江紅

(安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230008)*

近幾年我國(guó)的高速公路已經(jīng)從單純的建設(shè)期進(jìn)入建管并重的階段，高效的、經(jīng)濟(jì)的養(yǎng)護(hù)決策受到越來(lái)越多的關(guān)注.由于養(yǎng)護(hù)決策對(duì)于路面材料性能評(píng)估的依賴性較高，提出和改進(jìn)路面材料評(píng)估試驗(yàn)和指標(biāo)意義重大.在瀝青混合料高溫性能方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的相關(guān)研究，涉及漢堡車轍試驗(yàn)、高溫蠕變?cè)囼?yàn)及多級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)等.首先，在漢堡車轍試驗(yàn)方面，栗培龍等[1]從水溫兩個(gè)角度分析了漢堡車轍試驗(yàn)的試驗(yàn)條件和成型方式，認(rèn)為旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件可以替代板式試件進(jìn)行試驗(yàn)，并針對(duì)不同等級(jí)瀝青和改性瀝青提出了相應(yīng)的試驗(yàn)溫度；劉至飛等[2]采用實(shí)際板式芯樣進(jìn)行漢堡車轍試驗(yàn)，研究了車轍發(fā)展曲線的斜率和反彎點(diǎn)，認(rèn)為松散病害越嚴(yán)重的區(qū)域，試件的抗車轍和抗水損壞性能越差；行車道芯樣在后期的破壞較路肩芯樣迅速.其次，動(dòng)態(tài)模量作為一種瀝青混合料基本指標(biāo)，在粘彈性分析和瀝青老化評(píng)價(jià)方面較為重要[3].徐志榮等[4]基于靜壓成型的瀝青混合料試件和無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)測(cè)試方法，對(duì)比分析了不同加載頻率和應(yīng)力水平對(duì)動(dòng)態(tài)模量的影響，完善了動(dòng)態(tài)模量測(cè)試方法；對(duì)于多級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)的研究方面，張泉等[5]參考美國(guó)versys手冊(cè)，采用5級(jí)應(yīng)力的加載模式進(jìn)行單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，研究了瀝青混合料永久變形的組成并建立了其隨時(shí)間的變形公式；張爭(zhēng)奇等[6]進(jìn)行了瀝青混合料重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)，采用先旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型后取芯的方法獲取試件，研究了不同結(jié)構(gòu)組合對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，提出了相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo).從以上三種試驗(yàn)來(lái)看，漢堡車轍試驗(yàn)較為成熟，發(fā)展時(shí)期較長(zhǎng)，但其采用鋼輪的加載模式具有本質(zhì)上的系統(tǒng)缺陷，且加載時(shí)混合料的圍壓與路面情況不符，而蠕變?cè)囼?yàn)可以采用較小的壓頭，進(jìn)行多種頻率，多種間歇時(shí)間的加載，更加廣泛的模擬路面實(shí)際車輛行駛情況.目前針對(duì)于芯樣的蠕變?cè)囼?yàn)較少，且加載應(yīng)力和試驗(yàn)溫度也沒有明確的規(guī)定.

因此，本文基于瀝青混合料蠕變?cè)囼?yàn)，采用局部50 cm小壓頭，編寫多應(yīng)力級(jí)別加載程序，針對(duì)路面芯樣進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)整體和分層芯樣進(jìn)行高溫性能評(píng)價(jià)，利用試驗(yàn)指標(biāo)分析路面芯樣的三階段性能，成功用于某高速公路路面材料的高溫性能評(píng)價(jià).

1 試驗(yàn)方案

1.1 芯樣信息

本次試驗(yàn)的試件取自某高速公路六個(gè)不同路段，共三種結(jié)構(gòu)類型，皆為雙層改性瀝青，直徑150 mm.收集各路段的車轍信息，用于分析路用性能和材料之間的關(guān)系，具體路段信息見表1.

表1 芯樣路段信息

1.2 試驗(yàn)方法

由于實(shí)際路面在使用過(guò)程中承受不同軸重的車輛荷載，且上中下面層受力情況也不盡相同.由此可知以往的室內(nèi)試驗(yàn)存在兩大缺陷：一是忽略上中下層位實(shí)際受荷載的不同；二是試驗(yàn)荷載水平與軸載水平對(duì)應(yīng)關(guān)系不明確.基于此，本研究利用多層彈性體系數(shù)值模擬的方法，確定了不同層位的荷載水平，并參考路面管理系統(tǒng)中的真實(shí)軸載譜信息(見圖1)，通過(guò)式(1)——軸載和應(yīng)力的換算，得到六級(jí)不同的應(yīng)力水平，分別是：上面層為0.6～1.1 MPa，中面層為0.5～1.0 MPa，下面層為0.4～0.9 MPa.

軸載和應(yīng)力的換算公式：

(1)

式中，σi是軸重qi(單位：kN)下的輪胎接地壓力(單位：kPa)；σs是標(biāo)準(zhǔn)軸重100kN下的輪胎接地壓力，即700 kPa.

參考董尼婭等的試驗(yàn)方法[7-8]，加載設(shè)備為UTM-25，加載模式為伺服加載，應(yīng)力曲線為半正弦波，脈沖時(shí)長(zhǎng)0.1 s，間歇時(shí)間0.9 s，采用先單一應(yīng)力預(yù)加載后多級(jí)應(yīng)力循環(huán)加載的模式.部分試驗(yàn)條件如下：加載次數(shù)為1 000，預(yù)加載應(yīng)力為0.7 MPa整體溫度為62℃，分層溫度為上面層62℃、中面層58℃、下面層52℃.加載時(shí)在壓頭之下鋪一層聚酯乳膠墊，以減小壓頭周圍的環(huán)箍效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響.

2 試驗(yàn)相關(guān)原理

2.1 蠕變?nèi)A段曲線

圖2是典型的(0.7 MPa，60℃)重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)中材料的累計(jì)應(yīng)變及永久應(yīng)變率的三階段發(fā)展趨勢(shì).如圖中粗線所示，在蠕變初期，混合料的累積永久變形可以近似為發(fā)展速度不斷下降的冪函數(shù)；在蠕變穩(wěn)定期，累積永久變形則基本呈線性增加；當(dāng)進(jìn)入了蠕變加速期，累積永久變形則出現(xiàn)指數(shù)型增長(zhǎng).相應(yīng)的，累積永久變形的一階導(dǎo)數(shù)即為永久應(yīng)變率，代表了變形速度的快慢.本文主要利用應(yīng)變率三階段曲線進(jìn)行分析.

2.2 試驗(yàn)指標(biāo)

本試驗(yàn)加載分為兩個(gè)階段：預(yù)加載與正式加載.為簡(jiǎn)潔直觀起見，本文基于應(yīng)變率提出兩個(gè)指標(biāo)：預(yù)加載階段的平均永久應(yīng)變率(簡(jiǎn)稱平均永久應(yīng)變率)和正式加載階段的復(fù)合平均永久應(yīng)變率(簡(jiǎn)稱復(fù)合平均永久應(yīng)變率).此外，基于材料在荷載作用下的抗變形能力，提出了復(fù)合蠕變勁度模量指標(biāo).相關(guān)定義如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 各路段車轍發(fā)展規(guī)律

路面的車轍是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，如果不進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，車轍會(huì)隨著年份的增長(zhǎng)而不斷加深.以往研究表明，路面車轍增長(zhǎng)呈現(xiàn)先加速后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)[9-10]，其內(nèi)部成因與路面荷載和材料性能有關(guān)，為了分析車轍與荷載的關(guān)系，查詢路面管理系統(tǒng)，獲得各個(gè)路段車轍隨年份的增長(zhǎng)規(guī)律，見圖3.

從圖3(a)可以看出，軸載作用次數(shù)在2016年和2017年增長(zhǎng)速率放緩，路段1、2、3甚至出現(xiàn)下降趨勢(shì).路段4呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，路段5和路段6保持穩(wěn)定.車轍增長(zhǎng)的本質(zhì)主要是軸載次數(shù)的累積.

從圖3(b)可以看出，車轍深度隨著年份增加而增大.該高速?gòu)?010～2018年的車轍呈較快的增長(zhǎng)趨勢(shì)，在2017～2018年初步達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài).為統(tǒng)一車轍和當(dāng)量軸次之間的關(guān)系，以路段1為例，查詢樁號(hào)為K148+500從2010～2018年的車轍，將當(dāng)量軸載次數(shù)歸一化，即轉(zhuǎn)換為每萬(wàn)次當(dāng)量軸載車轍增長(zhǎng)量，結(jié)果見圖3(c).從圖中可以看出，每萬(wàn)次當(dāng)量軸載車轍增長(zhǎng)量隨著通車時(shí)間的增加，從較高的增長(zhǎng)量逐漸趨于穩(wěn)定，說(shuō)明宏觀的車轍增長(zhǎng)趨勢(shì)也符合瀝青混合料蠕變前兩階段，存在壓密階段向穩(wěn)定階段過(guò)渡的拐點(diǎn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了本試驗(yàn)的可行性.但實(shí)際上，當(dāng)車轍增長(zhǎng)到較大值，比如超過(guò)15 mm時(shí)，養(yǎng)護(hù)部門便會(huì)對(duì)其實(shí)施養(yǎng)護(hù)，所以路面實(shí)際車轍往往不會(huì)出現(xiàn)第三階段.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 整體芯樣試驗(yàn)結(jié)果

圖4(a)是各路段兩個(gè)位置處的整體芯樣在預(yù)加載階段內(nèi)的平均永久應(yīng)變率.從圖中可知，除路段1之外，其余路段輪跡帶處的平均永久應(yīng)變率均小于其對(duì)應(yīng)路肩處的.由于路肩處所承受的交通軸載要遠(yuǎn)小于行車道，也就意味著行車道處的混合料被壓密的程度大于路肩處，尤其是在輪跡帶處.一般認(rèn)為，路肩與輪跡帶的差值越大，輪跡帶的壓密階段進(jìn)行的越徹底.圖4(b)是在多序列加載階段整體芯樣的復(fù)合平均永久應(yīng)變率.可知，與預(yù)加載階段內(nèi)的平均永久應(yīng)變率相似，多序列加載階段內(nèi)的復(fù)合平均永久應(yīng)變率依然在路肩處較大.復(fù)合平均永久應(yīng)變率未考慮材料在加載初期的塑性變形，而復(fù)合蠕變勁度模量的計(jì)算則包含了這部分變形.在衡量材料的高溫性能時(shí)，兩個(gè)指標(biāo)可以相互補(bǔ)充、相互印證.

綜上，路段1的輪跡帶應(yīng)變率大于路肩，可能存在某面層高溫性能不良的情況，但總體應(yīng)變率數(shù)值較小，高溫性能較為良好.

3.2.2 分層芯樣試驗(yàn)結(jié)果

整體芯樣的結(jié)果分析認(rèn)為：多級(jí)加載的局部動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)可以較為直觀的得到瀝青混合料蠕變?nèi)A段，通過(guò)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果得到的閾值與三階段有較好的相關(guān)性.由于瀝青路面的車轍與材料的高溫性能息息相關(guān)，為了探究車轍與蠕變?cè)囼?yàn)指標(biāo)之間的相關(guān)性，進(jìn)而得到以車轍為自變量的瀝青混合料蠕變?nèi)A段分界點(diǎn)，將各個(gè)芯樣對(duì)應(yīng)的車轍作為橫坐標(biāo)，各蠕變?cè)囼?yàn)指標(biāo)作為縱坐標(biāo)，以分層試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，得到圖5～圖7.

(1)上面層

從圖5中可以看出，輪跡帶處芯樣的三大指標(biāo)與路肩有明顯區(qū)別.輪跡帶處應(yīng)變率小于路肩，模量大于路肩，符合壓密理論.當(dāng)車轍為6.5 mm時(shí)，平均永久應(yīng)變率和復(fù)合永久應(yīng)變率較大，說(shuō)明此時(shí)的瀝青混合料處于壓密階段初期，預(yù)加載不足以覆蓋全部的壓密階段，正式加載中包含了壓密階段.通過(guò)分析，可以認(rèn)為車轍為7～10 mm的芯樣均處于蠕變穩(wěn)定階段，芯樣車轍為10.5 mm所在的位置為路段1，上面層高溫性能嚴(yán)重衰退，已經(jīng)進(jìn)入蠕變第三階段，其平均永久應(yīng)變率與復(fù)合永久應(yīng)變率均超過(guò)路肩.從圖中可以推斷，車轍在7 mm之前，芯樣上面層處于壓密階段，當(dāng)車轍超過(guò)10 mm以后，芯樣上面層高溫性能出現(xiàn)下降趨勢(shì).

(2)中面層

從圖6中可以看出，車轍越大，其平均永久應(yīng)變率越小，進(jìn)一步佐證壓密作用.注意到車轍為7、7.5 mm的芯樣預(yù)加載階段的應(yīng)變率較大，而正式加載階段的復(fù)合平均永久應(yīng)變率較小，說(shuō)明其仍然處于壓密階段，由于預(yù)加載的應(yīng)變率較大，導(dǎo)致復(fù)合蠕變勁度模量較小.從復(fù)合平均永久應(yīng)變率的趨勢(shì)圖中可以看出，曲線呈現(xiàn)兩頭較大，中間較小的形態(tài)，說(shuō)明車轍為10.3 mm的芯樣中面層高溫性能出現(xiàn)一定衰減，但不顯著.其原因是中面層受環(huán)境和荷載影響沒有上面層明顯，其高溫性能的衰減速率慢于上面層.從圖中可以推斷，車轍在7.5 mm之前，芯樣中面層處于壓密階段，當(dāng)車轍超過(guò)10.5 mm以后，芯樣中面層高溫性能出現(xiàn)下降趨勢(shì).

(3)下面層

從圖7中可以看出，由于下面層受荷載和環(huán)境影響小，輪跡帶處芯樣的三大指標(biāo)數(shù)值總體接近路肩.從預(yù)加載階段的平均應(yīng)變率來(lái)看，在車轍為9.75 mm之后，下面層的壓密過(guò)程進(jìn)行的較為徹底，復(fù)合平均永久應(yīng)變率也存在類似規(guī)律.車轍為7.5 mm的芯樣(路段2)復(fù)合平均永久應(yīng)變率出現(xiàn)突變，其輪跡帶和路肩的應(yīng)變率均較高，原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，三個(gè)平行試件，兩個(gè)應(yīng)變率超過(guò)30με/cycle，可能是由于施工質(zhì)量引起的.從圖中可以推斷，車轍在9 mm之前，芯樣下面層處于壓密階段，當(dāng)車轍超過(guò)10 mm以后，芯樣下面層高溫性能出現(xiàn)下降趨勢(shì).

綜上所述，可以認(rèn)為，上面層芯樣進(jìn)入穩(wěn)定階段的拐點(diǎn)車轍是7 mm，進(jìn)入破壞階段的車轍是10mm；中面層進(jìn)入穩(wěn)定階段的拐點(diǎn)車轍是7.5mm，進(jìn)入破壞階段的車轍是10.5 mm；下面層進(jìn)入穩(wěn)定階段的拐點(diǎn)車轍是9 mm，進(jìn)入破壞階段的車轍有待進(jìn)一步研究.本次芯樣試驗(yàn)結(jié)果上中面層拐點(diǎn)區(qū)別不明顯，以上歸納為表2，也可根據(jù)此結(jié)論制定養(yǎng)護(hù)方案.

表2 各面層高溫性能分布情況

4 結(jié)論

(1)本研究創(chuàng)新性地提出了多級(jí)局部加載蠕變?cè)囼?yàn)方法和指標(biāo)，分析了輪跡帶和路肩處芯樣的蠕變?nèi)A段，驗(yàn)證了三大指標(biāo)：平均永久應(yīng)變率、復(fù)合平均永久應(yīng)變率和復(fù)合蠕變勁度模量的有效性，可為瀝青路面材料高溫性能評(píng)價(jià)提供一種新的試驗(yàn)方法；

(2)利用車轍與試驗(yàn)指標(biāo)之間的關(guān)系，基于材料蠕變?nèi)A段的分析，得到了以宏觀車轍為指標(biāo)的路面材料高溫穩(wěn)定性三階段分界點(diǎn)，可為路面養(yǎng)護(hù)決策提供一種新的支撐和依據(jù).