摘 要

試驗采用上面層為SMA-13、下面層為AC-20的雙層車轍試件。結合室內試驗模擬混合料剪切形變過程，測試不同車轍深度轍槽處與隆起處的抗剪強度，通過數字圖像處理技術對瀝青混合料組合試件切面圖像進行處理，分別從宏觀和細觀兩個層面對車轍形貌進行研究，建立了瀝青混合料抗剪性能與細觀損傷程度關系模型。通過對不同工況下的車轍試件分析表明：高溫和重載降低了混合料抗剪能力，宏觀上隆起處與車轍處抗剪強度的比值呈現不均勻性增大，從微觀角度發現車轍剪切形變后，轍槽處的空隙率下降，隆起處增長；下面層瀝青面積比減小，上面層瀝青面積比增大；在圖像級配方面，變化主要發生在4.75~9.5mm粒徑處瀝青網sinoasphalt.com。

關鍵詞 瀝青混合料 | 抗剪性能 | 細觀特性 | 關系模型

瀝青路面是中國高速公路的主要路面形式，有調查顯示，美國洲際公路和干線公路的路面損壞30%由車轍導致；在日本由于車轍引起的路面損害高達80%；中國由于重型交通荷載和高溫的耦合作用，路面使用2年后就出現了明顯的車轍。國內外許多研究表明：車轍主要是瀝青混凝土在車輛荷載作用下發生的剪切變形，是影響高速公路瀝青路面的最嚴重破壞形式之一。汪德才等基于單軸貫入試驗和無側限抗壓強度試驗，測試乳化瀝青冷再生混合料的抗剪特性參數；Ma從微觀力學角度發現粗集料的運動會削弱集料骨架的穩定性，導致瀝青混合料產生嚴重的車轍變形；

Hu發現瀝青混合料空隙率和粗集料含量對高溫破壞有明顯影響；張肖寧等采用工業CT獲取瀝青混合料斷面掃描圖像，發現壓實過程中空隙與集料的分布狀況能夠影響車轍變形量。目前尚未有綜合宏觀形貌、細觀特性與抗剪性能的研究。該文結合室內試驗模擬混合料剪切形變過程，通過單軸貫入試驗測試不同車轍深度轍槽處與隆起處的抗剪強度，通過數字圖像處理技術對瀝青混合料組合試件切面圖像進行處理，研究瀝青面層細觀特性指標隨車轍形變加劇的變化情況，建立瀝青混合料抗剪性能與細觀損傷程度的關系模型。

試驗

原材料

研究表明：路面結構的中下面層對車轍變形影響顯著。試驗采用上面層為SMA-13、下面層為AC-20的雙層車轍試件，選用的瀝青為SBS改性瀝青和70＃道路基質石油瀝青，其各項性能指標見表1。SMA-13中摻入絮狀木質素纖維，占瀝青混合料總質量的0.3%。

試驗方法

采用300mm×300mm×100mm的試件，由40mm厚的SMA-13與60mm厚的AC-20組合而成，相應級配見表2。雙層車轍試件先壓實下面層，成型后常溫冷卻24h，之后壓實上面層瀝青混合料，最后常溫下放置48h。對轍槽處與隆起處取芯，芯樣試件直徑為100mm。

試驗結果與分析

通過單軸貫入試驗評價雙層瀝青混合料芯樣試件的抗剪性能，對轍槽處與隆起處取芯。在不同溫度、荷載組合條件下，對試件進行車轍試驗。當雙層瀝青混合料試件車轍最大深度達到5、10、15、20mm時，測試其車轍轍槽處和隆起處的抗剪強度。選取極值點處的強度值作為試件的破壞強度，不同工況下車轍板的轍槽處與隆起處抗剪強度如圖1所示。

由圖1可知：在高溫和重載環境下，混合料車轍形變前期隆起、下陷速度較為平緩，整體表現為車轍現象穩定形成期，而當車轍深度發生到一定程度時(10~14mm)，車轍隆起速率呈現突然的增長趨勢，說明瀝青路面車轍后期更多地受混合料隆起變形影響。

不同工況下，隨著車轍加深，轍槽處的抗剪強度整體呈上升趨勢。車轍形成初期，荷載作用使混合料內部細骨料和膠漿向兩邊不均勻擴散，導致轍槽處抗剪強度略微降低；車轍形變后期，轍槽處的瀝青混合料逐漸被壓密，抗剪強度提高。而隆起處的抗剪強度隨著車轍深度的加深逐漸降低，其原因可能是細骨料和膠漿向兩邊不均勻擴散，隆起處的細骨料與膠漿變多，級配變細，導致隆起處的抗剪強度降低。溫度越高，抗剪強度的降低趨勢越大，可以印證高溫是導致路面抗剪強度減弱的主要原因。

路面的車轍有凹陷與隆起，車轍轍槽處與隆起處的抗剪強度呈現不同的變化趨勢，單獨以某一處的抗剪強度全面評價路面整體的抗剪承載力缺乏合理性，該文采用離差比來評價路面的抗剪承載能力：

不同工況下，隨著車轍深度的變大，離差比均逐漸減小，表明隆起處與轍槽處抗剪強度的不均勻性增大。通過Origin擬合5種工況下離差比k和車轍深度之間的函數關系，發現兩者間存在線性關系(圖2)。

由圖2可知：在車轍形變后期，高溫和重載對離差比下降速度影響較大，說明高溫和重載是路面破壞的重要原因。

瀝青混合料細觀特性指標

隨著骨架的變形，混合料內部在細觀上會出現空隙、瀝青膜和特征篩孔集料在數量上的衰變現象。對于同類級配組合試件，可以通過各結構層的瀝青含量、空隙率和圖像級配變化來研究車轍產生機理。選取工況1~4下試件的平面切面圖像作為混合料細觀特性獲取對象，對截面空隙率、瀝青面積比、圖像級配變化這3個細觀特性進行分析。

截面空隙率

空隙率是瀝青混合料級配控制的重要指標之一，該文采用改善后的雙峰法對圖像進行閾值分割，通過二次非線性擬合，擬合公式見式(2)，各類試驗條件下截面空隙率變化如圖3~6所示。

由圖3~6可知：多數情況下轍槽處的空隙率小于車轍隆起處，說明行車荷載使瀝青面層內部材料產生流動現象。轍槽處上面層的空隙率含量要小于下面層含量。轍槽處空隙率下降，瀝青混合料被壓密；而在車轍隆起區域，可以發現其空隙率總體呈現增長的趨勢，但增長幅度不一樣，說明瀝青混合料是不均勻流動的。

瀝青面積比

瀝青混合料二維切片斷面中暗相部分為瀝青、礦粉和空隙構成的體系，明相部分則是礦料顆粒。研究表明：瀝青混合料體積組成合理時，能夠增強瀝青混合料的力學性能，提高路面結構的穩定性，延長使用年限。瀝青混合料膠漿(瀝青)的含量是體積組成中的一個重要指標，瀝青混合料切面面積比值能一定程度上表征瀝青含量。該文對兩種級配混合料切面進行了圖像瀝青面積比的識別，通過式(3)計算瀝青面積比，具體結果如圖7、8所示。

由圖7、8可知：車轍處各層瀝青面積比的變化反映了各層瀝青的蠕動遷移情況。上面層瀝青面積比整體呈現增長趨勢，變化量與工況因素影響關系較為復雜。荷載越大，隨著車轍的加深瀝青面積比變化幅度越大，溫度的影響主要是加速了車轍前期瀝青含量增加。而下面層瀝青在荷載作用下面積比逐漸減小，可能原因是下面層瀝青在荷載作用下，細骨料與膠漿往兩側擴散，經嵌擠等作用使得下面層瀝青面積比減小。

圖像級配

通過提取礦料顆粒的二維形狀特性，分析瀝青混合料的礦料級配組成情況，即圖像級配的概念。通過模擬試驗室集料的篩分過程，以各篩孔礦料顆粒面積之和占圖像總礦料面積的比值作為通過率，分析瀝青混合料的礦料級配組成情況，僅選取粒徑為2.36mm以上的礦料作為統計對象，結果如圖9~16所示。

由圖9~16可知：4種工況下，SMA-13級配的變化主要發生在4.75mm粒徑處，隨著車轍深度的增加，4.75~9.5mm粒徑的顆粒所占總顆粒的比值有所下降，宏觀上表現為細集料減少。AC-20級配的切面圖像識別結果為細集料逐漸增多，粗集料有減少趨勢，變化集中在4.75mm和9.5mm粒徑顆粒處，所占總顆粒的比值有所上升，考慮集料自身強度，可能是骨架顆粒(或針片狀顆粒)局部被壓碎，整體呈現出細粒徑顆粒逐漸增多。由于轍槽處部分軟弱的粗集料因為受到外力作用被壓碎，使礦料級配退化。轍槽處的部分細粒徑顆粒因為高溫作用橫向流動到車轍隆起處，使得車轍隆起處細粒徑顆粒變多。

細觀特性指標、車轍深度和抗剪強度三者的關系

通過回歸分析中的相關系數來分析細觀變化指標與宏觀形變程度的相關性，然后通過關聯程度強弱依次進行排序，最終結果如表3所示。

由表3可以發現：兩種級配切面上細觀特性指標對車轍形變率的影響具有較高的一致性，兩種級配的細觀參數對形變率呈現出相同的影響程度，在形變貢獻率的權值分配中，可考慮均值分配的方式。

模型表達式

假定不管荷載、溫度的組合情況，瀝青混合料車轍形變程度只與切面空隙、瀝青含量、4.75mm粒徑通過率有關，且這三者之間服從線性變化關系。最終存在車轍深度h滿足下式：

模型的構建

將瀝青混合料細觀特性指標作為損傷指標，與變形率相結合?？紤]到模型自變量的單調性，最終選取以上面層混合料空隙率、瀝青面積比和下面層混合料的瀝青面積比作為最終的損傷指標。初步建立如下關系：

對比各項細觀特性指標對試件宏觀形變的影響，結合標準工況下離差比與車轍深度的表達式，發現細觀特征參數、車轍深度與離差比三者之間符合如下函數關系：

結論

(1)4種工況下，隨著車轍深度的加深，車轍處抗剪強度總體均呈上升趨勢；隆起處的抗剪強度逐漸降低。隨著溫度的升高，抗剪強度變化更大，可以推斷高溫是導致路面抗剪強度減弱的主要原因。

(2)采用離差比來評價路面的實際承載能力，發現隨著車轍深度的加深，離差比減小，兩者存在線性關系，說明轍槽處與隆起處抗剪強度的不均勻性增大，路面結構越不穩定，路面的實際承載能力越低。

(3)選取截面空隙率、瀝青面積比和圖像級配作為瀝青混合料細觀特性指標。對剪切形變試件的宏觀形貌進行了比對，發現混合料下陷區域的深度變化趨勢大致相當，而隆起區域的隆起高度變化稍有不同。

(4)選取上面層混合料空隙率、瀝青面積比和下面層混合料的瀝青面積比為細觀參數，通過函數擬合，發現細觀參數、車轍深度與離差比三者之間互相成立特定的函數關系。