2 - 2 为典型沥青混凝土铺装车辙发展过程。 t 轻翻t t 确r 蜀m w r 融_ _ 蕾r - 嘲o - 供。n 一 一 ， 一：一一7 r 百。一一一! 。4 ， 。i f 2 2 车辙研究的试验方法 瞄 l - 一 图2 - 2 车辙发展三阶段曲线图 国内外研究沥青路面永久变形的方法很多，常用的评价沥青混合料高温稳定性的试验主要有以 下几种：马歇尔稳定度试验，单轴加载试验，三轴压缩试验，弯曲蠕变试验，用s u p e r p a v e 剪切试 验机( s s t ) 进行各种模式的力学试验以及实际碾压模拟试验”1 。 车辙试验是模拟车轮在铺装层上行驶而形成车辙的工程试验方法。从广义上来说，室内小型往 复车辙试验( l w t ) 、旋转车辙试验、大型环道试验、直道试验、野外现场加速加载试验( a l f 试 验) 等都可认为是属于车辙试验的范畴，这些试验最基本的和共同的原理就是通过采用车轮在扮装 时间或路面结构上反复行走，观测和检测试块或路面结构的响应。a l f 试验或试验路是修一段实际 路面，其得到的试验数据最为直接，但是试验及观测费用太高。相对而言，环道试验是一种经济有 效的试验方法，它能有效模拟路面的实际受力状态，美国、法国、西德、澳大利亚等国家都采用环 道试验研究沥青路面的车辙，并认为可以采用环道试验的成果预估沥青路面、桥面铺装车辙l 。 在更多的试验研究中，考虑到操作方便、经济效益以及结果的合理性，室内车辙试验已经成为 评价混合料抗车辙性能最常用的室内试验，它的优点在于：施加的荷载模式较好地反映了路面上的 实际受力状况。并且仪器相对便宜，易于操作。作为评价沥青混合料在规定温度条件下抵抗塑性流 动变形能力的方法，室内车辙试验是通过板块状试件与车轮之间的往复相对运动，使试块在车轮的 重复荷载作用下，产生压密、剪切、推移和流动，从而产生车辙。在用于试验研究时，还可以改变 温度、荷载、试件厚度、尺寸和成型条件等，搞清楚各种因素变化对车辙变形的影响。作为一种工 程试验方法。其试验结果是工程指标而不是力学参数，不易得出为力学计算、车辙预估等计算所需 的物理力学指标。但由于试验结果与实际路面车辙较好的相关性，通过测定试块的变形与时间或车 轮通过次数之间的关系，计算沥青混合料的车辙深度或动稳定度，可用于建立经验公式来预测沥青 路面车辙深度，或用于检测沥青混合料抗车辙能力。 该试验最初是由英国道路研究所( 1 1 r m ) 开发的试验方法，以后法国道路与桥梁研究中心 6 第二章钢桥面沥青混合科铺装车辙概论 ( l c p c ) 和日本道路协会也相继进行了开发和研制，现在我围也有国产的车辙试验机。由丁| 试验设 备简单，操作办便，原理直观，虽然它并不给出材料的力学参数，但它易1 ：被人们理解和接受，同 时车辙试验结果与实际沥青面层的车辙之间有良好的相关性，因而在欧洲、北美、日本、澳大利亚 等国得到广泛应用。典型的车辙试验方法包括： 1 ) 法国中央道路桥梁研究院的轮辙试验仪( f 1 p r t ) 试件尺寸5 ( x ) m m x l 8 0 m m x l 0 0 m m ，用直径4 0 0 i l l l n 、宽5 0 m m 的充气轮胎( o 6 m p a ) 轮载5 0 u o n ， 轮速i 6 m s ，用荷载轮在气温6 0 条件下作用一定次数时产生相对永久变形( 永久变形的测量值与 试件厚度的百分比) 评价沥青混合料的抗车辙能力。 2 ) 美国乔治亚州沥青路面分析仪( a p a ) 沥青路面分析仪a p a ( a s p h a l tp a v e m e n t a n a l y s e s ) 是一种多功能轮载测试仪，可用于评估干燥 或潮湿条件下的沥青混合料抗永久变形能力。车辙试验是通过将条形或圆柱试件放在町重复进行的 车轮荷载下测量轮迹处的永久变形来对沥青混合料的抗永久变形能力进行评价。试验条件如下： 试件尺寸：梁形试件3 0 0 m i n x l 2 5 m n v 7 5 m m 圆柱试件直径1 5 0 r a m ，高度7 5 r m n 加载充气棒：材料为橡胶管气压0 6 9 m p a 碾压速度：4 9 7 次m i n 轮载：4 5 k g 加载次数：8 0 0 0 次 试验温度：根据沥青p g 分级高温等级降低一个等级，如某沥青p g 分级为1 q 3 7 6 - 2 8 ，降低 一个等级6 ，则对这种沥青高温车辙试验温度为7 0 。 3 ) 我国现行规范及试验规程采用的车辙试验仪 这类试验仪最早是有英国t r r l 开发的，后在英国、欧洲、日本、北美和澳大利亚得到了广泛 的研究应用。我国于“七五八五”期间，在日本样机的基础上开发了现行的车辙试验仪。试验条件 如下： 加载轮尺寸：直径2 0 0 m m 、宽5 0 r a m 加载轮材料：橡胶轮实心轮胎 轮压：0 7 m p a 碾压速度：4 2t 突m m 试验温度： 6 0 试件尺寸： 3 0 0 t n n v l 时，此因素对试验结果影响显著。， 经过计算，列出方差分析表，见表4 6 表4 8 。取显著水平口= o 1 0 。 表4 6s m a 、a c 组合结构车辙仪记录数据方差分析表 因素偏差平方和自由度 f 比 f 临界值显著性 上面层级配 4 5 6 0 222 9 l l3 “ 下面层级配1 4 5 5 32 0 9 2 7 3 1 l 上面层空隙率 1 7 3 l2 o 1 0 9 3 1 l 下面层空隙率 o 8 2 42o 0 5 33 1 1 总偏差 6 2 6 9 38 误差差 - 0 0 1 7 袁4 7s m a 、a c 组合结构断面测量记录数据方差分析表 因素偏差平方和自由度 f 比 f 临界值显著性 上面层级配 5 2 2 623 1 1 53 1 l 下面层级配 1 2 5 2 720 7 4 73 1 l 上面层空隙率 1 7 0 72o 1 0 23 1 l 下面层宅隙率o 6 0 72o 0 3 63 “ 总偏差 6 7 i8 误差 m 0 3 8 4 表4 8s m a 、m a 组合结构方差分析表 因素偏差平方和自由度f 比 f 临界值 显著性 沥青性质1 0 5 6 2 5 0 0l2 4 2 l5 5 4 结构形式凇5 0 0 1o 5 5 l5 5 4 空隙率1 2 2 5 0 0 lo 0 2 8 5 5 4 总偏差1 3 0 8 7 5 0 0 3 误差o 对于s m a 、a c 结构组合来说，表4 7 断面测量数据中上面层级配的f f # # 庐1 具有明显的显 著性；表4 6 车辙仪记录数据中，虽然没有表现出明显的显著性，但是，比值与f _ 非常接近。按 照f f _ 一n 值大小排序，两表均为上面层级配 下面层级配 上面层空隙率 下面层空隙率。综合极差 值和f f - # m 值的排序得，影响因素中上面层级配类型最为显著，以下依次是下面层级配类型、上面 层空隙率和下面层空隙率。 分析s m a 、m a 结构组合，表4 8 种数据中沥青性质的f i f - m 值最大，极值办最大，说明其影 响最为显著，以下依次是上面层级配类型和空隙率。 4 4 2 影响因素交互分析 比较图4 2 、图4 3 可知，s m a 、a c 组合结构的试验中，由两种方法所得数据做出的效应曲线 图表现出相同的趋势，以下分析可仅以车辙仪记录数据为代表。 1 级配组合交互分析 以上分析得出，影响混合料抗车辙性能的主要是级配类型，因此不同级配的互相搭配对组合结 构抗车辙性能起到关键作用，影响权重最大。 东南大学硕士学位论文 葡耱场钛 s m a l l3 1 8m i l l3 4 2 m m8 9 0 m m s m a l o2 8 6 3 6 3m i l l8 6 2 m m a c l o6 9 3r a i n6 4 3 m m9 8 2 m m m a 1 0 m m ( 5 2 5 0 次)1 0 r a m ( 4 0 5 0 次) 由上表可得，s m a 混合料结构组合体现出良好的抗车辙性能。4 种s m a 组合结构车辙深度较 小且值相差不大，其中s m a i i + s m a l 0 ( 前者表上面层。后者表下面层，下同) 车辙深度最小，为 2 8 6 m m 。在s m a 与a c 搭配的组合结构里，车辙深度是s m a + s m a 结构的2 3 倍，其中s m a + a c 结构的车辙深度明显小于a c + s m a 结构，体现出s m a 结构抗车辙能力强丁：a c 的同时，也说明上 面层的抗车辙能力的强弱对组合结构的整体抗车辙性能有着更为重要的影响。a c l 0 + a c l 0 结构和 s m a + m a 结构均未做到1 0 0 0 1 3 次，且车辙深度都较大，抗车辙性能都较差。 2 各层级配与空隙率交互分析 空隙率在混合料中发挥重要的作用，且与级配类型有着千丝万缕的联系。空隙率与级配类型的 交互作用分析列于表4 1 0 - , 4 1 i 。 表4 1 0s m a 、a c 组合上面层级配与空隙率交互作用分析表 一；桊竺 s m a “ s m a l 0a c l o 上面层空隙率、 5 3 1 8 m m6 4 3 m m8 6 2m i l l 4 2 8 6 m m 3 4 2 m m9 8 2m i l l 3 6 9 3 m m3 6 3 咖8 9 0m i l l 表4 1 1s m a 、a c 组合下面层级配与空隙率交互作用分析表 二器竺竺 s m a l ls m a l oa c l o 下面层空隙率、 4 3 1 8 m m 3 6 3m i l l9 8 2m i l l 3 8 9 0i t l l n2 8 6 m m6 4 3 m m 2 3 4 2 m m8 6 2 m m6 9 3 m m 表4 1 1s m a 、m a 组合上面层级配与空隙率交互作用分析表 二漆竺竺 s m a l l s m