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        甘肅省夏熱冬寒區(qū)車(chē)轍試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)研究

        2016-06-08 03:29:12楊艷華
        公路與汽運(yùn) 2016年3期
        關(guān)鍵詞:瀝青混合料車(chē)轍公路

        楊艷華

        (甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司,甘肅蘭州 730000)

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        甘肅省夏熱冬寒區(qū)車(chē)轍試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)研究

        楊艷華

        (甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司,甘肅蘭州 730000)

        摘要:甘肅省夏熱冬寒區(qū)氣候條件惡劣,其2010年1月前竣工的部分高速公路車(chē)轍病害嚴(yán)重,僅依靠改變?yōu)r青路面結(jié)構(gòu)或?yàn)r青混合料性能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的路面需求,需對(duì)甘肅省夏熱冬寒區(qū)車(chē)轍試驗(yàn)方案作進(jìn)一步研究,在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上推薦適用于夏熱冬寒地區(qū)的瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)條件,以達(dá)到減少路面車(chē)轍病害的目的。

        關(guān)鍵詞:公路;夏熱冬寒區(qū);車(chē)轍;路面結(jié)構(gòu);瀝青混合料

        中國(guó)瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)規(guī)程中規(guī)定車(chē)轍試驗(yàn)條件為溫度60℃、輪壓0.7 MPa、時(shí)間60 min,JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定車(chē)轍試驗(yàn)必須在規(guī)定的試驗(yàn)條件下(T0719)進(jìn)行。而美國(guó)科羅拉多州的研究結(jié)論為確定車(chē)轍試驗(yàn)測(cè)試溫度時(shí)應(yīng)考慮混合料使用地的氣候條件。中國(guó)國(guó)土遼闊、氣候區(qū)域性顯著,將溫度和時(shí)間等設(shè)為定值并不合理。

        根據(jù)瀝青路用性能氣候分區(qū)原則,甘肅省甘南、祁連山等地區(qū)為夏熱冬寒區(qū)。該區(qū)氣候條件較惡劣,有冬季漫長(zhǎng)的嚴(yán)寒,最低氣溫可達(dá)-30℃以下,又有夏季的高溫,且日照強(qiáng)烈,極端高溫時(shí)路表溫度可達(dá)到60℃以上。而且隨著甘肅省經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),瀝青路面重載車(chē)輛越來(lái)越多。在如此嚴(yán)酷的氣候條件及交通荷載條件下采用標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)條件得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)有一定差別,因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)條件在溫度、試件厚度等方面與實(shí)際瀝青路面有很大差距。

        很多學(xué)者對(duì)改善瀝青路面的抗車(chē)轍性作了研究,一般從瀝青混合料高溫性能的評(píng)價(jià)方法、影響因素、評(píng)價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)等方面研究如何提高瀝青混合料的抗車(chē)轍性能。據(jù)調(diào)查,甘肅省夏熱冬寒地區(qū)2010年1月以前竣工驗(yàn)收的部分高速公路瀝青砼路面的車(chē)轍深度為2.0~6.0 cm,個(gè)別達(dá)到10.0 cm,多為中~重度車(chē)轍,路面整個(gè)結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞,對(duì)行車(chē)安全及舒適性造成較大影響。尤其是經(jīng)過(guò)夏季高溫季節(jié)的行車(chē)碾壓,車(chē)轍深度會(huì)進(jìn)一步加劇。面對(duì)如此嚴(yán)重的車(chē)轍,僅依靠改變?yōu)r青路面結(jié)構(gòu)或?yàn)r青混合料性能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的路面需求,需針對(duì)甘肅省夏熱冬寒區(qū)特殊的氣候特點(diǎn),在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上推薦適用于夏熱冬寒地區(qū)的瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)條件,減少路面車(chē)轍病害。

        1 問(wèn)題的提出

        車(chē)轍試驗(yàn)是模擬瀝青混合料在低勁度模量的情況下長(zhǎng)期承受重復(fù)荷載、永久變形不斷累積的一項(xiàng)試驗(yàn)。隨著溫度的改變,瀝青膠結(jié)料的勁度發(fā)生變化,溫度升高時(shí)車(chē)轍深度增大,可以認(rèn)為試驗(yàn)溫度是影響車(chē)轍試驗(yàn)的重要控制因素。各類(lèi)車(chē)轍儀的測(cè)試溫度一般為40~65℃,其中:漢堡車(chē)轍試驗(yàn)儀(HWTD)因?yàn)槭褂媒撦喖虞d,試驗(yàn)溫度通常定為40或50℃;多功能加載輪測(cè)試儀(APA)和加載輪測(cè)試儀(GLWT)的測(cè)試溫度多使用瀝青的PG等級(jí)溫度或稍高于PG等級(jí)溫度。目前APA和GLWT在美國(guó)東南部的測(cè)試溫度在64℃左右;PRT針對(duì)不同混合料設(shè)定試驗(yàn)溫度,如表面層混合料設(shè)定為60℃,基層聯(lián)結(jié)層混合料設(shè)定為50℃;MMLS3在潮濕環(huán)境下設(shè)定為30℃,干燥環(huán)境設(shè)定為50或60℃。而中國(guó)規(guī)范規(guī)定試驗(yàn)溫度統(tǒng)一設(shè)定為60℃。

        與溫度情況類(lèi)似,荷載增大時(shí)車(chē)轍深度也增加。美國(guó)通過(guò)大量研究建立了GLWT溫度效應(yīng)模型,將測(cè)試溫度、加載次數(shù)、車(chē)轍深度三者聯(lián)系起來(lái)。研究表明:當(dāng)荷載增幅較小時(shí),APA車(chē)轍深度變化不明顯;當(dāng)荷載增幅足夠大時(shí),其測(cè)試結(jié)果顯著增大。由于加載輪大小、接地面積不同,各類(lèi)車(chē)轍儀的荷載水平有所差異,但都遵循一個(gè)基本原則即盡量模擬實(shí)際汽車(chē)荷載作用,故各類(lèi)車(chē)轍儀的加載輪與試件的接觸壓強(qiáng)都為0.6~0.9 MPa,這個(gè)壓強(qiáng)代表單軸雙輪汽車(chē)的一個(gè)輪胎的接地壓強(qiáng)。中國(guó)規(guī)范規(guī)定車(chē)轍試驗(yàn)輪胎接地壓強(qiáng)為0.7 MPa,但相關(guān)軸載調(diào)查顯示重載情況較為突出。

        根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求,瀝青混合料車(chē)轍試件厚度為5 cm。但在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,瀝青混合料集料的公稱(chēng)最大粒徑與結(jié)構(gòu)層厚度存在相關(guān)關(guān)系,瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范建議路面結(jié)構(gòu)層厚度與瀝青混合料集料公稱(chēng)最大粒徑比值為大于2.5倍,對(duì)于公稱(chēng)粒徑為26.5 mm的瀝青混合料而言,5 cm的厚度明顯太薄。

        該文針對(duì)甘肅省夏熱冬寒區(qū)特殊的氣候條件,對(duì)同一級(jí)配的瀝青混合料分別以45、60、70℃進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn),計(jì)算不同溫度條件下混合料的動(dòng)穩(wěn)定度,對(duì)比研究溫度對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響;對(duì)同一級(jí)配的瀝青混合料分別以0.7、1.0、1.4 MPa進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn),分析荷載大小對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響;并分別取5、6、7、8 cm厚度進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn),對(duì)比研究板厚對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響。

        2 不同試驗(yàn)條件下的車(chē)轍試驗(yàn)

        選取高性能瀝青混合料Superpave-20為試驗(yàn)研究對(duì)象,經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定礦料的比例為碎石(10 ~20 mm)∶碎石(5~10 mm)∶碎石(3~5 mm)∶石屑∶礦粉=43∶19∶7∶28∶3,最佳瀝青含量為4.22%。在不同溫度、不同荷載、不同板厚條件下進(jìn)行Superpave-20車(chē)轍試驗(yàn),探討瀝青混合料在不同試驗(yàn)條件下的抗車(chē)轍能力,試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

        表1 車(chē)轍試驗(yàn)方案

        2.1不同溫度、荷載作用下的車(chē)轍試驗(yàn)

        在溫度、荷載雙重作用下對(duì)瀝青混合料進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表2、圖1~2。

        表2 不同試驗(yàn)條件下的車(chē)轍深度對(duì)比

        圖1 不同輪壓、溫度與車(chē)轍深度的關(guān)系曲線(xiàn)

        圖2 不同溫度、輪壓與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系

        從圖1可以看出:

        (1)在45℃條件下,1.0、1.4 MPa條件下的車(chē)轍深度均大于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的車(chē)轍深度,說(shuō)明在中溫條件下,重載因素的影響會(huì)使瀝青混合料抗車(chē)轍能力不足。

        (2)輪壓對(duì)車(chē)轍深度的影響隨著溫度的升高而增大,70℃下車(chē)轍深度的增幅最大,45℃下車(chē)轍深度的增幅較小。

        從圖2可以看出:

        (1)在相同輪壓條件下,動(dòng)穩(wěn)定度隨著溫度的升高而大幅降低。

        (2)在相同溫度條件下,動(dòng)穩(wěn)定度隨著輪壓的增大而大幅降低。

        (3)在45℃條件下,1.0、1.4 MPa條件下的動(dòng)穩(wěn)定度均小于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的動(dòng)穩(wěn)定度,說(shuō)明在較低溫度條件下,重載因素的影響會(huì)使瀝青混合料的抗車(chē)轍能力不足。這與前述車(chē)轍深度得出的結(jié)論一致。

        2.2不同板厚條件下的車(chē)轍試驗(yàn)

        在60℃、0.7 MPa條件下進(jìn)行不同車(chē)轍板厚的車(chē)轍試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表3、圖3~5。

        表3 不同試件厚度車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

        圖3 車(chē)轍試件厚度與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系曲線(xiàn)

        圖4 車(chē)轍試件厚度與變形量的關(guān)系曲線(xiàn)

        圖5 車(chē)轍試件厚度與相對(duì)變形率的關(guān)系曲線(xiàn)

        由圖3可見(jiàn):動(dòng)穩(wěn)定度隨車(chē)轍板厚度的增加而下降。按照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求,如果以5 cm厚的車(chē)轍板為動(dòng)穩(wěn)定度比較基準(zhǔn),當(dāng)車(chē)轍板厚為4、6、7 cm時(shí),各車(chē)轍試件動(dòng)穩(wěn)定度分別是5 cm厚車(chē)轍試件動(dòng)穩(wěn)定度的1.22、1.08、0.92倍。

        為控制車(chē)轍永久變形量為最小值,存在最佳路面厚度的問(wèn)題。從圖4可看出:瀝青混合料3~4倍公稱(chēng)最大粒徑左右厚度的路面永久變形量最小。對(duì)某一層瀝青混合料而言,抗車(chē)轍能力最好的最佳路面厚度為公稱(chēng)最大粒徑的3倍左右。從圖5可看出:從相對(duì)變形率的角度來(lái)看,抗車(chē)轍能力較好的最佳路面厚度為最大公稱(chēng)粒徑的4倍左右。永久變形量、相對(duì)變形率的試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明瀝青層的合理厚度為公稱(chēng)最大粒徑的3~4倍。

        3 結(jié)論

        JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》推薦寒冷地區(qū)瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)溫度為45℃。該文研究表明,在45℃試驗(yàn)條件下,試驗(yàn)用Superpave-20抗車(chē)轍能力低于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)下的抗車(chē)轍能力。因此,如果寒冷地區(qū)瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)采用45℃、0.7 MPa、42次/min的試驗(yàn)條件來(lái)進(jìn)行,其實(shí)質(zhì)是放低了對(duì)瀝青混合料抗車(chē)轍性能的要求,客觀上容易導(dǎo)致寒冷區(qū)公路車(chē)轍問(wèn)題的產(chǎn)生。寒冷地區(qū)瀝青混合料的抗車(chē)轍性能檢驗(yàn)中如果將試驗(yàn)溫度定為45℃,就應(yīng)根據(jù)所建項(xiàng)目的交通量、軸載情況考慮是否需要進(jìn)行重載的車(chē)轍試驗(yàn),這樣才能達(dá)到控制車(chē)轍病害發(fā)生的目的。對(duì)于夏熱冬寒地區(qū)車(chē)轍試驗(yàn)車(chē)轍板厚度,建議遵循公稱(chēng)最大粒徑的3~4倍并結(jié)合瀝青路面實(shí)際厚度進(jìn)行取值。

        參考文獻(xiàn):

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        [3] 申愛(ài)琴,王娜,李明國(guó),等.高速公路SMA混合料高溫穩(wěn)定性及影響因素[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,26(1).

        [4] 陳忠達(dá),袁萬(wàn)杰,薛航,等.瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,26(5).

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        中圖分類(lèi)號(hào):U416.217

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        文章編號(hào):1671-2668(2016)03-0103-03

        收稿日期:2015-10-28

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