瀝青混合料是一種粘彈性材料,其物理力學(xué)性能與溫度和荷載作用時(shí)間密切相關(guān)。瀝青 路面在使用期間,經(jīng)受從低溫到高溫不同環(huán)境條件的考驗(yàn)。從常識(shí)可知,冬季及春秋季溫度不 太高時(shí)路面是不會(huì)產(chǎn)生大的變形的。通常所說的“高溫穩(wěn)定性能”的“高溫”條件是指在使用過 程中受交通荷載的反復(fù)作用,容易產(chǎn)生車轍、推移、擁包等永久性變形(也包括泛油)的溫度范 圍。道路使用的實(shí)踐表明,在通常的汽車荷載條件下,永久性變形主要是在夏季氣溫高于 25℃~30℃左右,即瀝青路面的路表溫度達(dá)到40℃~50℃以上,已經(jīng)達(dá)到或超過道路瀝青的軟 化點(diǎn)溫度的情況下容易產(chǎn)生,且隨著溫度的升高和荷載的加重,變形愈大。相反,低于這個(gè)溫 度,就不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的變形。也就是說,所謂的“高溫”條件通常是指高于25℃~30℃的氣溫條件。許多路面發(fā)生高溫失穩(wěn)性破壞都是在這個(gè)氣溫條件下。在我國,大部分地區(qū)一年之中 會(huì)有數(shù)十天乃至一百余天超過這個(gè)溫度,有些地方盡管一年之中也許僅僅只有幾天達(dá)到這樣 的氣溫條件,也難逃高溫變形破壞的厄運(yùn)。 

根據(jù)瀝青材料的溫度時(shí)間換算法則,長時(shí)間承受荷載與高溫條件是等效的,而且時(shí)間是累 積的。車輛在高速公路上以100km/h的速度行駛,對(duì)路面瀝青層的作用時(shí)間不超過0.02s,而 在城市道路的交叉口、停車站, 車輛停車時(shí)間1min, 相當(dāng)于正常行車3000輛的情況。所以一般 所說的高溫穩(wěn)定性能也包括長時(shí)間荷載作用的情況。

 瀝青路面在高溫條件下或長時(shí)間承受荷載作用,瀝青混合料會(huì)產(chǎn)生顯著的變形,其中不能 恢復(fù)的部分成為永久變形。降低路面的使用性能,危及行車安全,從而縮短瀝青路面的使用壽 命。高速公路的車轍是瀝青路面的最有危害的破壞形式之一。

 由于瀝青混合料所固有的粘彈特性、影響瀝青路面高溫特性的因素的多樣性、車轍形成的 復(fù)雜性,使得永久性變形成了一個(gè)世界性的難題,防治瀝青路面的車轍也成了世界各國公路技 術(shù)人員的重要研究課題。 

早在1962年美國A AS HO試驗(yàn)路研究期間, 對(duì)車轍路段進(jìn)行了開挖, Hofstra提出的報(bào)告認(rèn) 為產(chǎn)生車轍的主要原因是剪切應(yīng)力, 由此結(jié)果推薦使用高強(qiáng)度的路面材料。1987年Eisenmann 的報(bào)告指出,車轍的形成過程如圖3-4-1所示。瀝青層的組成為5cm+18cm,出現(xiàn)的車轍表現(xiàn) 出輪胎下方的下沉以及同時(shí)出現(xiàn)的兩側(cè)的隆起,分別測量其體積變化表明:在開始階段,輪胎 下的下沉量(體積)要大于兩側(cè)隆起的體積,說明車轍的初期階段主要是壓密造成的。而在此 以后,車輪下的下沉逐漸與兩側(cè)隆起的體積平衡,說明壓密已經(jīng)完成,車轍是由流動(dòng)產(chǎn)生的。 Host a還指出瀝青路面的變形在路表面最大, 越向下越小, 這一方面是下部抵抗塑性流動(dòng)變形 的能力強(qiáng), 同時(shí)也是因?yàn)橄虏康募羟袘?yīng)力小的緣故。根據(jù)A AS HO試驗(yàn)路的測定, 車轍量隨瀝 青層厚度的增加而增加,到25cm就達(dá)到了極限,瀝青面層再加厚車轍深度也不再增加。

在1962年的第一屆CSD AP(國際瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)議) 上, 殼牌石油公司提出了第一個(gè) 同時(shí)考慮疲勞和車轍的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,這個(gè)方法是通過限制路基頂面的垂直壓應(yīng)變 來控制車轍的。

 在1972年的第三屆CSD AP上, 各國的研究人員提出了一些預(yù)測柔性路面車轍的方法, 這 些方法利用路面材料的基本性能,以不同的方式計(jì)算荷載和環(huán)境條件對(duì)車轍量的影響。 

在1976年由TRB發(fā)起的關(guān)于瀝青路面車轍的討論會(huì)上, 特別強(qiáng)調(diào)車轍深度預(yù)測和用于定義瀝青混合料特性的試驗(yàn)方法。

 在1977年的第四屆CSD AP上, 許多研究人員發(fā)表了相當(dāng)數(shù)量與限制車轍深度和車轍預(yù) 測方法有關(guān)的報(bào)告,主要包括: 

①根據(jù)觀察的車轍性能的統(tǒng)計(jì)方法 

②限制路基應(yīng)變的方法

 ③蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合彈性理論分析的方法 

④線粘彈性理論分析的方法 

此后, 瀝青路面的車轍問題得到相當(dāng)程度的控制, 在1982年召開的第五屆CSD AP上, 有 關(guān)車轍預(yù)測的新文章很少,只有一些驗(yàn)證性論文,路面工程師們的興趣已轉(zhuǎn)移。但第五屆會(huì)議 以后,車轍問題又重新提出來,涉及到輪荷載和輪胎壓力對(duì)路面中應(yīng)力與應(yīng)變的影響,研究方 向?yàn)椴牧咸匦耘c制定預(yù)測模型,有關(guān)的論文、報(bào)告十分豐富,從經(jīng)驗(yàn)的到考慮粘彈塑性的各種 方法都有。

 在1987年的第六次CSD AP上, 幾位研究人員的報(bào)告引起了大家的特別興趣。他們的研 究涉及到把動(dòng)力蠕變?cè)囼?yàn)與層應(yīng)變分析結(jié)合起來預(yù)測足尺試驗(yàn)路面的車轍;輪荷載和輪胎壓 力對(duì)瀝青路面車轍量的影響;在足尺路面中采用各種輪荷載、充氣壓力和輪荷布置進(jìn)行試驗(yàn)等。 

第十九屆世界道路會(huì)議對(duì)英、法、德、意等16個(gè)國家的調(diào)查表明,除法國外,其他國家都采 用馬歇爾方法確定最佳瀝青用量。但多數(shù)國家認(rèn)為用馬歇爾方法來預(yù)估混合料性狀是不夠 的, 因此都采用一些補(bǔ)充試驗(yàn)。有8個(gè)國家主要關(guān)心抗塑性變形能力, 采用TR RL或LCPC車 轍試驗(yàn)來評(píng)價(jià)混合料的抗車轍性能。

 美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP 111-1] ) 的瀝青研究項(xiàng)目在執(zhí)行期間, 總經(jīng)費(fèi)5000萬美元中 有949萬美元用于永久變形的研究上。該研究以加利福尼亞大學(xué)的貝克萊分校Moni smith教 授為中心, 最后提出了A-318及A-415兩篇研究報(bào)告, 成為SUPERPAVE的主要組成部分。 研究人員在對(duì)現(xiàn)有的瀝青混合料高溫特性試驗(yàn)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,提出了新的試驗(yàn)、評(píng)價(jià) 方法,并試圖根據(jù)新的破壞模型和車轍預(yù)估模型,編制新的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行車轍深度預(yù)估、迄 今為止,已取得了部分成果。因?yàn)槟Ｐ头矫娴脑?目前這項(xiàng)工作仍在進(jìn)行中。

 長期以來,由于種種原因,我國公路的瀝青路面數(shù)量少、等級(jí)低,技術(shù)狀況差,材料性能不 好,因此公路的主要問題表現(xiàn)在強(qiáng)度方面,瀝青路面的永久變形并未成為主要的路面病害而得 到足夠的重視。另外在路面結(jié)構(gòu)形式上多半都是渣油表處、瀝青貫人式、上拌下貫式、瀝青碎 石等以集料嵌擠作用為主的結(jié)構(gòu),瀝青結(jié)合料在瀝青層中起的作用相對(duì)較小。同時(shí)由于道路 等級(jí)較低,交通量較少,且基本上是屬于輕車、混合交通的情況,車輪沒有形成渠道化,所以車 轍變形的問題不太嚴(yán)重。

 改革開放以后,尤其是進(jìn)人80年代后,隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速增長,高等級(jí)公路得到了 很大發(fā)展。1988年沈大高速公路、滬嘉高速公路等我國大陸首條高速公路通車,以高速公路 為代表的高等級(jí)公路的路面中絕大部分采用了瀝青路面結(jié)構(gòu)。隨著公路交通量的增加、汽車 軸載的加大以及渠化交通的形成,超載、重載車的問題也越來越突出,我國公路瀝青路面的永 久變形問題已經(jīng)成為一個(gè)引人注目的普遍性問題。 

我國的公路科技人員對(duì)瀝青混合料的高溫特性進(jìn)行過大量試驗(yàn)研究,取得了許多有價(jià)值 的研究成果,提出了適合我國國情的瀝青混合料高溫性能技術(shù)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)、使我國瀝青路面的 高溫穩(wěn)定性問題得到了有效的控制,極大地減少了高溫車轍的破損現(xiàn)象。

在瀝青路面的各種破壞現(xiàn)象中,車轍問題尤其重要,它除了影響行車舒適性外,還對(duì)交通 安全有直接影響,例如車輛在變換車道時(shí)操作困難,車轍內(nèi)積水及產(chǎn)生高速行車水漂(水上飛 行)或結(jié)冰,在氣候條件惡劣時(shí)制動(dòng)距離不足等等。