路面瀝青混合料永久性變形機理及三軸重復(fù)荷載試驗研究

吳招鋒，李 佳

(1.南昌軌道交通集團有限公司;2.南昌軌道交通集團有限公司)

1 路面瀝青混合料形成永久變形的機理分析

瀝青路面的車轍可分為5 個類型，即:(1)結(jié)構(gòu)類車轍;(2)壓實性車轍;(3)瀝青混合料的側(cè)向流動變形;(4)磨損性車轍;(5)水損害性車轍。在瀝青混合料永久變形的形成機理的說法中，主要的說法為兩種:第一種是在荷載作用下產(chǎn)生的壓密與剪切變形。在荷載的作用下，瀝青混合料的初期空隙率能夠使體積變化迅速變小;剪切變形的產(chǎn)生原因是由于在車輛荷載作用下，其產(chǎn)生的剪應(yīng)力大于瀝青混合料自身的抗剪切能力，從而導(dǎo)致變形。研究表明，在建立瀝青路面永久變形的預(yù)估模型時，需要考慮到兩個因素，即瀝青混合料的壓密與塑性流動變形。塑性流動不包括材料體積的變化是因為材料的所遷移產(chǎn)生的，當(dāng)材料承受不了出現(xiàn)的剪切強度或是經(jīng)受了長期的蠕變，就會發(fā)生永久變形。第二種是變形是路面出現(xiàn)的變形中最多的變形行為，可將其變形概括為三個過程:初期壓實密實、流動的瀝青混合料、瀝青混合料中的集料重新排列。在瀝青混合料的永久變形中，可以通過2 個方面能夠?qū)ζ溆谰米冃芜M行控制，一個方面是在施工完成后，瀝青路面正處于高溫情況下，瀝青混合料其內(nèi)部瀝青的流動與集料的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;另一方面是在施工中，對瀝青混合料的壓實度要嚴格要求，其壓實度必須要達到規(guī)范要求。

2 三軸重復(fù)荷載永久變形試驗設(shè)計

2.1 永久變形試驗試件的制備

三軸重復(fù)荷載永久變形的試驗使用的是旋轉(zhuǎn)壓實儀(SGC)成型的圓柱體試件。這種壓實儀主要構(gòu)成為:內(nèi)置式脫模器、集成計算機控制系統(tǒng)、封閉的壓實室等組成。其中壓實室的組成結(jié)構(gòu)為:加壓頭、可調(diào)連接臂、模具轉(zhuǎn)輪、固定連接臂等。為了能夠獲得高度合適、材料均勻的試件，首先通過根據(jù)目標(biāo)空隙成型Φ150 mm ×H200 mm 的大型試件，然后從所得的大型試件中的中心取芯，使用單刃或雙刃鋸將其切割成Φ100 mm×H200 mm 的試件。并測量所得的鉆芯試件的空隙率，保證其空隙率的范圍在5% ±0.5%。試件在切割完后，根據(jù)其對磨光的需要，保證在側(cè)面與端面的凹凸差值控制在小于0.05 mm 范圍內(nèi)?；旌狭显诔尚驮嚰靶枰M行短期老化處理，即將拌和好的混合料松散攤開，將其放置在135 ℃的烘箱中4 h，同時每個小時都要對其進行翻動，這樣保證混合料的老化達到一致均勻的效果。

2.2 試驗設(shè)備及方案的確定

進行的重復(fù)加載動三軸試驗采用了英國COOPER 公司生產(chǎn)的CRT－NU14 氣動伺服材料試驗機。本所采用的試驗原理是利用氣體或者液體的壓力為圓柱體試件提供圍壓，這樣對實際道路的側(cè)向約束作用進行模擬;同時采用軸向加載器，以便對試件施加軸向壓力，使試件產(chǎn)生偏應(yīng)力，這樣便模擬了行車荷載對路面材料的作用。該儀器利用了氣動伺服封閉循環(huán)系統(tǒng)，利用其對路面材料進行加載，加載則按加載0.2 s 卸載0.8 s 的方式。使計算機來控制加載，卸載和數(shù)據(jù)的采集工作。NU14 三軸儀主要由五部分組成，即三軸室、軸向加載器、圍壓控制器、溫度控制箱、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。其中三軸室擁有高溫控制系統(tǒng)，控制高溫為60 ℃，并且具有較高的準(zhǔn)確度，在壓力恒定的情況下，精確度可達到1 ℃。集傳感器及位移計的電測信號，荷載和位移的分辨率分別為1N 和1μm。當(dāng)試樣的軸向應(yīng)變在控制系統(tǒng)的作用下超過5%或超過了用戶指定試驗周期，則該試驗需強行中止。

在試驗時，用橡皮膜將試件包裹，并置于壓力室中，利用圍壓施加系統(tǒng)對壓力室中空氣加壓，此時空氣充當(dāng)了傳遞媒介，能夠?qū)υ嚇邮┘恿藝鷫害襝，試樣在此時處于各向等壓狀態(tài)，即=σ2=σ3=σc;之后利用活塞桿使軸向產(chǎn)生偏應(yīng)力，則軸向總應(yīng)力σ1=+，其中σ1，σ2和σ3分別為三向主應(yīng)力。

在三個溫度條件、三種偏應(yīng)力水平下對三種瀝青混合料SMA－13、AC－20、ATB－30 進行了三軸重復(fù)荷載永久變形試驗。試驗方案如下。

試驗歷程:預(yù)壓0.01 MPa，并加載100 次。在完成預(yù)壓階段后，繼續(xù)施加要求的荷載，同樣采用加載0.2 s，卸載0.8 s 的加載方式循環(huán)10 000 次。

預(yù)壓:以軸向總壓力0.02 MPa，接觸壓力0.01 MPa 預(yù)壓100 s;偏應(yīng)力水平:0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa。

試驗溫度:20 ℃、30 ℃、40 ℃。

荷載波形:半正弦波間歇荷載，加載0.2 s，卸載0.8 s。

在達到設(shè)置的荷載作用次數(shù)10 000 次或者達到5%的瀝青混合料的永久變形，停止加載試驗。

3 試驗結(jié)果分析

在恒溫為20 ℃、30 ℃、40 ℃的條件下，分別為對SMA－13、AC－20 和ATB－30 三種級配的瀝青混合料進行了三軸重復(fù)荷載永久變形試驗，其中每一種溫度都進行了荷載峰值試驗，所采用的荷載峰值為三種:0.3 MPa、0.5 MPa 和0.7 MPa。三軸重復(fù)荷載永久變形試驗數(shù)據(jù)采集界面如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集界面

試驗結(jié)果顯示。

(1)當(dāng)荷載循環(huán)數(shù)增加時，瀝青混合料的永久變形也變大，SMA－13、AC－20 、ATB－30 這三種瀝青混合料的永久變形累積過程中都出現(xiàn)遷移、穩(wěn)定、破壞這三種階段，三種階段都有著自己特點，遷移階段會出現(xiàn)快速壓密的情況，穩(wěn)定階段變形線性增大，破壞階段則變形快速發(fā)展，這種結(jié)果正好與許多研究永久變形發(fā)展歷程的研究結(jié)果相吻合，這表明三軸重復(fù)荷載永久變形的結(jié)果能夠合理反映路用瀝青混合料的永久變形性。

(2)在溫度相同的環(huán)境下，在應(yīng)力水平的增加時，在相同的荷載作用次數(shù)下的永久變形也會同時增大，這使瀝青混合料的變形加快，永久應(yīng)變發(fā)展速率增大，同時破壞期也提前到來;這說明快加路面永久變形的產(chǎn)生的原因中，重載也是其中之一。

(3)在相同偏應(yīng)力下的情況下，隨著溫度升高，在相同的荷載作用次數(shù)下的永久變形會明顯增大，瀝青混合料變形迅速增加，這說明溫度的升高會加快瀝青混合料永久變形的形成，從而在高溫環(huán)境地區(qū)，為了保證路面質(zhì)量，需要采取適當(dāng)?shù)母倪M瀝青混合料的高溫抗永久變形能力。

(4)溫度和偏應(yīng)力對瀝青混合料的永久變形量都具較大的影響，為提高瀝青路面在荷載、高溫的作用下的抗變形能力，可采取改善瀝青膠結(jié)料性能、調(diào)整級配等各種途徑。

(5)溫度、應(yīng)力和荷載循環(huán)次數(shù)(時間)是效果等價的，即在產(chǎn)生永久變形上，高應(yīng)力短時間與低應(yīng)力長時間，其產(chǎn)生的效果是等價的，同理，高溫短時間與低溫長時間也同樣是效果等價的。

4 結(jié)束語

對SMA－13、AC－20、ATB－30 三種瀝青混合料在不同溫度及不同偏應(yīng)力下的情況下進行三軸重復(fù)荷載永久變形試驗得到了其永久變形的結(jié)果。其試驗結(jié)果表明，在偏應(yīng)力水平的增大、溫度升高的情況下，永久變形也會隨之增大。高應(yīng)力短時間與低應(yīng)力長時間在產(chǎn)生永久變形總量上是效果等價的，同時高溫短時間與低溫長時間也同樣是效果等價的。

［1］王旭東，沙愛民，許志鴻.瀝青路面材料動力特性與動態(tài)參數(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［2］沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防［M］.北京:人民交通出版社，2001:140－288.