沥青高温稳定性.doc

第八章 沥青路面的高温稳定性 8.1 概述沥青路面直接受车辆荷载和大气因素的影响，同时沥青混合料的物理、力学性质受气候因素与时间因素影响较大，因此为了能使路面给车辆提供稳定、耐久的服务，必须要求沥青路面具有一定的稳定性和耐久性。其中稳定性包括高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性。由于沥青路面的强度与刚度（模量）随温度升高而显著下降，为了保证沥青路面在高温季节行车荷载反复作用下，不致产生诸如波浪、推移、车辙、拥包等病害，沥青路面应具有良好的高温稳定性。表8-1和表8-2为强度、刚度与温度间关系两例：沥青混凝土强度与温度的关系表8-1 温度（）+50+200-10-35抗压强度（MPa）122.5581310171830沥青混凝土的蠕变劲度S和回弹模量E与温度的关系表8-2温度（）+50+45+40+35+30+25+20S（MPa）75109142176232288344E（MPa）223361516683790895999沥青路面高温稳定性习惯上是指沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力。稳定性不足的问题，一般出现在高温、低加荷速率以及抗剪切能力不足时，也即沥青路面的劲度较低情况下。其常见的损坏形式主要有：1)推移、拥包、搓板等类损坏主要是由于沥青路面在水平荷载作用下抗剪强度不足所引起的，它大量发生在表处、贯入、路拌等次高级沥青路面的交叉口和变坡路段。2)车辙。对于渠化交通的 沥青混凝土路面来说，高温稳定性主要表现为车辙。随着交通量不断增长以及车辆行驶的渠化，沥青路面在行车荷载的反复作用下，会由于永久变形的累积而导致路表面出现车辙，车辙致使路表过量的变形，影响了路面的平整度；轮迹处沥青层厚度减薄，削弱了面层及路面结构的整体强度，从而易于诱发其它病害；雨天路表排水不畅，降低了路面的抗滑能力，甚至会由于车辙内积水而导致车辆飘滑，影响了高速行车的安全；车辆在超车或更换车道时方向失控，影响了车辆操纵的稳定性。可见由于车辙的产生，严重影响了路面的使用寿命和服务质量。3)泛油是由于交通荷载作用使混合料内集料不断挤紧、空隙率减小，最终将沥青挤压到道路表面的现象。如果沥青含量太高或者空隙率太小这种情况会加剧。沥青移向道路表面令路面光滑，溜光的路面在潮湿气候时抗滑能力很差。沥青路面在高温时最容易发生泛油，因此限制沥青的软化点和它在60时的粘度可减少泛油情况的发生。总之，车辙问题是沥青路面高温稳定性良好与否的集中体现，公路沥青路面设计规范（JTJ014-97）规定“对于高速公路、一级公路的表面层和中面层的沥青混凝土作配合比设计时，应进行车辙试验，以检验沥青混凝土的高温稳定性。”因此，本章将对沥青路面的车辙作详细地阐述。 8.2 沥青路面车辙形成与标准 8.2.1 车辙形成机理 车辙是沥青路面在汽车荷载反复作用下产生竖直方向永久变形的累积。这种变形主要发生在高温季节。在渠化交通的重交通道路上，当沥青路面采用半刚性基层时，车辙主要发生在沥青面层，其它各层的变形仅占很小部分。根据车辙形成原因不同，可将其分为三大类型。1） 失稳型车辙这类车辙是目前研究的主要对象。它是由于沥青路面结构层在车轮荷载作用下，其内部材料的流动产生横向位移而产生。通常发生在轮迹处。当沥青混合料的高温稳定性不足时，在外力的作用下就会产生这种车辙。2） 结构型车辙这类车辙是由于路面结构在交通荷载作用下产生整体永久变形而形成。这种变形主要由于路基变形传递到面层而产生。3） 磨耗型车辙由于沥青路面结构顶层的材料在车轮磨耗和自然环境因素作用下持续不断地损失形成，尤其是汽车使用了防滑链和突钉轮胎后，这种车辙更容易发生。三种类型车辙中以失稳型车辙最严重，其次为磨耗车辙。由于大多数沥青路面均采用半刚性材料的基层，结构型车辙产生较少，故一般情况下所指的车辙是失稳型车辙。纵观车辙形成过程可简单地分为三个阶段：1） 开始阶段的压密过程沥青混合料在被碾压成型前是由骨料、沥青及空气组成的松散混合物，经碾压后，高温下处于半流动状态的沥青及沥青与矿粉组成的胶浆被挤进矿料间隙中，同时骨料被强力排列成具有一定骨架的结构。碾压完毕交付使用后，当汽车荷载作用时，此密实过程还会有进一步发展。2） 沥青混合料的流动高温下的沥青混合料处于以粘结为主的半固体，在轮胎荷载作用下，沥青及沥青胶浆便产生流动，从而使混合料的网络骨架结构失稳。这部分半固态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，从而使路面受载处被压缩而变形。3） 矿质骨料的重排及矿质骨架的破坏高温下处于半固态的沥青混合料，由于沥青及胶浆在荷载作用下首先流动，混合料中粗、细骨料组成的骨架逐渐成为荷载直接作用下会沿矿料间接触面滑动，促使沥青及胶浆向富集区流动，以致流向混合料自由面，特别是当个骨料间沥青及胶浆过多时，这一过程会更加明显。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。 8.2.2车辙影响因素影响沥青路面车辙的因素主要有集料、混合料、混合料类型、荷载、环境等，现分述如下；（1）沥青性质的影响在理论上，产生变形会贯穿整个路面结构，实际上沥青混合料的热传导性很低，大部分是属于磨耗层的塑性变形，这可在动态或静止的交通荷载情况下发生，尤其是由于刹车、起动加速或车辆转弯而产生了剪切应力。影响塑性变形的首要因素是沥青混合料的成分，但是对已知混合料成分的性能将在于沥青的粘度。塑性变形在高温使用下最大，60可以视为现场的最高允许温度，在这温度重复的短暂载荷所累积的效果有赖于沥青的粘度。1976年英国经历了漫长的夏季高温，热拌沥青混凝士道路磨耗层在这段期间造成的车辙估计是正常夏季的24倍。 沥青针入度指数PI值的重要性已由英国康布鲁克(Colnbrook)公路支线上所进行的严格而全面性的路段试验予以证实。被试验热拌道路磨耗层路段的混合料使用了不同流变性能的沥青。图8-1显示了8年后在道路上形成的车辙深度与沥青PI值的关系，使用较高PI值的沥青显著有其优越性。 数个实验室的研究显示利用单轴无侧限蠕变压缩试验可以预测车辙所发生的变形。沥青混合料劲度(Smix)对沥青劲度(Sbit)的蠕变曲线可以用作比较不同的混合料，如果温度和载荷条件相同，还可以预测相应的变形情况。标准的热拌沥青混凝士磨耗层蠕变曲线的形状在大部分范围内近似于一条斜率为025的直线，则： 已知两种不同的混合料的Sbit比值，则： Smix的比值=(Sbit的比值)0.25如果沥青混合料用于相似的道路结构及具同等的交通量，则: 已知两种混合料的Smix比值，那么: 变形的比值=的比值利用上述相互关系便可以比较出沥青针入度以及PI值变化的影响。以上述为计算基础把50号针入沥青的变形作为一个数据单位，如果在同样温度和同等载荷的情况下，30号针入沥青的变形该是075单位。这也假设在载荷情况该有同样的粘度和劲度。相反地，如用100号针入沥青，变形将成为15单位，显然用较硬的沥青略可改善它的抗变形能力。图8-1 沥青针入度指数与车辙之间的关系增加沥青针入度指数PI值可有效地提高变形抵抗能力。例如某针入度为40和PI值为-05的沥青在40时的粘度为4104Pas，而另一个相同针入度的沥青若PI值为+02的话，在40时粘度将变成6105PaS。使这沥青的粘度的相对比值增加15倍而这两种沥青的劲度也有所而不同。如此运用上述025乘方公式，沥青混合料劲度将增加到2。也就是说，用针入指数十20的沥青制造的混合料比一般的沥青混合料的变形少一半。图8-2显示了上述理论关系还绘出了相对变形与针入指数的关系。也清楚地看出这理论关系与实验室模拟车辙试验以及全面的道路试验结果相吻合。图8-2针入度指数与变形率之间的关系沥青性质与马歇尔试验及车辙试验的相互关系表明，沥青针入度与马歇尔稳定度的相关性很差，而软化点与马歇尔稳定度及车辙试验的变形之间的相关系却很良好(见图8-7a、8-7b、8-7c)。软化点每增加5，马歇尔稳定度便会增加13KN以上，车辙试验速率则减近半。 图8-7a图8-7b图8-7c使用耐热沥青是提高沥青混合料耐热性和抗剪切变形能力的最重要的因素之一。耐热沥青这种优良特性，其粘度和内聚力在路面使用温度范围内变化很小。为使沥青混合料冬季不会太脆，沥青就不应太稠。同时为了使沥青混合料具有必要 的耐高温变形能力，沥青同时应具有较高的软化点。因此为了保证沥青混合料必要的抗裂性和耐热性，必须使沥青在较大针入度情况下具有较高的软化点。近年来，许多国家在沥青中加入聚合物质和橡胶粉，以改善沥青在使用温度范围内的结构力学性质，提高抗变形能力。根据气候状况、交通量大小、沥青混合料的种类及其使用的矿质材料的特性等，正确地选用沥青是获得夏季能抗剪切变形、冬季能抗裂的那种沥青混合料的重要条件。2）矿质材料性质的影响矿质材料的性质对沥青混合料耐热性的影响，主要是从它与沥青的相互作用表现出来，能够与沥青起化学吸附作用的矿质材料，能够提高沥青混合料的抗变形能力。例如，石灰岩材料颗粒表面，起化学吸附相互作用的薄层沥青的内聚力，大大超过了花岗岩颗粒表面上沥青的内聚力。而随沥青内聚力的增大，沥青混合料的强度和抗变形能力也就提高。在矿质混合料中，对沥青混合料耐热性影响最大的是矿粉。因为矿粉具有最广大的表面，特别是活化矿粉，影响更为明显。用石灰岩轧磨的矿粉配制的沥青混合料具有较高的耐热性，而含有石英岩矿粉的沥青混合料耐热性较低。活化矿粉对提高沥青混合料的抗剪切能力起特殊作用。由于活化的结果，改变了矿粉与沥青相互作用条件，改善了吸附层中沥青的性能，从本质上改善了沥青混合料的结构力学性质。活化矿粉与沥青相互作用形成两个特点：形成了较强的结构沥青膜，大大提高了沥青的粘聚力；降低沥青混合料的部分空隙率，因而降低了自由沥青的含量，这对沥青混合料抗剪切能力有很大的提高。3）沥青混合料塑性的影响沥青混合料产生塑性变形的能力称为塑性。沥青混合料的塑性对路面抗剪强度有很大的影响：塑性越大，抗剪强度就越低，高温下抗变形的能力就越小。塑性取决于沥青混合料的种类和级配，以及沥青混合料中沥青与矿粉的比例。在一般情况下，细骨料的沥青混合料比粗骨料的塑性大，碎石数量少的沥青混合料比碎石多的塑性大；混合料中自由沥青越多，塑性越大；空隙率小的混合料比空隙大的高温塑性要大。沥青混合料的塑性可用塑性系数表示。H。H伊万诺夫建议，用试件在不同形变速度下产生的强度比值来表征沥青混合料的塑性。随着沥青混合料塑性的增大，不同速度下抗压强度的比值也增大。反之，比值随塑性的降低而减小。抗压强度和变形速度的关系可用下式表示。R=R0式中：R速度为V时的抗压强度；R0速度为V0时的抗压强度；K表征沥青混合料塑性的系数。对上式取对数，求得：K=因此，为了求得塑性系数，必须测出两种不同变形速度下的抗压强度。两种速度中的一个可取3mm/min，另一个应该小得多。伊万诺夫建议取0.5mm/min,一般速度之比不应超过10。这样，沥青混凝土路面中塑性系数K应不大于0.17。4） 矿料级配的影响沥青混合料的矿料级配，对路面抗剪强度的影响很大。矿料级配选择良好的碎石沥青混凝土（中粒式、细粒式）比一般使用的沥青砂塑性小得多，因此抗剪强度较高。沥青混合料中，起骨架作用的碎石（Dmax0.5Dmax）颗粒必须有足够数量，才显示出较大的内摩擦力和抵抗变形能力。研究表明，该级配颗粒不小于60%沥青混合料才具有良好的耐热稳定性和抵抗变形的能力。为使沥青混合料有良好的和易性和要求的密实性，足够数量中间的颗粒十分必须。间断级配的沥青混合料虽然具有良好抗变形能力和密实度,但拌和与摊铺均感不便.对沥青混合料抗剪强度影响很大的第二个级配因素是矿粉的数量，或者说矿粉与沥青的比值。在一定的范围内，其比值越大，则抗剪强度和抵抗变形的愈高；沥青用量过多，则沥青混合料的抗剪强度将急剧下降。当矿粉与沥青比例一定时，较多数量的矿粉将引起沥青混合料抗变形能力的降低。具有一定级配的矿粉对提高沥青混合料的抗变形能力将起积极影响。矿粉过粗，矿质混合料空隙率增大，为保证耐久性，必然用过量的沥青填充空隙。过量的沥青将导致剪切强度的下降；如果矿粉过细，沥青混合料不仅易结团使和易性变坏，而且矿粉中也不能形成骨架。因此，沥青混合料的抗剪强度仍较低。在路面结构中，按照沥青混合料工作的实际状况，要求沥青混合料具有综合的使用性质。路面足够的抗剪强度应与其它性质相结合，如沁水性、低温抗裂性和耐冻性。特别是应与耐腐蚀性相结合，这已由近年来路面使用和维护中的大量经验所证实。5） 沥青混合料剩余空隙率、矿料间隙率的影响路面经行车碾压成型后，沥青混合料剩余空隙率对其高温下的抗变形能力有很大影响。研究表明，剩余空隙率达68%的沥青混凝土路面和剩余空隙率大于10%的沥青碎石（表面需加密实防水层）路面，在陡坡路段和停车站处经10年的使用，均平整稳定，未出现波浪、推挤等病害。即使是使用稠度较低、粘结力较小的渣油（C60，5=120秒）作为胶结材料也能保证必要的高温稳定性；而剩余空隙率为13%的沥青混凝土路面却出现了严重的推挤、波浪等病害。即使用针入度（25）7090的粘稠沥青也会出现上述病害。表8-3是北京市调查的结果。北京市公共汽车停车站调查表8-3编号路名及停车站沥青混凝土品种及路面厚度沥青针入 度 钻样饱水率体积% 使用情况 1 东长安街、王府井路口1路停车站粗级配中粒式沥青混凝土5厘米70907.63经15年使用，平整稳定，有轻度裂缝 2朝阳路呼家楼路口101路停车站密级配中粒式沥青混凝土5厘米1201506.08经7年使用，平整稳定 3和平北路、和平西街104、108路停车站密级配中粒式沥青混凝土5厘米1201502.72经7年使用，平整稳定 4东长安街东单路1路停车站密级配中粒式沥青混凝土5厘米70901.31严重推挤车辙5建国门内大街北京站路口1路停车站密级配中粒式沥青混凝土5厘米 70901.22严重推挤车辙沥青混凝土的抗剪强度取决于粘聚力和内摩阻力，它们的热稳定性不仅与材料本身的性质有关，而且与混合料的空隙率有密切关系。空隙率较大的沥青混合料，路面抗剪强度主要取决于内摩阻力，而内摩阻力基本上不随温度和加荷速度而变化。因此，具有较高的热稳定性；空隙率较小的沥青混合料路面，则相对来说沥青含量较大，当温度升高，沥青膨胀，由于空隙率小，无沥青膨胀之余地，则沥青混合料颗粒被沥青拓开，同时温度升高沥青粘度降低，沥青此时又起润滑作用，由此粘聚力和内摩阻力均降低，促使沥青混合料抗变形能力的下降。特别是停车站，荷载作用时间长，由于沥青混合料应变的滞后效应，路面将出现较大的变形。相应地，矿料间隙率对沥青混合料强度、耐久性和高温稳定性有很高的敏感度，它已成为沥青混合料配合比设计的重要参数之一.世界上许多国家的沥青混合料设计方法都对它的取值有明确规定，见下表84各国矿料间隙率(VMA)规定值(%)表84 国家 最大粒径（mm）37.5251912.59.54.752.36 日本1416 澳大利亚14151617 美国12131415161821矿料间隙率过大或过小都会对沥青混合料的路用性能产生不利影响.矿料间隙率过小主要是由于沥青混合料的剩余空隙率和沥青用量过小造成的，这样的沥青混合料耐久性较差，抗疲劳能力弱，使用寿命短.在实际施工时，部分矿料颗粒的表面仍未被沥青完全裹覆，混合料过于干涩，施工和易性差.有水分作用时，沥青与矿料容易剥离，使混合料松散、解体；矿料间隙率过大主要是由于沥青用量过大、细集料用量偏多等原因造成的，这对沥青混合料路用性能的影响既有有利的方面，又有不利的方面.有利的一面是沥青混合料的抗疲劳性能较好，不易出现疲劳开裂.不利的一面是沥青混合料的高温稳定性差，容易出现车辙、拥包、推挤等形式的病害.由此可见，在进行沥青混合料组成设计时，根据设计要达到的目的，首先确定沥青混合料的矿料间隙率，进而确定其他混合料组成参数，可使沥青混合料配合比设计针对性强、经济性好.相应地，压实度也是影响车辙大小的一个重要的外部因素。沥青混凝土路面的碾压目的，就是提高混合料的密度，减少铺层材料间的空隙率，使路面达到规定的密实度,提高沥青路面的抗老化、高温抗车辙、低温抗裂纹、耐疲劳破坏以及抗水剥离等能力。由下图8-3反映的碾压次数和压实度的关系，必要的碾压次数是必须保证的。同时，注意碾压速度。 综合上述因素，表8-5列出了各种因素对车辙的影响。影响沥青路面车辙因素表8-5影响因素因素变化车辙深度集料表面纹理光滑粗糙减小形状圆角砾减小尺寸最大粒径增加减小结合料劲度增加减小用量增加增加粘度增加减小混合料空隙率增加增加VMA增加增加荷载大小增加增加作用次数增加增加环境条件温度增加增加湿度增加一般增加此外，压实方法会直接影响沥青混合料的内部结构，从而对车辙产生影响。表8-5中所列为通常情况，对于专门设计集料级配不包括在内。对于混合料空隙率和矿质集料骨架空隙率VMA来说，分别不宜小于3%和10%，否则车辙深度将增加。 8.2.3轮辙试验标准一、轮辙试验轮辙试验方法最初由英国道路研究所（TRRL）开发的，由于试验方法本身比较简单，试验结果直观而且与实际沥青路面的车辙相关性甚好，因此在日本、欧洲、北美、澳大利亚等国得到了广泛应用。我国近年来也开展了较多研究，获得了一批成果。轮辙试验是用负有一定荷载的轮子，在规定的高温下对沥青混合料板状试件在同一轨迹上作一定时间的反复碾压，形成辙槽，以辙槽深度RD和动稳定度DS（每产生1mm辙槽所需的碾压次数）来评价沥青混合料抗车辙能力的一种试验方法，也有通过一定作用次数产生的形变来评价的。从轮辙试验得到的时间变形曲线一般为图8-4中的形式之一。由此可得到三类指标： 变形量d0d0 45 60 时间min图8-4 车辙试验中时间与变形的关系曲线1）任何一个时刻的总变形，即车辙深度。 2）在变形曲线的直线发展期，通常是求取45min、60min的变形D45、D60，按下 式中：D60:试验时间为60min时试件变形量(mm) D45:试验时间为45min时试件变形量(mm)C1:试验机类型修正系数，曲柄连杆驱动试件的变速行走方式为1.0，链驱动试验轮的等速方式为1.5C2:试验系数,试验室制备的宽300mm的试件为1.0,从路面切割的宽150mm的试件为0.8。3) 变形速率RD,它实际上是动稳定度的倒数。基于实践过程,总变形虽然直观,但不同试件之间的波动较大。在整个变形中，开始阶段的几次碾压能产生很大的变形，与试件接触的好坏是数据波动的重要原因。另外，总变形能区分试验结果的差别，但不便估计变形的发展情况。因此采用动稳定度作指标，以避免试验开始阶段，尤其是开始与试件接触的影响是比较合理的。东南大学曾对三种沥青（单家寺-70、单家寺-90和阿尔巴尼亚-70）的细、中、粗三种混合料进行了轮辙试验（采用固定轮重700N，轮压约0.6MPa）。这三种沥青的性质见表8-6；三种混合料的矿料级配分别按照沥青路面施工及验收规范（GBJ92-86）中的LH-30、LH-20-I和LH-10-I-2的中限配制的沥青的用量分别为4.5%、5.5%和5.5%，摘引其试验结果于表8-7中。沥青性质表8-6 指 标沥青品种 针入度（25，1/10mm） 软化点 （） 延度 （25，cm） PI 单-90 84 48.5 100 -0.99 单-70 65 50.0 100 -0.83 阿-70 64 52.0 100 -0.61不同沥青混合料、不同条件的轮辙试验结果表8-7 试验 温度 （） 混合料 种类沥青用量（）厚度（cm） 单-70 阿-70 单-90h(mm) DSh(mm) DSh(mm) DS 60 细粒式 5.5 4 5 6 6.19 7.05 7.71 1913 1227 1076 5.29 5.72 6.84 2214 1801 1517 9.85 9.83 14.05 558 516 360 7.0 4 5 6 312 254 170 519 355 207 中粒式 5.5 4 5 6 6.69 8.70 10.17 1467 1157 803 5.80 7.74 9.87 1687 1184 823 11.28 13.64 20.52 522 496 304 粗粒式 4.5 4 5 6 5.10 5.66 6.53 2596 1985 1534 4.92 5.38 6.28 2250 2109 1730 7.50 7.50 8.96 1607 1350 912 45 细粒式 7.0 5 3644 中粒式 5.5 5 6 2395 3317 6159 6294注：表中h指试件减薄量从表8-7所列结果可以看出： 1）试件减薄量随厚度增加而增加，而动稳定度DS却随厚度增加而减少，这说明车辙深度将随厚度增加而增加； 2）沥青品种对h和DS都有明显的影响。阿沥青混合料的h最小、DS最大，这说明阿沥青混合料的抗车辙能力最好。单-70沥青混合料的h明显小于单-90沥青混合料，而前者的DS又明显大于后者，这说明为提高沥青混合料的抗车辙能力，应采用较稠的沥青；3）沥青用量过多使DS大幅度下降。细粒式沥青混凝土的油石比与最佳值相比增大1.5%，DS减小了4-5倍；4）粗粒式沥青混凝土的抗车辙能力明显大于细粒式和中粒式；细粒式比中粒式的矿料级配略细，矿粉用量多1%，但沥青用量相同，因此中粒式的沥青膜较厚，使其抗车辙能力反而不如细粒式。这说明沥青含量的影响大于矿料组成的少量变化；5）温度对车辙的影响最大。一些国家用轮辙试验的动稳定度DS作为沥青混合料高温稳定性的指标。例如，日本沥青路面纲要提出重交通道路沥青混合料的动稳定度DS应不小于1500次/mm（60，荷载0.63MPa）。另据经济合作发展组织的一篇报告介绍,几个车辙较轻的国家的路面,沥青混合料最高温时浸水轮辙试验动稳定度为:加拿大1240次/mm(49,针入度100-200的沥青),英国1826次/mm(45,针入度50的沥青),美国600次/mm(60,粘度80-480Pa.s的沥青)。“七五”期间曾对几种重交通沥青的混合料做了轮辙试验。试验结果表明：1） 动稳定度的大小与相同温度时沥青的粘度有关，见图8-5；2） 用水泥代替矿粉的沥青混合料的浸水轮辙试验（40）结果显示，其DS值明显大于其它沥青混合料，前者DS=10500次/mm，后者只有2739-3316次/mm。图8-5 沥青混凝土的DS与沥青粘度的关系应该说,轮辙试验在我国还刚开始,还有一些重要问题尚待弄清。例如,在试件压实度为1001%的情况下,某些试验得出初期压密形变高达10-15.4%,这一结果显然是不合理的,它说明确定压密形变的方法尚有问题。又如,不同单位对同一种沥青的混凝土试验得出DS有3-4倍的差别,其原因何在尚无充分了解。当然,更重要的是沥青混凝土的室内动稳定度与实际道路上的辙槽深度之间的关系尚缺乏资料。D.利奇(Leech)和N.W.塞尔维斯(Selves)用轮辙试验方法研究了压实度和沥青含量对密实沥青碎石抗变形能力的影响.他们的试验表明,压实度对沥青混合料的抗变形能力有明显的影响;沥青含量对沥青混合料抗变形能力的影响随矿料的品种而变;沥青含量2.6%-5.2%对花岗岩集料混合料的抗变形能力几乎没有影响;沥青含量对石灰岩集料混合料的抗变形能力有明显影响,沥青含量愈大,在通过相同次数的轮载后产生的形变也愈大。 D.利奇等的试验还表明,矿料品种对沥青混合料的抗变形能力也有明显的影响,见图8-6。图8-6不同品种矿料的压实度对沥青混合料抗变形能力的影响A- 花岗岩（沥青含量2.6%、3.0%、4.0%、5.2%）；B- 石灰岩（沥青含量2.4%）；C- 石灰岩（煤沥青含量3.3%）；D- 矿渣（沥青含量4.3%、4.9%、6.3%）；E- 砾石（沥青含量2.9%）二、单轴静载蠕变试验蠕变试验常采用单轴静载、三轴静载、单轴重复加载和三轴重复加载四种方式进行。以层状弹性体系理论或以粘弹性体系理论为基础的车辙预估法常采用单轴压缩蠕变试验的结果。在此，重点介绍壳牌法（SHELL）的单轴静载蠕变试验。其内容为：一圆柱形试件在轴向施加一瞬时荷载，并保持荷载大小不变，经过一段时间后立即卸载，使试件变形恢复，由此可得到通常的蠕变曲线，如下图8-7所示： 图8-7 蠕变试验中应变与时间的关系静载蠕变试验所施加的应力可表示为一个跳跃函数： =当采用Burgers模型时，作为响应的试件应变一般可分为三个部分，即瞬时弹性、粘性流动和延迟弹性，如下式：=式中：瞬时弹性变形粘性流动变形延迟弹性变形式中的若用Kelvin模型响应来表示，则上式可写成如下形式：=也就是说，如果我们知道某种粘弹性材料的弹性模量E1，粘性系数和Kelvin模型的弹性和粘性系数E3、，那么该材料的蠕变行为即可通过计算获得。这些参数可通过试验中记录的曲线，以模型拟合方法求得。这是个非常复杂的过程得到的参数数据也不很精确，因此在不甚精确的材料参数的基础上，采用精确的计算公式求解意义不大。对于我们十分关心的蠕变劲度可由下式计算求解：S(t)=而且也可按式：Smix(t,T)=通过直接在蠕变试验过程中测量试件的变形来求得。式中实际上已包括了上述弹性、粘性和粘弹性三部分的综合影响，可满足工程应用的要求。不同试验参数对沥青混合料静态蠕变模量的影响不同，下表8-8给出了不同试验参数下沥青混合料的蠕变模量计算结果（试验所用沥青为胜利沥青）。不同试验参数下沥青混合料的蠕变模量（MPa）表8-8 种类 试验温度 （ ） 应力水平 （MPa） 试件高度 （mm ） 端部处理 试验参数30400.10.260100聚四氟烯硅油石墨粉 蠕变模量38.532.533.630.819.222.4 38.4 38.9由上表可以看出，试验温度对蠕变模量的影响是很大的，当其它条件不变时，试验温度越高，试件的蠕变变形越大，蠕变模量越小。当其它条件不变时，仅考虑应力水平变化，随应力水平增加，蠕变模量减小，其减小图8-8 AC-16I型级配沥青与蠕变模量的关系曲线的幅度与沥青种类、级配类型、试件尺寸、温度有关。预压条件不同，蠕变试验结果不同，预压水平高相应蠕变模量就大。这是由于施加较高的预载时，使试件的初始压密在预载下即已完成或部分完成，施加正式荷载时，试件的整个变形相应变小，因而蠕变模量变大。除了上述讨论的影响外，试件高度、端面处理、试件成型方法、混合料类型等都可能影响蠕变试验结果。鉴于这种情况，在选择试验方法和确定参数时，就必须考虑其简单性、实用性、可推广性及对历史上试验数据的可用性等。壳牌推荐的静态蠕变试验条件为：试验温度：T=40；施加压力：=0.1MPa;试验时间：t=60min；预载：0.002MPa。按此法进行试验，得出同一级配下不同沥青混合料的静载蠕变试验结果如图8-8所示。由此可看出，不同沥青用量的蠕变模量曲线基本上是凸的，并具有峰值。三、大型环道试验“七五”期间在东南大学室内大型环道内做了半刚性路面的反复加载试验（试验温度59-60）。两段路面结构分别为：5.5cm沥青混凝土+12cm水泥沙砾+27cm石灰土和8.4cm沥青混凝土+9cm水泥沙砾+27cm石灰土。所用三种沥青的性质列在下表8-9中。环道用沥青的性质 表8-9 沥青类别针入度（0.1 mm）软化点（）延度cm沥青类别针入度（0.1 mm）软化点（）延度cm沥青类别针入度（0.1 mm）软化点（）延度cm阿50 57 48100单705847100单908245.5100环道内共布置了233=18个小段，当沥青混凝土层表面温度为60。底面温度接近稳定时（此时5.5cm厚沥青混凝土层底面的温度为48.9，8.4cm厚沥青混凝土层底面的温度为43.3），开始进行车轮反复加载。车轮的运行速度为30km/h。运行100圈（每点作用200次）后，测量每个小段表面的车辙深度（双轮重50KN，轮胎充气压力0.7MPa）。环道用沥青混凝土矿料级配表8-10 混合料 类型 通过下列筛孔（mm）的质量百分率（%） 沥青 用量 （%）352520151052.51.20.60.30.150.075 粗粒式 10085756550352518129645.0 中粒式100897558433324171165.5 细粒式1008161483525191377.0试验表明，在车辙深度RD（rutting depth）(cm)与车轮荷载反复作用次数N之间存在着幂函数关系，即 RD=ANB根据统计所得各段的回归方程，可以计算得到作用1000000次时的RD值，见下表8-11。 作用106次时不同沥青混合料的RD值（mm）表8-11 沥青混合料 面层厚度（cm） 粗粒式 中粒式 细粒式单90单70阿50单90单70阿50单90单70阿50 5.5 8.452.566.632.642.326.841.940.285.431.536.028.2 28.6145.1 114.681.761.379.468.7从上表所列结果可以归纳以下几点： 1）沥青稠度对车辙深度RD有明显影响。单90沥青混凝土的RD平均为单70沥青混凝土的1.75倍； 2）粗粒式和中粒式沥青混凝土的RD明显小于细粒式沥青混凝土。后者平均为前者的2.39倍； 3）沥青面层厚度对RD有明显影响。面层厚8.4cm的RD平均为面层厚5.5cm的1.142.07倍（由于细粒式沥青混凝土的热稳定性差和半刚性基层刚度大，面层厚5.5cm时，双轮迹的两侧和中间鼓起严重，其RD反而大于面层厚8.4cm的）。1996年江苏省高速公路建设指挥部等根据室内环道试验，提供了沥青面层厚度与车辙之间关系曲线，见图8-9。图8-9 辙槽与沥青面层厚度的关系法国1984年曾在大型环道（外径41m，槽宽6m）内做了多种加载试验，采用了双轮组车轮，轮胎充气压力0.8MPa，轴载100KN和130KN，双轮组中心至环道中心的平均距离为17.5m，左右摆动各2m。试验时路面处于自然温度状态。试验得出下列两个关系式：对于轴载130KN RD=4.17lg(N-100) (mm)对于轴载100KNRD=2.73lg(N-100) (mm)根据环道试验结果，法国还得出以辙槽深度为基础的轴载P与作用次数N之间的换算关系：式中N轴载P的作用次数；N轴载P的作用次数。试验结果表明，K值平均为8.6，法国实际上采用K=8。四、正定试验路加速加载试验交通部公路科学研究所引进的加速加载设备（简称ALF）可模拟行车车轮在路面上的作用：（1） 作用双轮的荷重可以在40KN100KN范围内调整；（2） 轮胎单向行驶作用在路面上；（3） 可以模拟车轮在路面上的横向分布规律，如在0.8m宽度内按正态分布；（4） 荷载作用一次的间隔时间为9s，因此，一天可以作用9000多次；（5） 双轮的行驶速度为20km/h，荷载作用时间约3.6s；（6） 双轮作用的实际有效长度约11m。从1990年的4月3日到9月1日，在正定试验路的三段上做了加速加载试验（双轮重约80KN）。此试验证明，温度愈高辙槽愈严重，以及沥青面层愈厚辙槽愈严重。五、轮辙试验标准由以上试验及分析可见，轮辙试验的动稳定度与沥青路面的车辙深度有着较好的相关性，所以我们可以通过控制沥青混合料的动稳定度，以产生出抗永久变形能力强的混合料。在进行轮辙试验时，我国之所以不采用车辙深度即总变形作为评价指标，是因为在轮辙试验时，开始阶段的变形一般要占总变形的很大一个比例，而开始阶段的变形的测定误差往往比较大，重现性不好；相反在变形进入稳定发展的直线阶段后，直线的斜率则更能清楚的反映混合料高温条件下的抗流动变形能力。所以我国和日本、英国等国家都采用动稳定度作为轮辙试验的评价指标。 轮辙试验的动稳定度指标是试验温度为60，轮压为0.7Mpa条件下得出的指标，反映每变形1mm轮压所碾压的次数。根据“七五”期间的研究成果，我国的公路沥青路面施工技术规范（JTJ032-94）提出了对高速公路的上、中面层轮辙试验的动稳定度应不小于800次/mm，对一级公路不小于600次/mm，SMA混合料动稳定度不小于1500次/mm，作为沥青混合料配合比设计的检验性指标。沥青含量对稳定性有很大的影响，随着沥青含量的增加，颗粒接触点处沥青膜增厚，从而使颗粒间摩阻力减小，稳定性降低。集料表面纹理也影响稳定性，颗粒越光滑，稳定性越低；颗粒表面粗糙，达到同等稳定性时的沥青含量越高。 “八五”期间我国首次提出用轮辙试验动稳定度作为沥青混合料高温性能技术指标，并提出了高等级公路沥青混合料动稳定度指标推荐值（表8-12） 动稳定度建议标准（次/mm）表8-12 轮辙试验动稳定度 年最高月平均气温（） 30 20 - 30 20 上中面层，不低于 800 600 400 下面层 500 400 300 8.3 沥青路面车辙计算沥青路面的车辙是各结构层和土基永久变形的总和。通常，车辙量采用分层总和法进行估算，也即将路面各结构层划分为若干薄层，分析各薄层所受到的应力。利用该层材料的应力、永久应变和作用次数之间的关系，分别估算该层在特定的荷载作用次数后的永久变形量，然后总和各薄层的永久变形量成为路表的永久变形。用公式表示，坐标位置（x,y）点的永久变形为：p(x,y)=式中：相应为等i薄层的厚度和该层的平均永久应变。在高等级路面结构中，传至土基的应力已很微小，由于控制了土基的回弹变形，所以值在车辙量中一般不会超过10%。如是旧路加铺，此值可以忽略。当基层为粒料材料时，基层的永久变形在车辙中占有相当的数量，应专门计算。对于半刚性基层一般可忽略不计。 沥青面层的永久变形在车辙计算中占主要的地位，特别是对于半刚性基层沥青路面，其值占车辙量的90%以上。下面将重点分析沥青面层部分的车辙预估。1） 经验法 其一，根据试验路观测结果回归分析得出的经验公式。例如，芬恩（Finn）等人根据AASHTO试验路观测的结果得出下列两种车辙预估公式（仅适用于英制）：常规路面结构（沥青混凝土层厚度小于15cm）：lgRD= - 6.866+4.325lgd 0.131lgN18或lgRD= - 5.617+4.343lgd 0.167lgN18 1.118lgc对于厚度大于15cm的或全厚式沥青混凝土结构：lgRD= - 1.173+0.717lgd - 0.658lgN18式中： RD辙槽深度，微英寸（25.410-6mm）；d双轮轮隙之间的弯沉，10-6英寸；c沥青混凝土的垂直压应力，磅每平方英寸；N1818000磅的等效单轴荷载的总作用次数。其二，通过对沥青混合料进行三轴试验，建立沥青层的永久变形同荷载及材料特性之间的统计关系式，在此基础上，结合路面结构应力分析及有关的材料性能试验，确定沥青层在荷载作用下产生的车辙。下式即为经验统计法建立的车辙预估公式之一。lg=C0+C1lgN式中：沥青混合料层竖向永久应变； C0、C1沥青混合料特性及受力状况参数； N重复加载次数。2）理论统计法采用弹性层状体系理论或粘弹性层状体理论求解路面的应力与位移，再结合室内外有关试验，统计出沥青层的永久变形同路表弯沉材料特性参数及荷载之间的经验关系式，下式即为Jacob Vzan按理论统计法提出的预估模型。RD=式中：RD沥青层永久变形；W路表弯沉系数； 在双轮动态荷载下的路面弯沉； N重复加载次数； 路面材料和结构尺寸参数。国内在采用轮辙试验方法进行沥青混合料抗车辙性能研究中，通过对大量试验数据的统计分析，采用理论统计法建立了指数型的车辙预估模型。式中：试件减薄量；t累计荷载作用时间；K流动动力参数；DS车辙变形阻抗动稳定度。显著性检验表明，式中三个参数对车辙变形影响都十分显著，尤以流动动力参数最为显著。K=式中：H圆柱面高度；剪应力强度；Z 柱坐标；平均结构应力，=积分的物理意义为外力使沥青混合料流过单位弧段柱面上的推动力。）理论法由于统计法和理论统计法都需要大量的实际路面车辙观察数据，而车辙一般都需几年甚至十几年才能形成，因此目前世界上车辙预测方法仍理论法为主流。理论法是利用弹性或粘弹性层状体系理论计算路面内应力分布，并根据路面材料永久变形同应力之间关系，求得沥青层永久变形。理论分析法主要包括层应变方法和粘弹性