瀝青混合料流變歷程與模量演變

張宏超，王 健，2，郭儀南，3，吳 迪

(1.同濟(jì)大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院 道路與機(jī)場工程系，201804上海，zhanghc@#edu.cn;2.山東高速路橋養(yǎng)護(hù)有限公司，250031濟(jì)南;3.成都交通投資集團(tuán)有限公司，100048成都)

近年來，我國的道路交通出現(xiàn)了一些新的特點，即多軸次、重軸載、高輪壓在交通組成的比重中越來越大，以及交通流的高度渠化[1].這使瀝青路面的表面流變特性表現(xiàn)得更加顯著，具體表現(xiàn)在瀝青混合料流變后產(chǎn)生的車轍病害更加突出，并出現(xiàn)了車轍的影響深度增大、變形速度增快等一些新的特點.目前對瀝青路面流變型車轍的研究只能依靠經(jīng)驗性方法，這些方法中，采用固定溫度、簡化荷載的輪轍試驗可用來評價瀝青混凝土的高溫變形性質(zhì)，試驗結(jié)果與實際情況建立的回歸關(guān)系表明了該試驗的有限效果[2];或者采用大型的加速加載設(shè)備，模擬若干組實際輪載作用下瀝青路面的變形，如ALF(Accelerated loading facility)[3]、HVS(Heavy vehicle simulator)[4]等.而上述的這些經(jīng)驗性試驗方法都不能獲得測試過程中的瀝青混合料流變變形的力學(xué)信息.采用對路面芯樣后進(jìn)行的常規(guī)力學(xué)試驗，既費時費力，又破壞了路面的連續(xù)性，往往無法得到瀝青混合料力學(xué)特性連續(xù)的演變規(guī)律.因此，本文采用MMLS3加速加載設(shè)備在現(xiàn)場鋪筑的足尺(Fullscale)試驗試槽上，在60℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行加速加載，并采用地震波模量測試儀PSPA——非破壞性測試(Non-destructive test，NDT)設(shè)備，對試驗路面變形隆起部位和下陷部位進(jìn)行地震波模量連續(xù)跟蹤測量，通過分析得出了瀝青路面流變歷程中其地震波模量的演變規(guī)律.

1 試驗設(shè)備與材料

1.1 MMLS3

MMLS3(Model mobile load simulator)是南非開發(fā)的一種小型加速加載設(shè)備[5]，如圖1所示.MMLS3長2 400 mm，寬600 mm，高1 200 mm，采用4組膠輪對試驗試件或?qū)嶋H路面進(jìn)行加載.輪胎直徑300 mm，寬80 mm，大致相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)輪胎的1/3.輪胎接地壓力為0.56～0.80 MPa，接地荷載為1.9 ～2.7 kN.運行最大速度為2.5 m/s，轉(zhuǎn)速為120 r/min.MMLS3配有加熱系統(tǒng)，既可以空氣加熱又可以水浴加熱，可以進(jìn)行不同溫度條件下的試驗.本文采用輪胎氣壓為0.7 MPa，接地荷載為2.7 kN，轉(zhuǎn)速為120 r/min.試驗采用空氣加熱，試驗溫度為60℃.

圖1 MMLS3照片

1.2 瀝青路面足尺結(jié)構(gòu)試槽信息

本文鋪筑的試驗試槽采用10 cm的水泥穩(wěn)定碎石上鋪筑10 cm的AC－13C型瀝青混合料.AC－13C型瀝青混合料級配采用文獻(xiàn)[6]所規(guī)定的級配中值.采用湖州鹿山塢輝綠巖集料，選用AK－SBS改性瀝青.采用馬歇爾試驗方法最終確定最佳油石比為5.2%，所用瀝青混合料采用現(xiàn)場拌制，壓實溫度在160℃以上，壓實后，采用鉆芯取樣測得的壓實度大于96%.

2 地震波模量測量方法

2.1 地震波測量原理及其試驗方法

地震波路面分析技術(shù)是美國德克薩斯州大學(xué)依托戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP)開發(fā)出的一套無損路面測試技術(shù)[7].該地震波技術(shù)的目的在不破壞路面連續(xù)性的前提下，可獲得路面結(jié)構(gòu)的勁度模量和各層厚度，為路面的力學(xué)計算以及施工驗收提供重要依據(jù).地震波設(shè)備原理是通過一個產(chǎn)生地震波的發(fā)生器，通過測量至少2個以上接收器之間傳播的瑞利波波速，獲得接收器下方路面表層的平均地震波模量[8].通過頻散曲線可以獲得路面的沿深度的模量分布，這可以用來獲得路面結(jié)構(gòu)中各層的深度.德州大學(xué)由此開發(fā)出了PSPA(Portable seismic pavement analyzer，便攜式路面分析儀)[9]，如圖 2 所示.

圖2 地震波路面分析儀

2.2 地震波模量與設(shè)計模量的相關(guān)性

地震波模量是高頻低應(yīng)變時的彈性模量，其發(fā)出的頻率從幾十赫茲到十幾千赫茲[8]，故地震波模量并不能代表路面在實際的荷載作用情況下所反映出來的勁度模量，必須要進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能得到設(shè)計時所需要的模量.國外的一些研究提出了從地震波模量到設(shè)計模量的轉(zhuǎn)化公式[10]為

式中:Edesign為設(shè)計模量;Eseis為地震波模量;σc－ult為最大車輛荷載作用時測量深度處的圍壓;σc－init為無荷載作用時測量深度處的圍壓;σd－ult為最大車輛荷載作用時測量深度處的偏應(yīng)力;σd－init為無荷載作用時測量深度處的偏應(yīng)力;k2，k3均為回歸系數(shù)，由室內(nèi)回彈模量試驗確定.

由上式可見，對于同一種瀝青混合料，在同一種工況下，其測量深度處的圍壓、偏應(yīng)力在最大車輛荷載作用時和無荷載作用時的數(shù)值大小應(yīng)該是一樣的，并且k2、k3等回歸系數(shù)也應(yīng)該是固定的.由此，由上式可得出，在本文所采用的試驗狀況下，在20℃下測得的瀝青混凝土的地震波模量與其在20℃情況下測得的設(shè)計模量呈現(xiàn)線性關(guān)系.因此，本文所測得的瀝青混凝土流變歷程中的地震波模量的變化規(guī)律可以很準(zhǔn)確地反映其設(shè)計模量的變化規(guī)律.

3 試驗試槽結(jié)果分析

3.1 MMSL3作用下瀝青混合料流變結(jié)果分析

本文利用MMLS3加速加載設(shè)備，所設(shè)定的輪胎的氣壓為0.7 MPa，接地荷載為2.7 kN，在60℃的溫度下，在120 r/min轉(zhuǎn)速下對試驗試槽進(jìn)行加載試驗.所得到的瀝青混合料永久變形試驗結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同加載次數(shù)下車轍橫斷面曲線

由圖3可以得出，在荷載的作用下，瀝青混合料產(chǎn)生了明顯的流變現(xiàn)象，橫向在輪跡帶上產(chǎn)生明顯的下陷，在輪跡的兩側(cè)呈現(xiàn)明顯的隆起.由于MMLS3為單輪作用，橫斷面呈現(xiàn)明顯的“M”形.并且隨著加載次數(shù)的增加，瀝青面層的隆起與下陷變形量都逐漸變大，輪跡帶的兩側(cè)以及輪跡處的變形較為明顯.本文對荷載作用后，車轍橫斷面的隆起面積與下陷面積進(jìn)行了整理，結(jié)果如表1與圖4所示，可見，下陷面積和隆起面積隨著荷載次數(shù)的增加均有所增加，并呈現(xiàn)明顯的指數(shù)函數(shù)關(guān)系.并且，在不同的加載次數(shù)作用下，下陷的面積、隆起的面積以及兩者的差值均在不斷地變化.這表明，在荷載作用下的瀝青混合料流變歷程中，粘滯流變和壓實作用是同時存在的.只是在不同的階段所占的比例不同.由表1可知，在荷載作用4 000次之前，下陷面積與隆起面積的差值增加，這表明壓實作用在荷載作用前期表現(xiàn)更加明顯.在荷載作用4 000次之后，下陷面積與隆起面積的差值減小，這表明輪跡作用處的壓實作用減弱，瀝青混合料的粘滯流變作用表現(xiàn)更加明顯，輪跡下的瀝青混凝土在剪應(yīng)力的作用下發(fā)生了剪切流動，并且這種剪切流動是一種非勻質(zhì)流變.

表1 車轍橫斷面隆起面積與下陷面積

圖4 車轍橫斷面隆起面積與下陷面積變化

3.2 PSPA地震波模量測量結(jié)果分析

利用PSPA地震波模量檢測設(shè)備對輪跡處以及隆起最高處的瀝青混凝土模量在20℃的溫度下進(jìn)行了測量.測量結(jié)果如表2、表3和圖5所示.

表2 不同荷載作用次數(shù)下隆起處地震波模量變化

表3 下陷處地震波模量隨荷載作用次數(shù)變化

圖5 下陷處與隆起處地震波模量隨荷載作用次數(shù)變化

可見，瀝青混凝土在荷載的作用下，其地震波模量發(fā)生了明顯了變化.在隆起處，其模量發(fā)生了明顯的下降;在下陷處，其模量發(fā)生了明顯的增加.并且隨著加載次數(shù)的增加，在隆起處的模量隨著荷載次數(shù)的增加表現(xiàn)為明顯的指數(shù)函數(shù)下降關(guān)系.但在下陷處，在10 000次之前，其模量發(fā)生明顯的線性增加關(guān)系，而10 000次之后，其模量基本保持不變.本文認(rèn)為，由于試驗是在60℃的高溫下進(jìn)行加載，隨著荷載作用次數(shù)的增加，瀝青以及瀝青膠漿便發(fā)生流動，從而使混合料的骨架作用失穩(wěn)，這部分半固態(tài)物質(zhì)除了部分填充混合料的空隙外，還將發(fā)生瀝青混合料的剪切流動，從而一部分混合料從輪跡處流動到了兩側(cè)的下方，從而造成了兩側(cè)的隆起，如圖3所示.而輪跡兩側(cè)混合料的上部并沒有外部混合料填充，在其被隆起的過程中，隆起高度并不完全相同，證明其中發(fā)生了結(jié)構(gòu)及空隙率等體積指標(biāo)的改變.由于隆起處下方新料的填充以及隆起處上方混合料結(jié)構(gòu)的改變，造成了隆起處瀝青混合料的空隙率隨著加載次數(shù)的增加而增大，從而地震波模量也發(fā)生了明顯的變化.在下陷處，由于荷載作用前期，壓實作用變現(xiàn)得比較明顯，隨著輪跡處混合料被逐步壓實，其地震波模量發(fā)生了明顯的增加.而隨著荷載次數(shù)進(jìn)一步增加，混合料的壓實效果逐步減弱，而剪切流動顯現(xiàn)表現(xiàn)得更加明顯.由于輪跡處的壓實程度逐漸穩(wěn)定下來，其結(jié)構(gòu)和空隙率也漸漸保持穩(wěn)定，從而其地震波模量在荷載作用后期并沒有發(fā)生明顯的改變.

4 結(jié)論

1)隨著加載次數(shù)的變化，下陷面積與隆起面積的變化值不等，證實壓實與隆起部位的混合料密度變化不同，車轍變形呈現(xiàn)非勻質(zhì)流變.

2)通過PSPA對荷載作用后瀝青混合料隆起部分和下陷部分地震波模量的測量，證明了荷載作用后瀝青混合料密度的不同，說明其力學(xué)性能因流變發(fā)生了明顯的變化，抗變形能力也呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律.

3)通過試驗，進(jìn)一步證明車轍是輪跡帶壓實造成側(cè)向流動形成的，而且具有一定的發(fā)展規(guī)律.在加載作用前期，主要表現(xiàn)為下陷處的壓實階段;在加載作用后期，主要表現(xiàn)為下陷處的混合料向隆起處的非勻質(zhì)流變階段.

4)得出了瀝青混合料在荷載與高溫因素耦合作用下的瀝青混合料的流變規(guī)律與地震波模量的變化規(guī)律，對瀝青路面產(chǎn)生永久變形及發(fā)展歷程的研究提供了一種新的無損測量研究方法.

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