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摘要
对聚合物骨架混凝土和沥青混凝土开展车辙影响对比研究。分别对两种不同力学性能的路面材料进行室内车辙板和大型环道加速加载试验。结果表明聚合物骨架混凝土较沥青混凝土具有更好的抗车辙能力。对上述环道车辙试验进行有限元验证，结果表明：聚合物骨架混凝土在正常使用条件下，路面材料处于弹性工作状态，几乎不产生车辙；沥青混凝土路面在高温或重载交通条件下，车辙深度超过20ｍｍ，高温和重载对沥青混凝土车辙影响较大，交通对车辙影响相对较小。
关键词
聚合物骨架混凝土
车辙板试验
环道车辙试验
引言
车辙是路面结构抵抗变形能力的一种综合反映。路面材料在交通荷载作用下产生剪切应力，引起材料失稳、变形、开裂并产生横向蠕变位移，在车轮痕迹处凹陷形成车辙，并在车轮痕迹边缘造成凸缘，引起路面不平整度加剧，雨天形成积水，冬季容易结冰。车辙不仅降低了路面使用寿命，而且直接影响道路交通行驶安全。
沥青混凝土路面具有优良的行车舒适性，是现代道路主要的路面形式，在高速公路和城市道路等道路建设中得到广泛应用。但是沥青混凝土路面由沥青混凝土组成，沥青混凝土的强度低、高温稳定性等存在自身不足，虽近20年来取得较大进展，如研制出多碎石沥青混凝土面层（SAC）、沥青玛蹄脂碎石混合料面层（SMA）等高性能的路面材料，但由于高温气候、重载交通以及施工离析等影响因素，特别在高速公路出口、城市公共汽车站等交通缓慢的路面，沥青混凝土路面的车辙问题仍然突出。
聚合物骨架混凝土是一种多孔混凝土，是通过聚合物水泥结合料对骨料之间接触点的固结，使其具有足够承载能力和变形协调能力，兼具水泥混凝土面层材料高强度和沥青混凝土面层材料优良变形能力的特性，具有接近于普通水泥混凝土材料的抗压强度、弯拉强度和抗剪强度，是一种具有温度稳定性的高弹性材料，同时这种材料变形大、塑性屈服段长、具有较好的变形协调能力。聚合物骨架混凝土路面作为一种新型铺面，采用摊铺机薄层铺装，不需碾压，具有优越的力学性能并能够实现透水、降噪及彩色标识等使用功能，已在寒冷的辽宁及酷热的重庆、湖北、广东等省市高速公路和城市主干道中应用。
聚合物骨架混凝土具有较好的变形协调能力，其在路面应用中是否会产生诸如沥青混凝土路面的车辙问题，影响行车舒适性并带来交通安全隐患。该文将通过室内车辙板试验、环道加速加载试验、路面结构有限元计算等手段，针对聚合物骨架混凝土和沥青混凝土两种不同力学性能道路材料开展车辙性能对比研究，为道路材料设计提供参考。
车辙试验
小型车辙板试验
采用ZCZ－7型自动车辙试验仪对聚合物骨架混凝土与AC－13Ⅰ型沥青混合料分别进行车辙试验。结果发现，沥青混合料车辙深度随着时间的增加而逐渐加深，沥青混合料在车辙试验60min后产生了明显的车辙，聚合物骨架混凝土的表面没有明显车辙。
根据文献［11］，测得的沥青混合料60℃下的动稳定度为次／mm，聚合物骨架混凝土在60℃下的动稳定度为次／mm，相同条件下是前者动稳定度的倍，动稳定度越高说明发生单位变形需要的碾压次数就越多。聚合物骨架混凝土具有较高强度的力学性能，其发生单位变形所需的碾压次数远远大于沥青混合料，说明了聚合物混凝土铺装具有良好的抗车辙能力。
大型环道加速加载车辙试验
小型车辙板试验与实际路面复杂条件下的真实情况不尽相同，为了更好地反映真实情况，采用大型环道试验系统，进行足尺试验路的加速加载试验，模拟行车荷载、高温条件下，考察沥青混凝土路面和聚合物骨架混凝土路面在行车荷载作用下的抗车辙性能。
试验路面铺于“HS－10.5”环道试槽内，圆形环道试槽中心线周长33ｍ，槽宽3.5ｍ，深2ｍ。聚合物骨架混凝土铺装结构为：功能性表面处理层＋5cm聚合物骨架混凝土面层＋界面防水黏结层＋23cm碾压混凝土基层＋15cm水泥稳定级配碎石＋20cm水泥稳定级配碎石＋20cm低剂量水泥稳定碎石＋地基。沥青混凝土路面结构为4cmSMA＋6cmSUP20＋8cmSUP25＋40cm水泥稳定碎石＋20cm二灰土＋地基。环道试验路面表面温度控制在60℃左右，加载75万次，加载过程中荷载大小、运行速度等荷载条件如表1所示。
大型环道加速加载试验结果为：①聚合物骨架混凝土路面结构没有明显车辙迹象；②沥青路面结构车辙损害比较严重，车辙深度约为30mm，轮迹边沿沥青混凝土的隆起与车辙高差已达50mm（约一块红砖厚度）。
通过大型环道加速加载试验，考察了两种铺装体系在高温、行车荷载作用下的抗车辙能力。车辙试验说明采用具有温度稳定性和弹塑性材料的聚合物骨架混凝土铺装，不会产生黏弹性沥青材料类路面难以克服的车辙破坏，也没有发生路面结构性破坏，是一种性能优良、耐久性好的新型铺装材料。
大型环道加速加载车辙试验的有限元模拟
对沥青混凝土路面和聚合物骨架混凝土路面的车辙对比试验，实际检验了两种路面的抗车辙能力。该节将采用有限元方法，模拟计算不同温度条件和车辆荷载作用下两种路面的车辙情况，分析温度条件和车辆荷载对两种路面的车辙影响。
有限元模型的建立
有限元模型模拟加速加载试验的荷载条件按照表1施加。沥青混凝土材料采用时间硬化蠕变模型模拟，具体参数见文献［12］。聚合物骨架混凝土是一种弹塑性材料，弹性阶段的弹性模量取MPa，泊松比取0.2，其典型应力应变曲线如图１所示，因聚合物骨架混凝土力学性能受温度影响不大，温度应力与材料弯拉强度的占比仅为0.，在车辙计算分析时不考虑温度作用效应。聚合物骨架混凝土的地基参数选择和沥青混凝土的地基参数相同。
温度对车辙的影响分析
按照表1加载条件进行加载计算其车辙深度，计算中取轮胎接地宽度为18.6cm，轮胎接地长度为19.2ｃｍ（不计荷载及胎压影响）。行车速度取30ｋｍ／ｈ，一次加载作用时间为0.ｓ。沥青混凝土环境温度分别取20、30、40、50℃。计算结果见表2，其中最大竖向位移包含弹性位移。
从表2中可以得出如下结论：
（1）沥青混凝土路面受温度影响巨大。如在面层温度较低的20、30℃时，沥青混凝土材料以弹性为主，黏塑性变形小，如20℃时在20万轴次作用下，初始弹性变形为0.m，最大竖向变形为0.ｍ，则黏塑性变形为0.ｍ，所以在轴次和最大竖向位移曲线上，主要表现的是弹性变形（可以恢复）及少部分的塑性变形（不可恢复）。但是在温度升高至40℃以后，情况发生较大转变，塑性变形占据了变形的主要部分，如温度为50℃时，同样在20万轴次作用下，初始弹性变形为0.ｍ，最大竖向变形为0.ｍ，而不可恢复的黏塑性变形为0.ｍ。50℃时不可恢复的塑性变形比20℃时增大近80倍，沥青混凝土路面抗车辙性能受温度影响巨大。而在同一温度下，沥青混凝土路面的最大竖向位移60万轴次比20万轴次仅增大约1／3。
（2）对于聚合物骨架混凝土路面，路面车辙几乎没有发生，因为在低应力下，聚合物骨架混凝土的变形以弹性变形为主，几乎没有塑性变形。温度因素对聚合物骨架混凝土性能影响不大，可以忽略不计。
胎压、交通量对车辙的影响分析
为了便于分析超载及交通量对沥青混凝土路面车辙的影响，轮胎的接地压力分别取为0.7、1.0、1.1、1.2、1.5MPa。车速取80km／h，一次加载作用时间为0.s。保持轮胎的轨迹不变，环境温度为40℃。根据荷载作用时间计算其相应的车辙深度，计算结果见表3。
从表3可以得出：
（1）根据不同胎压下沥青路面的反映可以看出超载对路面的影响巨大。胎压越大，车辙深度越大，控制重载车辆对于降低路面的车辙具有重要作用。
（2）随着轴载作用次数的增长，沥青混凝土的永久变形越大，高胎压情况下更加明显。不管胎压的大小，路面车辙深度随着交通量增加前期增加速度较快，后期车辙深度随着交通量增加较慢。因此增强新建路面的性能及保证施工质量，对于提高路面抗车辙能力具有重要意义。
结论
聚合物骨架混凝土和沥青混凝土是两种力学性能迥异的材料，对它们进行大型环道车辙试验研究，并进行有限元分析，得到如下主要结论：
（1）聚合物骨架混凝土几乎不产生车辙。其力学上的原因在于其材料性质为弹塑性，在正常使用条件下，路面处于弹性工作状态，因此几乎不产生车辙。聚合物骨架混凝土是一种具有较高强度及较大变形能力、温度稳定性能良好的道路材料，具有较为广阔的应用前景。
（2）沥青混凝土在温度较低时，黏弹性不明显，抗车辙性能较好，但在温度升高及重载作用下，沥青混凝土车辙较大。相对而言，交通量对沥青混凝土车辙影响较小。提高沥青混凝土的强度及高温稳定性，降低其高温黏塑性，仍是沥青混凝土材料研究的重要内容。
（3）车辙试验结果与有限元计算分析结果吻合较好。
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全文完，
作者简介：黄锋，男，博士研究生．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｆｅｎｇｃｎ＠１６３．ｃｏｍ登陆
