（道路与铁道工程专业论文）沥青路面永久变形叠加方法研究.pdf

摘要 摘要 沥青路面的永久变形问题一直以来都倍受关注，而永久变形的叠加则是永 久变形研究中的难点。沥青路面处于高温时段的时间有限，但是单位时问下的 永久变形却很大；中低温时段很长，但是单位时间下的永久变形却相对较小。 这就要求我们必须全面地认识沥青混合料，系统地研究不同温度下的永久变形 情况，在考虑路面温度分布的基础上探讨永久变形的叠加方法。本文的主要研 究内容和成果概括如下： ( 1 ) 针对目前的研究中只注重极端高温下的永久变形的现象，本文以上海 市路面温度分布频率和室内的a p a 试验结果为基础，分析了不同温度下的永久 变形分布情况。研究结果表明：在进行沥青路面设计时，仅考虑单一高温温度 ( 6 0 ) 是不够的，而是首先要控制沥青混合料的高温稳定性，避免在高温时 段发生一次性车辙损坏；其次要对2 0 - 6 0 内温度范围内沥青混合料的高温性 能进行综合评价；最后必须在全面考虑沥青路面温度分布和永久变形叠加方法 的基础上，系统地研究整个时程范围内的永久变形问题。 ( 2 ) 为了对永久变形的叠加方法进行研究，首先对目前常用于沥青路面的 几种叠加方法进行了介绍和分析，研究表明它们不适合用于永久变形的叠加问 题；接着对a a s h t o2 0 0 2 柔性路面设计指南中的采用的叠加方法进行了系统的 介绍，并采用两种试验方法对其适用性进行了验证。研究结果表明：以应变硬 化原理为理论基础的a a s h t o2 0 0 2 永久变形叠加方法不能反映历史因素的影 响，可能难以准确反映永久变形的叠加结果，需要对其进行修正或者寻求新的 叠加方法。 ( 3 ) 为了能更准确的进行试验模拟，进行了a p a 试验条件的和升温方式的 模拟，结果表明有侧限试验条件和间断升温模式能够更好地模拟路面的实际状 况，并最终确定为文中采用的试验方法。 ( 4 ) 选择5 种典型的沥青混合料，进行了不同温度下的永久变形测试，将 永久变形曲线分成加速变形阶段和变形稳定阶段两个部分，得出a a s h t o2 0 0 2 叠加方法与实测结果之间的差别一方面在于后者存在一个加速变形阶段，另一 摘要 方面在于后者的变形稳定阶段的斜率较大；为对该规律进一步验证，采用单轴 贯入剪切疲劳试验、蠕变试验和环道试验对a p a 的试验结果进行了验证，指出 了加速变形阶段存在的必然性。 ( 5 ) 在考虑了应力历史、路面温度和荷载作用次数等三个因素的基础上， 采用a p a 进行了不同温度、不同荷载作用次数下的试验模拟，提出了采用实测 永久变形值与a a s h t o 叠加值之比月作为描述永久变形规律的定量性指标，明 确提出影响r 的主要因素既包括当前的因素，也包括历史的因素，并最终采用 指数形式建立了永久变形叠加方程；采用最d , - 乘法对试验结果进行了分析， 得到了回归系数，并且采用该模型对r 值随各个参数的变化情况进行了进一步 分析，结果表明尺值受第一个温度下的永久变形和第二个温度的影响比较大， 受第一个温度和第二温度下的作用次数的影响比较小。 ( 6 ) 采用秦健方法、s h r p 方法、李静方法、鲁正南方法以及a a s h t o 方 法进行了车辙等效温度计算，并对计算结果进行对比，分析表明本文的方法考 虑了路面温度分布和不同温度下的永久变形叠加，方法更加合理、适合用于车 辙等效温度的计算；采用本文提出的永久变形叠加方法对a a s h t o2 0 0 2 和鲁 正南车辙等效温度计算方法进行了修正；最后，给出了基于永久变形叠加方法 的沥青路面永久变形计算过程。 关键词：沥青路面，路面温度分布，永久变形叠加方法，永久变形叠加方程， 车辙等效温度。 a b s t r a c t a b s t r a c t f o ral o n gt i m e ，m a n yr e s e a r c h e r sh a v e b e e np a y i n gm o r ea t t e n t i o nt op e r m a n e n t d e f o r m a t i o no fa s p h a l tp a v e m e n t ，h o w e v e rl i t t l ea t t e n t i o nt os u p e r p o s i t i o nm e t h o do f p e r m a n e n td e f o r m a t i o n a sw ea l lk n o w , t h et i m et h a ta s p h a l tp a v e m e n ti si nh i g h t e m p e r a t u r ei sv e r yl i m i t e dw h i l ep e r m a n e n td e f o r m a t i o ni sl a r g e ；t h et i m et h a t a s p h a l tp a v e m e n t i si nm i d - l o wt e m p e r a t u r ei s v e r yl o n gw h i l ep e r m a n e n t d e f o r m a t i o ni ss m a l l a sar e s u l t ，i ti sn e c e s s a r yt or e c o g n i z ea s p h a l tm i x t u r ef r o ma l l s i d e s ，r e s e a r c hp e r m a n e n td e f o r m a t i o na td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ss y s t e m i c a l l ya n d i n v e s t i g a t et h es u p e r p o s i t i o nm e t h o do fp e r m a n e n td e f o r m a t i o nb a s e do np a v e m e n t t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n ta r e s u m m a r i z e di nt h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) a tp r e s e n t ，m a n yr e s e a r c h e sf o c u so np e r m a n e n td e f o r m a t i o na te x t r e m eh i g h t e m p e r a t u r e a c c o r d i n g l yb a s e do np a v e m e n tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nf r e q u e n c yi n s h a n g h a ia n dt e s tr e s u l t so fa p a ，t h ep e r m a n e n td e f o r m a t i o na td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s w a sa n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ti ti sn o te n o u g ht or e s e a r c hp e r m a n e n t d e f o r m a t i o na ts i n g l eh i g ht e m p e r a t u r e ，f o re x a m p l e6 0 。c ，t h a tt h eh i g h - t e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e ss h o u l db ec o n t r o l l e df i r s t l yt oa v o i do n e - o f fr u t t i n g d a m a g ea th i g ht e m p e r a t u r e ，t h a th i g h - t 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 e s s h o u l db ee v a l u a t e dc o m p r e h e n s i v e l ya tt h et e m p e r a t u r er a n g eo f3 0t o6 0 a n dt h a t s u p e r p o s i t i o nm e t h o do fp e r m a n e n td e f o r m a t i o ns h o u l db e s t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y b a s e do np a v e m e n tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ( 2 ) s e v e r a ls u p e r p o s i t i o nm e t h o d su s e di na s p h a l tp a v e m e n tw e r ea n a l y z e d ，a n d t h e i rl i m i t a t i o n sw e r el i s t e d w h a t sm o r e ，s u p e r p o s i t i o nm e t h o do fp e r m a n e n t d e f o r m a t i o ni na a s h t o2 0 0 2w a si n t r o d u c e da n dv a l i d a t e du s i n gt w oe x p e r i m e n t s t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h i sm e t h o dd o e s n tc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo fh i s t o r i c a lf a c t o r s ， a n dd o e s n te x a c t l yr e f l e c tt h es u p e r p o s i t i o nr e s u l t so fp e r m a n e n td e f o r m a t i o n ，a n d t h a ti ti sn e c e s s a r yt om o d i f yi to rt of i n dan e wm e t h o d ( 3 ) e x p e r i m e n tc o n d i t i o n so fa p a t e s ta n dt h em o d eo fr i s i n gt e m p e r a t u r ew e r e i l l 一 垒! ! ! 竺! s i m u l a t e d t h er e s u l ts u g g e s t e dt h a te x p e r i m e n tc o n d i t i o nw i t hl a t e r a lc o n f i n e m e n t a n dd i s c o n t i n u o u sm o d eo fr i s i n gt e m p e r a t u r es i m u l a t er e a lp a v e m e n tc o n d i t i o nb e t t e r , a n da r eu s e di nt h i sp a p e r ( 4 ) i nt h ef k s tp l a c ep e r m a n e n td e f o r m a t i o no ff i v et y p i c a la s p h a l tm i x t u r e sa t d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sw e r et e s t e da n dt h el a wo fp e r m a n e n td e f o r m a t i o nw e r e a n a l y z e da n ds u m m a r i z e d ；i nt h es e c o n dp l a c et h ed i f f e r e n c ea n dr e a s o nb e t w e e n c a l c u l a t i o nr e s u l to fa a s h t o2 0 0 2s u p e r p o s i t i o nm e t h o da n dt e s tr e s u l t sm e a s u r e d b ya p a w e r eg i v e na n dv a l i d a t e db yt h r e em e t h o d s ；a tl a s t ，t e s ts c h e m et h a tm o d i f i e d a a s h t o2 0 0 2s u p e r p o s i t i o nm e t h o dw e r eg i v e n ( 5 ) f i r s t l y , b a s e d o ns t r e s sh i s t o r y , p a v e m e n tt e m p e r a t u r ea n dn u m b e r so f l o a d i n g ，e x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e du s i n ga p a a td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e su n d e r d i f f e r e n tn u m b e r so fl o a dr e p e t i t i o n s s e c o n d l y , t h er a t i o ( r ) o fp e r m a n e n t d e f o r m a t i o nm e a s u r e db ya p aa n ds u p e r p o s e db ya a s h t o2 0 0 2w a su s e dt o d e s c r i b et h el a wo fp e r m a n e n td e f o r m a t i o nq u a n t i f i c a t i o n a l l y t h i r d l y , t h ei n f l u e n c e f a c t o r so frw e r ed e t e r m i n e da n di n c l u d e dp a v e m e n tt e m p e r a t u r eo fl a s ts u b s e a s o n ( 互) ，p e r m a n e n td e f o r m a t i o n a f t e rl a s ts u b s e a s o n ( d 1 ) ，p a v e m e n tt e m p e r a t u r eo f c u r r e n ts u b s e a s o n ( 乃) a n dn u m b e r so fl o a dr e p e t i t i o n so fc u r r e n ts u b s e a s o n ( 2 ) f o u r t h l y , m o d i f i e da a s h t oe q u a t i o nw a sf o u n d e du s i n ge x p o n e n te q u a t i o na n d c o e f f i c i e n t sw e r er e g r e s s e du s i n gl e a s ts q u a r em e t h o d f i n a l l y , r e l a t i o n s h i po fr a n d p a r a m e t e r sw a sa n a l y z e d ( 6 ) a tf i r s t ，s e v e r a lc a l c u l a t i o nm e t h o d so fr u te q u i v a l e n tt e m p e r a t u r ew e r e i n t r o d u c e d t h e n ，t h er u te q u i v a l e n tt e m p e r a t u r e sw e r ec o m p u t e du s i n gq i n g j i a n m e t h o d ，s h r pm e t h o d ，l i ji n gm e t h o d ，l uz h e n g l a nm e t h o da n da a s h t om e t h o d ， a n dt h em e r i t sa n df a u l t sw e r ea n a l y z e d l uz h e n g l a nm e t h o da n da a s h t o m e t h o d w e r er e v i s e du s i n gt h em e t h o do ft h i sp a p e r a tl a s t ，t h ec a l c u l a t i o np r o g r e s so f p e r m a n e n td e f o r m a t i o no fa s p h a l tp a v e m e n t w a sg i v e n k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ，p a v e m e n tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n , s u p e r p o s i t i o n m e t h o do fp e r m a n e n td e f o r m a t i o n ，m o d i f i e da a s h t oe q u a t i o n ，r u t e q u i v a l e n tp a v e m e n tt e m p e r a t u r e i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：曾而蓐 乡岬年罗月j2 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：曾而珲 卿年乡月1 2 日 第1 章绪论 第1 章绪论 11 问题的提出和研究的意义 1 1 问题的提出 自1 9 8 8 印我国大陆地区第一条高速公路一沪嘉高速公路建成通车，实现我 国大陆地区高速公路零的突破以米。至2 0 0 6 年底大陆地区高速公路已突破4 5 0 0 0 公举，稳居世界第二位，其中9 5 以上为沥青路面。随着公路运输量的同益增 长和运输向重型化发展，尤其是高等级公路交通运行的槊化，沥青路面的车辙 ( 永久变形) 已成为突出的问题。车辙达到一定深度，就会影响路面的平整度 和行车的舒适性，过量的车辙还会影响到行车的安全，井带来不利影响( 见图 l1 ) 。据调查，由车辙引起的路面损坏所占比例有愈束愈大的趋势。在日本，高 速公路路面翻修或罩面原因中，车辙占8 0 以上。我国量分高速公路上车辙铣 刨两年后又出现明显车辙。在交通发达国家，沥青路面车辙观测或有关参数值 已成为路面设计中的一项重要控制指标和研究方向。在我国，虽然车辙深度尚 未成为路面的设计指标，但随着高速公路的大量修建和交通渠化的出现，路面 车辙问题引起了人们的高度重视i l l 。 刿1 1 澌青路面车辙损坏情况 众所周知沥青路面所处的环境条件和交通条件非常复杂。不但经受着一 年四季温度的交替变化，也经受着一天2 4 小时温度的高低起伏，而且不同时刻 嘲潮过 舯 一 一 焉= 一 一一。一一 第1 章绪论 的交通荷载也是各不相同的。沥青混合料的力学性能受温度的影响非常大，不 同的温度下会表现出不同的性能，所以在对沥青路面永久变形的研究中，必须 考虑路面温度的影响。但是，当我们回顾以往的研究时就会发现，目前对沥青 路面永久变形的研究中，在路面结构设计、永久变形预估和路面材料选择等方 面对路面温度的考虑还不够全面，存在着一些不足，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 沥青路面的材料选择。常用的方法是以单一高温( 如6 0 ) 车辙试验， a p a 试验、蠕变试验或高其他性能试验，来评价路面材料的高温稳定性，进而 研究混合料级配、沥青( 如p g 等级、标号、常规技条指标、老化性能等) 、改 性剂( 如s b s ，p e 等) 、用油量、集料( 如岩性、纹理、粒径、压碎值、磨耗值、 扁平颗粒含量等) 、成型温度和成型方法等等对沥青混合料抗车辙性能的影响 2 q l 】 o ( 2 ) 沥青路面永久变形的预估。目前对车辙预估方法的研究非常多，可以 分为理论法、经验法和力学一经验法三种【l 厶1 6 】。但是，不管哪种预估方法，对 路面温度的考虑一般只是采用代表温度或者车辙等效温度来进行车辙预估，而 对不同温度下、不同荷载作用次数产生的永久变形累加的变化过程研究甚少。 从这两个方面的研究我们可以看出，目前对沥青路面永久变形的研究是不 够全面的。一方面，单一高温下的沥青混合料高温稳定性的研究只能控制材料 在高温时段不发生一次性车辙损坏，并没有考虑长期以来的不同温度下的永久 变形的累积问题；另一方面，永久变形预估方法中的等效温度研究大多采用 m i n e r 定理，而m i n e r 定理是一种线性叠加原理，将其应用到如此复杂的车辙问 题当中是否合理，尚未有人对此进行过论证。 综上所述，在目前车辙问题频繁发生，并且影响到沥青路面的正常使用的 背景下，迫切需要我们全面地认识沥青混合料，全面地研究不同温度下沥青路 面永久变形的情况，进而研究不同温度下沥青路面永久变形的叠加方法。从而， 为进一步的沥青路面永久变形预估和其他方面的研究奠定基础。 1 1 2 研究的意义 沥青路面车辙是影响路面使用性能和结构性能的一个重要因素，车辙问题 的产生，不但降低了道路的使用寿命和服务质量，浪费了国家资源，而且严重 危害着道路使用者的人身和财产安全。因此，对沥青路面永久变形的全面研究 2 第1 章绪论 具有重要的理论价值和应用价值，主要表现在： ( 1 ) 在考虑路面温度分布频率的基础上，全面地研究不同温度下的沥青路 面永久变形之间的关系，为永久变形的研究提供了一个全新的视角，避免以往 只关注高温而忽略温度分布频率较大的中低温度下产生的永久变形所带来的片 面性。 ( 2 ) 对两个温度作用下永久变形叠加规律的深入的探讨和分析，为更加深 入的认识和研究车辙问题提供了一个新的视角，使车辙问题的研究进一步深化。 ( 3 ) 基于室内a p a 试验，系统地研究不同温度下沥青路面永久变形的叠加 方法，为进一步准确的、合理的永久变形预估做出充分的准备。这不仅在理论 上具有重要的意义，而且实践上也可以有效控制路面车辙的产生。 ( 4 ) 在永久变形叠加方法的基础上，建立新的车辙等效温度的确定方法， 便于将车辙预估过程进行简化，具有重要的应用价值。 1 2国内外研究现状 这罩将从沥青路面永久变形的试验方法，a p a 试验方法的发展及其应用和 路面中常用的叠加方法三部分进行介绍。 1 2 1 永久变形试验方法 自从第一条沥青路面出现车辙以来，研究者们已经建立了形式多样的沥青 混合料永久变形的测试和评价方法，其中比较常用的方法如下： 1 足尺加速路面试验1 1 7 - i s 足尺加速路面试验可分为室外试验与室内试验二类。室外试验包括野外大 型试验场与移动式试验二种；室内试验按形状可分为圆形环道和直线型试槽二 种。野外大型试验场一般由直线和曲线试验路构成，亦有单独的大直径圆形环 道或直道。采用大型试验场有下述优点： 行车荷载就是实际汽车，气候条件就是自然条件，可适当安排试验进度使 试验路能经受不同季节的考验；路面免受额外水平力的干扰，试验车左右两侧 荷载试验结果能起平行试验的作用，增加了试验数据：大型试验场规模大，从 线形上有直线和曲线，与实际公路情况相符，既可研究路基路面结构，亦可研 第1 章绪论 究一般的桥涵结构物，且一次试验可安排较多的结构州式。 缺点王要有两个方面：首先，试验规模报大，要耗费大量的人力和物力， 试验费用很高：其次因为试验场修建在同定的地点，气候环境与地质条件均 难以人为控制，在此自然条件下获得的路面工作规律不一定能在其它自然条件 下应用，试验结果具有地区局限性。 比较有名的大型野外试验场主要包括：1 9 5 6 1 9 5 8 年在美国伊利诺斯涯a 华城建造的a a s t h o 环道( 见图12 ) ，】9 9 4 年1 0 月1 9 9 5 年1 0 月美国联邦 公路管理局在内华达州r e r o 东南部1 0 0 公罩处耗资1 4 0 0 万美元建成的w e s t t r a c k 大型野外试验场【1 9 1 ( 见图14 ) 和n c a t 试验场( 见图1 5 ) 。 加速加载设蔷a l f ( a c c e l e r a t e dl o a d i n gf a c i l i t y ) 或重型车辆模拟器h v s ( h e a v yv e h i c l es i m u l a t o r ) 均为可移动的、足尺路面测试试验系统，可对路而 施加可控的车轮荷载，可在较短的时f r j 内，较真实地模拟交通荷载对路面的破 坏作用( 见| 璺| l3 ) 。同时，a l f 的可移动性能满足不同自然气候条件和地区的 试验研究。我国于1 9 9 0 年从澳大利亚i ；| 进了a l f ，到1 9 9 7 年底已进行了2 0 多 种路面结构的2 4 次试验。主蔓应用于半川性路面车辙及其发展规律、路面承载 力以及沥青路面轴载换算的研究。 图i2 a a s h t o 环道幽i3 a l f 加速加找设备 ；，。_ - g ，! ! 尊= 毒。毒；二二= 二缒瞒甬g 女d 女 幽14w e s t t r a c k 人 野外试验场 第1 章绪论 凹i5 n c a t 试验场 2 室内轮辙试验1 2 0 】 沥青路面水久变形的直观衷现是车辙而室内轮辙试验榭对简单，幽此 轮辙试验发展最快，应用最为j “泛。常削的轮辙试验仪器包括： ( 1 ) 法国l c p c 轮辙仪f r t ( f r e n c hr u t t i n gt e s t e r ) 试件尺寸为5 0 0 m m x l 8 0 m m 1 0 0 r a m ，充气轮胎为随径4 0 0 r a m 宽5 0 m m 胎压为06 m p a ，轮载为5 0 0 0 n ，轮胎 r 走速度为16 m s 。见图16 。 幽l6 法旧l c p c 轮辙仪凹17 德国h w t d 轮辙仪 ( 2 ) 德国汉堡轮辙仪h w t d ( h a m b u r g w h e e l t r a c k i n g d e v i c e ) 试什尺寸为3 2 0 m m x 2 6 0 m m x 8 0 m m ，钢轮的直径为2 0 4 r a m ，宽为4 7 m m ， 轮载为6 8 5 n 。轮胎行走速度为1 日式，在试件中心位置的最高速度为o3 3 m s 在5 0 潮湿环境f 进行试验，见罔】8 。 第1 章绪论 恻i8p u r w h e e l 单轮试验仪 幽19 茭1 月佐治卅 轮辙仪g l w t ( 3 ) p u r w h e e l 单轮试验仪( p u r d u e u n i v e r s i t y l a b o r a t o r y w h e e l t r a c k i n g d e v i c e ) 试件尺寸为3 2 0 n u n 2 6 0 m m x 7 5 m m ，轮胎为直径6 2 0 m m x 宽7 5 m m 的充气轮， 胎压为08 6 2 m p a ，轮载为1 9 0 0 n ，轮速o6 m s ，6 0 c 环境下进行试验，见图18 。 ( 4 ) 美国佐治亚, j q ，l 轮辙仪g l w t ( g e o r g i al o a d e dw h e e lt e s t e r ) 见罔l9 。 g l w t 是沥青路面分析仪a p a 的前身，具体介绍见l2 2 节。 我幽变通部推荐使用的车辙仪是模仿门本牟辙仪原型研制的，试验轮采用 橡胶实心轮胎，外径2 0 0 m m ，轮宽5 0 r a m ，橡胶厚l5 m m 。试验温度为6 0 ， 荷载粟f l j 砝码施加，试验轮1 i 试件接触压强为07 m p a ，每分钟运行4 2 次。试件 采用k 方体。i h 专用的轮辙成型机成型，尺寸大小为3 0 0 m m 3 0 0 m m 5 0 m m 。 3s u p e r p a v e 剪切试验( s s t ) “” 1 9 8 7 年s h r p 计划研制了s u p e r p a v e 剪切试验( s s t ) 作为测嚣沥青混合 料剪切特性的试验( 见罔l1 0 ) 。该试验能够得到剪切应力、剪切应变、剪切模 量等力学参数。它包含六种测量方式：体积、单轴应变、恒高度重复翦切试验， 恒应力比重复剪切试验，恒高度简竹剪切试验，恒岛度频年扫描试验。剪切试 验的显著优点是可直接作用剪切力，而沥肯层的永久变形( 车辙) 由两部分组 成：压密变形和剪切变形，而尤体积变化的剪切变形是车辙变形的主要组成部 分。由于单剪试验撼本e 消除了体积变形，试验结果能突出反映混合料产生永 久变彤( 车辙) 的机理，冈而，能较有敛地应丌 于比较和预估各种沥青混合料 的抗永久变形的性能，其评价指标为塑性应变或动卷模垦。 4 轴向庶力试验 轴向应力试验包括无约束圆柱型试件的静态蠕变、动态蘑复及动态力学试 验，其叶 静态蠕变试验是鹾简单，也是最常用的应力一应变测试方法( 见图l1 1 ) ： 第l 章绪论 动态重复和动态力学试验被认为是能够有效模拟路面车辆荷载作用的变形测试 形式，也是目前研究混合料抗永久变形能力动卷力学参数的重要试验方法。 鳕1 1 0 简单剪切试验 蚓】1 1 蠕变试验 5 径向和弯曲蠕变试验 径向蠕变和弯曲蠕变试验在材料的受力状态和变形响应两方面都不能充分 模拟路面材料的实际受力和变形特征，因此这两种试验方法都不是理想的永久 变形测试方法。 6 三轴试验”1 在沥青混合料中集料之白j 的空隙被沥青所填充，其抗变形能力是由集料 颗粒之间的摩阻力口和沥青结合料的粘结力c 所提供，所以，一些学者应用摩尔 库仑理论来解释沥青混合料变形的抗力。因此，有人引用三轴试验柬剽定沥青 混合料的粘结力c 和内摩擦角p 两项指标，并以此束表征沥青混合料的抗车辙性 能。 三轴试验仪是c a 鞠g 珊d e 于2 0 世纪3 0 年代发明的，整个试验仪由三轴压力 室、轴向加荷系统、周围压力施加系统、孔隙水压力量测系统等组成。三轴压 力室是三轴试验仪的主要组成部分它是一个由金属上盖、底座和透明有机玻 璃组成的密封容器。三轴试验仪分为应变控制式和应力控制式两种，前者较后 者操作方便，应用广泛。三轴试样的周围压力由周围压力系统提供并控制- 通 过轴向加荷系统令试样沿着轴向压缩或伸长。三轴试验本质上是有侧限的压缩 试验，轴向主应力是试件破坏的主要因素。 22a p a 试验方法的发展过程及其应用 尽管存在着各种各样的永久变形测试方法，但是一方面由于路面所处的外 第l 章绪论 界自然环境和交通荷载都非常复杂，另一方面由于存在着下面一个或者几个方 面的不足，还没有一种公认的、合理的永久变形评价方法： 1 ) 试验方法不尽合理，不能够很好地模拟实际路面的受力模式； 2 ) 能够模拟实际路面的受力模式，但是试验方法复杂、试验难以控制、试 件之间平行性较差： 3 ) 试验方法合理、平行性好，但是对沥青混合料的各个因素( 如级配、空 隙率、沥青等) 不够敏感，不能很好地区分不同混合料之问的抗车辙性能； 4 ) 试验方法合理，在室内能够对不同混合料的抗车辙性能进行区分，但 是与现场实测结果之间的相关性不好； 5 ) 试验方法与单个现场结果之间相关性好，但是无法在多个项目之间建立 联系； 6 ) 试验方法合理，但是试验周期较长，试验费用昂贵。 基于上面多种原因，考虑到由于沥青路面分析仪a p a 的试验方法合理、操 作简单，能够很好地模拟路面的实际受力模式；能够对不同混合料之间的抗车 辙性能进行区分；与现场实测结果之间相关性好；且近年来广泛用于沥青路面 车辙性能研究；因此，本文选择其作为试验方法。下面对该试验方法、发展过 程和应用现状作一介绍。 1 2 2 1 第一阶段：c r b e n e d i c t 稀浆封层试验仪，1 9 8 5 年以前 a p a 的最原始的模型是来自于本尼迪克特( b e n e d i c t ) 稀浆封层试验仪，该 仪器的试验条件为： 胎压为7 5 和1 0 0 p s i ，温度为3 5 ，轮载为5 0 1 b 、7 5 1 b 和1 0 0 1 b 。 注：l 磅力英寸2 ( p s i ) = 6 8 9 5l 【p a ；1 磅力( 1 b ) = 4 4 5 牛顿( n ) 。 1 2 2 2 第二阶段：g l w t ( 乔治亚州轮辙仪) ，1 9 8 5 一- , 1 9 9 6 年 1 第一次改进 1 9 8 5 年，乔治亚州交通局启动了8 5 0 3 号研究项目“开发一个简单的试验方 法来预测沥青混合料的抗车辙性能”，目的是开发一个简单的试验方法来弥补马 歇尔试验的不足【2 3 1 。在这一背景下g l w t 产生了，并对最初的b e n e d i c t 稀浆封 层试验仪进行了第一次改进： 首先将套在铝轮上3 英寸的硬橡胶轮胎换成沿纵向放在试件上的充气橡胶 8 第1 章绪论 软管，铝轮与移动式手臂相连并儿沿着软管远z 山，并r 町以提供个理想的接 触i 力。另外，还l 产了组装试验装置的重型试验台和j 月于加紧试件的模具， 酣簧了带有凹槽的、盛装测微仪的模板作为手动车辙测试装超。 最切采用的是梁式试件，尺寸为3 0 0 r n m x l 2 5 m m 7 5 m m ，可以根掘实验条 件选择不同的成型方法。此时的l w t 还不能够自动控温，试验前要将改进的 l w t 连同试什一起放冒在密封室内，采具有温度自动唰节器的i b 热器将环境 温度加热到3 5 ( 误差为5 9 ) ，然后保温2 4 小时。试验时充。e 软管的气难 为7 5 或1 0 0 p s i ( o6 9 m p a ) ，轮载为5 0 、7 5 或1 0 0 磅。当荷载作川4 0 、1 0 0 、4 0 0 、 1 0 0 0 和4 0 0 0 次时采用测微仪测量车辙深度。 恻i1 2g l w t 的试模平手动下辙深度删试系统 此次研究中选择了四种现场乍辙性能不同的i i j 青混合料计价和比较采用 l w t 、静态蠕变试验和重复j 轴试验的试验结果帕区别。结粜表明：改进的轮 辙仪的足一种相对比较简单的实验办法，能够用柬评价沥荐混合料的车辙性能。 此后的5 年内，研究肯们采用g l m 进行了系列研究，同时也肘j t 进行 了评价。1 9 8 6 和1 9 8 8 年乔 骨业州交通局的8 6 0 9 号和8 7 0 6 号研究项日中l a i 采 川g l w t 评价了g d o t 的b 型混合料的抗年辙性能，研究r 蜓丰斗的绒配对沥菏 混合料抗i 辙性能的影响2 4 - 2 5 1 。1 9 9 1 午w e s t 对g l w t 进行了t f 价例。研究表 明：与马歇尔试骑和旋转试验相比，g l w t 能够更好地评价沥青棍台料的抗车 辙性能。 2 第二次改进 1 9 9 2 年f e m a n d e s 采用g l w t 研究了o k l a h o m a ( 俄克扭荷屿州) 洳青混合 料的抗车辙性能口”。为了能够适时测量车辙，浚研究对l w t 进行了第二次改进。 第1 章绪论 采用e d a s ( 电子数据采集系统) 替代了手动测微仪系统，从而减少5 2 的测试时间，两者的测量结果误差为2 。此时，车辙测量实现了自动化。 1 9 9 3 年l a i 采用联合试验的方法对采用l w t 测试沥青混合料的车辙性能的 合理性进行了评价【2 引。为获得足够的数据来评价g d t - 1 1 5 试验规程的重现性和 再现性，共有六个州参加了本次联合试验。由于每个实验室都采用已有的压实 机器，就导致不同实验室制作的试件具有不同的密度，而密度对车辙的影响很 大。因而，将具有最大和最小密度的实验室排除后进行分析，结果表明：如果 试件的密度控制的比较好，实验室之间的再现性的标准差为0 0 4 4 ，如果将六种 混合料都考虑在内，标准差为0 1 2 8 。 1 9 9 4 年乔治亚州交通局的9 1 0 1 号研究项目中，y o u n g 采用l w t 评价了l s m ( 大粒径沥青混合料) 的抗车辙性能【2 训。1 9 9 5 年怀俄明州大学的m i l l e 采用 g l w t 进行了车辙预倒3 0 j 。c o l l i n s 在t r b 上对g l w t 的丌发和使用进行了研 究【3 1 1 3 第三次改进 1 9 9 6 年c o l l i n s 采用g l w t 评价了s u p e r p a v e 旋转压实仪成型试件的抗车辙 性能【3 2 1 。在此之前的研究采用的主要是梁式试件，旋转压实仪的出现，使圆柱 体试件在g l w t 中的应用提上了日程，并且对g l w t 进行了第三次改进。 为了简化g l w t 试验，以便对s u p e r p a v e 混合料体积设计法进行补充，开 发了用于s g c 成型的圆柱体试件的试验过程。试模是由高密度聚乙烯( h d p e ) 制成的拼装试模。采用这种材料的主要原因是，h d p e 试模比铝模轻，而且与沥 青混合料的模量相近。圆柱体试件的尺寸为直径1 5 0 m m ，高7 5 m m 。为了验证 采用圆柱体试件测量车辙深度的可行性，采用梁式试件和s g c 试件对三种具有 不同抗车辙性能的混合料进行了测试。数据表明，s g c 试件和梁式试件之间具 有较好的一致性。 1 9 9 6 年w uy i p i n g 在g d o t 的内部报告中对g l w t 的接触压力进行了测量 【3 3 1 。s h a m i 的博士论文中采用g l w t 来评价沥青混合料的永久变形【3 4 】。 4 第四次改进 1 9 9 6 年l a i 采用g l w t 来预估由传统的设计法和s u p e r p a v e r 设计法得到的 沥青混合料的疲劳特性1 3 5 】。这是首次采用g l w t 进行疲劳试验的研究，采用的 是梁式试件，并且进行了试验方法上的改进，也是g l w t 的第四次改进。 梁式试件的尺寸和荷载装置等与车辙试验相同，不同的是梁的支撑条件。 1 0 第1 章绪论 将试件放在端承上，试件下面放一个软橡胶垫用以抵消梁的自重。橡胶挚竖向 向上的反作用力可以忽略，其作用只是阻止梁式试件在自重下发生蠕变。在梁 的底面连接一个薄的# 4 0 测量变压器线圈，线圈与电路相连。当疲劳开裂开始形 成时，线圈断裂，电路失效，停止记数。当三个梁都断裂时停止试验，试验温 度为5 。c 3 0 。 1 9 9 7 年w a t s o n 采用g l w t 评价了沥青混合料的车辙性能，并且对s u p e r p a v e 的限制区进行了研究1 3 刚。s h a m i 采用g l w t 开发了温度影响模型( t e m ) 来预 测沥青混合料的车辙【3 7 】。 1 2 2 3 第三阶段：a p a ( 沥青路面分析仪) 1 9 9 6 - - 现在 随着g l w t 的应用越来越广泛，g l w t 仪器本身也得到了不断的改进。其 最新版本为沥青路面分析仪( a p a ) ，是美国在战略公路研究计划( s h r p ) 之后 研发的以轮辙深度为主要评测指标的实验室加速加载测试装置。第一台a p a 由 美困路面技术有限公司在1