基于正交實驗評價多因素對組合車轍試件的影響*

曾金煌 胡錦軒 劉全濤 聶 帥

(1.廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心 揭陽 515325；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

車轍是指路面在車輛荷載長期反復作用后，在車輛集中通過位置所產生的永久變形的累積[1-2]。車轍作為瀝青路面的主要破壞形式之一，一直以來備受關注，因為它不僅嚴重地影響了路面的平整度和服務質量，對行車安全也有很大影響[3]。車轍的形成除了與材料自身性能有關，與荷載、環境條件也存在密切關聯[4-5]。

為模擬路面車轍的產生情況，實驗室通常采用一個小型車輪在試件上進行往復行走試驗[6]。通過測定車輪作用次數與板塊試件變形的關系，得出變形速率RD或動穩定度DS，作為評價試件抗永久變形性能的指標[7]。車轍試驗所采用的變量為溫度、荷載以及水損害3個因素，但是對于這3個變量對變形速率RD的影響規律還有待研究。

正交實驗在研究多水平、多因素的設計方法中，因其具備高效、經濟解決問題的特點一直備受青睞[8-9]。在車轍影響因素的研究中，引入正交實驗設計方法，可解決單因素實驗研究中，有效地區別各個因素之間的互相影響，能正確指導多因素對車轍的耦合作用分析。

目前關于試件厚度對車轍的影響結果尚存在爭議。有觀點認為厚度越大，車轍越嚴重，對此也有學者存在不同看法，認為厚度過薄可能變形更大[10-12]。本文為排除厚度對車轍的影響，按照實際路面采用全厚式組合車轍試件，上、中、下3層高度分別為4,6,8 cm，試件長度為1 m，寬度0.5 m，可真實模擬實際路面情況，對碾壓1 h和5 h后的車轍深度在不同溫度、荷載以及水損害下進行了研究。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

瀝青為70號基質瀝青及SBS改性瀝青，集料分別為石灰巖和玄武巖。試件上面層級配為AC-13，由SBS改性瀝青與玄武巖成型，中面層級配為AC-20，下面層繼配為石灰巖成型，由70號基質瀝青和玄武巖成型。

1.2 正交實驗設計

正交實驗表如表1所示。

表1 瀝青混合料車轍實驗正交表

其中，水損害采用了向試樣表面噴水的形式，以模擬降雨時的場景，噴淋速率分別為0，2，4 mm/h。實驗中每組試件施加荷載次數為2 500次和12 000次，施加時間分別為1 h和5 h。實驗所用儀器為自主研發的多功能路面材料全壽命分析儀，可實現可靠模擬溫度、降雨、荷載、紫外線等環境因素。評價指標車轍深度RD為碾壓后的試件變形量，計算方法見式(1)。

RD=Dn

(1)

式中：RD為車轍深度，mm；Dn為碾壓n小時后試件變形量，mm。

2 結果與分析

2.1 多因素對1 h后車轍深度的影響

各因素對1 h車轍深度影響見圖1～圖3。

圖1 單因素對1 h車轍深度的影響

由圖1可見，隨著溫度增加，車轍深度呈明顯增加趨勢，并且在較低溫度區間(40～50 ℃)時增加更明顯，在較高溫度區間(50～60 ℃)時增加幅度變緩。隨著荷載增大，碾壓后車轍深度增加。說明荷載對車轍具有明顯促進作用。在有水存在時，車轍深度有所增加，說明水損害對車轍有一定影響。

正交實驗方差分析見表2。

表2 碾壓1 h后車轍深度方差分析

由表2可見，根據文中所選取因素的水平，溫度、荷載和水對車轍深度的影響力為：溫度>荷載>水，即溫度對車轍深度有顯著影響，荷載對車轍深度有影響，水對車轍深度影響不顯著。

2.2 多因素對5 h車轍深度的影響

各因素對5 h車轍深度的影響見圖2。

圖2 各因素對5 h車轍深度的影響

由圖2可見，對于碾壓5 h后的車轍深度，溫度區間對其促進作用大致相同，溫度每上升1 ℃，車轍深度大約增加0.08 mm。荷載對于碾壓5 h后的車轍深度的影響與其增量呈線性關系，荷載每上升0.1 MPa，車轍深度增加0.4 mm。溫度以及荷載對于車轍深度的影響，線性相關性較1 h更好，這可能是由于隨著碾壓時間延長，這2個因素對實驗的誤差作用變小。碾壓5 h后的車轍深度隨噴淋速率增加的規律與1 h相似，表明水的噴淋速率對車轍深度有確切的促進作用。

碾壓5 h后的車轍深度方差分析見表3。

表3 碾壓5 h后車轍深度方差分析

由表3可見，對于碾壓5 h后的車轍深度，溫度及荷載對其均有顯著影響，而水對車轍深度的影響不顯著。3因素對碾壓5 h后車轍深度的影響程度為：荷載>溫度>水。相比1 h的結果，碾壓5 h后，溫度的影響有所下降，而荷載與水的作用有所增強。這可能是由于在長時間碾壓后，荷載在后期的永久變形作用中發揮作用更大，而隨著降水時間的延長，動水應力的作用也開始顯露，導致水的影響加強。

3 結論

1) 對于碾壓1 h后的車轍深度，溫度對其有顯著影響，荷載對其有影響，水對其影響不顯著。

2) 對于碾壓5 h后的車轍深度，溫度及荷載對其有顯著影響，水對其影響不顯著。

3) 多因素對于不同碾壓時間的車轍深度的影響大致相同，正交實驗在車轍深度多因素影響研究中切實可行。

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