（道路与铁道工程专业论文）重载交通改性沥青路面抗车辙性能研究.pdf

摘要 随着公路交通量的增加、汽车轴载的加大以及渠化交通的形成，超载、重载 车的问题也越来越突出，我国公路沥青路面的车辙病害问题已经成为一个引人注 目的普遍性问题。 通过对车辙形成原因和处治措施的分析，确定矿料级配对沥青混合料抗车辙 性能的影响重大，因此决定从矿料级配改善上提高沥青混合料抗车辙性能。通过 对不同类型的沥青混合料性能的分析，认为s m a 的级配特性具有显著优势，但 造价较高，提出了无纤维s m a ( 采用近s m a 级配的改性沥青混合料) 的应用研究。 本文通过对无纤维s m a 的体积特性的直观和定量分析，充分认识了无纤维 s m a 在不同击实次数和不同沥青用量下的体积特性：不同的矿料级配与沥青混合 料空隙率、矿料间隙率及混合料粗集料间隙率的相关关系；获得了无纤维s m a 混合料空隙率的矿料级配判别方法。 本文在理论分析的基础上通过均匀设计的试验方法对试验级配进行了设计， 通过试验确定了无纤维s m a 具有良好的抗车辙性能，即具有合理的矿料级配的 沥青混合料具有足够的高温稳定性，同时也发现了矿料级配的变化对高温稳定性 的影响非常明显：无纤维s m a 与一般s m a 和普通断级配沥青混合料相比，体现 出了更好的抗车辙性能；论文通过理论分析、试验的定性和定量分析，得到了无 纤维s m a 的推荐级配范围，为无纤维s m a 的设计和应用提供了可靠的依据。 关键词：车辙，高温稳定性，级配，s m a ，动稳定度，骨架密实型沥青混合料 a b s t r a c t w i t ht h e i n c r e a s i n g o ft h et r a 蚯c ，a u t o m o b i l ea x l el o a d sa n dt h ec h a n n e l i z e d t r a , l c 五cf o r m i n g ，s ot h ep r o b l e m s ，w h i c hc o m eo u tf r o mo v e rl o a d e da n dh e a v yl o a d e d c a r a r em o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n g ，t h em u i i u gd a m a g ei na s p h a l ts u r f a c eo f h i g h w a yi n o u rc o u n t r yh a sa l r e a d yb e c o m ean o t i c e a b l ep r o b l e m t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef o r m i n gr e a s o na n dt h ed e a l i n gw a yt o t h er u t t i n g ，w e c o n f i r mt h a tt h em i n e r a la g g r e g a t eg r a d i n gi n f l u e n c e st h ea n t i - r o t t i n gp e r f o r m a n c eo f a s p h a l tm i x t u r eg r e a t l y , s ow ed e c i d e t o c h a n g et h em i n e r a la g g r e g a t eg r a d i n gt o i m p r o v e t h e a n t i r u t t i n gp e r f o r m a n c e o f a s p h a l t m i x t u r e w i t ht h e p e r f o r m a n c e a n a l y s i si nd i f f e r e n t k i n d so f a s p h a l tm i x t u r e ，w et h i n k t h ea d v a n t a g eo fs m a g r a d i n g c h a r a c t e r i s t i ci sr e m a r k a b l e ，b u tt h ec o s ti sr e l a t i v e l yh i g h ，s op r o p o s et h ea p p l i c a t i o n s t u d yo f s m a w i t l ln o f i b m ( s m ag r a d i n g m o d i f i e d a s p h a l tm i x t u r e ) t h i sp a p e r , t h r o u g ht ot h ev i s u a la n dd e f i n i t eq u a n t i t ya n a l y s i so ft h ev o l u m e c h a r a c t e r , w ef u l l yr e a l i z et h a td i f f e r e n tc o m p a c t i o nn u m b e ra n da s p h a l tc o n t e n t ， e s p e c i a l l y t h em i n e r a l a g g r e g a t eg r a d i n g h a v et h er e l e v a n t r e l a t i o n s h i p 、丽t h t h e p e r c e n t a g eo fv o i d so fb i t u m i n o u sm i x t u r e ，p e r c e n tv o i d si nm i n e r a la g g r e g a t ea n d p e r c e n tv o i d si n c o a r s ea g g r e g a t ei nm i x t t l r e ，b yt h i sw a yw ec a r lu s et h em i n e r a l a g g r e g a t eg r a d i n g m i x t u r et om e a s u r et h ep e r c e n t a g eo f v o i d so f b i t u m i n o u sm i x t u r e b yt h eu n i f o r md e s i g nc o m b i n a t i o nb a s e do nt h et h e o r ya n dt h et e s t ，i th a s c o n f i r m e dt h r o u g ht h et e s tt h a ts m a 、i t hn of i b r eh a sg o o d a n t i r o t t i n gp e r f o r m a n c e t h a ti st os a yt h em i x t u r et h a th a sr e a s o n a b l eg r a d i n go ft h em i n e r a la g g r e g a t eh a s e n o u g hh i g h - t e m p e r a t u r es t a b i l i t i e s ，w ea l s of o u n dt h a tt h ev a r i a t i o no ft h em i n e r a l a g g r e g a t eg r a d i n gc a ni m p a c th i g h t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo b v i o u s l ya tt h es a m et i m e c o m p a r e dw i t l lt h es m a a n ds k e l e t o n - c o g g i n ga s p h a l tm i x t u r e s i th a sm o r eg o o d a n t i r u t t i n gp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rh a sd o n et h e o r ya n a l y s i s ，t h eq u a l i t a t i v ea n d d e f i n i t eq u a n t i t ya n a l y s i so ft e s t a tl a s t ，w eg e tt h er e c o m m e n d a t i o n g r a d i n gr a n g e so f s m aw i t hn of i b r e ，w h i c ho f f e rat h er e l i a b l eb a s i sf o rt h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no f s m a 谢t hn of i b r e k e y w o r d s ：r u t t i n g ，h i g h - t e m p e r a t u r es t a b i l i t y , g r a d i n g ，s m a ，d y n a m i cs t a b i l i t y , d e n s e - g r a d e da s p h a l t m i x t u r e 重庆交通学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：，二参f 芗 日期：如r 年牛月；d 目 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 自本世纪三十年代起，高等级公路的出现及其迅速发展，标志着现代化公路 建设的开始，它为经济的繁荣奠定了坚实可靠的基础。在高等级公路建设中，沥 青路面作为一种无接缝的连续式路面，由于其自身的优点，如具有足够的力学强 度，能很好的承受车辆通过路面所产生的各种作用力，行车平稳、舒适无扬尘、 振动和噪音小等，现在越来越受到世界各国的重视。如美国在1 9 7 3 年沥青路面已 占高等级公路的8 6 3 ，英国在1 9 7 5 年高达9 8 1 ，西德占8 0 。 在我国，改革开放3 0 多年来，公路建设取得了飞速的发展，目前全国公路通 车总里程达1 6 9 8 万公里。据交通部第二次公路普查资料，按公路技术等级分组， 各等级公路里程为：高速公路1 9 4 3 7 公里、一级公路2 5 2 1 4 公里、二级公路1 8 2 1 0 2 公里、三级公路3 0 8 6 2 6 公里、四级公路8 0 0 6 6 5 公里，等外级公路3 6 1 9 6 8 公里。 全国等级公路里程1 3 3 6 万公里，占公路总里程的7 8 7 。高速公路取得新的突 破，总里程跃居世界第二位。目前全国公路交通状况得到明显改善，有9 9 的乡 和8 8 的行政村通公路。继京沈、京沪高速公路建成之后，西南公路出海通道又 顺利贯通，“五纵七横”国道主干线为重点的国家公路主骨架正处于紧锣密鼓的建 设中。 沥青是人类应用最早而至今仍大量使用的工程材料之一，沥青材料在道路工 程、水利工程、建筑业、工业等领域中发挥了重要作用。如今，沥青在道路工程 中的使用量最大，世界上绝大多数石油沥青用于道路铺筑。而沥青材料在道路建 设中的应用是随着交通运输的发展而不断推广使用的。 在1 8 3 0 年以前，交通处于马车对代，路面多以大条石层层平铺而成，接缝多， 容易错台，行车颠簸不舒适。后来发明了碎石面层，其结构思想为现代沥青路面 结构发展应用奠定了基础。1 8 3 5 年，巴黎首次把岩沥青粉碎加热后铺在了人行道 上。这种面层成为当时的先进路面结构。1 8 7 1 年，e j d e s d m e n t 在纽约市把砂和 石灰粉掺入特立尼达湖沥青中。用以铺筑沥青路面获得成功，随后油渣应用于路 面的施工法也相继出现，这为现代沥青路面的发展、形成开创了新局面。沥青在 道路建设中的大量应用源自于汽车工业的发展，1 8 8 5 年发明以汽油为动力燃料的 汽车，1 8 8 7 年发明充气轮胎，汽车工业随之开始兴起，交通运输正式进入了汽车 交通时代，从这以后，沥青在道路建设中的需求不断上升，路面结构材料组成也 不断推陈出新。 由于汽车荷载不同于马车，汽车交通对路面的性能提出了更高要求。1 9 0 0 年， 美国在砂、石粉、湖沥青混合料中加入了粗碎石，发明了w a r r e n i t e b i t u l i t h i c 路面 第一章绪论 2 结构( 属双层沥青混凝土路面) ，并获得一项被称为沥青碎石路面的专利。 w a r r e n i t e b i t u l i t h i c 路面结构成为现代沥青混凝土路面的前身。1 9 0 5 年，美国又发 明了t o p e k a 路面( 属细粒式沥青混凝土) ，它比碎石混合料更适合机械化铺路作业。 沥青路面材料组成与结构形式在各国都有所不同，各有特色。究其原因，这 些不同主要是由各国的气候、材料、工业化程度、机械设备等因素决定的，是各 国研究人员，经长期实践，靠习惯经验形成的最优方案。这种配比方案，其更新 周期长，对条件变化的适应性差，不利于沥青路面材料的广泛应用。而在沥青混 合料的设计方法的出现和对沥青混合料的组成实践上升到理论试验研究后，沥青 路面结梅材料才迈入一个高速发展的新时代。 回顾我国公路沥青路面的发展史，沥青路面的发展和变革，实际上是路面材 料变革的历史。现在沥青路面差距最主要是材料上的差距，包括原材料和沥青混 合料的差距。 在五六十年代，我国的公路主要是砂石路面，砂石料和粘土是最基本的材料。 粘土作为路面结合料决定了路面必然是晴天扬尘，雨天泥泞，不能全天候通车。 随着大庆原油的开发，道路渣油这种不合格的沥青材料登上了历史舞台。在七八 十年代，胜利油田9 2 3 原油和孤岛原油的开发，使胜利炼油厂开始生产符合一定 规格的沥青。沥青碎石结构、贯入式路面或上拌下贯式路面得到了发展，成了干 线公路的主要路面材料和结构。八十年代中期，以京津塘高速公路建设为契机， 我国开始进入了高等级公路建设的新时期。我们提出了“重交通道路石油沥青技 术要求”，开始进口国外的高质量沥青。石化部门也开始攻关，研制符合要求的重 交通道路沥青，为高等级公路工程崭新的结构形式发挥了重要作用。 我国沥青混凝土路面的历史还很短，1 0 多年前，我国的沥青路面尚以表面处 治、贯入式路面及沥青碎石路面为主要形式。脏着高等级公路建设的发展，沥青 混凝土路顽一跃而成为沥青路面的主要形式。但是，国民经济高速发展而带来的 交通量迅速增长、车辆大型化、超载严重、车辆渠道化等，使沥青混凝土路面面 临严峻的考验，早期破坏的情况时有发生。 公路建设有力地带动了沿线经济的发展的同时也使公路运输结构发生了深刻 的变化。路政资料表明，汽车运输不仅交通量增长快，而且轴载质量也显著增大， 重载车辆，特别是大幅度超限运输车辆目益显著增加，后轴从额定的l o o k n 增加 到1 8 0 k n 以上，轮胎充气压力从额定的0 7 m p a 增加到0 9 m p a 以上。一些进口车 型如斯尔太、太脱拉等设计轴载达到单轴1 3 t ，双联轴2 6 t ，且出现三联轴型式。 轮胎最高设计内压达到0 8 5 m p a 。 车辆交通的渠化以及轴载和轮压的不断增加，使得沥青路面在使用期内形成 大量车辙，见图1 1 ，有车辙的路面对交通运输来说，无论何时都是一种隐患。下 第一章绪论 3 雨时，路面车辙里充满积水，使行车产生滑移现象。如果在冬季，路面车辙里结 起厚厚的冰，这将引起严重的不稳定状况。车辙是车领事故引起死亡、受伤和所 有交通事故的主要原因之一。同时面层厚度减薄，还直接影响行车的舒适性和平稳 性。所以，我们不但要搞清楚车辙形成的原因，面旦要找到解决问题的方法，这 就显得特别重要。为此许多公路研究人员积极致力于沥青混合料抗车辙性能的研 究。 图1 1 路面的车辅 1 2 国内外对沥青路面抗车辙性能的研究现状【9 】【1 1 1 1 2 1 国外研究现状 早在1 9 6 2 年美国a a s h o 试验路研究期间，对车辙路段进行了开挖，h o f s t r a 提出的报告认为产生车辙的主要原因是剪切应力，由此结果推荐使用高强度的路 面材料。1 9 8 7 年e i s c n m a n n 的报告指出，车辙的形成过程下图所示。沥青层的组 成为5 c m + 1 8 e r a ，出现的车辙表现出轮胎下方的下沉以及同时出现的两侧的隆 起，分别测量其体积变化表明：在开始阶段，轮胎下的下沉量( 体积) 要大于两侧 隆起的体积，说明车辙的初期阶段主要是压密造成的。而在此以后，车轮下的下 沉逐渐与两侧隆起的体积平衡，说明压密已经完成，车辙是由流动产生的。h o f s t r a 加还指出沥青路面的变形在路表面最大，越向下越小，这一方面是下部抵抗塑性 流动变形的能力强，同时也是因为下部的剪切应力小的缘故。根据a a s h o 试验 路的测定，车辙量随沥青层厚度的增加而增加，到2 5 c m 就达到了极限，沥青砸 层再加厚车辙深度也不再增加。 第一章绪论 姐t 文教 鉴。 髓l 阻 2 匿孺愈l嘲i 彳- ；一醋 - 1 t 胃“一_ 囝1 2 车辙变形随加载次数的发展过程 在1 9 6 2 年的第一届c s d a p ( 国际沥青路面结构设计会议) 上，壳牌石油公司 提出了第一个同时考虑疲劳和车辙的沥青路面结构设计方法，这个方法是通过限 割路基顶面的垂直压应变来控制车辙的。 在1 9 7 2 年的第三届c s d a p 上，各国的研究人员提出了一些预测柔性路面车 辙的方法，这些方法利用路面材料的基本性能，以不同的方式计算荷载和环境条 件对车辙量的影响。 在1 9 7 6 年由t r b 发起的关于沥青路面车辙的讨论会上，特别强调车辙深度 预测和用于定义沥青混合料特性的试验方法。 在1 9 7 7 年的第四届c s d a p 上，许多研究人员发表了相当数量与限制车辙深 度和车辙预测办法有关的报告，主要包括： 根据观察的车辙性能的统计方法 限制路基应变的方法 蠕变试验数据结合弹性理论分析的方法 线粘弹性理论分析的方法 此后，沥青路面的车辙问题得到相当程度的控制，在1 9 8 2 午召开的第五届 c s d a p 上，有关车辙预测的新文章很少。只有一些验证性论文。但第五届会议以 后，车辙问题又重新提出来，涉及到轮荷载和轮胎压力对路面中应力与应交的影 响，研究方向为材料特性与制定预测模型，有关的论文、报告十分丰富，从经验 的到考虑粘弹塑性的各种方法都有。 在1 9 8 7 年的第六次c s d a p 上，几位研究人员的报告引起了大家的特别兴趣。 他们的研究涉及到把动力蠕变试验与层应变分析结合起来预测足尺试验路面的车 辙：轮荷载和轮胎压力对沥青路面车辙量的影响；在足尺路面中采用各种轮荷载、 言摹馘避*t 第一章绪论5 充气压力和轮荷布置进行试验等。 第十九届世界道路会议对英、法、德、意等1 6 个国家的调查表明，除法国外， 其他国家都采用马歇尔方法确定最佳沥青用量。但多数国家认为用马歇尔方法来 预估混合料性状是不够的，因此都采用一些补充试验。有8 个国家主要关心抗塑 性变形能力，采用t r b l 或l c p c 车辙试验来评价混合料的抗车辙性能。 美国战略公路研究计划( s h r p ) 的沥青研究项目在执行期间，总经费5 0 0 0 万 美元中有9 4 9 万美元用于永久变形的研究上。该研究以加利福尼亚大学的贝克莱 分校m o n i s m i t h 教授为中心，最后提出了a 一3 1 8 及a - 4 1 5 两篇研究报告，成为 s u p e a v e 的主要组成部分。研究人员在对现有的沥青混合料高温特性试验方 法进行评价的基础上，提出了新的试验、评价方法，并试图根据新的破坏模型和 车辙预估模型，编制新的计算机软件进行车辙深度预估，迄今为止，己取得了部 分成果。 其中关于高性能沥青路面( s u p e r p a v e ) 的研究成果，由沥青结合料规范、混合 料设计与分析系统和计算机软件系统三部分组成。其特点是提出了套新观点， 它包括： 以使用性能为基础的沥青分级方法采用新指标新试验设备和试验方法来检 验沥青； 以体积配合比法进行混合料组成设计。 s u p e r p a v e 沥青混合料设计级配是受控制点和禁区制约的，即级配必须在控制 点以内和不能通过禁区( 最新标准不再有禁区) ，不同最大公称尺寸集料有不同的 控制点和禁区。这种概念在世界上是首次提出的，这也标志着对级配的认识和重 视程度进入了一个新的时代。 从级配的发展来看，近些年来，粗集料断级配沥青混凝土是国际上的总趋向。 这包括近些年来发展很快的s m a 、法国的薄沥青混凝土和美国的新粗骨架高结合 料含量混合料( c h m b ) 等等。 国际上惯称的s m a 是s t o n em a s t i ca s p h a l t 的缩写，它的主要部分是粗集料 ( 2 r a m 的颗粒占7 0 8 0 ) 、沥青填料、或纤维组成的胶泥填充于其中。s m a 规定了一个矿料的级配范围，要求矿料组成非常接近规定的级配范围。 s m a 的优点是：抗永久变形能力强； 表面租糙度好： 抗磨耗能力强； 老化慢和早期裂缝少： 路面使用性能的耐久性可延长2 0 4 0 。 缺点是：约增加2 0 的投资： 第一章绪论 6 沥青和矿粉用量较多； 加工和铺筑温度较高； 生产效率较低； 实际的使用性能对结合料用量和矿粉用量都较敏感。 法国的薄沥青混凝土( b b m ) 也是一种粗集料断级配密实沥青混凝土，与s m a 比较，b b m 是明显的断级配，与s m a 相比b b m 的另一特点是级配的配方不是 “处方”，仅是指导性的。一旦矿料的级配组成确定后，要按照要求的力学指标做 混合料试验，规定的各项指标达到要求后才能使用该混合料。 长期以来，由于种种原因，我国公路的沥青路面数量少、等级低、技术状况 差、材料性能不好。因此公路的主要问题表现在强度方面，而沥青路面的永久变 形并未成为主要的路面病害而得到足够的重视。另外，在路面结构形式上多半都 是渣油表处、沥青贯入式、上拌下贯式、沥青碎石等以集料嵌挤作用为主的结构， 沥青结合料在沥青层中起的作用相对较小。同时出于道路等级较低，交通量较少， 且基本上是属于轻车、混合交通的情况，车轮没有形成渠道化，所以车辙变形的 问题不太严重。 随着公路交逶量的增加、汽车轴载的加大以及渠化交通的形成，超载、重载 车的问题也越来越突出，我国公路沥青路面的永久变形问题已经成为一个引人注 目的普遍性问题。 我国的公路科技人员沥青混合料的高温特性进行过大量试验研究，取得了许 多有价值的研究成果，提出了适合我国国情的沥青混合料高温性能技术指标与标 准。 在沥青混合料组成方面，经过长期的实践总结，提出了矿质集料组成的基本 理论一级配理论( 包括最大密度线理论和粒子干涉理论) 和填充理论，并在这些理 论的指导下，经过试验研究，得到了各种级配血线。 沥青混合料的试验方法以及关于矿质集料的组成理论为寻求最佳沥青混合料 配合比提供了手段，为沥青混合料的推广应用创造了条件，也为开发新型沥青路 面材料奠定了坚实的基础。最近几十年内。世界各国为了提高路面的使用性能， 克服表面功能缺陷，开发形成了许多新型沥青混合料，如应用于潮湿多雨地区的 开级配磨耗层o g f c ，英国所擅长的热压式沥青混凝土h r a ，法国发明的薄沥青 面层b b m ，美国德克萨斯州运输局开发的粗骨架高结合料含量沥青混合料 c m i - i b ，我国首创的多碎石沥青混凝土s a c 、抗滑表层沥青混凝土a k ，起源于 德国的沥青玛蹄脂碎石混合料s m a 等等。这些新型沥青混合料的出现和应用解 决了道路工程上许多日益突出的难题。 第一章绪论7 1 2 2 我国的研究状况 为了提高我国高速公路沥青路面的表面粗糙度，使高速行车更安全，1 9 8 8 年 我国研究开发了多碎石沥青混凝土( ( s a c ) ，经扩大使用和改进，近几年己在多条 高速公路上应用，并于1 9 9 7 年被纳入我国沥青路面设计规范，但实践表明，在夏 天连续高温条件下，在交通量较大、行驶载重汽车的路上，开始发生轻重不一的 泛油现象。目前s a c 正在改进中。华南理工大学张肖宁教授目前也正在进行一些 用体积法改善s m a 和其它断级配沥青混凝土的研究工作，并有一些成果发表。 1 3 本文的研究思路和主要研究内容 1 3 1 本文的研究思路 本文的研究思路见图1 3 ，虚线框内为本文研究内容。 1 3 2 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容包括： 各种级配类型沥青混合料性能比较； 抗车辙沥青混合料的体积指标特性研究； 重载交通下沥青混合料的组成设计方法研究； 抗车辙沥青混合料路用性能研究及其级配范围的确定。 说明：1 ) 本文的研究主要是针对标称最大粒径为1 6 m m 的沥青混合料进行的。 2 ) 沥青混合料的抗车辙性觚抗槽辙能力) 也是沥青混合料的高温稳定性。 第一章绪论 图1 3本文主要研究思路 第二章沥青路面抗车辙性能分析 第二章沥青路面抗车辙性能分析 2 1 车辙概述 车辙是沥青路面特有的一种损坏现象，车辙经常产生在车轮经常碾压的两条 带上( 简称轮迹带) 。车辙是在与时间有关的荷载因素和气候因素共同作用下，轮 迹带逐渐产生下洼形变并形成两条纵向的槽，较严重车辙的两侧通常有膨起形变。 城市道路公共车辆的停靠站附近和十字路口( 车辆经常刹车停住和起动的位置) 附 近，常容易产生严重的车辙，槽的深度可达数1 0 毫米以上，一个行车道上会有两 条严重的车辙，如图2 1 。车辙的深度( r u t t i n gd e p m ) 常以轮迹带外侧凸起部分的 峰顶到槽的谷底的距离表示。 譬，譬 图2 1 车辙示意图 沥青路面开放交通后，在行车荷载反复作用下逐渐产生严重的车辙，大致可 以区分为3 个阶段，见图2 2 。第1 个阶段是沥青面层较快压密阶段，第2 个阶段 是沥青面层压密稳定阶段。在沥青混合料的高温强度不足( 或抗永久形变能力不 强) ，特别是在高温季节又有雨水侵入沥青层内部的情况下，容易产生剪切形变， 进入第3 个阶段。如果沥青混合料具有足够的高温强度，也无自由水侵入沥青土 层内部，则就不会产生剪切形变和进入第3 个阶段在这种情况下，只要基层是坚 固的，路面就不会产生严重车辙。 图2 2 车辙形成过程 馘警_ 谣 第二章沥青路面抗车辙性能分析 o 一般的把沥青路面的车辙分为三种类型： 由于荷载作用超过路面层的强度，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性变形，称结构性车辙。这种车辙的宽度较大，两侧无隆 起现象，横断面成浅盆状的u 字形( 凹形) 。 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，即稳定度极限，是流动变形累积成车 辙叫做沥青混合料的流动性车辙，或失稳性车辙。一方面是车轮作用部位下凹， 另一方面是车轮作用甚少的车道两侧反而隆起，在弯道处还明显向外推挤，车道 线及停车线因此可能成为曲线。无疑这部分车辙将取决于沥青混合料的流动特性。 这种车辙一般都有剪切变形产生的两侧隆起现象。对主要行驶双轮车的路段，车 辙断面成w 型，对主要行驶宽幅单轮车( 国外出现的一种新型轮胎，只有一个轮子) 的路段，车辙成非对称形状，尤其容易发生在上坡路段、交叉口附近、机车速慢、 轮胎接地产生的横向应力大的地方。 冬季埋钉轮胎形成的磨损性车辙。在我国，由于基层基本是半刚性基层， 强度及板体性好，基层及基层以下的变形极小，车辙基本上都属于沥青混合料流 动性车辙，而磨损性车辙在我国几乎是没有的。 在我国还有一种车辙经常发生，但在国外较少。它是由沥青面层的本身压密 造成的。这是非正常的车辙。尤其是有些高速公路施工时没有很充分的压实，也 有的工程片面追求平整度，在降低温度后碾压，造成压实度不足，致使通车后的 第一个高温季节混合料继续压密形成车辙。这种车辙两侧没有隆起，只有下凹， 成u 字形或w 形。 2 2 沥青路面车辙影响因素分析 影响沥青混合料高温性能的因素是很多的，可归纳为内在因素和外部条件。 内在因素主要反映在材料和结构的质量上，而外部条件则主要包括气候条件和交 通条件。当外部条件与材料的内在因素结合在一起时就会对沥青路面产生综合影 响。 2 2 1 影响沥青路面抗车辙性能的材料因素 我国现行的沥青路面设计的主要依据指标是沥青混合料的强度。它取决于沥 青混合料的粘结力和内摩擦角，粘结力取决于沥青材料的性质、粘度、混合料粉 油比及沥青与矿料的相互作用，受沥青混合料所用骨料大小、形状、级配和矿料 数量的制约，增加内摩擦角和矿料等颗粒间的嵌挤作用可以提高沥青混合料的抗 剪强度。 第二章沥青路面抗车辙性能分析 沥青混合料类型的影响 集料粒径对沥青混合料的高温稳定性有相当的影响，传统的想法认为，集料 越粗对抗车辙越有利，因此我国的路面结构中集料粒径一般比较大。我国有的实 验结果表明，在最佳沥青用量时，在不同粒径的混合料中，中粒式沥青混凝土的 高温抗车辙能力最好，其次是细粒式，粗粒式的反而最差”。这是由于路面成型 时，集料在混合料中的存在状态并没有一定的规律，完全是随机的，集料都不可 能完全是接近立方体的，总有一定程度的扁平、细长( 尽管不超过规定) 。这些集 料有的立着，有的歪着，有的躺着，但是随着交通荷载的不断碾压，颗粒排列进 行重分布，并趋于稳定状态。在这个过程中，混合料必然发生变形，这可能是集 料较粗的混合料反而变形较大的缘故。 沥青混合料，按其强度构成原则的不同可分为按嵌挤原则构成的结构和按密 级配原则构成的结构两大类。按嵌挤原则构成的沥青混合料的结构强度是以矿质 颗粒之间的嵌挤力和内摩阻力为主、沥青结合料的粘结作用为辅而成的。沥青贯 入式路面、沥青表面处治以及沥青碎石路面均属此类结构。这类路面是以较粗的、 颗粒尺寸均匀的矿料构成骨架，沥青结合料填充其空隙，并把矿料胶结成一个整 体，形成一种骨架空隙结构，见图2 _ 3b ) 。这类沥青混合料的结构强度受温度的 影响小，高温稳定性好。按密实级配原则构成的沥青混合料的结构强度，是以沥 青与矿料之间的粘结力为主，矿质颗粒间的嵌挤力和内摩阻力为辅而构成的，混 合料形成一种悬浮密实结构，见图2 - 3a ) ，沥青混凝土则属于此类，这类沥青混 合料的结构强度受温度的影响较大，高温稳定性较差。综合以上两种方式的结构 组成。混合料中既有一定数量的粗骨料形成骨架，又根据褪集料空隙的多少加入 细料，形成较高的密实度，间断级配( s m a 、b b m 等) 即是按此原理构成的，见图 2 3c ) ，混合料的高温稳定性好，同时水稳定性也好。 a ) 悬浮密实结构b ) 骨架空隙结构c ) 骨架密实结构 图2 3 沥青混合料的结构 第二章沥青路面抗车辙性能分析 原材料性质 沥青的粘度和沥青与矿料之间的粘附性是影响沥青混合料高温稳定性的两个 重要因素。沥青粘度越大，沥青与矿料之间的粘附性越好，那么混合料的高温稳 定性越好，由于具有较高的高温稳定性和较高强度的沥青会产生较高的抗车辙能 力的沥青混合料，因此要选用粘度大的沥青和非酸性矿料以提高混合料的高温稳 定性和强度。沥青改性是一种提高沥青高温稳定性的有效手段。实验证明，改性 沥青混合料同标准沥青混合料相比车辙深度有明显减少“1 ，见表2 1 。 矿物集料的表面纹理、形状和级配可以影响混合料的孔隙结构，即：孔隙的 大小、形状与连贯状况以及沥青的用量和沥青同集料的相互作用情况，因而可以 对车辙的大小表现出不同的影响。采用洁净坚硬的碎石，硬度大、棱角尖锐的砂 以及高质量的矿粉对于抵抗永久性变形十分有利。文献 1 0 认为，与国外先进国 家所差的除了管理工作之外，就在于粗细集料的生产和使用上，及粗细集料的认 同特性( c o n s e n s u sp r o p e r t i e s ) 较差。 表2 1不同沥青混合料的抗车辙能力 组编号 l2345 6 混合料s a c 1 6 + 普 s a c 1 6 + s bs a c 1 6 a +s a c 1 6 a +s a c 1 6 b +s a c - 1 6 b + s b 组成通沥青s 改性沥青普通沥青s b s 改性沥青普通沥青s 改性沥青 1 1 8 91 8 0 02 0 3 22 7 3 97 3 32 5 2 0 动稳定 1 4 0 03 1 5 01 1 4 52 6 2 59 8 42 3 3 3 月豇踟毫 1 3 4 01 1 4 51 2 3 53 9 3 85 3 42 7 3 9 湘 2 0 3 2 01 4 7 1 03 1 0 1 平 1 3 1 0 7 5 02 5 3 l 均1 4 7 21 1 9 02 6 8 2 1 0 86 04 81 4 8 4 4 相对变 8 54 38 85 91 4 1 6 o 形c 呦 9 29 38 94 22 1 25 3 平1 6 7 。 均 9 56 87 95 0 5 3 1 4 5 注：按3 个数平均，但偏差过大，其下一值为按2 个接近值的平均。 沥青用量 沥青用量的多少直接影响着混合料中矿料的骨架与嵌挤作用，对沥青混合料 第二章沥青路面抗车辙性能分析 的抗车辙能力有着至关重要的作用。沥青用量过大，游离沥青较多，便削弱了矿 料之间对高温稳定性起决定性作用的嵌挤力，从丽使混合斟易于产生流动变形面 形成车辙；沥青用量过低，混合料坚硬松散难以压实，也影响沥青混合料的抗车 辙能力。试验表明：对于热拌沥青混合料，最大的车辙是与高沥青含量相联系的， 同时也表明：低沥青含量的混合料抗车辙能力比最佳沥青含量的混合料差。但值 得注意的是，根据马歇尔试验所确定的最佳沥青含量时的车辙深度并非最小。在 夏季炎热的高温地区，在配合比设计得出的最佳沥青用量o a c 的基础上，减少 o 3 之后的沥青用量作为设计沥青用量往往是适宜的j 。 矿料级配 为探讨矿料级配对车辙大小的影响，有关研究人员将集料分为过细级配组、 细级配组和粗级配组三种。细级配组由2 5 天然砂和原生集料组成，过细级配组 是将2 的矿料加到细级配组中，粗级配组是由原生集料组成，同时进行环道试 验。结果表明；热拌沥青混合料在最佳沥青含量、8 空隙率时粗级配有较大的车 辙深度，过细组配次之，细级配组车辙深度最小。单纯增大矿料粒径并不能提高 路面抗车辙能力，而良好的级配却因增加了矿料之间的嵌挤力，提高了混合料的 高温抗车辙能力。 在s u p e r p a v e 设计方法中通过限制区来划分适应重交通的矿料级配和适应中、 轻交通的矿料级配，具有明显意义“”，但其是否应当避免穿过限制区，并无多大 意义【2 钔。 空隙率 在进行沥青混合料配合比设计时，对空隙率的选择一般都是根据当地材质和 经验进行的。当选择混合料空隙率过高时，提高其密实度可增加骨料间的接触压 力，从而提高路面抗车辙能力，相应地沥青和矿粉用量逛要增加，从雨又削弱其 抗车辙能力。当空隙率过小，小于某一临界值后，继续减小空隙率，会使得混合 料内部没有足够的孔隙来吸收材料的流动部分，必然造成混合料外部的整体变形， 由此而形成车辙。大量实验表明：各种级配的混合料在最佳沥青含量时，随空隙 率的增大车辙均有所增加，同对证明：沥青混合料的空隙率不得小于3 的控制 值，相对而言4 是较适宜的空隙率推荐值。但同时，沥青混合料的空隙率是沥 青混合料的材料组成和一定的试验方法的函数，是因变量，仅当试验条件与路面 旄工的碾压条件相吻合时空隙率才具有意义。文献 7 7 通过s m a 的试验表明： s m a 的体积参数( 沥青混合料的空隙率和租集料间隙率) 和高低温性能间不存在广 泛意义上的相关性。只有在某种特定的条件下( 例如固定粉油比而调整级配，或级 配与沥青用量同时变化而得到的系列化配合比) ，体积参数与技术性能间的相关关 系对于s m a 配合比设计才具有一定的指导作用。 第二章沥青路面抗车辙性能分析 2 2 2 影响沥青路面抗车辙性能的结构因素 不同的路面结构组合，使沥青路面结构内具有不同的应力分布，同时因材料 的不同在抗车辙性能上也不相同，最后体现在路面结构不同的抗车辙性能上。对 柔性基层的使用，原来认为其抗车辙性能可能不行，但重庆交通科学研究院的环 道试验说明，柔性基层沥青路面的抗车辙性能并不比半刚性基层沥青路面差。应 为柔性基层刚度较小，使面层对柔性基层的作用应力较均匀，则沥青面层的应力 相对较小，变形也较小。我国普遍采用的半刚性路面而言、质量达到要求的半刚 性基层和半刚性底基层是不会产生压缩永久形变的，而土基基本上工作在弹性阶 段即土基也不会产生永久形变，因此可以认为个刚性路面表面的车辙是出沥青 面层产生的。综合而言，半刚性基层沥青层的永久变形量并不一定比柔性基层中 的总变形小。 由沥青面层内剪应力分析以及沥青面层在行车作用下的压密形变分析，可以 看到半刚性基层沥青面层不宣厚，厚沥青面层容易产生严重的车辙。a a s h t o 道 路试验结果表明：沥青混凝土层厚约2 5 c m 时，表面车辙深度达到极限值：更厚 的沥青面层不会产生更坏的车辙。 2 2 3 影晌沥青路面抗车辙性能的外因 渠化交通( 荷载作用频率) 随着日益繁重的交通量需求，渠化交通已成为我国现代城市交通组织的主要 手段。由于城市道路交通组织的渠化，导致沥青路面车辙破坏的情况日渐突出。 c a l a p t 的试验结果证明i “1 ：渠化交通引起路表车辙显著增加。在一段为渠化交 通形式，一段为混合交通形式( 大约l m 的横向分布) ，厚度均为1 0 0 r n m 的d g a c 面层，在2 5 和4 0 进行了h v s 加速重复荷载试验。7 0 k n 的h v s 双轮载作用 了1 1 6 0 0 0 次后，2 5 时，渠化交通段车辙深度为4 m m ，混合交通段车辙深度为 3 r n m ；4 0 c 时，渠化交通段车辙深度为1 3 r a m ，混合交通段为7 m m 。当双轮荷载 增加到1 0 0 k n ，在作用了4 8 0 0 0 次后，在2 5 和4 0 下渠化交通段均有2 m m 的 车辙增加。而在混合交通段，在作用了1 5 9 0 0 0 次后，在2 5 和4 0 下车辙深度 的增加量分别为4 m m 和6 m m 。其原因是：混合交通时荷载作用范围较宽，变形 面较大，同一位置的车辙累积较小，而渠化交通同一位置处的车辙累积就大。 荷载作用大小 试验结果证明：车辆超载加快路面的损坏。表2 2 ”“的资料表明，在不同的轴 载作用下，重轴载作用产生的车辙较轻轴载大得多。轴载超过l 倍，其车辙要达 到1 0 1 5 倍。 第二章沥青路面抗车辙性能分析 表2 2 不同压强时动稳定度0 s 的比较( 6 0 c ) 接地压强( m p a ) 0 7 5o 7 克拉玛依沥青混合料( 次，m m )8 1 31 2 1 l 欢喜岭沥青混合料( 次m m )7 6 59 8 l 荷载作用时间 在长大纵坡上坡路段，由于车辆行驶速度慢，荷载作用时间长，其车辙出现 的时间比其它路段短，情况比其它路段严重。在甘肃泾川县罗汉洞长坡段处治前 左右半幅表现出了明显的差异，上坡半幅车辙严重，而下坡半幅基本没有车辙( 见 图2 4 ) 。有资料表明：道路交叉口停车点的车辙通常为正常行驶路段的2 5 倍。 图2 4 荷戴作用时间对路面车辙的影响 环境气候 众所周知，当气温较高时，沥青混合料表现出强度降低，容易产生车辙。各 种试验均表明：路表温度升高车辙增加快。对刚性路面的车辙，加载试验也证明 了这一点。这是因为沥青粘度的大小反映了沥青抵抗蠕变的能力。当温度升高时 沥青粘度变小，其抵抗蠕变的能力下降，在受到外力时很容易产生永久剪切变形 导致沥青材料横向流动面产生车辙。有资料认为，在4 0 - 6 0 范围内，沥青混合 料的温度每上升5 ，其变形将增加2 倍1 。文献 4 1 通过室内试验。定量地说明 第二章沥青路面抗车辙性能分析 了沥青混合料的不同温度条件下的车辙变形特性，温度升高，沥青混合料的变形 速率加快，车辙增大，见表2 3 。 表2 3 温度与沥青混合料的动稳定度的关系 变形量( 1 1 1 1 1 1 ) 时间 6 0 5 0 4 5 4 0 3 0 2 0 1 0 1 2 2 71 6 81 4 61 2 10 4 70 3 8o 2 3 53 7 42 7 7 2 3 】 1 ，9 6 o 8 90 6 20 3 6 1 04 7 6 3 42 8 62 3 31 1 20 7 4o 4 2 1 55 5 33 8 2 3 22 5 51 2 7o 8 20 4 5 3 0 7 2 l4 63 7 92 9 51 5 8o 9 5 0 5 4 58 4 4 4 9 942 63 2 11 7 91 0 40 5 4 6 09 4 85 34 4 63 41 9 51 1 0 5 6 d s6 0 5 8 2 0 3 2 33 1 5 03 3 1 5 83 9 3 7 ，51 0 5 0 03 1 5 0 0 r do 0 6 9 30 0 2 0 70 0 1 3 3o 0 1 2 70 0 1 0 70 0 0 40 0 0 1 【3 注：d s 一动稳定度：r d 一变形速率。 当路面积水或路面结构含水量增加时，沥青和矿料之间的粘结力在潮湿条件 下会被削弱或损坏