沥青混合料是一种粘弹性材料,其物理力学性能与温度和荷载作用时间密切相关。沥青 路面在使用期间,经受从低温到高温不同环境条件的考验。从常识可知,冬季及春秋季温度不 太高时路面是不会产生大的变形的。通常所说的“高温稳定性能”的“高温”条件是指在使用过 程中受交通荷载的反复作用,容易产生车辙、推移、拥包等永久性变形(也包括泛油)的温度范 围。道路使用的实践表明,在通常的汽车荷载条件下,永久性变形主要是在夏季气温高于 25℃~30℃左右,即沥青路面的路表温度达到40℃~50℃以上,已经达到或超过道路沥青的软 化点温度的情况下容易产生,且随着温度的升高和荷载的加重,变形愈大。相反,低于这个温 度,就不会产生严重的变形。也就是说,所谓的“高温”条件通常是指高于25℃~30℃的气温条件。许多路面发生高温失稳性破坏都是在这个气温条件下。在我国,大部分地区一年之中 会有数十天乃至一百余天超过这个温度,有些地方尽管一年之中也许仅仅只有几天达到这样 的气温条件,也难逃高温变形破坏的厄运。 

根据沥青材料的温度时间换算法则,长时间承受荷载与高温条件是等效的,而且时间是累 积的。车辆在高速公路上以100km/h的速度行驶,对路面沥青层的作用时间不超过0.02s,而 在城市道路的交叉口、停车站, 车辆停车时间1min, 相当于正常行车3000辆的情况。所以一般 所说的高温稳定性能也包括长时间荷载作用的情况。

 沥青路面在高温条件下或长时间承受荷载作用,沥青混合料会产生显著的变形,其中不能 恢复的部分成为永久变形。降低路面的使用性能,危及行车安全,从而缩短沥青路面的使用寿 命。高速公路的车辙是沥青路面的最有危害的破坏形式之一。

 由于沥青混合料所固有的粘弹特性、影响沥青路面高温特性的因素的多样性、车辙形成的 复杂性,使得永久性变形成了一个世界性的难题,防治沥青路面的车辙也成了世界各国公路技 术人员的重要研究课题。 

早在1962年美国A AS HO试验路研究期间, 对车辙路段进行了开挖, Hofstra提出的报告认 为产生车辙的主要原因是剪切应力, 由此结果推荐使用高强度的路面材料。1987年Eisenmann 的报告指出,车辙的形成过程如图3-4-1所示。沥青层的组成为5cm+18cm,出现的车辙表现 出轮胎下方的下沉以及同时出现的两侧的隆起,分别测量其体积变化表明:在开始阶段,轮胎 下的下沉量(体积)要大于两侧隆起的体积,说明车辙的初期阶段主要是压密造成的。而在此 以后,车轮下的下沉逐渐与两侧隆起的体积平衡,说明压密已经完成,车辙是由流动产生的。 Host a还指出沥青路面的变形在路表面最大, 越向下越小, 这一方面是下部抵抗塑性流动变形 的能力强, 同时也是因为下部的剪切应力小的缘故。根据A AS HO试验路的测定, 车辙量随沥 青层厚度的增加而增加,到25cm就达到了极限,沥青面层再加厚车辙深度也不再增加。

在1962年的第一届CSD AP(国际沥青路面结构设计会议) 上, 壳牌石油公司提出了第一个 同时考虑疲劳和车辙的沥青路面结构设计方法,这个方法是通过限制路基顶面的垂直压应变 来控制车辙的。

 在1972年的第三届CSD AP上, 各国的研究人员提出了一些预测柔性路面车辙的方法, 这 些方法利用路面材料的基本性能,以不同的方式计算荷载和环境条件对车辙量的影响。 

在1976年由TRB发起的关于沥青路面车辙的讨论会上, 特别强调车辙深度预测和用于定义沥青混合料特性的试验方法。

 在1977年的第四届CSD AP上, 许多研究人员发表了相当数量与限制车辙深度和车辙预 测方法有关的报告,主要包括: 

①根据观察的车辙性能的统计方法 

②限制路基应变的方法

 ③蠕变试验数据结合弹性理论分析的方法 

④线粘弹性理论分析的方法 

此后, 沥青路面的车辙问题得到相当程度的控制, 在1982年召开的第五届CSD AP上, 有 关车辙预测的新文章很少,只有一些验证性论文,路面工程师们的兴趣已转移。但第五届会议 以后,车辙问题又重新提出来,涉及到轮荷载和轮胎压力对路面中应力与应变的影响,研究方 向为材料特性与制定预测模型,有关的论文、报告十分丰富,从经验的到考虑粘弹塑性的各种 方法都有。

 在1987年的第六次CSD AP上, 几位研究人员的报告引起了大家的特别兴趣。他们的研 究涉及到把动力蠕变试验与层应变分析结合起来预测足尺试验路面的车辙;轮荷载和轮胎压 力对沥青路面车辙量的影响;在足尺路面中采用各种轮荷载、充气压力和轮荷布置进行试验等。 

第十九届世界道路会议对英、法、德、意等16个国家的调查表明,除法国外,其他国家都采 用马歇尔方法确定最佳沥青用量。但多数国家认为用马歇尔方法来预估混合料性状是不够 的, 因此都采用一些补充试验。有8个国家主要关心抗塑性变形能力, 采用TR RL或LCPC车 辙试验来评价混合料的抗车辙性能。

 美国战略公路研究计划(SHRP 111-1] ) 的沥青研究项目在执行期间, 总经费5000万美元中 有949万美元用于永久变形的研究上。该研究以加利福尼亚大学的贝克莱分校Moni smith教 授为中心, 最后提出了A-318及A-415两篇研究报告, 成为SUPERPAVE的主要组成部分。 研究人员在对现有的沥青混合料高温特性试验方法进行评价的基础上,提出了新的试验、评价 方法,并试图根据新的破坏模型和车辙预估模型,编制新的计算机软件进行车辙深度预估、迄 今为止,已取得了部分成果。因为模型方面的原因,目前这项工作仍在进行中。

 长期以来,由于种种原因,我国公路的沥青路面数量少、等级低,技术状况差,材料性能不 好,因此公路的主要问题表现在强度方面,沥青路面的永久变形并未成为主要的路面病害而得 到足够的重视。另外在路面结构形式上多半都是渣油表处、沥青贯人式、上拌下贯式、沥青碎 石等以集料嵌挤作用为主的结构,沥青结合料在沥青层中起的作用相对较小。同时由于道路 等级较低,交通量较少,且基本上是属于轻车、混合交通的情况,车轮没有形成渠道化,所以车 辙变形的问题不太严重。

 改革开放以后,尤其是进人80年代后,随着我国国民经济的快速增长,高等级公路得到了 很大发展。1988年沈大高速公路、沪嘉高速公路等我国大陆首条高速公路通车,以高速公路 为代表的高等级公路的路面中绝大部分采用了沥青路面结构。随着公路交通量的增加、汽车 轴载的加大以及渠化交通的形成,超载、重载车的问题也越来越突出,我国公路沥青路面的永 久变形问题已经成为一个引人注目的普遍性问题。 

我国的公路科技人员对沥青混合料的高温特性进行过大量试验研究,取得了许多有价值 的研究成果,提出了适合我国国情的沥青混合料高温性能技术指标与标准、使我国沥青路面的 高温稳定性问题得到了有效的控制,极大地减少了高温车辙的破损現象。

在沥青路面的各种破坏现象中,车辙问题尤其重要,它除了影响行车舒适性外,还对交通 安全有直接影响,例如车辆在变换车道时操作困难,车辙内积水及产生高速行车水漂(水上飞 行)或结冰,在气候条件恶劣时制动距离不足等等。