考虑温度梯度沥青路面面层全厚式车辙试验
第44卷第6期2011年6月
土木工程学报
CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNAL
Vol．44Jun．No．62011
考虑温度梯度沥青路面面层全厚式车辙试验
关宏信
1，2，3
张起森
1
罗增杰
1
（1．长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410004；2．长沙理工大学公路工程教育部重点实验室，湖南长沙410004；
3．长沙理工大学道路结构与材料交通行业重点实验室，湖南长沙410004）
摘要：沥青路面面层内部存在明显的温度梯度，而目前的车辙试验无法反映这一特点。研制车辙试件温度梯度控制系统，可以在车辙试件内部形成温度梯度；利用该系统模拟路面温度梯度，开展不同面层组合结构的全厚式车辙试验。试验结果表明，温度梯度下沥青面层的整体抗车辙性能优于均匀温度下的抗车辙性能；若减弱表面层抗车辙性能并同时增强中面层抗车辙性能，则不仅能够改善沥青面层整体抗车辙性能，而且其改善效果优于仅仅增强表面层的方法；若减弱表面层抗车辙性能并同时增强下面层抗车辙性能，却很难改善沥青面层整体抗车辙性能。试验分析表明，本文提出的温度梯度全厚式车辙试验可以用于沥青面层结构的抗车辙性能检验，能用于沥青面层的抗车辙结构优化。关键词：沥青路面；温度梯度；全厚式车辙试验；整体抗车辙性能中图分类号：U416．217
文献标识码：A
131X （2011）06-0143-05文章编号：1000-
Total-thickness laboratory rut tests for asphalt surface course under temperature gradient
2，3
Guan Hongxin 1，
Zhang Qisen 1Luo Zengjie 1
（1．School of Traffic and Transportation Engineering ，Changsha University of Science ＆Technology ，Changsha 410004，China ；2．The Key Laboratory of Highway Engineering of the Ministry of Education ，Changsha University of Science ＆Technology ，Changsha 410004，China ；3．The Key Laboratory of Road Structure ＆Material of the Ministry of Transport ，Changsha University of Science ＆Technology ，
Changsha 410004，China ）
Abstract ：There is temperature gradient in asphalt road surfaces．However ，the present laboratory rut tests for single asphalt surface layer and asphalt surface course were carried out under uniform temperature condition．A control system was developed to generate temperature gradient in the rut sample ，and a series of total-thickness laboratory rut tests was carried out using the temperature gradient control system．Test results show that the rutting resistance performance of the entire surface course under temperature gradient is superior to that under uniform temperature condition．The way by weakening top surface layer rutting resistance and simultaneously strengthening middle surface layer rutting resistance not only improved the entire surface course rutting resistance ，but also was better in rutting resistance performance than the way by only strengthening top surface layer rutting resistance performance．The way by weakening top surface layer rutting resistance and simultaneously strengthening bottom surface layer rutting resistance is difficult for improving the entire surface course rutting resistance performance．The analysis results indicate that total-thickness asphalt surface rut tests under temperature gradient is more appropriate to verify asphalt surface course rutting resistance and to optimize surface layer combinations．
Keywords ：asphalt pavements ；temperature gradient ；total-thickness laboratory rut tests ；the whole surface course ’s rutting resistance performance E-mail ：guanhxin@sina．com
引
基金项目：国家西部交通建设科技项目（[1**********]70；[1**********]3）作者简介：关宏信，博士，副教授10-10收稿日期：2009-
言
我国目前的规范规定采用车辙试验机来检验沥
青混合料的抗车辙性能，试验时要求使沥青混合料试
件处于均匀温度场，即要求试件内部各处温度均为
［1］
60℃。但是实际上沥青路面内部时时刻刻存在深度方向的温度梯度，即从路表往下各深度处的温度是
［2］
连续变化的，并不是均匀温度场，这点与车辙试验的温度条件有很大差别。而且，目前的车辙试验只针对单层沥青混合料，试件厚度仅5cm 左右，车辙试验结果不能反映面层整体抗车辙性能。
国内外已有不少学者开展过全厚式或双层式车
［3］
辙试验，如Haider （2006），Haddock John E．（2005）［4］，Lin Chih-Hsien （2005）［5］都研究过多层沥也通过开展面
层全厚式车辙试验重新分析了车辙影响因素，杨军等（2007）［7］也曾利用汉堡车辙仪从车辙变形的角度分析了上中面层分别对面层整体抗车辙性能的贡献率。但国内外的这些室内车辙试验都是在试件处于均匀温度场条件下完成的，都没有考虑温度梯度的影响。本文将自主开发室内车辙试验用的试件温度梯
使车辙试验时试件内部能够形成温度梯度控制系统，
度；然后利用该设备，开展沥青面层不同组合结构下
的全厚式车辙试验，分析结构组合对面层整体抗车辙性能的影响，为进一步完善车辙试验方法奠定基础。青混合料的车辙问题；吴瑞麟（2008）
［6］
2车辙试件温度梯度形成方法
按照上述原理，课题组制造出了车辙试件温度梯
度控制系统。下面以4cm +5cm +6cm 的全厚式车辙试件为例介绍温度梯度形成方法和过程。2．1试件四周隔热处理
紧贴试模在往最下层试模倒入沥青混合料之前，
的四面内壁放置隔热纸，并在分层碾压成型试件时注意保护隔热纸，不折断或损坏隔热纸。2．2试件顶面和底面温度控制
由于试验装置只能保证试件顶面和底面的温度，试件内部温度到底需要多长时间才能稳定，以及稳定的温度梯度与路面实际温度场有多大区别，都需要实际测试试件内部各处的温度。为此，课题组在试件成型过程中分3层布设了温度传感器，分别是试件底部、中下层界面处和上中层界面处，每层布设了3个温度连接传感器的导线统一从传感器；为保证隔热效果，试件顶面引出，连接到温度巡检仪。室内常规车辙试验中，要求5cm 高的试件在60℃的恒温箱内保温至少5h 。课题组经过多次尝试确定了温度控制方法，即车辙试验机环境箱温度控制和试
并至少保持稳定件底部温度水循环控制同步开始，
10h ，直至温度巡检仪显示出各点温度稳定为止。为检验本系统控制温度的效果，按照上述方法，
将试件顶面温度和底面温度分别设为60℃和45℃，4cm +5cm +6cm 的全厚式车辙试件历经10h 后基本能形成稳定的温度梯度，表1所示为8h 以后实际测试的试件内部各层界面处的温度变化。
表1
Table 1
车辙试件内部温度
（℃）
Temperature changing in rut sample
离顶面距离（cm ）
8h 8h20min 8h40min 9h 9．5h 10h 11h 12h
[**************]0
450．350．751．051．351．651．851．951．9
946．747．147．547．747．948．148．148．3
1544．944．845．044．945．044．945．145．0
1车辙试件温度梯度控制系统开发
车辙试件温度梯度控制系统开发的思路是：分别
控制车辙试件底面温度和顶面温度，并使温度保持稳定，同时保证试件四周不与外界产生热交换，那么经过长时间的内部热传导，就能够在车辙试件内部形成温度梯度；通过改变试件底面温度和顶面温度，就能够得到不同的试验温度场。
具体做法是：采用恒温水循环对试模底部进行恒温控制，试件顶面不加任何处理，通过控制车辙试验机环境箱的温度来使试件顶面恒温，试件四周与试模之
阻止试件与环境箱之间的热传导和间则加垫隔热材料，
热交换。温度梯度控制系统工作原理如图1所示
。
图1
Fig．1
温度梯度控制系统示意图
［8］
根据美国FHWA 的沥青路面温度场经验公式，
9cm 和15cm 各处当路表温度为60℃时，离路表4cm 、
Temperature gradient control system schematic
48℃和44℃。通过与表1最后一的温度分别为53℃、
行的温度值进行比较可以发现，两者比较接近。考虑到实际路面温度场影响因素众多，其温度梯度变化范围也很广，因此该试验温度梯度是可以接受的，也说明上述温度梯度控制方法是可行的。
4．1
温度梯度与均匀温度条件下全厚式车辙对比试验
课题组首先对4cm 改性沥青SMA13+5cm A 级
4试件温度梯度下全厚式车辙试验结果及分析
3全厚式车辙试件成型控制
由于各层沥青混合料材料不同和压实功的限制，
70#沥青AC20+6cmA 级70#沥青AC25这种组合结构进行了均匀温度场60℃和温度梯度下的全厚式车辙试验，后者试件顶面和底面温度分别设置为60℃和47．4℃，具体的温度梯度同表1最后一行。两种情况下的车辙试验曲线如图2所示，按照规范动稳定度的计算方法得到前者DS =2143次/mm，后者DS =2699次/mm
。
全厚式车辙试件的成型需要从下往上分层成型。但由于层厚不同、下卧层的支撑也与单层试件碾压时不同，以及成型上层时对下层还有一种补充压实。因此有必要研究全厚式试件的碾压成型方式，重点是碾压次数。
由轮碾法成型常规车辙试件时，规范要求试件的密度达到马歇尔标准击实试样密度的100±1%。在成型全厚式路面车辙试件时，也以每层沥青混合料的密度达到其马歇尔标准击实试样密度的100±1%为压实控制标准。课题组对每种结构组合先以常规成待测试其密度后再确定是否需要型方式试制出试件，
修改碾压方式，然后才以修正后的碾压方式成型正式的试件。
试制时以常规单层车辙试件的碾压次数分层碾压成型全厚式车辙试件4cmSMA －13+5cmAC －20+6cmAC －25，每层试件均在冷却至室温后脱模，用切割机在车辙试件板上切取试样，用表干法测试样的毛体积相对密度。取样时先切掉车辙板的边缘部分，取车辙板中心部位的混合料作为密度待测试样，以减少车辙板边缘混合料压实不均匀带来的误差。每块板切取4块试样，以其密度的平均值作为车辙板的密度，然后计算得到压实度，结果见表2。
表2Table 2
混合料SMA-13AC-20AC-25
图2Fig．2
车辙变形曲线
Rut deformation curve
由图2可见，温度梯度下的车辙变形比均匀温度场发展得慢，动稳定度变大。其原因在于：一方面，考虑温度梯度后，上中下各层内部的温度都低于均匀温度60℃的车辙试件，降温后沥青混合料的抗车辙性能得到了增强；另一方面，温度降低以后全厚式车辙试件沥青混合料扩散荷载的能力增强，中下层沥青混合料所受压应力比均匀温度场时的要小，这也会导致其车辙变形发展变缓，动稳定度变大。4．2
不同组合结构的温度梯度全厚式车辙对比试验一直以来道路界都非常重视表面层的综合性能，包括抗车辙性能，在发生路面车辙病害后习惯改用性能更优异的沥青混合料来改善沥青路面结构的抗车辙性能。其实我们应该看到，在表面层综合性能已经比较高的情况下，要继续提高其抗车辙性能代价会比
［7］
较大；而已有的研究都已经表明中面层的抗车辙作用相当重要。那么单从车辙的角度来讲，笔者认为目
应该设法改善中面层的抗前对表面层是过度重视了，
车辙性能，在其他条件许可的情况下，甚至可以降低
表面层的性能，将节约的一部分资金投入到中面层上，以实现结构优化。
为此，本文模拟路面面层实际温度梯度，利用自以对比沥青面层不同组制设备开展全厚式车辙试验，
合结构的抗车辙性能。由于这种考虑了温度梯度的全厚式车辙试验能够模拟沥青面层的实际状况，试验
全厚式路面车辙试件各层压实度测试结果
Degree of compaction in total-thickness rut sample
毛体积密度（g /cm）
2．5122．5112．501
3
马歇尔密度（g /cm）
2．5192．472．487
3
压实度（%）
99．7101．7100．6
注：表中马歇尔密度是指在室内以标准击方法得到的密度。
由表2可见，在分层成型全厚式试件时，采用与常规单层车辙试件相同的碾压次数也可以达到规定的压实要求。因此，后面的车辙试验都采用标准碾压方式分别成型各层沥青混合料，而且为模拟路面面层实际施工工艺，每层碾压完毕后立即成型其上层，不需要等待其温度降低到室温。
结果能够较真实地反映结构组合对面层整体抗车辙性能的影响，对比试验也更有实际意义。
试验时拟定了4种沥青面层组合结构，见表3。
表3
Table 3
编号全厚式1#全厚式2#全厚式3#全厚式4#
温度梯度全厚式车辙试验结果表定度增长了约5倍，
明弱化表面层增强中面层这种方法是可以改善面层
而且能够取得比单纯增强表结构整体抗车辙性能的，
面层（全厚式1#试件）更好的改善效果，这是因为中面对结构车辙贡献率最大；层是结构抗车辙的主体，
（3）全厚式3#试件与全厚式4#试件相比，前者表
面层材料动稳定度降低了21．8%，而下面层材料动稳但温度梯度全厚式车辙试验结果定度增长了4倍多，
却表明面层整体抗车辙性能下降了，这是因为下面层而且所受轮压也远小于0．7MPa ，其抗车温度比较低，
辙性能的改善已经对面层整体抗车辙性能的影响比较小了，这也表明牺牲表面层性能以提高下面层性能是不可取的。
当然，路面面层沥青混合料不仅只强调抗车辙性能，还应该包含抗裂、抗水损坏性能等，特别是表面层，更加强调其综合性能。而本文开展的这种对比试对沥青面层结构设计验仅仅只考虑了其抗车辙性能，而言，还需要在此基础上考察各层沥青混合料其他方面的性能，再做平衡设计或平衡优化。
全厚式试件结构组合
Structural combinations of total-thickness rut samples
上面层4cm 改性沥青
SMA134cm 改性沥青
AC134cm 改性沥青
AC134cm 改性沥青
FAC13
中面层5cmA 级70#沥青
AC205cmA 级70#沥青AC20（添加0．4%
抗车辙剂）5cmA 级70#沥青
AC205cmA 级70#沥青
AC20
下面层6cmA 级70#沥青
AC256cmA 级70#沥青
AC25
6cmA 级70#沥青AC25（添加0．4%抗车辙剂）6cmA 级70#沥青
AC25
车辙试验时统一设置全厚式车辙试件顶面温度
为60℃，底面温度为47．4℃，车辙试验的1h 内试件内部温度梯度稳定在如表1最后一行的状态。为便于比
还分别按照规范的标准试验条件测试了各层沥青较，
混合料的动稳定度，其中下面层采用的是6cm 高的车辙试模。车辙试验结果见表4。
表4Table 4
车辙试验结果Rut test result
DS （次/mm）
[***********][***********]723232699
5结论
（1）开发了车辙试件温度梯度控制系统，可以使
组合结构编号或材料改性沥青AC13改性沥青FAC13［9］改性沥青SMA13A 级70#沥青AC20
A 级70#沥青AC20（添加0．4%抗车辙剂）
A 级70#沥青AC25
A 级70#沥青AC25（添加0．4%抗车辙剂）
全厚式1#全厚式2#全厚式3#全厚式4#
单层或多层车辙试件内部形成自上而下的温度梯度；由于能够反映沥青路面实际的温度状况，该系统适合用于检验和评价沥青面层整体的抗车辙性能；
（2）由于温度梯度全厚式车辙试件各层的温度均而且温度降低后中下层所低于均匀温度场的温度值，
受压应力均变小，导致考虑温度梯度后的车辙试验结果好于均匀温度场；
（3）降低表面层抗车辙性能同时提高中面层抗车辙性能，这种方法能够改善沥青面层整体抗车辙性
甚至比单纯改善表面层的效果还要好，说明如果能，
只考虑抗车辙性能，完全有可能通过这种方式来降低
实现对沥青面层结构的优化；工程造价，
（4）降低表面层抗车辙性能同时提高下面层抗车这种方法很难达到改善面层整体抗车辙性能辙性能，的目的。
沥青路面温度场时空分布非常复杂，如何确定代表性的温度梯度作为温度梯度全厚式车辙试验的条以及如何确定该类车辙控制标准，还需要开展细件，
致深入的研究。
参考文献
［1］JTJ 052—2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程
由表4可见：
（1）全厚式1#试件与全厚式4#试件相比，区别只是表面层材料抗车辙性能增强了，温度梯度全厚式车辙试验结果也表明改善表面层材料抗车辙性能是能够增强面层结构整体抗车辙性能的；
（2）全厚式2#试件与全厚式4#试件相比，前者表
而中面层材料动稳面层材料动稳定度降低了21．8%，
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），关宏信（1974-男，博士，副教授。主要从事路面工程教学与研究。），张起森（1939-男，教授。主要从事道路工程科研。），罗增杰（1986-男，硕士研究生。主要从事路面工程研究。