趙應(yīng)芳

(甘肅省隴南市成縣交通運(yùn)輸局 隴南 742500)

引言

根據(jù)《交通運(yùn)輸服務(wù)決勝全面建成小康社會開啟全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家新征程三年行動計(jì)劃(2018—2020年)》具體指示：截至2019年，全國公路里程已達(dá)484.65萬公里，其中高速公路達(dá)14.26萬公里，公路里程數(shù)遠(yuǎn)超各國成為世界第一。隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，也由此發(fā)生了重超、超載現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來超重超載車輛逐年增加。超重、超載車輛大多數(shù)為貨運(yùn)車輛，并占據(jù)滿載車輛的80%，其超載率可達(dá)到60%～200%，更有甚者超載率可達(dá)到300%[1-2]。超載汽車對于瀝青路面的破壞是嚴(yán)重的，其原因主要是由于汽車荷載軸重越大對于瀝青路面的疲勞損傷也就越嚴(yán)重，軸重增加也會使得瀝青路面的彈性變形增大，最終導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生形變破壞[3-4]。瀝青路面設(shè)計(jì)能夠承受的彈性形變作用次數(shù)大幅值減少，軸重的增加將直接導(dǎo)致路面壽命縮減。由此，許多研究人員對瀝青路面面層材料的抗車轍能力、抗磨耗與透水性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。其中張雪彤[5]對干線公路中路面使用性能進(jìn)行了研究，并對瀝青路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性進(jìn)行了分析，提出保證干線公路的正常交通與提升其性能與壽命具有極大的科學(xué)意義?？飶?qiáng)等[6]通過漢堡車轍儀對瀝青路面的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了正交試驗(yàn)以及方差分析，并檢驗(yàn)了瀝青瑪蹄脂碎石混合料高溫穩(wěn)定性影響因素。最終結(jié)果顯示：不同因素對混合料高性能的影響差異較大，環(huán)境>級配(粗細(xì))>溫度>木質(zhì)素纖維摻量，其中，在不同級配混合料中，高溫性能優(yōu)劣依次為粗>中>細(xì)，并提出瀝青瑪蹄脂碎石混合料均具備較好的高溫穩(wěn)定性，具備較好的路用性能與重載穩(wěn)定性。姚亮[7]對瀝青路面的結(jié)構(gòu)和瀝青路面材料受到的具體影響進(jìn)行了研究，提出荷載是導(dǎo)致瀝青路面損壞的主要因素，并對瀝青路面設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，討論了損害設(shè)計(jì)、層間設(shè)計(jì)、厚度設(shè)計(jì)等。周陶宏[8]針對重載瀝青路面進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析，通過研究瀝青路面的車轍以及裂縫等病害，分析得出典型結(jié)構(gòu)在不同軸重下的彎沉、拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及路面結(jié)構(gòu)的損傷情況。王永斌等[9]針對不同級配、不同高模量瀝青混合料進(jìn)行了車轍、四點(diǎn)彎曲、低溫小梁、凍融等路用性能試驗(yàn)，分析高模量劑瀝青混合料路用性能的影響。寧金成等[10]利用ABAQUS有限元分析軟件，分析了重荷載水平力對瀝青路面使用的影響，結(jié)果表明水平力對于彎沉、拉壓應(yīng)變、車轍等的影響各不相同，其中無論哪種水平力的作用,拉應(yīng)變在水平力背向一側(cè)的車輪荷載邊緣取得最大值。孟繁民[11]通過對瀝青混凝土路面在各個地區(qū)的調(diào)查分析可知，車轍對瀝青路面的破壞嚴(yán)重，并針對一些較大的車轍病害進(jìn)行了具體分析，探究了如果沒有及時處理車轍病害將造成的嚴(yán)重后果。翟佩琪等[12]對于瀝青路面在不同材料下的車轍病害進(jìn)行了分析，其中對瀝青路面的強(qiáng)度、剛度以及平整度等進(jìn)行了分析和試驗(yàn)，得到了一些有利于減少車轍病害發(fā)生的方法和有效的防治措施，從而可延長瀝青路面的使用壽命。

以上學(xué)者對于瀝青路面的各類路用性能進(jìn)行了研究，包括對干線公路的現(xiàn)場考察、室內(nèi)試驗(yàn)、有限元數(shù)值模擬分析、理論分析等。本文對于重載作用下的SBS改性瀝青的路用性能進(jìn)行研究，通過對3種不同油石比的瀝青路面進(jìn)行試驗(yàn)，分析各類油石比在重載作用下的車轍性能，以期能為道路承載力提供和參考。

1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)以殼牌SBS改性瀝青為例，其具體性能指標(biāo)見表1，集料級試驗(yàn)見表2。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)對改性瀝青以及混合料各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)檢測結(jié)果

表2 集料試驗(yàn)指標(biāo)表

通過試驗(yàn)結(jié)果顯示，SBS改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2 篩分與油石比確定

通過控制孔隙率進(jìn)行最佳油石比配比，控制孔隙率為3.0%～4.5%。通過篩孔試驗(yàn)確定篩孔通過率并進(jìn)行級配合成，通過篩分試驗(yàn)進(jìn)行級配的確定(粗集料、中集料、細(xì)集料)，再由級配選擇孔隙率進(jìn)行油石比的確定，本次試驗(yàn)主要分三種級配進(jìn)行，第一組試件粗集料孔隙率為5.3%，中集料孔隙率為4.7%，細(xì)集料孔隙率為3.8%，最終確定油石比為5.9%；第二組試件粗集料孔隙率為4.7%，中集料孔隙率為3.9%，細(xì)集料孔隙率為2.9%，最終確定油石比為6.2%。第三組試件粗集料孔隙率為4.0%，中集料孔隙率為3.0%，細(xì)集料孔隙率為2.1%，最終確定油石比為6.5%?？梢钥闯?，三組試件組合集料的孔隙率越來越小，油石比的比率越來越大，最終確定油石比為6.5%、6.2%、5.9%。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與儀器介紹

對于路面材料的重載試驗(yàn)主要的評價指標(biāo)與試驗(yàn)方法較為固定，但是通常情況下試驗(yàn)的準(zhǔn)確率也比較高，測試方法為馬歇爾穩(wěn)定度即車轍動穩(wěn)定度試驗(yàn)，試驗(yàn)主要根據(jù)《瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》方法，對上述三種試件進(jìn)行瀝青混合料車轍動穩(wěn)定度重載試驗(yàn)。為達(dá)到重載試驗(yàn)效果，以便更加真實(shí)的反映出重載條件下，瀝青路面的影響情況以及車轍動穩(wěn)定度的變形率。同等情況下變形率越小，動穩(wěn)定度越小，其重載條件下的性能越優(yōu)越。車轍試驗(yàn)儀采用的是河北大宏實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的全自動瀝青混合料車轍試驗(yàn)機(jī)，車轍試驗(yàn)機(jī)見圖1所示。

圖1 全自動車轍試驗(yàn)儀

3.1 試驗(yàn)步驟

重載條件下，車轍試驗(yàn)具體使用儀器為：瀝青拌合機(jī)、瀝青壓實(shí)模具，瀝青成型機(jī)用來制備并車轍試驗(yàn)步驟分為以下幾步，首先將上述三種油石比的瀝青原材料放入拌合機(jī)，在設(shè)定溫度下進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁瑪嚢钑r間不少于120s，時間長短由溫度和原材料而定；然后將拌和好的集料和瀝青混合物放進(jìn)模具中進(jìn)行初步壓實(shí)，壓實(shí)過程要盡快進(jìn)行，并從四周向中間進(jìn)行，壓實(shí)成型后的瀝青混合物在模具中呈現(xiàn)中間高于四周的試樣，第三步將初步成型的試樣表面鋪好一層卡紙密封，再放在成型機(jī)上進(jìn)行碾壓，第一次碾壓將頂部凸起部位壓平，此過程碾壓2次，第二次碾壓將試件翻轉(zhuǎn)90°進(jìn)行第二次碾壓，此過程將沿著相同方向碾壓24次，放置48h以上。最后進(jìn)行車轍試驗(yàn)并進(jìn)行記錄與數(shù)據(jù)分析。

3.2 車轍試驗(yàn)流程與校準(zhǔn)

本試驗(yàn)主要針對重載作用下三種油石比的瀝青混合料進(jìn)行，采用瀝青混合料車轍試驗(yàn)儀進(jìn)行車轍試驗(yàn)。三種油石比制成的標(biāo)準(zhǔn)車轍試件將在車轍儀上進(jìn)行車輪模擬碾壓試驗(yàn)。

瀝青混合料車轍試驗(yàn)溫度為60℃±0.5℃，位移精度為0.05mm。具體試驗(yàn)步驟為：首先將成型的3種油石比的試件，分別在恒溫箱中保溫儲存5h以上，同時將車轍試驗(yàn)儀預(yù)熱和精度校準(zhǔn)，后打開車轍試驗(yàn)儀，并將試件放置在儀器中，保證車轍試驗(yàn)輪在試件中央位置，車轍試驗(yàn)過程中，車輪的運(yùn)行方向應(yīng)與試件的成型碾壓方向一致。然后將試驗(yàn)儀車輪位置下調(diào)，下調(diào)至與試件表面接觸，本研究為重載條件，因此將車輪荷載調(diào)整至1.5MPa。并同時調(diào)節(jié)位置傳感器，使車輪在車轍試驗(yàn)過程中不超出測量范圍。試驗(yàn)過程持續(xù)1h左右，停止試驗(yàn)，打印并保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。然后將另外兩種油石比的試件重復(fù)以上步驟。再將3種油石比試件的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并分析。

4 試驗(yàn)分析

重載條件下通過車轍試驗(yàn)對三種油石比瀝青混合料進(jìn)行試件制備與車轍試驗(yàn)，將記錄下的車轍深度與車轍次數(shù)等數(shù)據(jù)繪制二維曲線圖進(jìn)行分析與對比，上述三種試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 車轍試驗(yàn)結(jié)果圖

通過分析圖2可得：重載條件下三種油石比的車轍試驗(yàn)結(jié)果有所不同，其中油石比為5.9%的瀝青混合料試件車轍深度最小，最大深度為6.94mm，車轍深度變化過程為5000車輪往返次數(shù)內(nèi)速率最快，當(dāng)試驗(yàn)車輪往返速率達(dá)到15000次數(shù)左右時車轍深度變化基本平穩(wěn)。油石比為6.5%的瀝青混合料試件車轍深度最大，最大深度為7.82mm，同樣的，此試件在車轍深度變化過程為5000車輪往返次數(shù)內(nèi)速率最快，當(dāng)試驗(yàn)車輪往返速率達(dá)到15000次左右時車轍深度變化基本平穩(wěn)?？梢姡瑸r青試件在重載車轍試驗(yàn)中，車轍往返次數(shù)在5000左右時，車轍深度變化速率最快。當(dāng)次數(shù)達(dá)到15000次左右時，整體車轍深度變化趨于平穩(wěn)。通過圖2曲線整體趨勢可以得出，當(dāng)瀝青混合料的油石比越大，車轍深度會隨之增大。

5 結(jié)論

(1)通過室內(nèi)試驗(yàn)確定三種油石比對應(yīng)不同的集料孔隙率，集料的孔隙率越小對應(yīng)的油石比越大。

(2)通過室內(nèi)車轍試驗(yàn)得出三種油石比的瀝青混合料試件在車轍次數(shù)為5000車輪往返次數(shù)內(nèi)速率最快，當(dāng)次數(shù)達(dá)到15000次左右時，整體車轍深度變化趨于平穩(wěn)。

(3)通過車轍曲線可以看出當(dāng)瀝青混合料的油石比越大，車轍深度會隨之增大。