沥青路面微观形貌对抗滑性能影响机理研究

沥青路面抗车辙性能影响因素研究

沥青路面以其行车振动小、噪音低、开放交通快、养护维修简便等优良特性在中国道路路面结构中占据着主导地位，尤其是高等级公路中沥青面层公路所占比重很大。据不完全统计，中国已建成的高等级公路路面的80％以上为沥青路面。近年来，由于交通量的快速增长、车辆轴重增加、超载等原因，沥青路面早期破坏成为中国道路交通建设面临的主要问题，而在中国的沥青路面损坏类型中，车辙破坏成为最主要的破坏类型之一。在对北京市某环路进行的调查中发现，约90％路面的PCI为优或良，近100％路面的RQI为优或良，而对于RDI，优良率仅为30％左右，评价为中及以下的路面达到70％，路面的主要破坏为车辙，对路面使用产生重要影响。路面产生车辙有多种原因，中国大多数高等级公路采用半刚性基层的沥青路面结构形式，相关调查分析表明，由面层产生的车辙深度可能达到总车辙深度的90％左右，因此研究沥青混凝土的抗车辙性能对于解决中国沥青路面抗车辙破坏问题具有重要意义。

关于沥青混合料抗车辙性能及其影响因素，国内外学者从原材料性能、混合料类型、环境因素等方面出发进行了大量研究，并利用灰关联分析法分析了不同因素对抗车辙性能的影响，但沥青混合料抗车辙性能的影响因素，特别是路面结构对路面总体抗车辙性能的影响，目前还不能进行全面的解释。该文进行了多种级配、多种沥青类型的沥青混合料抗车辙性能试验，并设计了模拟路面结构的双层沥青混合料抗车辙性能试验，并采用灰关联分析方法，研究了不同因素对沥青混合料和路面结构的影响程度。

1 试验原材料

1.1 沥青

研究使用的沥青包括基质沥青、改性沥青和高粘度改性沥青（以下简称高粘度沥青），其性能见表１。

1.2 集料

研究使用的各种集料的级配、吸水率和表观密度见表２。

1.3 沥青混合料类型

为了比较明显地区分不同类型沥青混合料的性能和影响，研究借鉴中国沥青混合料及日本常用沥青混合料类型，设计了如表3所示的4种级配类型，考虑沥青结合料的影响，共设计了9种类型混合料（表3）。

表3中的各级配类型的集料组成和最佳油石比见表4，各级配类型的合成级配见表5。

表1沥青技术性能

表2 集料的物理性能

表3 沥青混合料类型

表4 各级配集料组成

表5 合成级配

2 试验方法

2.1 沥青混合料基本性能及其动稳定度

根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的规定，测试表3中9种沥青混合料的基本性能，包括密度、空隙率、饱和度等技术指标。进行上述9种沥青混合料的车辙试验，试验温度为60℃，其他条件符合试验规程的规定。

2.2 双层沥青混合料动稳定度试验

目前，中国主要以车辙试验结果动稳定度DS 表征沥青混合料的抗车辙性能，是通过5cm厚沥青混合料的标准车辙试验获得的。但沥青路面一般由多层沥青混合料组成，大量研究表明：沥青路面流动型车辙主要产生在路面下7～10cm内，因此，只用5cm厚度的沥青混合料动车辙试验结果DS无法准确反映沥青路面实际的抗车辙性能。沥青路面的抗车辙性能不仅要考虑沥青混合料本身的抗高温稳定性指标DS，还要考虑沥青路面结构组成及其特点。

为了探讨不同沥青混合料及其组合结构对沥青路面抗车辙性能的影响，研究设计了近似模拟沥青路面结构的双层沥青混合料车辙试验方法，见图1所示。双层车辙试验的试样由3层组成，上、下层为沥青混合料，按表3所示方案选取。最下层为厚度5cm的夯实砂层，压实度达到98％以上，用于模拟路面结构中的柔性粒料基层。各层试样的尺寸均为300ｍｍ×300ｍｍ×50ｍｍ。试验时先用标准的车辙试样成型方法，成形不同混合料的车辙试样，然后按图1所示方法组合成模拟路面结构的双层车辙组合试样。各层位之间洒布沥青以利于层间粘结。

模拟路面结构的双层车辙试验在标准的动稳定度试验机内进行，该试验机通过改进可以进行厚度为15cm试样的动稳定度测试。试验温度统一为60℃，在试 验前应将组合试样放在温度60℃的试验箱内保温6h以上，确保试样整体温度均匀。试验其他条件与标准车辙试验方法相同。每组双层沥青混合料试样共进行300min的车辙试验，利用前60min的试验数据计算双层结构的动稳定度，同时测试60、300min时的试样中心点（轮迹中心点）的变形量，用以分析双层结构路面的车辙变化特点。

图１ 双层结构车辙试验试样纵断面示意图（单位：cm）

表6 沥青混合料基本性能

3 试验结果及分析

3.1 沥青混合料基本性能

各沥青混合料基本性能见表6。从表6可以看出：９种沥青混合料的基本性能符合规范要求。

3.2 沥青混合料动稳定度

9种沥青混合料的车辙试验结果如图2所示。从图2可以看出：不同级配、不同沥青结合料的沥青混合料的高温稳定性有很大差异，最大达10倍以上，基本代表了实际中可能使用的沥青混合料类型。

图2 沥青混合料的动稳定度

研究中使用的沥青混合料均为密级配沥青混合料。当使用基质沥青时，沥青混合料的动稳定度较低，而使用改性沥青，特别是使用高粘度改性沥青时，沥青混合料的动稳定度有较大提高，当混合料的级配相同时，沥青结合料的性能决定了沥青混合料的抗车辙性能。

3.3 双层沥青混合料动稳定度试验

使用表3所示沥青混合料，共设计了14种模拟沥青路面结构（表7）。按上述试验方法，进行了模拟路面结构的车辙试验，测试了模拟路面结构的动稳定度，试验结果见图3。

表7 模拟路面结构组合

图3 模拟路面结构的动稳定度

由图3可以看出：不同结构组合的路面抗车辙能力具有显著差异。路面整体抗车辙能力既与沥青混合料本身的抗车辙能力有关，也与上、下面层沥青混合料的搭配情况有关。因此，在沥青路面结构组合设计时，一定要综合考虑上述因素的影响。

3.4 沥青混合料抗车辙能力影响因素的灰关联分析

灰关联分析是一种系统分析方法，可以在不完全的信息中，对所要分析研究的各因素，通过一定数据处理，在随机的因素序列中找到其关联性，提炼出影响系统的主要因素、主要特征和因素间对系统影响的差别。灰关联分析步骤包括：确定数据列、生成处理数据列、计算求差序列、计算灰关联系数、计算灰关联度和优势分析。研究利用灰关联分析方法，分析不同因素对沥青混合料抗车辙性能的影响程度。

大量研究表明：沥青混合料高温稳定性的影响因素主要有沥青结合料、集料、集料级配、沥青混合料性能4个方面。沥青抗高温稳定性主要以针入度表示，该文选择沥青针入度作为沥青结合料的影响因素。集料性能对沥青混合料抗高温稳定性有重要影响，研究中使用了相同的集料类型，因此不作为探讨对象。集料级配对沥青混合料抗高温性能也有重要影响，一般来讲集料最大粒径大，抗高温稳定性高；嵌挤结构沥青混合料的抗高温稳定性较好。为此，该文以集料最大粒径、集料级配不均匀系数和曲率系数作为集料级配的参数。

集料的不均匀系数反映大小不同颗粒的分布情况，计算公式为

，其中，为质量通过率为10％的粒径，为质量通过率为60％的粒径。曲率系数则是描述累计曲线整体形状的指标，计算公式为：

式中：为质量通过率为30％的粒径。

除上述原材料性能外，沥青混合料的性能对其抗高温稳定性也有重要影响，主要包括沥青混合料的空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率，这些指标既反映了沥青混合料的级配特点，也反映沥青路面的压实度等施工质量。因此，该文以空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率作为影响沥青混合料抗高温稳定的沥青混合料及施工因素予以探讨。

以动稳定度为参考序列的灰关联分析结果如表8所示。由表8可以看出：沥青针入度、集料级配、沥青混合料物理性能对沥青混合料抗高温稳定性的影响比较接近，即沥青结合料、级配和混合料物理性能均对沥青混合料的抗高温稳定性产生重要影响，防治沥青路面车辙需要从沥青材料、矿料级配和沥青混合料施工质量等方面采取综合处置措施。试验结果还表明：矿料最大粒径、混合料物理性能对沥青混合料抗高温稳定性的影响更大一些。特别是由于施工质量差导致的沥青混合料空隙率大等问题，可能会促进路面车辙的快速发展，值得予以关注和进一步研究。

表8 以动稳定度为参考序列的灰关联系数

3.5 路面结构影响的灰关联分析

为探讨路面结构组合是否对路面整体抗车辙性能产生影响，研究进行了分别以模拟路面结构整体试样的60min动稳定度、60min和300min时的最大变形量为参考序列的灰关联分析。60min动稳定度结果见图3，60min和300min时的最大变形量试验结果见表9，灰关联分析结果见表10。

表9 路面结构总变形量

表10 路面结构组合影响的灰关联分析结果

从表10可以看出：对于路面结构整体抗车辙性能，上面层沥青混合料抗车辙性能的影响大于下面层沥青混合料，即着重考虑面层沥青混合料的抗车辙性能具有一定的合理性。为了对比分析，利用图2、3和表9数据，进行上、下面层混合料动稳定度与路面结构整体动稳定度、60min和300min最大变形的统计分析，所建立的统计关系如式（２）、（３）、（４）。

式中：Ｙ为沥青路面整体结构的动稳定度 （次／mm）；分别为沥青路面整体结构60min、300min最大变形（ｍｍ）；分别为上、下面层沥青混合料动稳定度（次／mm）。

从式（２）可以看出：上面层沥青混合料对组合结构的抗车辙性能具有决定性影响，上面层的影响系数是下面层的8.8倍。上面层沥青混 合料位于路面最上层，直接与车轮接触，实际道路上的上面层混合料温度也大于下面层混合料的温度，因此，上面层混合料的抗车辙性能对路面结构整体的抗车辙性能具有重要影响，在实际工程中应予以重视。

表10结果同时表明：在路面结构产生的车辙总变形中，下面层混合料的动稳定度也有明显的影响。从式（３）、（４）可以看出：对于路面结构的最大变形，上面层的影响系数是下面层的1.6～2.5倍，上面层虽然具有更重要的影响，但影响程度下降，下面层的影响程度上升。如前所述，沥青路面车辙是在车轮长期、反复荷载作用下，路面内部产生的永久变形累积的结果。现有研究表明：路面下5~7cm位置的沥青混合料承受的剪切力最大，因而产生的流动型变形也最大，因此下面层沥青混合料的抗车辙性能对于路面结构总变形具有更大的影响。

4 结论

该文利用标准的室内车辙试验和设计的模拟路面结构的双层沥青混合料非标准车辙试验，探讨了沥青混合料类型和路面结构组合对路面抗车辙性能的影响。得到以下结论：

（１）在该研究所考虑的范围内，沥青针入度、集料级配、沥青混合料物理性能对沥青混合料抗高温稳定性的影响比较接近，防治沥青路面车辙需要从沥青材料、矿料级配和沥青混合料施工质量等方面采取综合处置措施。

（２）沥青路面上面层混合料的动稳定度对沥青路面结构整体高温稳定性的影响大于下面层混合料的动稳定度。

（３）在沥青路面产生的永久变形（车辙）中，上面层混合料仍具有重要影响，但下面层混合料的影响程度上升。因此，在进行路面抗车辙能力设计时，既要考虑沥青混合料的高温稳定性，又要考虑路面结构的合理合。

该文试验结果主要是依靠室内车辙试验得到的，其结论有待实际数据的验证。模拟路面结构为柔性基层，对于中国常用的半刚性基层路面，尚需今后进一步研究。