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车辙沥青混合物:车轮测试运动分析

摘要 在路面结构受到机械装载过程中车辙是主要的失效模式之一。车辙试验机用于评估三个实验组的沥青混合物的车辙状况。这些实验组的沥青材料的机械性能测试都基于RILEM（国际材料与结构研究实验联合会）ATB（密级配沥青稳定碎石混合料）技术委员会206条款。现在用于公路建设的三个不同的沥青层系统（A,B和C）通过对比来评估大小车辙试验机量化路面材料车辙的状态。测试标本是大量实验室从现场提取的路面结构。参与测试的项目七个实验室位于七个不同的国家。实验表明小车辙试验机形成车辙的速率要高于大车辙试验机。A和C有相同的实验结果而且优于欧洲标准。结果表明系统B表现不佳,不符合规范的标准。然而, 系统A和B在路面车辙的视觉评价上都显示出很好的性能且没有明显的差异。

关键词 轮跟踪测试仪：沥青混合料：行车表现

1．介绍

人行道的影响主要是通过两个主要类型的加载:(1)由于交通,特别是重型车辆产生的机械负荷 （2）气候效应主要是由于热学变化。这两个主要类型的退化比其他因素（水分或老化）更占主导地位。 受到机械负荷产生的车辙是路面结构的主要失效模式之一。它导致路面的上表面的恶化，并最终影响路面的质量。从机械的角度来看，每次车辆通过道路表面都会对道路的沥青材料在道路造成短期载荷。经过足够多的重复之后,加载可能对材料会产生永久变形（车辙）。由此产生的永久变形在路面施工是至关重要的,而且必须被正确地理解,以确保最高的质量层的路面。由此产生的永久变形在道路建设是至关重要的,而且必须被正确认识,来确保建设出最高的质量层的路面。

技术委员会 206项目的三个密级配沥青稳定碎石混合料工作组组（沥青材料的性能和评价）已经决定对车辙沥青混合物的行为进行研究。A和B的实验已经完成。A在2005-2007年间由实验室评估纯沥青材料的车辙状态。B(2007 - 2009)重点在评估实验室聚合物和改性沥青混合物的车辙状况。实验B中只有法国轮跟踪测试仪(FWTT)是由不同的团队使用的。尤其研究活动轮的“粘”和“分开”现象。这种现象似乎出现在这种类型的测试的一个工件上。此外,试验活动的一部分问题推动车辙的建模。

本文致力于研究A的运动的描述和分析,这是一个由当前WG3领导的部分工作。提供了一个沥青混合物的简短背景以及由WG3 RILEM技术委员会组织的多个实验室的测试结果。车辙的状态用车辙测试仪来研究。在试验A中大小车辙测试仪被用来评估如今被用在道路建设中的三种不同沥青层系统的车辙特征。其目的是比较不同的车辙测试仪的测试方法和评估各自的量化沥青混合料的车辙性能的能力。本文只表征和车辙性状相关的性能。

2.背景

沥青材料的运行状况和时间、温度有非常高的相关度。不同领域的行为可以被识别后应变水平和周期的数量。如图一所示，沥青材料性状的四种基本类型可以被定义，在如下情况下，绘制轴应变振幅对数(底数为10)为轴线的基础应用的循环次数图:(1)刚度变化和温度和时间载荷的关系;(2)疲劳和破坏法则的改善;(3)永久变形的累积 (4)裂纹萌生和传播,特别是在低温的条件下。

2.1永久变形和沥青混合料的车辙

测试的沥青混合物显示了不可逆的永久形变称为粘塑性的形变。从微观结构的角度来看，粘滞塑性变形和通过沥青相结合在一起的矿物聚合的运动有关（平移和旋转）。沥青相的流变行为对骨料的流动性有很大的影响。众所周知,沥青是温度敏感的。低温时，粘塑性变形不是那么重要,甚至由于粘合剂的硬化而阻塞。不过,当温度增加,沥青的润滑效果增加,促进了粘塑性变形。

车辙和道路各层的永久性形变是有关系的。通常认为有三种类型，分别为：磨损车辙，与车轮路径上的磨损有关；粘塑变形，沥青混合物在车轮路径中的致密化（压实）和/或剪切，以及与路基和颗粒层的一般沉降相关的结构车辙。识别粘塑性变形通过来自单个轮胎的紧密间隔的平行路线，并且直接连接到混合设计沥青混合物。一些作者的结果表明，粘塑变形可导致在加载条件之后的致密化或扩张。

即使假设路面是均匀的、各向同性的、弹性的多层系统在轮的简单作用下，结构中计算的应力 - 应变分布也非常复杂。图2显示了考虑了先前假设然后利用Alize软件计算出的材料中的应力 - 应变路径。应力应变路径随着深度和车轮在顶面上的位置而变化。图2b示出了根据轮的位置不同，在三个不同深度处的主应力方向的旋转。图2c显示了相同三个深度的偏应力 - 平均应力曲线（p-q）。可以在该图中观察到，应力应变路径非常复杂，包括轴的旋转和循环效应。计算路面结构的永久变形需要表征混合物在这种复杂载荷下的行为。

2.1.1沥青混合料的永久变形机理

在沥青混合物的简单循环压缩或张力加载下，加载和卸载应力 - 应变曲线（r-e）是不同的。图3显示了简单正弦轴向压缩循环载荷下永久变形的演变。对于周期“n”，可以确定两个主应变值：（1）可逆部分(εrn)和（2）不可逆部分（εpn）。不可逆的部分非常小会被可逆部分的大小所隐藏。可以观察到，对于可逆部分（εrn），不可逆部分pn可以忽略不计。如果εpn对应于周期n的永久变形，而εperm（n）表示累积永久变形，则可以写为：εperm（n）=

因此，对于永久循环加载，总变形是

εperm（n）=

显然，如果我们停止加载循环，恢复前的总形变于εperm（n）。

2.1.2实验室车辙评估

已经有许多不同的方法可以用来评估沥青混合物的永久变形。一些方法注重沥青的特性，以便将他们的蠕变行为和材料的永久变形联系。其他的是基于沥青混合物的机械性能测量。

沥青混合料的机械性能可以在实验室通过不同种类的试验确定。一般实验室用于确定沥青材料的机械性能的测试方法有三种主要类型的实验：（1）经验检验 （2）模拟试验 （3）可以是均匀的或不均匀的流变学测试。经验测试表明， 在实验条件下材料的应用应力路径与真实应力路径非常不同（例如马歇尔试验）。对于也是半经验测试的模拟测试，尝试在道路上重现条件以表征危险属性（例如轮跟踪测试仪）。最后，对于在均匀条件下进行的流变试验，应力和应变场标本是已知的，因此基本定律是可获得的（无论是否具有粘弹性）。非均匀测试要求首先假设本构定律，并考虑到样本的几何形状，再计算得到基本定律的参数。

2.1.2.1车辙测试

已经有一些不同的装置用来再现轮胎在沥青层表面上的影响。 在这些设备中，最常用的是WTT。这些WTT设备类型之间的样品尺寸，测试条件（负载，频率，温度等）和轮子类型可能会非常不同。经过沥青样品上表面的负载轮的向后和向前运动给出了被测材料的车辙性能的评估。为了获得代表性和可重复的结果，车辙试验在受控温室内进行。沥青混合物样品可以在实验室中制备或从道路位置切割。在测试期间，车辙根据车轮循环次数表示。通常将WTT测试结果作为过去/失败测试进行分析。到目前为止，WTT测试结果通常不直接用于量化或预测随着时间（或交通）路面材料的永久变形的演变。

2.1.2.2 试验中的温度控制

在循环试验中，沥青材料样品中的温度由于能量耗散而升高。在WTT试验中，必须适当控制沥青材料的温度，在方向1的正弦简单压缩循环加载期间永久变形的演变（示意图）972材料和结构（2011）44：969-986通过测量测试板内的温度演变而在一定范围内保持。 图4显示了使用FWTT装置测试的板坯中心在中间高度处测得的温度演变的实例（参见表2）。 每次测量车辙水平（在给定的循环次数之后），样品中的温度由于机柜开门而降低，并且在循环加载重新启动后再次增加。然后在WTT试验中，沥青材料的温度必须通过测量试验板内的温度演变来适当控制并保持在一定范围。 图4显示了使用FWTT装置测试的板坯中心在中间高度处测得的温度演变的实例（参见表2）。 每次测量车辙水平（在给定的循环次数之后），样品中的温度会因此而降低机柜开门，循环加载重新启动后再次增加。

温度升高是由散热的粘性能量产生的，而且会加热样品。 在正弦加载循环期间的耗散能量由以下关系给出：WN=pi;

其中是正弦应变振幅，是正弦应力振幅。

从等式 3和复数模量（E *）的值可以计算每个WTT循环消耗的能量的量。 这是比较沥青混合物温度上升的潜力的一种方法。 图5中给出了图4中使用的沥青材料的复数模量测量。

作为第一近似，可以认为在具有相同尺寸的不同样品内的应力振幅与混合物类型相当。 然后，每个WTT循环的耗散能量与所考虑的混合物的sin（phi;）= | E * |成比例。 因此， sin（phi;）= | E * |的值是给出与样本内的温度升高直接相关的第一迹象。

3 测试程序

计划使用未改性粘合剂制成混合物的活动A的RILEM ATB测试程序，以达到一下目的：（1）调查WTT对不同沥青路面系统现场车辙性能的适用性; （2）建立FWTT的重现性; （3）评估不同类型测试装置的响应，（4）确定测试温度的影响。

位于七个不同国家的七个实验室都参与了这个测试计划，并将从I到VII的罗马数字来确定。 参加此次测试活动的实验室包括：西班牙的Centro del Estudios（西班牙），EMPA（瑞士），IBDIM（波兰），LCPC（法国），LUCREB（加拿大科学技术大学），NTEC（诺丁汉大学， 英格兰）和巴勒莫大学（意大利）。

选择三个沥青层系统（A，B和C）进行试验， 沥青层系统由具有不同厚度的两种或三种不同的沥青混合物组成。 沥青系统A和B从瑞士Aargau Canton的两个公路地点获得，A系列来自Birrfeld高速公路A1，B系统来自Birrfeld高速公路A3。从南特（法国）的LCPC圆形测试轨道提取沥青系统C 。 在瑞士使用沥青系统A和B的道路位置的位置如图6所示。

3.1样品制备

测试样品从现场结构提取的大型锯切板切割得到。 EMPA负责结构A和B的操作，LCPC处理结构C.从实验室中切割得到的大型板坯在现场进行修剪来满足实验室测试的样品板尺寸要求（图7）。 板材尺寸要求如表2所示。平板样品切割以保持沥青层系统顶表面完好无损的方式进行。 每一系列测试中的一组两个板块运送到实验室测试程序的每个参与者。 图8中显示了全深度大板切割不同的沥青层系统。

3.2 沥青混合料的混合设计

每个沥青层的混合设计如表1所示，而具体的聚集体分级曲线绘制在图1中。 图9d显示了三种沥青系统的顶层的总体分级比较。

3.3 轮跟踪测试仪设备说明

对三种不同类型的WTT设备进行实验室调查。 图10显示了三个测试设备的图片，表2给出了使用的设备的主要特性。 如表2所示，三种测试装置考虑不同的样品尺寸，轮胎类型和加载频率。 两个板块同时（左右）与FWTT同时测试，而另外两台设备当时只测试一块板坯。

在本文中，N对应于车轮循环次数（FWTT：车轮周期为1Hz），车轮周期对应于测试板的中心的两次通过（FWTT：加载周期为2Hz）。

对于FWTT，对于不同的N（30; 100; 300; 1,000; 3,000，10,000和30,000周期），在被测板的上表面上的15个不同位置手动测量车辙。 因此，对于每个测量步骤，停止车轮运动并打开机柜。 在板坯中测量的温度达到要求的温度之后，重新启动车轮运动。 控制温度用放置在左边板右角的温度探头来测量。

对于WTT-I装置，用LVDT连续测量车辙。 测试时间约为六个半小时，相当于10,000次循环。对于WTT-II装置，在不同的N（0; 42; 126; 210; 420; 630; 840; 1,050; 1,260; 1,470; 1,680; 1,890; 2,520）的顶表面上的三个不同位置测量车辙 ; 3,150; 3,780; 4,410和5,040个循环）。 当前测试时间为120分钟，相当于5,040个周期。20分钟，相当于5,040个周期。对于所有WTT设备，车辙测试在温度控制柜内进行，可能的温度设置范围为50至65℃。 在该实验程序中，研究了两个测试温度：50和60℃。 表3显示了每个实验室考虑的温度（I-VII）。

3.4制备测试样品

切割好的的沥青板坯样品使用“巴黎”石膏固定在设备的钢模中。 将“巴黎”的石膏嵌入模具中，以便在试样和模具的底部/侧壁之间达到令人满意的接触，如图11所示。

3.5 车辙的确定

将三个沥青层系统的车辙性能从实验室测量与现场测量或观察进行比较。 在实验室中，通过测量样品上表面的沉降，在车轮路径中选择的循环间隔后测量车辙。 这些测量以毫米表示，车辙以百分比表示，根据沥青测试板的总厚度。 车辙表达如下：

Rut%=100%

车辙%=100%

对于现场测量，还通过测量道路偏差，在车轮路径中选择的车轮周期（50,000; 100,000，100,000个循环之后）测量车辙。 这些测量以毫米表示，车辙以百分比表示，根据路面结构的沥青层的总厚度。 车辙表达如下：

Rut%=100%

车辙%=100%

4轮跟踪测试结果

首先，介绍和分析了FWTT结果，然后介绍了另外两台WTT设备（WTT-I和-II）的结果。 最后，比较了三台设备（FWTT，WTT-I和WTT-II）提供的排名和车辙。

4.1 FWTT结果

五个国家使用了FWTT设备。 附录中列出了各参与者的FWTT结果。

4.1.1试验中板坯的温度演变

对于在60℃下测试的三个沥青层系统（A，B和C），温度

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