符小陽 李家盛 余劍英
(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)
車轍是瀝青路面常見的破壞形式,在發(fā)生早期病害的路面中,車轍所占比例高達80%[1]。瀝青混凝土路面在車輛長期荷載作用下發(fā)生塑性變形,累積起來在路面的豎直方向上即形成車轍。車轍可發(fā)生在道路的各個層次,其影響了道路的行車舒適性,加速了道路的破壞,縮短了道路的使用壽命[2]。隨著我國交通行業(yè)的快速發(fā)展,對道路性能的要求也越來越高,因此進行控制車轍發(fā)生、減小車轍危害的研究十分有必要。許多研究表明,除路面鋪筑材料本身性能與結構影響之外,高溫、低速、重載是產生車轍的重要環(huán)境因素[3]。本文通過灰色關聯度方法,對溫度、速度、荷載3個影響車轍的因素進行研究,為正確認識車轍危害,優(yōu)化交通結構,解決車轍問題提供參考。
采用SBS改性瀝青,玄武巖制作上面層的車轍試件,采用級配為AC-13。瀝青和集料的主要性能見表1,表2。
表1 SBS改性瀝青主要性能指標
表2 玄武巖集料主要性能指標
AC-13集料的篩分結果及配合比見表3,最佳油石比為4.4%。以該配合比,按照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中T0703-2011制作車轍試件進行分析。
表3 AC-13集料篩分結果及其配合比
圖1 AC-13合成級配曲線圖
按照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中T0719-2011方法,選取60 ℃,42 r/min,0.7 MPa為標準試驗條件。通過室內車轍模擬系統(tǒng)探究溫度、荷載、速度對車轍的影響,系統(tǒng)可以同時控制多個實驗參數。當研究某個因素的影響時,其他2個因素保持不變。如探究溫度影響時,荷載強度保持0.7 MPa,輪碾速度保持42 r/min。制作出的車轍試樣經過標準試驗,得到動穩(wěn)定度為7 674次,車轍深度為1.2 mm。
瀝青是一種典型的粘彈性材料,它的強度和模量隨溫度變化很大[4]。在低溫時,瀝青主要呈現彈性特征,因此低溫時因荷載造成的變形會很快恢復。在高溫時瀝青主要呈現粘性特征,瀝青混合料中的瀝青膠漿會軟化流動而造成永久變形,因此在高溫條件下容易形成車轍[5]。我國幅員遼闊,南北溫度差異大,各地的氣溫有明顯的區(qū)別。在炎熱的夏天,局部高溫地區(qū)的地表溫度可達70 ℃以上。瀝青混合料的高溫性能直接決定了路面在高溫下抵抗車轍的能力。
試驗選取了60,65,70,75,80 ℃ 5個溫度,為盡可能反應瀝青路面的真實情況,控制車轍試件的表面溫度為試驗溫度。每個車轍試件在試驗前控溫6 h以上。
不同溫度下的車轍試驗結果見圖2,試驗結果表明溫度對瀝青路面車轍的產生有很大影響。隨著溫度上升,動穩(wěn)定度迅速下降,車轍深度呈指數形式迅速上升。溫度從60 ℃升高到70 ℃,動穩(wěn)定度下降了39%,車轍深度增加了17%。當溫度升高到80 ℃時,動穩(wěn)定度減小了78%,車轍深度增加了200%。這是由于在高溫下瀝青的粘性行為增大,混合料中的瀝青逐漸軟化流動使車轍變形增大。
圖2 不同溫度下的車轍測試結果
行車速度直接影響了荷載在瀝青路面上的作用時間。行車速度越慢,荷載在一個點上停留的時間就越長,形成的車轍就越嚴重。調查結果顯示,在連續(xù)上坡和交叉路口等行車緩慢的地方,車轍病害比平整通暢路面嚴重的多[6]。為研究低速對瀝青路面的影響,本文選取6,12,24,18,42 r/min 5種輪碾速度。
不同輪碾速度下的車轍試驗結果見圖3,試驗結果表明,隨著輪碾速度的降低,車轍深度加大,動穩(wěn)定度降低,整體呈指數形式。當輪碾速度由正常的42 r/min減小到6 r/min時,動穩(wěn)定度減小了81%,車轍深度增加了200%。由瀝青材料的時溫等效原則[7-8]可知,降低行車速度,相當于變相增加了試驗的溫度。而結果呈現的指數規(guī)律也很好地印證了瀝青的時溫等效性。由此可知,重載車輛低速行駛對高速公路的運營有很大影響,不僅影響高速公路上的車流行駛,而且對路面也有很大地負擔,減少路面的使用壽命。因此在連續(xù)上坡和高速出入口等地應設法保證車輛的行進速度。
圖3 不同速度下的車轍測試結果
隨著交通運輸事業(yè)的發(fā)展,超載已是我國各地公路上的普遍現象。荷載強度是形成車轍的重要因素,超載汽車對路面車轍的形成起到了巨大作用[9]。資料顯示,我國高速公路運營中超載車輛比例很高,且超載量特別大,最高可達300%。根據廣東省具有典型車轍病害的高速公路軸載調查結果顯示,各軸載類型車輛的輪胎胎壓小于0.7,0.7~0.8,0.8~0.9,0.9~1.0,1.0~1.1,>1.1 MPa的比例分別占35.9%,22.3%,24.2%,18.9%,14.5%,1.7%。
當胎壓小于0.7 MPa時對瀝青路面的作用很小,而胎壓大于1.1 MPa的車輛在交通運輸中所占的比重很小。因此本次試驗選擇0.7,0.8,0.9,1.0,1.1 MPa 5個荷載強度進行試驗。
不同荷載下的車轍試驗結果見圖4,試驗結果表明荷載對瀝青路面的影響基本呈線性趨勢。當胎壓從0.7 MPa升高到1.1 MPa時,動穩(wěn)定度下降了37%,車轍深度增加了50%。因此超載對瀝青路面的影響相當嚴重,在公路運營當中應該嚴格控制。
圖4 不同荷載下的車轍測試結果
灰色關聯度分析即應用關聯度分析灰色系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)之間關系的數據分析方法。通過一定的數據處理,尋找各個子系統(tǒng)或因素之間的關系。關聯度反應了因素之間在發(fā)展過程中的關聯程度,在發(fā)展過程中,若2個因素的變化趨勢一致,則兩者的聯系較高。
灰色關聯度分析法一般分為以下步驟:①確定反映系統(tǒng)行為特征的參考數列和影響系統(tǒng)行為的比較數列;②對參考數列和比較數列進行量綱為一的量化處理;③求參考數列與比較數列的灰色關聯系數;④求關聯度;⑤對關聯度排序。
匯聚將試驗原始數據見表4。
表4 灰色關聯度原始數據
做均一化處理,得到結果見表5。
表5 均一化處理結果
選擇動穩(wěn)定度為參考序列,溫度、荷載、速度為比較數列,求出差序列。選取差序列中的雙重最值,帶入公式(1)中,分辨系數δ取0.5。
(1)
得到關聯度,最后將同一序列的關聯度取平均值,作為這個序列的關聯度。通過計算,溫度與動穩(wěn)定度的關聯度為0.759,胎壓與動穩(wěn)定度的關聯度為0.769,輪碾速度與動穩(wěn)定度的關聯度為0.724。
將車轍深度選為參考序列,溫度、、荷載、速度為比較數列,重復以上計算過程。得到結果為溫度與車轍深度的關聯度為0.902,胎壓與車轍深度的關聯度為0.872,輪碾速度與車轍深度的關聯度為0.790。
通過灰色關聯度分析發(fā)現,溫度、荷載強度和輪碾速度與車轍的關聯度都很高。對于動穩(wěn)定度三者的關聯度由大到小順序為:荷載強度>溫度>輪碾速度,對于車轍深度三者的關聯度大小順序為:溫度>荷載強度>輪碾速度。綜合來看,溫度對車轍變形的影響與荷載強度相當,輪碾速度對車轍變形的影響最小。
通過相關實驗可知,瀝青路面車轍病害的形成除瀝青混合料自身結構與性能等因素之外,與溫度、荷載、速度等環(huán)境因素也有很大關系。高溫、重載、低速都是導致車轍變形增加的重要原因。
通過灰色關聯度分析,可發(fā)現在幾種影響車轍的環(huán)境因素中,對于動穩(wěn)定度的關聯度由大到小順序為:荷載強度>溫度>輪碾速度,對于車轍深度的關聯度大小順序為:溫度>荷載強度>輪碾速度。溫度和荷載強度的關聯度相差不大,而輪碾速度的關聯度明顯小于前兩者。因此在道路交通管理當中,應將超載車輛作為重點管理對象,同時合理安排在高溫天氣下的貨物運輸。
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