方 昊 Barugahare Javilla 磨煉同

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

0 引 言

影響瀝青路面高溫性能的因素包括瀝青的性質(zhì)、級(jí)配設(shè)計(jì)、集料性質(zhì)等，還包括環(huán)境溫度、交通荷載、雨水等外部原因[1-6].

目前瀝青混合料車轍性能的測(cè)試和評(píng)價(jià)方法主要有經(jīng)驗(yàn)型測(cè)試與力學(xué)測(cè)試.前者是指試驗(yàn)設(shè)備盡量模擬路面實(shí)際情況，包括復(fù)式輪轍試驗(yàn)、大型環(huán)道試驗(yàn)、加速加載試驗(yàn)等；后者則是通過試驗(yàn)獲取能夠表征車轍性能的力學(xué)指標(biāo)[7].

室內(nèi)車轍試驗(yàn)是經(jīng)驗(yàn)型測(cè)試方法的一種，其特點(diǎn)在于能夠直觀地了解混合料的永久變形特性，反映時(shí)間和溫度變化對(duì)瀝青混合料永久變形的影響規(guī)律，并且與實(shí)際路面受力情況和車輛輪胎荷載作用比較相符[8]，因此，這一試驗(yàn)方法被廣泛應(yīng)用于瀝青混合料的高溫性能評(píng)價(jià)，并列入規(guī)范，同時(shí)擁有多種指標(biāo)評(píng)價(jià)車轍試驗(yàn)結(jié)果，這些評(píng)價(jià)指標(biāo)包括[9-11]：①動(dòng)穩(wěn)定度(DS)指標(biāo)，通過測(cè)定試驗(yàn)輪作用次數(shù)與車轍變形的關(guān)系，繪出變形-時(shí)間曲線圖，就能夠計(jì)算得出動(dòng)穩(wěn)定度值；②變形量指標(biāo)(RD)，是指在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的變形總量，單位為mm，它是最直觀、最簡(jiǎn)單的車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)，考慮了試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的所有累積變形，但無(wú)法反應(yīng)出車轍發(fā)展趨勢(shì)；③相對(duì)變形率指標(biāo)，是指在規(guī)定作用次數(shù)、時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的車轍變形與試件總厚度的比值；④變形率(S)，車轍發(fā)展分為三個(gè)階段，其中第二階段的車轍變形隨荷載次數(shù)勻速增加，取這一變形速率；⑤綜合穩(wěn)定指數(shù)(CI)，由動(dòng)穩(wěn)定度的計(jì)算式改進(jìn)而來，將壓實(shí)過渡階段產(chǎn)生的變形考慮了進(jìn)來.

為了對(duì)比分析不同車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)的準(zhǔn)確性和可靠性，文中通過在不同溫度和荷載條件下對(duì)AC-20瀝青混合料進(jìn)行了室內(nèi)車轍試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果得到了不同條件下車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括動(dòng)穩(wěn)定度(DS)、變形量(RD)、變形率(S)和綜合穩(wěn)定指數(shù)(CI)，通過對(duì)比分析了幾種指標(biāo)的準(zhǔn)確性及可靠性.

1 原材料和試驗(yàn)方法

采用高速公路中面層常用的AC-20瀝青混合料級(jí)配，同時(shí)為了降低每個(gè)車轍試樣的差異，對(duì)集料進(jìn)行篩分處理后，按規(guī)范級(jí)配中值進(jìn)行了混合料的制備.

混合料所用瀝青為SBS改性瀝青，基本指標(biāo)為：針入度，72.6(25 ℃)(0.1 mm)；延度，50 cm(5 ℃)；軟化點(diǎn)，76 ℃.所用集料為石灰?guī)r，其基本指標(biāo)為：表觀密度，2.703 g/cm3；洛杉磯磨耗22.1%；壓碎值，21.5%；棱角性，17%.混合料的最佳油石比通過馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定為4.3%.

為了對(duì)比分析不同車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)，在溫度30～70 ℃、應(yīng)力0.5～0.9 MPa對(duì)瀝青混合料進(jìn)行了一系列室內(nèi)車轍試驗(yàn).其中選用的輪壓應(yīng)力0.5，0.7和0.9 MPa，分別表示路面輕載、中載和重載的情況，車轍試驗(yàn)的時(shí)間為4 h.車轍試樣尺寸為300 mm×300 mm×50 mm；每個(gè)條件下都進(jìn)行了至少三次重復(fù)試驗(yàn).

2 結(jié)果與分析

2.1 各溫度荷載條件下瀝青混合料車轍發(fā)展

圖1為不同溫度和荷載條件下瀝青混合料的車轍發(fā)展曲線.由圖1可知，瀝青混合料車轍變形隨著溫度的升高和荷載的增加而增加，在40 ℃以下的較低溫度下，增加0.2 MPa的荷載對(duì)瀝青混合料車轍永久變形的影響比溫度上升10 ℃帶來的影響要大；而從50 ℃開始，溫度上升10 ℃相比荷載增加0.2 MPa產(chǎn)生了更大的永久變形；同時(shí)增加溫度和荷載的情況下，可以看到車轍深度變化大于單獨(dú)升高溫度或增加荷載的變化；同時(shí)可以看到溫度為60和70 ℃，荷載為0.9 MPa條件下的變形量指標(biāo)達(dá)到10 mm以上，相比較低溫度荷載條件下顯著增加，由此可知溫度-荷載耦合作用對(duì)瀝青混合料永久變形的影響在高溫以及高荷載條件下更加顯著.

圖1 不同荷載溫度條件下的車轍發(fā)展

2.2 各車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)的獲取

表1為不同溫度和荷載條件下幾種車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體數(shù)值，其中：RD為4 h試驗(yàn)結(jié)束后的總的車轍變形；S為車轍發(fā)展第二階段的變形率(即斜率)，DS為以第一個(gè)小時(shí)45 min和60 min車轍深度計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)穩(wěn)定度，DS1為以180 min和240 min的車轍變形基于動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算公式計(jì)算出的非標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)穩(wěn)定度值；CI為綜合穩(wěn)定指數(shù)基于180 min和240 min的車轍深度得到，其計(jì)算公式見式(1)，相比于動(dòng)穩(wěn)定度的計(jì)算公式，分母增加了d1.

(1)

式中：d1，d2為時(shí)間t1，t2所對(duì)應(yīng)的豎向變形量，mm；C1為車轍試驗(yàn)機(jī)類型修正系數(shù)，曲柄連桿驅(qū)動(dòng)試件的變速行走方式取1.0，鏈驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)輪的等速方式則取1.5；C2為試件系數(shù)，試件寬為300 mm時(shí)取1.0，從路面切割寬為150 mm的試件則取0.8；N為試驗(yàn)輪往返速度，通常設(shè)置為42次/min.

表1 不同溫度和應(yīng)力水平下車轍試驗(yàn)各評(píng)價(jià)指標(biāo)匯總

2.3 溫度和荷載對(duì)車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響研究

圖2為0.7 MPa荷載條件下五個(gè)車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)隨溫度變化的趨勢(shì)圖.由圖2可知，標(biāo)DS出現(xiàn)了隨溫度升高而變大的現(xiàn)象，這代表隨溫度升高瀝青混合料抗車轍能力增加了，這顯然是不符合實(shí)際的，同時(shí)在其他荷載條件下DS1也出現(xiàn)隨溫度升高而變大的現(xiàn)象；這是因?yàn)閯?dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)僅僅考慮了壓實(shí)穩(wěn)定期的剪切變形速率，忽略了壓實(shí)過渡期產(chǎn)生的變形，會(huì)出現(xiàn)動(dòng)穩(wěn)定度大，車轍深度也大的情況；這也說明動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)于瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)存在一定的局限性.而CI在每個(gè)荷載下隨溫度變化的趨勢(shì)相同，總是隨著溫度的增加而減小，表明隨著溫度的增加瀝青混合料高溫穩(wěn)定性變?nèi)?，更容易產(chǎn)生車轍變形；同時(shí)S和RD在每個(gè)荷載下都隨著溫度的增加而增加，在相同的荷載下，較高的溫度會(huì)產(chǎn)生較大的車轍深度.

圖2 荷載 0.7 MPa條件下車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)隨溫度的變化

圖3為60 ℃溫度條件下五個(gè)車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)隨荷載變化的趨勢(shì)圖.由圖3可知，DS，DS1和CI在同一溫度不同荷載條件下趨勢(shì)相同，總是隨著荷載的增加而減小，表明隨著荷載的增加瀝青混合料高溫穩(wěn)定性變?nèi)?，更容易產(chǎn)生車轍變形；同時(shí)S和RD規(guī)律性較好在同一溫度下都隨著荷載的增加而增加，表明在相同的溫度下，較大的荷載，車轍深度較大.

圖3 60 ℃溫度條件下車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)隨應(yīng)力的變化

2.4 不同車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)的對(duì)比分析

為了評(píng)價(jià)幾種車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性，分別對(duì)DS，DS1，CI，S四大車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)與RD進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果見圖4.

圖4 不同車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)同車轍深度的相關(guān)關(guān)系

由圖4可知，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)、非標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)和綜合穩(wěn)定指數(shù)與車轍深度都呈現(xiàn)出冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系，同時(shí)都隨著車轍深度增加而減??；而變形率與車轍深度呈現(xiàn)出線性相關(guān)關(guān)系，隨著車轍深度增大變形率增大；從相關(guān)系數(shù)可以看出四種車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)和車轍深度都有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均大于90%；其中綜合穩(wěn)定指數(shù)和變形率兩個(gè)車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)與車轍深度的相關(guān)系數(shù)大小相當(dāng)，都在98%左右，大于另外兩個(gè)動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)與車轍深度的相關(guān)系數(shù)，由此說明在室內(nèi)車轍試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合穩(wěn)定指數(shù)和變形率能夠更合理的評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫車轍性能.

3 結(jié) 論

1) 溫度-荷載耦合作用對(duì)混合料車轍發(fā)展影響較大，特別是在高溫以及高荷載條件下其影響更加顯著.

2) 動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)隨溫度和應(yīng)力改變存在異常變化，不能夠比較全面的評(píng)價(jià)瀝青混合料的車轍性能.

3) 綜合穩(wěn)定指數(shù)和變形率兩個(gè)車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)與車轍深度的相關(guān)性較之動(dòng)穩(wěn)定度更好，在室內(nèi)車轍試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合穩(wěn)定指數(shù)和變形率能夠更合理的評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫車轍性能.

[1] 駱妍.基于有限元法的瀝青路面車轍分析[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué),2015.

[2] 張尚龍.基于動(dòng)態(tài)模量的瀝青混合料車轍預(yù)估模型研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2014.

[3] 朱永炅.瀝青路面的車轍研究[J].華東公路,1988(5):386-391.

[4] 徐世法.瀝青路面的車轍深度與行車安全性[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),1994,10(1):47-51.

[5] 陳振富,吳旦,全鋒,等.瀝青路面車轍主要影響因素綜述[J].中外公路,2016,36(4):68-72.

[6] 李輝.瀝青路面車轍形成規(guī)律與溫度場(chǎng)關(guān)系研究[D].南京:東南大學(xué),2007.

[7] 傅志勇.瀝青混合料高溫性能試驗(yàn)方法研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué),2005.

[8] MONISMITH C L, OGAWA N, FREEME C R. Permanent deformation characteristics of subgrade soils due to repeated loading[J]. Transportation Research Record,1975(5):878-884.

[9] ZHU T Y, MA T, HUANG X M, et al. Evaluating the rutting resistance of asphalt mixtures using a simplified triaxial repeated load test[J]. Construction and Building Materials,2016,116:72-78.

[10] 杜順成,戴經(jīng)梁.瀝青混合料永久變形評(píng)價(jià)指標(biāo)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2006,19(5):18-22.

[11] 賈皓杰.瀝青路面高溫車轍形成機(jī)理及評(píng)價(jià)指標(biāo)探討[J].山東交通科技,2014(2):34-36.