瀝青混合料是一種粘彈性材料,其物理力學性能與溫度和荷載作用時間密切相關。瀝青 路面在使用期間,經受從低溫到高溫不同環境條件的考驗。從常識可知,冬季及春秋季溫度不 太高時路面是不會產生大的變形的。通常所說的“高溫穩定性能”的“高溫”條件是指在使用過 程中受交通荷載的反復作用,容易產生車轍、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到40℃~50℃以上,已經達到或超過道路瀝青的軟 化點溫度的情況下容易產生,且隨著溫度的升高和荷載的加重,變形愈大。相反,低于這個溫 度,就不會產生嚴重的變形。也就是說,所謂的“高溫”條件通常是指高于25℃~30℃的氣溫條件。許多路面發生高溫失穩性破壞都是在這個氣溫條件下。在我國,大部分地區一年之中 會有數十天乃至一百余天超過這個溫度,有些地方盡管一年之中也許僅僅只有幾天達到這樣 的氣溫條件,也難逃高溫變形破壞的厄運。 

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

 瀝青路面在高溫條件下或長時間承受荷載作用,瀝青混合料會產生顯著的變形,其中不能 恢復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 復雜性,使得永久性變形成了一個世界性的難題,防治瀝青路面的車轍也成了世界各國公路技 術人員的重要研究課題。 

早在1962年美國A AS HO試驗路研究期間, 對車轍路段進行了開挖, Hofstra提出的報告認 為產生車轍的主要原因是剪切應力, 由此結果推薦使用高強度的路面材料。1987年Eisenmann 的報告指出,車轍的形成過程如圖3-4-1所示。瀝青層的組成為5cm+18cm,出現的車轍表現 出輪胎下方的下沉以及同時出現的兩側的隆起,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隆起的體積平衡,說明壓密已經完成,車轍是由流動產生的。 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變形 的能力強, 同時也是因為下部的剪切應力小的緣故。根據A AS HO試驗路的測定, 車轍量隨瀝 青層厚度的增加而增加,到25cm就達到了極限,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(國際瀝青路面結構設計會議) 上, 殼牌石油公司提出了第一個 同時考慮疲勞和車轍的瀝青路面結構設計方法,這個方法是通過限制路基頂面的垂直壓應變 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,以不同的方式計算荷載和環境條件對車轍量的影響。 

在1976年由TRB發起的關于瀝青路面車轍的討論會上, 特別強調車轍深度預測和用于定義瀝青混合料特性的試驗方法。

 在1977年的第四屆CSD AP上, 許多研究人員發表了相當數量與限制車轍深度和車轍預 測方法有關的報告,主要包括: 

①根據觀察的車轍性能的統計方法 

②限制路基應變的方法

 ③蠕變試驗數據結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程度的控制, 在1982年召開的第五屆CSD AP上, 有 關車轍預測的新文章很少,只有一些驗證性論文,路面工程師們的興趣已轉移。但第五屆會議 以后,車轍問題又重新提出來,涉及到輪荷載和輪胎壓力對路面中應力與應變的影響,研究方 向為材料特性與制定預測模型,有關的論文、報告十分豐富,從經驗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, 幾位研究人員的報告引起了大家的特別興趣。他們的研 究涉及到把動力蠕變試驗與層應變分析結合起來預測足尺試驗路面的車轍;輪荷載和輪胎壓 力對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行試驗等。 

第十九屆世界道路會議對英、法、德、意等16個國家的調查表明,除法國外,其他國家都采 用馬歇爾方法確定最佳瀝青用量。但多數國家認為用馬歇爾方法來預估混合料性狀是不夠 的, 因此都采用一些補充試驗。有8個國家主要關心抗塑性變形能力, 采用TR RL或LCPC車 轍試驗來評價混合料的抗車轍性能。

 美國戰略公路研究計劃(SHRP 111-1] ) 的瀝青研究項目在執行期間, 總經費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-415兩篇研究報告, 成為SUPERPAVE的主要組成部分。 研究人員在對現有的瀝青混合料高溫特性試驗方法進行評價的基礎上,提出了新的試驗、評價 方法,并試圖根據新的破壞模型和車轍預估模型,編制新的計算機軟件進行車轍深度預估、迄 今為止,已取得了部分成果。因為模型方面的原因,目前這項工作仍在進行中。

 長期以來,由于種種原因,我國公路的瀝青路面數量少、等級低,技術狀況差,材料性能不 好,因此公路的主要問題表現在強度方面,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。另外在路面結構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構,瀝青結合料在瀝青層中起的作用相對較小。同時由于道路 等級較低,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重。

 改革開放以后,尤其是進人80年代后,隨著我國國民經濟的快速增長,高等級公路得到了 很大發展。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 為代表的高等級公路的路面中絕大部分采用了瀝青路面結構。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 久變形問題已經成為一個引人注目的普遍性問題。 

我國的公路科技人員對瀝青混合料的高溫特性進行過大量試驗研究,取得了許多有價值 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指標與標準、使我國瀝青路面的 高溫穩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象。

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