崔世萍

（山東省交通科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250102）

0 引言

在道路使用過程中，永久變形是發(fā)生在瀝青路面結(jié)構(gòu)中與荷載相聯(lián)系的破壞形式之一。目前在我國(guó)，半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在高等級(jí)公路得到了普遍的應(yīng)用，使得土基、無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料基層產(chǎn)生的永久變形占路面車轍總量的比例較少。

在瀝青路面設(shè)計(jì)中，永久變形是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。當(dāng)交通荷載和輪胎壓力增加時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致瀝青層的永久變形。為了評(píng)估瀝青混合料的抗永久變形性能并確定車轍深度，需要確定瀝青混合料的永久變形參數(shù)。永久變形的參數(shù)是指柔性路面在特定條件下（如交通荷載和輪胎壓力）下發(fā)生變形的能力。瀝青混合料的永久變形指標(biāo)包括抗剪強(qiáng)度、抗疲勞性能和穩(wěn)定性等指標(biāo)。這些指標(biāo)可以用來評(píng)估瀝青混合料在交通荷載作用下的變形情況。

為了評(píng)價(jià)瀝青混合料的永久變形性能，一種常用的方法是通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)來獲得永久變形參數(shù)。例如，可以使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀來測(cè)試瀝青混合料的剪切模量、相位角和重復(fù)變形等參數(shù)。這些參數(shù)可以提供瀝青混合料的抗永久變形性能的定量評(píng)估。另外，還可以使用數(shù)學(xué)模型來模擬瀝青混合料在交通荷載下的變形行為。通過建立模型，并將其校正和驗(yàn)證，可以預(yù)測(cè)路面在不同交通荷載情況下的永久變形情況，有助于設(shè)計(jì)瀝青路面的結(jié)構(gòu)和性能，以提高其抗永久變形性能。

對(duì)于瀝青路面設(shè)計(jì)來說，了解和評(píng)估瀝青混合料的永久變形性能是至關(guān)重要的。通過確定瀝青混合料的永久變形參數(shù)，可以更好地設(shè)計(jì)和評(píng)估瀝青路面的結(jié)構(gòu)和性能，從而提高其抗永久變形性能。瀝青混合料的永久變形試驗(yàn)應(yīng)盡可能地再現(xiàn)路面的真實(shí)狀況，包括材料承受的應(yīng)力狀況、環(huán)境條件和材料的響應(yīng)特性等情況。

評(píng)估瀝青混合料的高溫性能有許多可選擇的試驗(yàn)方法，包括重復(fù)荷載試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、彎曲蠕變?cè)囼?yàn)、車轍試驗(yàn)等。這些試驗(yàn)都能用于評(píng)價(jià)瀝青混凝土的彈性、黏彈性、塑性和剪切強(qiáng)度參數(shù)。三軸重復(fù)荷載試驗(yàn)比單軸蠕變?cè)囼?yàn)更能代表瀝青混合料的受力狀態(tài)，可以獲得與材料性能相關(guān)的力學(xué)指標(biāo)，更適用于研究瀝青混合料的永久性變形性能。三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)?zāi)茌^好地模擬瀝青混合料在實(shí)際路面上的受力狀況，試驗(yàn)結(jié)果能區(qū)分不同瀝青混合料間的性能差異[1]。該研究選擇三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)行瀝青混合料高溫性能研究，重點(diǎn)關(guān)注瀝青混合料流動(dòng)數(shù)測(cè)試的影響因素，以及測(cè)試方法的可靠性。

1 混合料設(shè)計(jì)

按照NCHRP 9-29試驗(yàn)方法，選擇LSPM-30、AC-20、AC-25及SMA-13這四種常用的瀝青混合料進(jìn)行重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)[2]，見圖1和表1。

表1 級(jí)配通過率 /%

圖1 瀝青混合料級(jí)配

四種瀝青混合料的設(shè)計(jì)組成及體積指標(biāo)如表2所示。為了更接近現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，瀝青混合料試件的成型孔隙率與現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)混合料的孔隙率相同。

2 重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)

2.1 流動(dòng)數(shù)（Flow Number）概念

瀝青混合料的永久變形在通常情況要經(jīng)歷三個(gè)不同的階段見圖2：第一階段，永久變形發(fā)展速度很快，塑性變形率逐漸降低，該階段永久變形主要是由體積變化引起的；第二階段的永久變形發(fā)展趨于穩(wěn)定，變形包括體積變化、剪切變形率逐漸增加；第三階段，永久變形快速發(fā)展，由剪切變形引起[3]。

流動(dòng)數(shù)（Flow Number）是瀝青混合料重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)的一個(gè)重要指標(biāo)，反映瀝青混合料的抗永久變形性能，定義為剪切變形開始時(shí)（第三階段開始）的重復(fù)加載次數(shù)。在特定的溫度條件下，對(duì)瀝青混合料試件施加一個(gè)周期性荷載，持續(xù)時(shí)間為0.1 s，間隔為0.9 s，記錄加載時(shí)間及加載次數(shù)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變，計(jì)算軸向應(yīng)變隨時(shí)間的變化率，當(dāng)變化率為最小時(shí)的加載次數(shù)即為流動(dòng)數(shù)（Flow Number）。

2.2 試驗(yàn)

三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)通常使用圓柱體試件，試驗(yàn)試件通過鉆芯取得，其標(biāo)準(zhǔn)尺寸為直徑100 mm，高度150 mm的圓柱體試件。首先，使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀（SGC）進(jìn)行成型，得到高度175 mm的圓柱體試件，再用取芯機(jī)從該試件中取出直徑為Φ100 mm的芯樣，最后使用雙面鋸將芯樣切割出符合高度要求的標(biāo)準(zhǔn)試件，端部光滑處理，磨光，確保所得試驗(yàn)樣品為光滑平整的圓柱形，并且無(wú)凹凸。用SPT簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于高溫重載下的瀝青混合料來說，間歇時(shí)間的長(zhǎng)短極大地影響了試件恢復(fù)其形狀的程度。當(dāng)間歇時(shí)間增加至一定程度時(shí)，試件的形狀恢復(fù)效果變得不太明顯。SPT試驗(yàn)的荷載間歇時(shí)間0.9 s。試驗(yàn)時(shí)在試件的上下表面分別墊上一層光滑的聚四氟乙烯塑料薄膜，以降低接觸面摩擦對(duì)試件結(jié)果產(chǎn)生的影響，使用計(jì)算機(jī)采集和處理所有數(shù)據(jù)。重復(fù)荷載蠕變?cè)囼?yàn)是破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)在同一溫度荷載水平下進(jìn)行。該文采用45 ℃高溫下，加載模式為歷時(shí)0.1 s和間歇0.9 s的半正弦荷載，600 kPa壓應(yīng)力在無(wú)圍壓條件下進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)最大重復(fù)荷載作用次數(shù)達(dá)到20 000次，或達(dá)到最大變形為50 000微應(yīng)變，試驗(yàn)自動(dòng)停止。為了確保試驗(yàn)機(jī)的壓頭與試件端面充分接觸，以避免偏心荷載的生成并在加載過程中避免對(duì)試件造成沖擊，以及在卸載過程中壓頭和試件之間產(chǎn)生間隙。這樣可以保證試驗(yàn)過程中的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。預(yù)先載荷的施加能夠使試件適應(yīng)試驗(yàn)條件，并減小了試件在加載時(shí)的初始沖擊，有助于減少試驗(yàn)過程中的干擾因素，同時(shí)還可以減少試驗(yàn)過程中試件的變形或損壞。

3 結(jié)果與分析

目前可以使用SPT簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行重復(fù)加載作用次數(shù)最大20 000次，達(dá)到最大永久變形50 000微應(yīng)變重復(fù)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)間的長(zhǎng)短與試驗(yàn)溫度及混合料的性能有關(guān)。個(gè)別試件試驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)，長(zhǎng)達(dá)近3 h。重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)可以模擬實(shí)際荷載施加于瀝青混合料路面的情況。對(duì)于三軸重復(fù)荷載永久變形試驗(yàn)，流動(dòng)數(shù)（Flow Number）是反映瀝青混合料高溫性能的重要指標(biāo)。研究表明，流動(dòng)數(shù)（Flow Number）與實(shí)測(cè)的車轍深度之間存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，并且隨著車轍深度的增加，流動(dòng)數(shù)呈遞減趨勢(shì)。不同瀝青混合料的蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果見表3。

表3 流動(dòng)數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

不同瀝青混合料重復(fù)加載次數(shù)與瀝青混合料的永久變形關(guān)系見圖3~4。從試驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論：

圖3 流動(dòng)數(shù)大小比較

（1）如上圖及表可知，雖然同種材料不同試驗(yàn)試件的試驗(yàn)結(jié)果不完全相同，但總的來看，在相同加載條件下試件軸向永久變形大小排列順序?yàn)锳C-25>LSPM-30>AC-20>SMA-13。軸向永久變形越小，混合料抗永久變形能力越強(qiáng)。

（2）從試驗(yàn)結(jié)果看，不同瀝青混合料的流動(dòng)數(shù)有明顯的區(qū)別。流動(dòng)數(shù)越大說明混合料抗永久變形能力越大。不同混合料流動(dòng)數(shù)平均值大小排列為AC-20>LSPM-30>AC-25>SMA-13。

（3）流動(dòng)數(shù)的塑性應(yīng)變作為判斷混合料抗永久變形性能指標(biāo)應(yīng)謹(jǐn)慎使用。如圖4所示，為流動(dòng)數(shù)、流動(dòng)數(shù)塑性應(yīng)變、總加載次數(shù)塑性應(yīng)變比較。

（4）從試驗(yàn)結(jié)果看，在重復(fù)加載試驗(yàn)中總變形或流動(dòng)數(shù)變形與流動(dòng)數(shù)的大小并不一致，即不一定是流動(dòng)數(shù)大，總變形或流動(dòng)數(shù)就小，因此用流動(dòng)數(shù)、流動(dòng)數(shù)的塑性應(yīng)變、總應(yīng)變?nèi)齻€(gè)指標(biāo)來對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而能夠更加精確地判斷和識(shí)別混合料的永久變形性能。

4 結(jié)論

（1）三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)可以更深入地研究瀝青混凝土路面整個(gè)結(jié)構(gòu)層的蠕變情況，現(xiàn)場(chǎng)取芯工作也非常方便。

（2）通過三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)，研究其力學(xué)性能規(guī)律，旨在為路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支持，以及更有價(jià)值的信息。

（3）通過三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)，可以更準(zhǔn)確地模擬在實(shí)際路面上瀝青混合料的受力情況，并且通過試驗(yàn)結(jié)果來區(qū)分不同類型的瀝青混合料之間的性能差異，以便更好地了解瀝青混合料的力學(xué)特性。

（4）通過三軸重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)，判斷不同瀝青混合料類型的永久變形性能，需綜合多項(xiàng)指標(biāo)判定。