張芳超， 劉玉恒， 張賢明

(1.公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 河南 新鄉(xiāng) 453003； 2.河南省高遠(yuǎn)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司， 河南 新鄉(xiāng) 453003；3.河南省高等級(jí)公路檢測(cè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 新鄉(xiāng) 453003)

瀝青路面車轍的產(chǎn)生機(jī)理是瀝青混合料在豎直方向上承受車輛反復(fù)荷載作用產(chǎn)生的永久變形累積。眾所周知，高溫是瀝青路面產(chǎn)生車轍最主要最直接的原因。在一定荷載作用下，存在一個(gè)特殊的臨界溫度，本文定義為高溫臨界溫度，若超過(guò)此溫度界限，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性將瞬間被削弱，可能一次較小的車輪荷載就會(huì)產(chǎn)生很大的車轍變形。高溫臨界溫度，即使瀝青混合料高溫穩(wěn)定性指標(biāo)發(fā)生驟降的臨界溫度，本文的主要目的是確定一種真正適合用于確定高溫臨界溫度的試驗(yàn)方法，為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)[1-2]。

Brues Marshall提出的馬歇爾試驗(yàn)至今依然是國(guó)內(nèi)外瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，但馬歇爾試驗(yàn)過(guò)程中試件內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)極為復(fù)雜，很難評(píng)價(jià)其與實(shí)際路面受力狀態(tài)的相關(guān)性[2]。岳學(xué)軍等[3]通過(guò)單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)操作及結(jié)果處理較為容易，但不同條件下試驗(yàn)結(jié)果差異較大。任瑞等[4]認(rèn)為單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)可以較好地模擬面層的實(shí)際變形情況，但其受力圖示較難體現(xiàn)混合料的側(cè)向壓力，單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)難以反映粗集料的骨架作用。張?jiān)Ｇ涞萚5]采用三軸重復(fù)荷載蠕變?cè)囼?yàn)從流變次數(shù)和斜率方面分析了混合料的高溫性能，但其設(shè)備要求高，試驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用較少。劉宴榮等[6]認(rèn)為普通車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)僅考慮了車轍板試件后15 min的永久變形率，缺乏對(duì)最大永久變形量的考慮。許嚴(yán)等[7]通過(guò)對(duì)比分析，提出運(yùn)用單軸貫入剪切試驗(yàn)研究瀝青混合料的永久變形，可以很好地顯示出瀝青混合料的三階段變形。傅志勇[8]根據(jù)SHRP中簡(jiǎn)單剪切試驗(yàn)，考察了瀝青混合料高溫永久變形的過(guò)程，雖更有效地模擬了混合料在路用狀態(tài)下的受力破壞形式，但這種簡(jiǎn)單剪切試驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)際路面車轍情況相關(guān)性并不理想，存在試驗(yàn)設(shè)備昂貴、操作方法復(fù)雜等局限性。謝軍等[9]開發(fā)了中空?qǐng)A柱體試件的扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)，該試驗(yàn)法向和剪切應(yīng)力都是均勻分布，適用于研究瀝青混合料動(dòng)態(tài)特性，但扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)同樣受試驗(yàn)條件的限制，難以推廣運(yùn)用。長(zhǎng)安大學(xué)馮振剛等[10]基于美國(guó)足尺路面的經(jīng)驗(yàn)，研究傳感器的布設(shè)方案，評(píng)價(jià)瀝青路面的路用性能，其最能反映實(shí)際路面的車轍形成過(guò)程，便于分析，但試驗(yàn)成本高，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，不易開展。王家主[11]針對(duì)高硫高瀝青質(zhì)瀝青混合料的三軸圍壓動(dòng)態(tài)模量進(jìn)行研究，得出E/sin σ值與路面永久變形的相關(guān)性較好，適用于評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。

本文著重對(duì)比分析馬歇爾試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)和三軸圍壓動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，確定瀝青路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生車轍的高溫臨界溫度評(píng)價(jià)方法，為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

1 試件制備和試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試件制備

本試驗(yàn)芯樣取于特定高速公路路段(已通車10 a)，經(jīng)實(shí)地調(diào)查，對(duì)于出現(xiàn)車轍的路段，采用可調(diào)節(jié)芯樣高度的瀝青混合料取芯機(jī)，分別在1、1.5、2 cm車轍深度位置取圓柱形芯樣，經(jīng)試驗(yàn)室處理只保留路面上、中面層(5 cmAC-16C+6 cmAC-20C瀝青混凝土)作為試驗(yàn)試件，試件高度為9～10 cm，如圖1和圖2所示。

圖1 路面實(shí)際取芯位置示意圖

圖2 不同車轍深度芯樣試件

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

本文所選試驗(yàn)在相同條件下依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)規(guī)定的平行試件進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。由于馬歇爾試驗(yàn)和單軸貫入強(qiáng)度試驗(yàn)離散性較大，試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，以其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，各需有效芯樣45個(gè)；而三軸圍壓動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)離散性較小，不同車轍深度的試件已達(dá)到平行試驗(yàn)的效果，需有效芯樣75個(gè)。試驗(yàn)前剔除不合格試件，即本次研究現(xiàn)場(chǎng)共取有效芯樣165個(gè)。

1.2.1馬歇爾試驗(yàn)

根據(jù)ASTM D1559，對(duì)不同車轍深度芯樣試件進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度和流值試驗(yàn)。馬歇爾穩(wěn)定度，單位為kN;其對(duì)應(yīng)的變形稱為流值，單位為0.1 mm。

1.2.2三軸圍壓動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

本試驗(yàn)依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的瀝青混合料單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)方法，測(cè)試設(shè)備為MTS-LandMark伺服液壓動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)，另加設(shè)圍壓施加系統(tǒng)，為試驗(yàn)提供各級(jí)圍壓。參考NCHRP9-19的試驗(yàn)方法，采用圍壓為138 kPa，試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 三軸圍壓動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)裝置圖

1.2.3單軸貫入強(qiáng)度試驗(yàn)

單軸貫入試驗(yàn)與路面結(jié)構(gòu)的受力極為相似，對(duì)試件進(jìn)行加壓，記錄試驗(yàn)過(guò)程中最大破壞荷載強(qiáng)度，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 馬歇爾試驗(yàn)

不同車轍深度的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果隨溫度的變化規(guī)律如圖5和圖6所示。

圖5 馬歇爾穩(wěn)定度隨溫度的變化規(guī)律

圖6 流值隨溫度的變化規(guī)律

由圖5和圖6可知：

1)不同車轍深度的馬歇爾穩(wěn)定度隨溫度的增加不斷減小，這是由于隨著溫度的升高瀝青膠結(jié)料的黏度逐漸降低，致使試件承受破壞荷載的能力降低。同時(shí)不同車轍深度的流值隨溫度升高而增大，這是因?yàn)殡S著瀝青膠結(jié)料黏度降低，試件的抗變形能力減弱。

2)在相同溫度下，隨著車轍深度的增加，出現(xiàn)了穩(wěn)定度不斷減小而流值顯著增大的現(xiàn)象，這是由于瀝青混合料首先被壓密，進(jìn)而網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，最后向失穩(wěn)型車轍轉(zhuǎn)變?cè)斐傻摹?/p>

3)車轍深度為1、1.5、2 cm時(shí),相鄰節(jié)點(diǎn)溫度的馬歇爾穩(wěn)定度最多，僅分別降低了10.0%、12.1%和10.8%;流值僅分別增加了15.0%、13.1%和13.7%。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，穩(wěn)定度和流值都無(wú)失效式突變，這是因?yàn)轳R歇爾試驗(yàn)試件的受力狀態(tài)與路面瀝青混合料的三向受力相差甚遠(yuǎn)，2個(gè)指標(biāo)對(duì)溫度的變化極為不敏感，不適宜作為確定高溫臨界溫度的方法。

2.2 三軸圍壓動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

將不同車轍深度的三軸圍壓動(dòng)態(tài)模量進(jìn)行整理，不同頻率下動(dòng)態(tài)模量隨溫度的變化趨勢(shì)如圖7～9所示。

圖7 1 cm車轍深度處動(dòng)態(tài)模量的變化規(guī)律

圖8 1.5 cm車轍深度處動(dòng)態(tài)模量的變化規(guī)律

圖9 2.5 cm車轍深度處動(dòng)態(tài)模量的變化規(guī)律

在不同車轍深度部位，對(duì)比不同頻率下三軸圍壓動(dòng)態(tài)模量隨溫度的變化規(guī)律可得：

1)在一定車轍深度位置，不同頻率下的三軸圍壓動(dòng)態(tài)模量均隨著溫度增加而不斷減小，這是由于瀝青混合料是典型的黏、彈塑性材料，隨著溫度升高，強(qiáng)度和剛度均有不同程度減弱，即動(dòng)態(tài)模量不斷減小。另外，在相同溫度和相同頻率下，動(dòng)態(tài)模量隨著車轍深度增加而減小，造成這種現(xiàn)象的最直接原因是隨著車轍深度增加瀝青混合料的骨架結(jié)構(gòu)嵌擠力殘值不斷減小，動(dòng)態(tài)模量值相應(yīng)減小。

2)在相同試驗(yàn)溫度條件下，動(dòng)態(tài)模量變化趨勢(shì)與加載頻率成正比，即隨加載頻率增加而增大，主要原因是瀝青混合料的黏性特性隨加載頻率增加而減弱，相反彈性特性增強(qiáng)，動(dòng)態(tài)模量增大。

3)雖然三軸圍壓動(dòng)態(tài)模量隨溫度增大表現(xiàn)出不斷減小趨勢(shì)，但是3種不同車轍深度位置的動(dòng)態(tài)模量在一定溫度范圍內(nèi)變化幅度很小，同樣沒(méi)有失效式突變。一定加載頻率范圍內(nèi)，相鄰節(jié)點(diǎn)溫度下的動(dòng)態(tài)模量最大僅降低10%左右。在三軸圍壓條件下，動(dòng)態(tài)模量指標(biāo)對(duì)溫度的變化較為不敏感，所以此試驗(yàn)很難作為確定高溫臨界溫度的方法。

2.3 單軸貫入強(qiáng)度試驗(yàn)

為方便對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算與分析，采取試驗(yàn)過(guò)程中極值點(diǎn)強(qiáng)度作為瀝青混合料抗剪強(qiáng)度，不同車轍深度位置芯樣的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律較為一致，如圖10所示。

圖10 單軸貫入強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律

由圖10的變化規(guī)律可知：

1)在3個(gè)不同車轍深度位置處，試件的抗剪強(qiáng)度均隨著溫度的升高而降低，這是由于隨著溫度升高，瀝青混合料黏聚力不斷減小，最大剪應(yīng)力逐漸降低，抵抗破壞的能力減弱。

2)設(shè)1、1.5、2 cm車轍深度處芯樣抗剪強(qiáng)度分別為R1、R1.5和R2，在相同溫度下，不同車轍深度處芯樣抗剪強(qiáng)度大小排序?yàn)椋篟1>R1.5> R2。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明，隨著車轍深度增大，瀝青混合料的內(nèi)摩擦角減小、集料間的嵌擠作用越來(lái)越弱，相應(yīng)抗剪強(qiáng)度不斷減小。

3)在抗剪強(qiáng)度隨溫度升高逐漸變小的趨勢(shì)中，在50 ℃處均出現(xiàn)失效式突變，即瀝青混合料抵抗破壞的能力在50 ℃處瞬間失效嚴(yán)重，這與瀝青路面在一定臨界溫度下突然產(chǎn)生車轍的現(xiàn)象一致，即本試驗(yàn)確定的車轍產(chǎn)生臨界溫度為50 ℃。造成這種一致性現(xiàn)象的原因有：①單軸貫入試驗(yàn)試件內(nèi)部剪應(yīng)力分布與實(shí)際輪載下剪應(yīng)力分布極為相似；②試驗(yàn)過(guò)程中試件周邊瀝青混合料可對(duì)壓頭下部瀝青混合料產(chǎn)生側(cè)向約束，其與路面性能相關(guān)性較大。所以單軸貫入強(qiáng)度試驗(yàn)較適宜作為確定路面結(jié)構(gòu)層臨界溫度的評(píng)價(jià)方法。

3 結(jié)論

對(duì)不同車轍深度位置處的芯樣進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)、三軸圍壓動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1)不同車轍深度的馬歇爾穩(wěn)定度隨溫度增加不斷減小，流值隨溫度升高而增大，瀝青膠結(jié)料的黏度逐漸降低，抵抗荷載能力變形能力減弱；在相同溫度下，隨著車轍深度增加，出現(xiàn)了穩(wěn)定度不斷減小而流值則顯著增大的現(xiàn)象，預(yù)示著瀝青混合料的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，進(jìn)而向失穩(wěn)型車轍轉(zhuǎn)變。

2)不同頻率下的三軸圍壓動(dòng)態(tài)模量均隨著溫度增加而不斷減小，強(qiáng)度和剛度均有不同程度減弱；在相同溫度和相同頻率下，動(dòng)態(tài)模量隨著車轍深度增加而減小，骨架結(jié)構(gòu)嵌擠力殘值不斷減?。辉谙嗤囼?yàn)溫度條件下，動(dòng)態(tài)模量變化趨勢(shì)與加載頻率成正比，即瀝青混合料彈性特性增強(qiáng)，動(dòng)態(tài)模量增大。

3)不同車轍深度位置處，試件的抗剪強(qiáng)度均隨著溫度升高而降低，抵抗破壞的能力隨之減弱；車轍深度越大，瀝青混合料的內(nèi)摩擦角越小、集料間的嵌擠作用越弱，相應(yīng)抗剪強(qiáng)度不斷減小。

4)在一定溫度范圍內(nèi)，馬歇爾試驗(yàn)和三軸圍壓動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)的各項(xiàng)指標(biāo)隨溫度的變化較為平緩，而單軸貫入強(qiáng)度在50℃時(shí)發(fā)生失效式突變，符合實(shí)際路面產(chǎn)生車轍的現(xiàn)象，所以單軸貫入強(qiáng)度試驗(yàn)更適合作為確定路面結(jié)構(gòu)層臨界溫度評(píng)價(jià)方法。