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1、第3 6 卷，第2 期 公 路 工 程 V 0 1 3 6 ，N o 2 2011 年4月HighwayE n g i n e e r i n g A p r 20 1 1 基于约束和温度条件改善的双层改性沥青 车辙试验研究 陈永雄，彭东黎，王伟 ( 湖南交通职业技术学院，湖南长沙4 1 0 0 0 4 ) 摘要】车辙已成为我国道路沥青路面破坏的主要形式之一，目前国内外学者都在对车辙问题进行相关研 究。针对湖南省高速公路典型的双层改性沥青路面结构，通过对标准车辙试验的约束和温度条件作出改善，使车 辙试验结果更具实际意义和工程指导价值。试验结果表明，模拟路面温度梯度场试验条件下所得车辙深度明显比
2、 6 0 均匀温度场下的结果小，说明标准温度试验条件将会导致试验结果偏于安全，不能准确地指导沥青面层抗车 辙结构设计。 【关键词】沥青路面；车辙；温度条件；改性沥青 【中图分类号】U4 1 6 0 3【文献标识码】A【文章编号】1 6 7 4 一0 6 1 0 ( 2 0 t 1 ) 0 2 一o 0 0 9 0 4 T h eR e s e a r c ho nI m p r o v e dD o u b l e - l a y e rM o d i f i e dA s p h a l tR u t t i n g T e s tB a s e do nt h eC o n d i t i
3、 o n so fC o n s t r a i n t sa n dT e m p e r a t u r e C H E NY o n g x i o n g ，P E N GD o n g l i ，W A N GW e i ( H u n a nC o m m u n i c a t i o nP o l y t e c h n i cc o l l e g e ，C h a n g s h a ，H u n a n41 0 0 0 4 ，C h i n a ) A b s t r a c t 】R u t t i n gh a sb e c o m eo n eo ft h em a
4、 i nf o r m so fr o a da s p h a l tp a v e m e n td a m a g ei no u r c o u n t r y ，n o w a d a y st h es c h o l a r sa r ed o i n gs o m er e l a t e dr e s e a r c ho nt h er u t t i n gi s s u e sa th o m ea n da b r o a d T h i ss t u d ya i m e dt h et y p i c a ld o u b l e l a y e rm o d i
5、 f i e da s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r ea tH u n a np r o v i n c e sh i g h w a y ，t h ec o n s t r a i n t sa n dt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n sm a k ei m p r o v e m e n ti nt h es t a n d a r dr u t t i n gt e s t ，m a k et h e r u t t i n gt e s tr e s u l t sm o r ep r a
6、c t i c ea n de n g i n e e r i n gg u i d i n gv a l u e T e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h er e s u l to ft h er u t d e p t hf r o ms i m u l a t e dp a v e m e n tt e m p e r a t u r eg r a d i e n tf i e l dt e s tc o n d i t i o n si ss m a l l e rt h a nt h a t i n6 0 0 Gi n c o m eh o m o
7、 g e n e o u st e m p e r a t u r ef i e l do b v i o u s l y ，a n di te x p l a i nt h a tt h ec o n d i t i o n so fs t a n d a r dt e m p e r a t u r e t e s tw i l ll e a dt ot h et e s tr e s u l ts a f e r ；i tc a ntg u i d et h ea n t i - r u t t i n gs t r u c t u r ed e s i g no fa s p h a
8、l ts u r f a c ea c c u r a t e l y 【K e yw o r d s a s p h a l tp a v e m e n t ；R u t ；T e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s ；M o d i f i e da s p h a l t 1 引言 当前国内外关于车辙试验的研究，比较多地开 展沥青混合料车辙性能的检验和比较以及抗车辙材 料开发，如温度、荷载、重复作用次数等这些因素变 化与车辙试验的影响及关系，而且试验都是在现行 标准车辙试验条件下开展，其研究结果与实际情况 存在偏差。 标准车辙试验条件在试件厚度、碾
9、压速度、温度 等方面与沥青路面实际有很大的区别，尽管业内专 家学者都清楚地认识到了这种缺陷，但并没有从设 备的角度对车辙仪加以改进。因此。按照目前对沥 青混合料在组成设计时检验其抗车辙性能的方法， 可能会出现整体抗车辙性能不足或者不经济的情况 ( 因为试验条件与实际环境无法对应) ，工程实践也 常常出现按照规范设计施工后仍然产生车辙的现 象，许多单位因而提高了沥青混合料车辙控制标准， 如表面层采用S M A ，甚至中面层也采用改性沥青混 合料或添加抗车辙剂等，但这种做法缺乏理论指导， 具有一定的盲目性，在经济上也容易出现过渡投资 【收稿日期】2 0 1 l 一0 J l O 【基金项目】湖南省
10、教育厅科学研究项目( 0 9 C 1 1 7 3 ) 【作者简介】陈永雄( 1 9 8 3 - ) ，男，湖南隆回人。讲师主要从事道路路基路面方向的教学与科研工作。 万方数据 1 0 公路工程3 6 卷 的现象。 针对车辙问题，国内外道路工作者虽然开展了 多方面的研究，但在车辙试验方法方面还是有待更 进一步的研究，特别是我国普遍采用标准车辙仪来 分析评价沥青混合料的抗车辙性能，但该试验方法 的试验条件与工程实际条件的对应关系不清晰，如 实际路面内温度沿路面深度的分布是高度非线性 的，而目前采用标准车辙仪开展车辙试验时，由于试 验设备的限制，只能一次试验施加一个温度，如 6 0 ，以模拟路面高温
11、的情况，这时整个车辙试验 板内所有点的温度都与恒温箱内温度相同即6 0 ， 这显然与实际路面内温度场分布不符，其试验结果 与实际路面抗车辙性能的相关性值得怀疑，特别是 试件厚度比较大的时候，如对全厚式试件( 两层甚 至三层试件) 来说温度梯度的影响愈加严重。 2 标准车辙试验条件 2 1 标准车辙试验约束条件 我国现行规范中的标准车辙试验方法为按标准 试件制作的3 0 0n l m 3 0 0m m 5 0 0m m ( 或 4 0 0r a m ) 车辙板在标准温度为6 0 、标准轴载为 0 7M P a 下，让往返碾压速度为4 2 次r a i n 的橡胶轮 碾压约1h ，然后计算其动稳定
12、度。由于车辙板下 面为刚板试验台，钢板强度远远大于实际路面下路 基的强度，这与实际路面下的支撑条件差异很大，大 量文献指出，路基强度增大将增加面层内的剪应力， 使路面更易产生车辙破坏。车辙板装在钢制试模 内，周边约束显然与实际路面不同，这也将引起路面 内应力分布的不同。 东南大学闫其来等曾利用有限元程序分析了不 同荷载和温度条件实际路面和室内车辙试验路面内 应力分布的差异，发现压应力和剪应力分布都有明 显差异。为了使室内车辙试验的支撑条件更接近实 际路面，可考虑增加试模高度，在沥青混合料板下加 铺一层基层，或将刚板试验台换成水泥板以接近实 际路基，或增加试模高度，在沥青混合料板下加铺一 层基层
13、，但目前还没有这方面的研究文献，其效果有 待试验的验证。 2 2 标准车辙试验温度条件 标准车辙试验方法的试验条件保持在6 0 1 ，整个复合车辙试验板深度范围内的温度都与 恒温箱内温度相同即6 0 ，而实际情况存在温度梯 度变化，研究表明沥青路面以下2e i n 处温度最高， 下部温度较低，由此得来的试验数据与真实情况存 在一定差距。 路面内温度沿路面深度的分布是高度非线性 的，1d 中不同时间温度场分布则不同。国内外对 路面内温度场分布的研究做的很多，沥青面层深度 内( 一般为1 8c m ) 最高温度与最低温度的差值高达 7 8 甚至1 0 几。在室内做复合车辙试验时， 由于试验设备的限
14、制，只能一次试验施加一个温度， 如6 0 以模拟路面高温的情况，这时，整个复合车 辙试验板深度范围内的温度都与恒温箱内6 0 温 度相同，这显然与实际路面内温度场分布不符，其试 验结果与实际路面抗车辙性能的相关性值得怀疑。 3 车辙试验方案 沥青路面是分层铺设，其温度存在梯度变化，面 层深度内最高温度与最低温度的差值高达1 0 几， 现场采样结果表明，温差在1 5 左右，且沿路面深 度的分布是高度非线性的，存在自上而下的温度场。 根据N a k s e o kK i m 的研究成果：路面车辙的主要 部分产生于沥青层的上部，即面层顶部以下3 6 英 寸( 9 1c m ) 的范围内。对于我国最常
15、用的半刚性 路面结构，这一结论可能有所偏差，但也暗示着沥青 路面的车辙绝不仅限于上面层，对于半刚性路面结 构而言，车辙可能主要产生于上面层和中面层。很 多研究也表明，路面结构层的最大剪应力出现在路 表以下5 一1 0e m 处，即大多位于中面层。研究及其 工程实践忙L 也发现：中面层和上面层对车辙永久 变形的贡献率占绝大部分，而中面层的贡献率是上 面层的两倍以上。文献 4 中指出：车辙变形一般 发生在距沥青路面表面1 0e m 以内，但如果沥青混 合料的抗变形能力较差，车辙变形也有可能发展到 更深的位置。而标准车辙仪试验采用单层车辙板作 为试件进行车辙试验来评价沥青混合料的高温稳定 性，一方面
16、不能较好的模拟路面的三层结构，同时也 不能对上面层和中面层的综合车辙情况有所反映。 因此本次试验车辙试件采用三层试模制作：上面层 4c m ，中面层5c m ，下面层6e m 的三层试件，以模 拟实际路面面层结构中的三层结构。 文献 7 中指出，沥青路面结构中面层采用改 性沥青可以使动稳定度提高5 0 以上。由于车辙 变形绝大部分产生于上、中面层，且改性沥青对沥青 路结构的高温稳定性作用显著，上、中面层双层改性 沥青结构大量应用于工程实践。如湖南省高速公路 2 0 0 0 年以后，主要以沥青路面为主，而双层改性沥 青是湖南省高速公路沥青路面面层结构中最为典型 万方数据 第2 期陈永雄，等：基于
17、约束和温度条件改善的双层改性沥青车辙试验研究 1 I 的一种，如末宜( 部分) 、临长、衡枣、衡大、常张、长 潭西、常吉、怀新等。 本次研究将车辙试验板制作为上面层4c m ，中 面层5t i l l ，下面层6c m 的三层试件，各层材料依次 为S B S 改性A C - 1 3 、S B S 改性A C - 2 0 、A C - 2 5 。通过 降低试件底面温度、不改变试件顶面温度、四周隔热 的处理方法，使试件内部形成自然的温度梯度，与实 际路面内温度场分布相符，并与6 0 均匀温度场的 三层试验板设置对比试验。路面结构层的配合比设 计直接关系到沥青混合料的高温稳定性能，必须充 分重视。本
18、次试验A C - 1 3 ，A C 一2 0 ，A C 一2 5 的各粒径 的通过百分率见表1 。 表1A C - 1 3 。A C - 2 0 A C - 2 S 级配组成 T a b l e1 A C 一1 3 ，A C 一2 0 ，A C 一2 5g r a d a t i o nc o m p o s i t i o n 4 试验方法的改进 萎霎霎鬈孳雯芸磊篙蒹箸燃菩嚣秉套 三层试模四周作隔热处理将隔热材料( 如硅环原理对试模底部进行恒温控制，形成1 5 的温度 酸锂) 预先铺设在试模的四周，模拟实际情况，通过梯度场( 见表2 ) ，其装置原理如图1 所示。 在每层铺设温度传感器测出不
19、同深度材料的温度，沥青路面是分层铺设的，其温度存在梯度变 裹2 全厚式( 4 锄+ 5c m4 - 6c m ) 车辙试件试验温度场 T a b l e2c o m p l e t et h i c kt y p e ( 4c m + 5e m + 6e m ) t e s tt e m p e r a t u r ef i e l do fw h e e lr u t t i n gt e s ts a m p l e 注：试验材料为：S B S 改性A C 一1 3 + S B S 改性A C 一2 0 + A C 一2 5 ；试验数据是将全厚式沥青混合料车辙试件放人6 0 恒温系统中 加
20、热8h 后，再在底部设置4 5 水循环待形成的1 5 温度梯度场基本稳定后所测的数据。 户8L J ； 啦一 循环水箱 图1 车辙试验温度控制系统原理图 F i g u r e1 t h ed i a g r a mo fr u t t i n gt e s tt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m 化。将车辙试验板制作为上面层4c m ，中面层5 c m ，下面层6c m 的三层试件，各层材料依次为S B S 改性A C 一1 3 、S B S 改性A C 一2 0 、A C 一2 5 。在试模的四 周放置隔热材料，并在每一层底部分别埋设三
21、个温 度传感器，通过多路温度巡检仪测定各层温度。试 验时，先将试件加热7h 至整个试件各层温度都达 到6 0 I 。第一步，关闭水循环系统。保证水槽内 无水，标准车辙实验温度条件下，在试件的一侧碾压 Ih ，记录数据，计算其动稳定度。第二步，打开水循 环系统，将水温调制4 5 ，待温度巡检仪所显示各 层的数据表明整个试件存在稳定的温度梯度后，在 试件的另一侧碾压Ih ，记录数据，计算其动稳定 度。 5 试验结果与分析 在行车荷载作用下车辙的永久变形可以分为压 密、变形稳定、失稳三个阶段。压密阶段主要由于沥 青面层以及各结构层材料中均存在一些空隙，在车 轮荷载作用下，进一步的压密挤实。变形稳定阶
22、段： 沥青混合料在高温作用下呈粘弹性状态，在车轮荷 载的作用下沥青及沥青胶浆发生塑性流动，使得沥 青混合料的骨架结构失稳，而向两侧隆起。失稳阶 段，沥青胶浆向两侧聚焦，矿质骨架承担主要荷载， 在部分沥青的润滑作用帮助下逐渐产生错动，进而 导致沥青结构层的失稳。 由图2 可以看出车辙变形量先迅速增加，而后 增加趋势放缓，但仍在继续增加。这表明车辙形成 的过程中，压密阶段比较短暂，变形稳定阶段较长， 均还未达到失稳破坏阶段。试验结果数据表明， 1 5 温度梯度场和6 0 均匀温度场条件下的双层 万方数据 1 2 公路工程3 6 卷 改性沥青混合料的动稳定度( 全厚式三层试件) 分 别为31 5 0
23、 次r a i n ，28 6 4 次r a i n ，模拟实际路况温 度梯度的实验所得出的总变形量均比标准车辙试验 条件温度下的小。如果从试件平均温度考虑，由实 验结果可以得出，温度越高，沥青混合料的抵抗塑性 流动变形的能力越差，相应的变形量也就越大。 试验结果表明，模拟实际温度梯度场试验所得 车辙深度远小于6 0 均匀温度场条件下的结果，说 明目前我国规范推荐采用的试验条件将导致试验结 果偏于保守和安全，这也意味着可能会导致根据车 辙试验结果所设计出的沥青面层太强，经济上会造 成浪费。当然，实际道路屡屡发生的车辙病害似乎 不能证明上述结论，但这里面还存在车辙控制标准 制订得是否合适的问题，
24、这个问题还有待于进一步 研究。 ot o2 03 04 05 06 0 时间m i n 图2 不同温度场下车辙试验时间与变形曲线 F i g u r e2t i m ea n dd e f o r m a t i o nO u I T ci nd i f f e r e n t t e m p e r a t u r ef i e l dr u t t i n gt e s t 6 结论 本文改进了车辙试验的温度条件，并采用三层 试模制作车辙试件，使其能够形成自上而下的温度 梯度，并与标准试验条件进行了对比试验，得到如下 结论： 本文对标准车辙试验的约束条件作了改进， 采用三层试模，模拟路面分
25、层铺设的实际情况，有利 于形成温度梯度，采用的恒温水循环系统能够控制 ( 上接第8 页) e n ，1 9 9 7 【6 】L e e ，Y C ，K i m ，YR ，R a n j i t h a n ，SR D y n a m i cA n a l y s i s B a s e dA p p r o a c ht oD e t e r m i n eF l e x i b l eP a v e m e n tL a y e r M o d u l iU s i n gD B P s J T r a n s p o r t a t i o nR e s e a r c hB o a r
26、d ， 1 9 9 8 1 6 3 9 ：3 6 4 2 7 B i n gX U A s s e s s i n gP a v e m e n tL a y e rC o n d i t i o nU s i n gF W D D e f l e c t i o nD a t a D N o r t hC a r o l i n aS t a t eo f U n i v e r s i t y ， N o r t hC a r o l i n a ，U S A ，2 0 0 0 8 】H c eM u nP a r k U s eo f 肼Dm u l t i l o a dl e v e
27、 ld a t af o r 试件温度梯度场；便于研究其对路面抗车辙能力的 影响。 模拟双层改性沥青路面温度梯度场试验条 件下所得车辙深度明显比6 0 均匀温度场下的结 果，说明标准温度试验条件将会导致试验结果偏于 安全，不能准确地指导沥青面层抗车辙结构设计。 本次研究对车辙试验的约束和温度条件作 了改进，并能较好的模拟实际路面状况，但对于双层 改性沥青路面结构在实际工况下的高温稳定性还有 待于进一步研究。 由于条件限制，本次试验对车辙试验约束条 件的改进还不够充分，全厚式三层试件的底部和四 周的约束均为刚性约束，如何使其更好地模拟接近 实际路面条件非刚性的约束条件，并顺利地进行车 辙试验有待
28、于作更深入地研究。 【参考文献】 N a k s e o kK i mE v a l u a t i o no fr u t t i n gp e r f o r m a n c eo fa s p h a l tc o n c r e t e l a y e r Su s i n gm u l t i d e p t hd e f l e c t o m e t e r s ( M D D ) J 】K S C EJ o u r n a l o fC i v i lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 4 ，8 ( 4 ) ：4 1 1 4 1 6 杨军。崔娟，万军，等基
29、于结构层贡献率的沥青路面抗 车辙措施 J 东南大学学报( 自然科学版) 。2 0 0 7 ，3 7 ( 2 ) ：3 5 0 3 5 4 王辉，李雪连，张起森高温重载作用下沥青路面车辙研究 J 土木工程学报，2 0 0 9 。4 2 ，( 5 ) ：1 3 9 1 4 4 陈祥义，吴剑国外沥青混合料抗车辙性能试验方法评价 J 】中外公路。2 0 0 7 。2 7 ( 1 ) ：1 4 1 1 4 6 沙庆林高等级公路半刚性基层沥青路面 M 北京；人民交 通出版社，1 9 9 8 沈金安沥青及沥青混合料路用性能 M 】北京：人民交通出 版社2 0 0 6 吴瑞麟，石立万，余海洋，等影响沥青路面全
30、厚度车辙关键因 素的试验研究 J 武汉理工大学学，2 0 0 8 ，3 0 ，( 1 ) ：5 8 6 1 孟书涛，黄晓明沥青混合料动稳定度试验的分析 J 公路交 通科技，2 0 0 5 ，2 2 ，( 1 1 ) ：1 4 一1 7 Y r J0 5 2 2 0 0 0 。公路工程沥青及沥青混合料试验规范 s 】 p a v e m e n ts t r e n g t he s t i m a t i o n D N o r t hC a r o l i n aS t a t eo f U n i v e r s i t y ，N o r t hC a r o l i n a 。U S A
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32、组f斟 万方数据 基于约束和温度条件改善的双层改性沥青车辙试验研究基于约束和温度条件改善的双层改性沥青车辙试验研究 作者：陈永雄， 彭东黎， 王伟， CHEN Yongxiong， PENG Dongli， WANG Wei 作者单位：湖南交通职业技术学院,湖南,长沙,410004 刊名： 公路工程 英文刊名：HIGHWAY ENGINEERING 年，卷(期)：2011,36(2) 参考文献(9条)参考文献(9条) 1.JTJ 052-2000.公路工程沥青及沥青混合料试验规范 2.孟书涛;黄晓明 沥青混合料动稳定度试验的分析 2005(11) 3.吴瑞麟;石立万;余海洋 影响沥青路面全厚度
33、车辙关键因素的试验研究 2008(01) 4.沈金安 沥青及沥青混合料路用性能 2006 5.沙庆林 高等级公路半刚性基层沥青路面 1998 6.陈祥义;吴剑 国外沥青混合料抗车辙性能试验方法评价 2007(01) 7.王辉;李雪连;张起森 高温重载作用下沥青路面车辙研究 2009(05) 8.杨军;崔娟;万军 基于结构层贡献率的沥青路面抗车辙措施 2007(02) 9.Nakseok Kim Evaluation of rutting performance of asphalt concrete layers using multi-depth defleetometers (MDD) 2004(04) 本文链接：