大粒徑瀝青碎石基層路面力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

周 俊 劉定濤 張義朋 蔡文波 魏朝暉

(武漢市和平至左嶺高速公路建設(shè)管理部1) 武漢 430000)(武漢市交通基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站2) 武漢 430015) (浙江省交通工程建設(shè)集團(tuán)3) 杭州 310051)

我國的高速公路,絕大多數(shù)面臨著重載車多,超載嚴(yán)重的實(shí)際情況.同時(shí)為了充分利用地材以降低造價(jià),基本上都采用半剛性材料為基層瀝青路面結(jié)構(gòu),所以在通車后不久路面就會出現(xiàn)明顯的車轍和大量的反射裂縫.一些研究資料表明[1-5],采用含大粒徑瀝青混合料基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)有望很好地解決這個問題.但這方面的研究還不充分,這種路面結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中應(yīng)用也很少.因此對其進(jìn)行廣泛深入的研究是非常必要的.

基于上述理由,結(jié)合武漢至鄂州高速公路的工程建設(shè),修筑了含大粒徑瀝青穩(wěn)定碎石ATB-30基層的試驗(yàn)路.其主要目的是想通過準(zhǔn)確測量在動、靜荷載作用下3種不同結(jié)構(gòu)的路面中瀝青穩(wěn)定碎石基層的應(yīng)變響應(yīng)來分析其力學(xué)性能,為合理設(shè)計(jì)含瀝青穩(wěn)定碎石基層的瀝青路面作指導(dǎo).

1 試驗(yàn)路概況

武漢至鄂州高速公路設(shè)計(jì)車速100 km/h,路基寬26 m,雙向 4車道.綜合考慮地質(zhì)、水文、路基高度和填料種類,施工條件等因素、選定在五家湖大橋(中心樁號K19+070)與快活嶺分離式立交橋(中心樁號K17+922)之間的右幅路基上鋪筑上述試驗(yàn)路面.試驗(yàn)路的具體起訖樁號為K18+711.4～ K18+111.4,全長600 m,分為 A,B,C 3段,各段長度依次為250,50,300 m.各段的路面結(jié)構(gòu)見圖1所示.其中,ATB-30結(jié)構(gòu)層的瀝青混合料級配如圖2所示,油石質(zhì)量比為3.4%.此段為填方路基,上下路堤為粘土填筑,路床為礫石土.路面施工時(shí),路基竣工已達(dá)1年半,路基在其自重作用下的沉降已完成;路基高度2.5 m～3.5 m,變化小,所以路基條件基本一致.

2 光纖光柵傳感器及其埋設(shè)

研究表明,采用FRP(fiber reinforced polymer)封裝的光纖光柵傳感器,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系一直到破壞都是線彈性的,且無屈服點(diǎn),所以線彈性范圍大,還具有彈性模量低、疲勞性能好、耐腐蝕和重量輕等優(yōu)點(diǎn),可以適應(yīng)瀝青路面結(jié)構(gòu)檢測的需要[6].因此本文的試驗(yàn)采用某公司生產(chǎn)的FRP封裝光纖光柵2維應(yīng)變傳感器,其產(chǎn)品型號為為CB-FBG-FRP-ME01,可同時(shí)測定相互垂直的兩個方向的應(yīng)變.采用同一廠家生產(chǎn)的原型封裝FBG-T-01型光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償.用美國Micron Optics公司生產(chǎn)的Sm-125型解調(diào)儀讀取光纖光柵傳感器的波長數(shù)據(jù).應(yīng)變測量范圍為 ±5 000×10-6,測量精度為 2～3×10-6.

圖1 各路段結(jié)構(gòu)及傳感器埋設(shè)位置

圖2 ATB-30瀝青混合料的級配曲線

在施工過程中,分別于A,B,C 3段試驗(yàn)路的中部各選擇相距10 m的2個橫斷面,在外側(cè)行車道的外輪跡帶中心線下埋設(shè)光纖光柵應(yīng)變傳感器.每段試驗(yàn)路的2個橫斷面上應(yīng)變傳感器埋設(shè)的個數(shù)和深度位置是相同的,其中1個斷面上的應(yīng)變傳感器作為測量備用.各路段傳感器的深度位置分別見圖1.此外,在C段的下面層底面和上基層的1/2厚度處各埋設(shè)1個溫度傳感器,作為溫度補(bǔ)償之用.

3 靜載試驗(yàn)及結(jié)果分析

路面竣工后,將直徑30 cm的標(biāo)準(zhǔn)承載板對中置于光纖光柵應(yīng)變傳感器埋置點(diǎn)的正上方,以載重汽車作壓重,通過千斤頂分級施加荷載,每級荷載作用下穩(wěn)定1 min后記錄波長,于是可計(jì)算出各級荷載作用下的實(shí)測應(yīng)變.各測點(diǎn)的實(shí)測縱、橫向應(yīng)變有相似的規(guī)律,圖3為測得的橫向應(yīng)變曲線,縱向應(yīng)變曲線規(guī)律與橫向應(yīng)變相似.

圖3 靜載下的橫向應(yīng)-變壓應(yīng)力曲線

由圖3可見:

1)在相同的靜荷載作用下,A,B,C 3種路面結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變都遵循“上大下小”的規(guī)律,亦即面層中的應(yīng)變隨深度的增加而減小.

2)壓力-應(yīng)變都近似呈直線關(guān)系.說明在試驗(yàn)荷載范圍內(nèi),路面結(jié)構(gòu)的變形基本處于彈性變形階段,沒有出現(xiàn)塑性變形.這是保證路面結(jié)構(gòu)使用壽命的必要條件,因?yàn)橹挥新访嫣幱趶椥宰冃坞A段,才能經(jīng)受大量重復(fù)的車輛荷載的作用而不產(chǎn)生塑性變形積累.

3)在靜載作用下,路面結(jié)構(gòu)A和B中,瀝青面層內(nèi)的水平應(yīng)變非常接近.因?yàn)锽結(jié)構(gòu)與A結(jié)構(gòu)相比僅在水泥穩(wěn)定碎石的半剛性基層頂面多鋪了一層玻纖格柵,所以,試驗(yàn)結(jié)果說明,在小應(yīng)變下一層玻纖格柵不會引起路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變特性的明顯改變.因此,在半剛性基層和瀝青碎石基層之間加鋪玻纖格柵等材料,其目的不是對路面結(jié)構(gòu)起加筋作用,而是限制半剛性基層不可避免的收縮裂縫在面層中引起的反射裂縫向路表面開展,避免或減少貫穿面層厚度的反射裂縫的出現(xiàn),降低水損害,延長瀝青路面的使用壽命.

4)圖3中,C1線在所有曲線之上,而C2線在所有曲線之下,說明較厚的大粒徑瀝青穩(wěn)定碎石基層ATB-30對瀝青面層的水平應(yīng)變隨深度的分布有較大的影響,它使得瀝青面層中深度較小處的水平應(yīng)變明顯增大(與結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B相比),而較深處(ATB-30結(jié)構(gòu)層內(nèi))的水平應(yīng)變則明顯減小.這一方面說明在相同靜載壓力的作用下,ATB-30柔性基層因?yàn)閯偠容^大的原因可使自身的應(yīng)變較小外,另一方面也會因此而使得覆于其上的粒徑較小的瀝青混凝土面層得到較"剛性"的支承而發(fā)生較大的水平應(yīng)變.這說明了以下2個方面的問題:(1)與通常的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在半剛性基層上直接鋪筑粒徑較小的瀝青混凝土面層相比,彈模較大的ATB-30柔性基層與半剛性基層的剛度差相對較小,二者的變形協(xié)調(diào)性相對較好,可以減少反射裂縫和避免或降低車轍發(fā)生的幾率.所以在半剛性基層與瀝青混凝土面層之間加鋪一層厚度較大的大粒徑瀝青穩(wěn)定碎石基層是值得推薦的路面結(jié)構(gòu).(2)鋪于大粒徑瀝青碎石基層之上的中、小粒徑瀝青混凝土面層的厚度不宜過薄,以免面層發(fā)生較大水平變形而造成面層的早期開裂和推擠.

4 動載試驗(yàn)及結(jié)果分析

測試車為雙后軸載重汽車,裝載碎石作為配重,整車質(zhì)量29 020 kg,雙后軸總質(zhì)量25 110 kg.測試車以不同車速通過檢測點(diǎn),計(jì)算機(jī)自動測記汽車通過檢測點(diǎn)過程中光纖光柵傳感器的最大波長變化,然后計(jì)算出實(shí)測的最大縱、橫向水平應(yīng)變.所測各點(diǎn)的縱、橫向水平應(yīng)變有相似的規(guī)律,圖4是實(shí)測的橫向應(yīng)變-車速曲線.

圖4 橫向應(yīng)變-車速曲線

從圖4可見:(1)隨著車速的提高,路面結(jié)構(gòu)層的水平應(yīng)變迅速減小;(2)同一車速下,瀝青面層中的水平應(yīng)變遵循“上大下小”的規(guī)律.這與靜載情況相似;(3)在相同車速下A,B,C 3種路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的水平應(yīng)變相差不大.這說明在動載作用下,3種路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)沒有本質(zhì)區(qū)別.也許這只是新建路面的表現(xiàn),待通車后這種規(guī)律很可能會隨時(shí)間而變化,這有待于對試驗(yàn)路的長期觀測來檢驗(yàn).

5 結(jié) 論

1)較厚的大粒徑ATB基層對瀝青面層的水平應(yīng)變隨深度的分布有較大的影響,它使得瀝青面層中深度較小處的水平應(yīng)變明顯增大,而較深處的ATB層內(nèi)的水平應(yīng)變則明顯減小.

2)大粒徑ATB柔性基層與半剛性基層的剛度差相對較小,二者的變形協(xié)調(diào)性相對較好,可以減少反射裂縫和避免或降低車轍發(fā)生的幾率.所以在半剛性基層與瀝青混凝土面層之間加鋪一層厚度較大的大粒徑瀝青穩(wěn)定碎石基層是值得推薦的路面結(jié)構(gòu).

3)鋪于大粒徑ATB層之上的中、小粒徑瀝青混凝土面層的厚度不宜過薄,以免面層發(fā)生較大水平變形而造成面層的早期開裂和推擠.

4)在動載作用下,大粒ATB層的厚度對新建路面在動載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)變沒有明顯影響.應(yīng)該對路面通車后的情況進(jìn)行長期監(jiān)測,用長期監(jiān)測數(shù)據(jù)來評價(jià)大粒徑ATB柔性基層對瀝青路面力學(xué)性能的影響.

[1]馮俊領(lǐng),查旭東,張起森.大粒徑瀝青混合料(LSM)車轍試驗(yàn)研究[J].長沙交通學(xué)院學(xué)報(bào),2005,21(1):43-46.

[2]張 亮.大粒徑瀝青混合料抗裂性能試驗(yàn)研究[D].長沙:長沙理工大學(xué)交通學(xué)院,2006.

[3]馮俊領(lǐng),張起森,高和生,等.大粒徑瀝青混合料力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].公路,2006,(2):157-160.

[4]張起森,馮俊領(lǐng),查旭東.大粒徑瀝青混合料路用性能研究[J].長沙交通學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004(1):8-13.

[5]王國軍.大粒徑瀝青混合料LSM-30型性能的研究[J].公路,2007(4):149-153.

[6]陳鳳晨,譚憶秋,董澤蛟,等.基于光纖光柵技術(shù)的瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)變場分析[J].公路交通科技,2008,25(10):9-12.