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2022年8月JournalofRailwayScienceandEngineeringAugust2022
-
DOI:.431423/
沥青混凝土室内车辙试验及
评价指标对比研究
周栋,周志刚,刘靖宇
(长沙理工大学交通运输工程学院,湖南长沙410004)
摘要:针对沥青路面车辙病害,通过室内试验的方式,对比分析我国现行标准车辙试验、汉堡车辙试验(HWTD)和沥青
路面分析仪(APA)3种车辙试验方法的差异。分别通过3种车辙试验对10种不同沥青、级配类型和集料公称最大粒径沥青混
合料进行测试,结果发现:3种车辙试验结果和规律相近,均能较准确地评价不同沥青混合料高温性能优劣,但标准车辙
试验对不同公称最大粒径沥青混合料评价结果与HWTD和APA存在差异,且其结果显著性水平较低,表明标准车辙试验不
能较好地区分不同公称最大粒径混合料的高温性能。标准车辙试验结果与HWTD和APA相关性较低,采用最大车辙深度指
标时相关性相对较好,,因此建议增加最大车辙深度作为标准车辙试验的辅助评价指标。
HWTD和APA车辙试验对沥青混合料高温性能评价结果较接近,分析表明蠕变斜率指标和车辙变形速率指标都是关于车辙
深度和加载次数的一次函数,;车辙变形速率指标同样适用于HWTD试验,由于APA试验时长比
%,且数据处理更简便,在2种车辙试验方法中更推荐APA试验及其车辙变形速率指标。
关键词:道路工程;沥青混合料;车辙试验;标准车辙实验;汉堡车辙试验;沥青路面分析仪;高温稳定性能
中图分类号::A
文章编号:1672-7029(2022)08-2287-08
Comparativestudiesonlaboratoryruttingtestandevaluatingindicatorof
asphaltconcrete
ZHOUDong,ZHOUZhigang,LIUJingyu
(SchoolofTrafficandTransportationEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410004,China)
Abstract:Tofocusontheruttingdiseaseinasphaltpavement,laboratorytestingwasconductedtoexaminethe
threetypesofruttingtestmethods:StandardRuttingTest,HamburgWheelTrackingDevice(HWTD),and
AsphaltPavementAnalyzer(APA).Thetendifferenttypesofasphaltmixturesconsistedwithdifferentasphalt
type,gradationtypesandnominalmaximumparticlesizeofaggregateweretested,andtheresultsshownthat,the
threekindsofruttingtestscanaccuratelyevaluatedthehightemperatureperformanceofdifferentasphalt
mixtures,amongthemtheevaluationresultsofstandardruttingtestforasphaltmixtureswithdifferentnominal
maximumparticlesizesweredifferentfromthoseofHWTDandAPA,andthesignificanceleveloftheresults
waslow,indicatedthestandardruttingtestwasdifficulttodistinguishedthehightemperatureperformanceof
收稿日期:2022-03-22
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51878079)
−−
通信作者:周栋(1980),男,湖南常宁人,高级工程师,博士,从事道路与铁道工程研究;Email:******@
2288
铁道科学与工程学报2022年8月
correlationwithHWTDandAPA,whilethemaximumruttingdepthindexwasadopted,
higherthanthedynamicstability,therefore,itwassuggestedtotakethemaximumruttingdepthasanauxiliary
,theanalysisshowed
thatthecreepslopeindexandruttingdeformationrateindexwereprimaryfunctionsofruttingdepthandloading
times,thecorrelationcoefficientbetweentheDynamicStabilityandtheRateofRuttingindexwashigherthan
,sincethedurationofAPAtestwas
%shorterthanthatofHWTDandthedataprocessingwassimpler,APAtestanditsruttingdeformationrate
indexwererecommendedbetweenthetworuttingtestmethods.
Keywords:roadengineering;asphaltmixture;ruttingtest;standardruttingtest;HWTD;APA;hightemperature
stabilization
车辙是沥青路面服役周期内的主要病害形式辙试验对沥青混合料进行了浸水车辙试验,并推
−
之一[13]。室内车辙试验通过车轮在试件上往复运荐了AC-5沥青混合料体积参数设计。王慧等[7]同
动,模拟车辆轮胎对沥青路面的作用,从而实现样研究了试件形状和空隙率对APA车辙的影响,
对车辙试件抗车辙能力的试验评价。因操作简便、结果表明APA梁形试件与圆柱体试件力学响应基
周期短和费用低,室内车辙试验在国内外科学研本一致,并推荐车辙采用空隙率为4%的圆柱体试
究及工程实践中广泛应用,并有多种车辙试验机件。这些研究对HWTD和APA试验方法进行了试
及其测试方法,包括我国现行规范标准的车辙试验和分析,充分论证了HWTD和APA在我国的适
−
验[45]、汉堡车辙(HWTD)[6]和沥青路面分析仪(APA)[7]用性,为这些试验方法在我国的推广应用做出了
等。标准车辙试验在我国应用时间最长、范围最贡献,但相关试验对比研究的全面性还不够,也
广,国内对标准车辙试验设备及方法的研究较深没有体现几种车辙试验方法对沥青混合料抗车辙
−
入。关宏信等[89]在标准车辙试验仪的基础上进行性能评价的准确性。为此,研究设计沥青类型、
改进,开发了能够对沥青路面结构车辙进行试验公称最大粒径和混合料级配类型作为影响因素,
的全厚度车辙试验。黄卫东等[10]为模拟高温多雨试通过国内标准车辙、德国汉堡车辙(HWTD)及美国
验条件下TB沥青的抗车辙性能,采用HWTD对其沥青路面分析仪(APA)分别评价了10种沥青混合料
−
试验曲线及指标进行了分析。周健民等[1112]参照的高温性能,并在试验结果的基础上展开对比
APA车辙试验的试件固定方法,将圆柱形试件放研究。
入方形模具中,使标准车辙仪对路面芯样也能进1室内车辙试验方法
行车辙试验,研究同样试件形状对车辙试验结果
影响不大。这些研究对我国现行标准车辙试验做采用标准车辙、HWTD和APA进行车辙试验
出改进,是对我国沥青路面车辙试验方法及评价对比研究,3种试验方法对比见表1,试验温度均
−
体系的有益补充。栗培龙等[1314]研究了汉堡车辙试为60℃。参考已有研究成果[7,12],板式试件与圆柱
验方法,结果同样表明,圆柱体试件与方形试件体试件在试验中具有良好线性相关性,因此
车辙试验结果具有较好的相关性;总结和探讨了HWTD与APA采用圆柱体试件。
HWTD相关试验条件、试件尺寸、车辙深度模型结合表1可知,标准车辙、HWTD和APA车
等问题的现状和存在的问题,展望了进一步研究辙试验方法差异如下。
方向。TSAI等[6]结合有限元方法深入分析了AAS‐1)加载次数和时长不同:标准车辙试验时长
HTO汉堡车辙试验方法的合理性。APA车辙试验最短,加载次数不到2500次,时间约为1h;
在我国的应用相对较少,李闯民等[15]采用APA车HWTD耗时最长,需加载2万次,时间约为7h。
2289
第8期周栋,等:沥青混凝土室内车辙试验及评价指标对比研究
2)加载方式不同:APA车辙试验将钢轮往复车辙、HWTD和APA还有其他不同评价指标,如
作用于充气软管上(),标准车辙和标准车辙动稳定度(DynamicStability,DS)、汉堡车
HWTD直接将钢轮作用于试件表面。辙蠕变斜率(CreepSlope,CS)和APA试验车辙深度
3)评价指标不同:除最大车辙深度外,标准变化速率(RateofRutting,RR)。
表1轮辙试验方法对比
Table1Comparisonofruttingtestmethods
试验方法HWTDAPA标准车辙
成型方式SGCSGC轮碾成型
试件尺寸/mmΦ150*75Φ150*755cm厚车辙板
加载方式钢轮充气软管钢轮
接触压强/
轮载次数20000次8000次约2500次
试验温度/℃606060
试验时长/h7左右3左右1
评价指标车辙深度、蠕变斜率、剥落折点车辙深度、车辙变形速率动稳定度
%RA抗车辙剂的抗车辙沥青(RA),沥青实测技
术指标见表2所示。粗集料采用辉绿岩,细集料和
试验采用秦皇岛30号、70号和SBS改性沥矿粉采用石灰岩,粗、细集料性能指标分别见表3
青,并以70号沥青为基质沥青加入改性剂,制备和表4所示。
得到掺加22%废胎胶粉的橡胶沥青(AR)、掺加
表2沥青主要技术指标
Table2Maintechnicalspecificationsofbitumen
∙−
技术指标25℃针入度()软化点/℃15℃延度/mm135℃黏度/(Pa·s)密度/(gcm3)PG分级
~10
>~22
—~22
———70~10
———70~16
表3粗集料性能指标
Table3Technicalspecificationsofcoarseaggregate
试验项目技术要求5~10mm10~15mm15~20mm20~25mm
≥
≤
吸水率/%
≤
水洗法</%
≤
针片状含量/%
≤
压碎值/%26—
沥青混合料采用中下面层常用的AC20和通过率比AC13低5%的粗级配沥青混合料,SMA
AC25级配,上面层常用的AC13,SAC13,%木质素纤维,PAC13是大空隙开级配沥青
SMA13和PAC13(大空隙开级配沥青混合料)沥青混混合料,不同类型沥青混合料的油石比、改性剂
合料进行级配设计。AC20,AC25和AC13级配接掺量和级配设计均按最佳配比设计,各混合料级
近规范推荐的级配曲线中值,、密度分别见表5和表6所示。
2290
铁道科学与工程学报2022年8月
表4细集料性能指标采用AC13-SBS,SAC13-SBS,SMA13-SBA,
Table4TechnicalspecificationsoffineaggregatePAC13-SBS,AC25-SBS,AC20-SBS,AC20-30,
试验项目技术要求0~3mmAC20-70,AC20-AR和AC20-RA共10种沥青混合
≤
水洗法</%,设计不同沥青类型、不同公称最大粒径、不
≥同级配等因素影响下的车辙对比试验,以研究3种
砂当量/%
≥车辙试验方法对不同沥青混合料评价结果的
差异。
表5混合料级配通过率
Table5Passrateofaggregategradation
筛孔通过率/%
混合料类型
AC20——
AC13——
SAC13——
SMA13——
PAC13——
表6混合料油石比及密度
Table6Oilstoneratioanddensityofmixture
沥青混合料油石比/%毛体积密度沥青混合料油石比/%毛体积密度
AC13--
SAC13--
SMA13--
PAC13--
AC25--
3结果分析与讨论由图1~3可知,3种车辙试验方法对不同沥青
类型混合料车辙性能评价结果一致,按最大车辙
深度从低到高排序依次为:SBS<RA<AR<30号
<70号;3种车辙试验方法对不同级配类型混合料
抗车辙性能的评价结果一致,按最大车辙深度从
以最大车辙深度为评价指标,研究在不同沥
低到高排序依次为:SMA13<PAC13<SAC13<
青类型、公称最大粒径和级配类型等因素影响下,AC13。表明3种车辙试验方法均能较好地区分不
3种车辙试验方法的评价结果差异,分别见图1~3同沥青类型和级配类型沥青混合料的抗车辙性能
所示。优劣。
(a)标准车辙试验;(b)HWTD车辙试验;(c)APA车辙试验
图1不同沥青类型对比
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第8期周栋,等:沥青混凝土室内车辙试验及评价指标对比研究
(a)标准车辙试验;(b)HWTD车辙试验;(c)APA车辙试验
图2不同公称最大粒径对比
(a)标准车辙试验;(b)HWTD车辙试验;(c)APA车辙试验
图3不同级配类型对比
由图2可知,标准车辙试验AC25沥青混合料粒径混合料的敏感程度较低,P值远大于APA试验
车辙深度最小,HWTD和APA试验AC25沥青混合和HWTD试验,表明标准车辙试验不能较好地区
料车辙深度最大。产生该差异的原因可能是试件分改性沥青类型和沥青混合料级配类型;APA和
成型方式的不同,标准车辙采用轮碾压实方式,,表明2种车辙试
AC25级配集料粒径更粗,更易于形成骨架结构,验方法均能较好地区分不同沥青类型、不同级配
产生的车辙深度最小;APA和HWTD采用旋转压类型和公称最大粒径沥青混合料高低温性能。
实成型方式,AC25级配集料粒径较粗不易形成密表7不同因素P值对比
实结构,产生的车辙深度最大;导致标准车辙试Table7ComparisonofPvaluefromdifferentfactors
验与APA和HWTD试验对不同公称最大粒径混合变量因素标准车辙试验APAHWTD
料车辙深度的评价结果出现差异。
综上,
和级配类型混合料的高低温性能,
最大粒径混合料高低温性能评价存在差异。
,DS和RR指标对比
基于车辙试验结果,采用方差分析法分析各
分析可知,蠕变斜率CS和车辙变形速率RR
试验方法最大车辙深度指标对不同沥青类型、不
为某段车辙时程曲线的斜率,动稳定度DS一般为
同级配类型和不同公称最大粒径等因素的影响是
45~60min车辙时程曲线的反斜率(暂不考虑修正
否显著,共150组试验数据,对比结果见表7系数)。为便于对比,分别计算3种车辙试验结果
所示。CSRRRR1/DS
对应的,1,2和指标值,分析不同指
,结果
试验方法差异性。标准车辙试验对不同公称最大见图4所示。
2292
铁道科学与工程学报2022年8月
(a)1/DS;(b)CS;(c)RR;(d)RR
12
图4不同指标随混合料类型变化规律
41/DSCSRRRR4
根据图可知,,,1和2种指
标结果随沥青混合料类型变化规律接近,表明4种
指标均能对不同类型沥青混合料抗车辙性能进行
定性评价,但AC13-SBS沥青混合料的1/DS指标
结果与其他指标结果存在较大差异:采用1/DS指
标时,AC13-SBS沥青混合料的抗车辙性能最差,
(a)CS与DS;(b)CS与RR
1
而采用CS和RR指标时,AC13-SBS沥青混合料的图5CS,DS与RR结果相关性
1
抗车辙性能在10种沥青混合料中处于中等水平。,DSandRR
1
产生该差异的原因可能是AC13-SBS混合料细集料
根据图5和图6可知,标准车辙试验DS指标
较多,第1阶段的变形受混合料密实程度的影响较
,采用最大车
大,导致1/DS指标与RR和CS指标出现较大差异。
,比动
。表明标准车辙试验采用最大车辙
基于上述分析,为减小第1阶段变形对车辙试深度作为评价指标时,试验结果与HWTD和APA
验结果的影响,采用最大车辙深度指标进行分析,相关性显著提高,。
分别对比不同沥青混合料3种车辙试验CS与DS,HWTD和APA车辙试验最大车辙深度指标和
CS与RR指标相关性及最大车辙深度指标相关性,
1,1指标相关性系数均超过了,表明种
结果分别如图5和图6所示。试验方法及其评价指标均存在较好的相关性。
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第8期周栋,等:沥青混凝土室内车辙试验及评价指标对比研究
指标。
(a)标准车辙与HWTD;(b)APA与HWTD
图6最大车辙深度结果相关性
7n
假设某次轮辙试验时程曲线如图所示,1为
图8RR和CS散点图
该曲线第2车辙变形阶段的起点,n和n分别为曲
hn
线加载次数的中点和终点,i为i次加载对应的车
辙深度(i=1,2,3)。则RR和CS计算公式分别如4结论
式(1)和式(2)所示。
hh-h1)3种车辙试验方法及其指标均能定性评价不
RR=2*3600RR=32*3600(1)
1n2n-n
232同沥青和级配类型的沥青混合料高温性能,但标
h-h
CS=31(2)准车辙试验对不同公称粒径沥青混合料高温性能
n-n
32评价结果与HWTD和APA试验结果的差异性较大。
其中,RR和RR分别是0~n次和n~n次加载对
122232)标准车辙试验加载次数最少,分别为APA
应的RR值(对于APA试验,n=4000,n=8000),
%%,其动稳定度指标
可知RR和CS都是关于车辙深度和加载次数比值
;当采
的一次函数。
用最大车辙深度作为评价指标时相关性系数约为
,,建议增加最大车辙深
度指标作为标准车辙辅助评价指标。
3)HWTD和APA车辙试验最大车辙深度及蠕
变斜率、车辙变形速率等指标均具有较好的相关
性,且APA试验的车辙变形速率指标也适用于
HWTD试验,考虑到试验时长和数据处理简便性,
图7某次轮辙试验时程曲线
在2种车辙试验方法中更推荐APA试验及其车辙变
-history
形速率指标。
以AC205种沥青混合料的HWTD试验车辙时
程曲线为例(其他混合料规律类似),分别计算其参考文献:
RRRRCS8
1,2和值,得到结果如图所示。
[1]OLIDIDC,-empiricaldesignof
图8表明,RR指标同样适用于HWTD试验,
newandrehabilitatedpavementstructures[R].National
且其评价结果与CS指标具有较好相关性。考虑
CooperativeHighwayResearchProgramNCHRPProject
到:1)APA试验时长更短,仅为HWTD试验时长
1-
%;2)RR指标分别取第50次、.,2004.
20000次加载对应车辙曲线进行计算,数据后处理[2]马建,赵祥模,贺拴海,[J].交通
−
比HWTD试验更简便,因此推荐采用RR作为评价运输工程学报,2017,17(5):121137.
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