基于MLS66加速加載試驗的瀝青路面車轍變形分析

武金婷，葉 奮，2

（1.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

以半剛性材料為基層的高等級道路瀝青路面，瀝青面層產(chǎn)生的永久變形占瀝青路面車轍總量的90%以上.瀝青混合料車轍性能試驗通常包括傳統(tǒng)室內(nèi)試驗、加速加載試驗（APT）、道路現(xiàn)場觀測等.由于APT 不但能較好地模擬車輛荷載作用，而且能在短期內(nèi)得到實際路面在長期行車荷載作用下的使用性能，因此APT 在國內(nèi)外道路工程研究中得到廣泛應用.

國外眾多研究人員進行了HVS（heavy vehicle simulator），TxMLS（taxes mobile load simulator）

等加載試驗研究，建立了車轍預估模型［1－8］.Zhou等［9］運用VESYS5計算機程序與既有的APT 數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，編寫了確定車轍系數(shù)、車轍深度及車轍損害狀況的模型程序.Hugo 等［10］采 用MLS66 及MMLS3（1／3 model mobile load simulator）進行了多項加載試驗.國內(nèi)眾多科研單位和研究人員借助環(huán)道或直道試驗進行了瀝青混凝土抗車轍性能與車轍形成規(guī)律、車轍預估等方面的研究，例如：1990年中國交通部公路科學研究院引進ALF（accelerated load facility）試驗技術(shù)，在京石高速公路正定段進行了足尺瀝青路面加速加載試驗［11］；徐全亮、董忠紅、陳少幸、梅芳、孟慶楠、紀小平等［12－17］進行了基于ALF的瀝青路面動力響應試驗及分析；同濟大學、遼寧省交通科學院先后進行了MLS66的加速加載試驗［18－19］.

本文采用南非大型足尺可移動直線式路面加速加載設(shè)備MLS66 對專門修筑的試驗路進行了高溫、常溫下超載50%的加載試驗，根據(jù)輪載作用次數(shù)定時測定加載區(qū)域的車轍變化，探討了瀝青路面車轍變形的發(fā)生及發(fā)展規(guī)律.

1 試驗

1.1 加載設(shè)備

MLS66設(shè)備使用真實輪載作用到試驗路鋪面結(jié)構(gòu)上，以模擬設(shè)計重載交通及進行評估分析.MLS66設(shè)備長15.00m、寬2.87m、高3.50m，由剛性主框架、6 組輪架及內(nèi)部配置的雙輪胎（305／70R22.5）組成，并配有加熱板，可對加載區(qū)域進行加熱以模擬不同溫度環(huán)境.

試驗模擬超載50%，即單軸雙輪荷載為150kN；接地壓強為0.80 MPa；加載速率為6m／s（22km／h）；加載頻率為6 000次／h.

1.2 試驗參數(shù)

試驗路面結(jié)構(gòu)為：4cm SMA－13＋8cm AC－20C＋8cm AC－25C＋改性瀝青防水黏結(jié)層＋36cm 水泥穩(wěn)定碎石＋18cm 低劑量水泥穩(wěn)定碎石＋長江口細砂填土路基.現(xiàn)場加載試驗分為路面結(jié)構(gòu)相同的2個區(qū)域：試驗Ⅰ區(qū)，對路面進行加熱以模擬高溫條件下的變形狀態(tài)，加熱板的溫度設(shè)定為70℃；試驗Ⅱ區(qū)，自然常溫條件.

試驗Ⅰ區(qū)加載15d至100.00萬次作用次數(shù)，試驗Ⅱ區(qū)加載15d至99.60萬次作用次數(shù).考慮軸載換算、溫度修正、車輛橫向分布修正、荷載作用時間影響等因素，試驗結(jié)果相當于實際路面的作用次數(shù)Ne為：Ⅰ區(qū)，Ne＝（12／4）×（10／3）×5.83×100.00×104次＝5.83×107次＞2.5×107次，屬特重交通；Ⅱ區(qū)，Ne＝（10／3）×5.83×99.60×104次＝1.94×107次∈（1.2×107，2.5×107）次，屬重交通.

1.3 車轍測量

采用斷面儀MLS Profilometer Driver－P2003進行瀝青路面車轍變形采集.試驗加載區(qū)域縱向每隔1m 劃定1個橫向斷面，共劃定7個橫向斷面，依次標記為1?！?＃斷面.設(shè)定斷面車轍測試的橫向長度為1 500mm，等長橫跨2條輪跡帶，采集間隔為10mm.

2 試驗結(jié)果與分析

在設(shè)定荷載與溫度控制的試驗條件下，路面結(jié)構(gòu)隨加載作用出現(xiàn)了明顯的車轍變形，無其他破壞形式.

2.1 車轍深度

筆者以Ⅰ，Ⅱ區(qū)6＃斷面為例，繪出了不同加載次數(shù)時其車轍變形曲線，結(jié)果見圖1.由圖1 可知，加載首日出現(xiàn)明顯的壓密性車轍，其變形約占總車轍深度（隆起變形量＋凹陷變形量）的1／3～1／2；高溫下的最大總車轍深度25 mm 為常溫下其值10mm的2.5倍.

通過分析各斷面車轍變形曲線，可知各斷面車轍深度與加載次數(shù)呈良好的分段線性關(guān)系，因此可按照各斷面平均車轍深度增加速率（即車轍深度與加載次數(shù)曲線的線性斜率）將重復荷載作用下的車轍發(fā)展過程分為若干階段.對于Ⅰ區(qū)：0～6.61 萬次，平均車轍深度增加速率為0.8mm／萬次，在此階段行車荷載的壓實作用使瀝青混合料空隙率減小，密實度增大，產(chǎn)生較大的永久變形量，因此該階段是影響最終車轍深度的主要歷程；6.61～33.11萬次，平均車轍深度增加速率為0.2mm／萬次，在此階段瀝青混合料結(jié)構(gòu)已較為穩(wěn)定，很難進一步壓實，且由于瀝青老化以及行車荷載反復作用，使瀝青混合料逐漸硬化，抗變形能力增強；33.11～100.00 萬次，平均車轍深度增加速率為0.1mm／萬次，在此階段路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.對于Ⅱ區(qū)：0～6.80萬次，平均車轍深度增加速率為0.50mm／萬次，在此階段主要是路面被壓密，此后以0.05mm／萬次的平均車轍深度增加速率變形.上述表明，Ⅱ區(qū)平均車轍深度增加速率約為Ⅰ區(qū)的一半.若了解工程所在地的高溫情況，即可根據(jù)平均車轍深度增加速率估算出車轍的發(fā)展情況，制定相應的路面養(yǎng)護管理計劃.例如：按Ⅰ區(qū)的平均車轍深度增加速率估算，MLS66 加速加載6.25萬次（當量軸載作用次數(shù)約為364萬次）時，瀝青路面出現(xiàn)5mm 車轍量；MLS66加速加載31.20萬次（當量軸載作用次數(shù)約為1 819萬次）時，瀝青路面出現(xiàn)10mm 車轍量.

圖1 不同加載次數(shù)時6＃斷面車轍變形曲線Fig.1 Curves of rutting deformation in 6＃section under different loading numbers

表1為Ⅰ，Ⅱ區(qū)各斷面在3個具有相同加載次數(shù)的加載階段產(chǎn)生的車轍比例，即階段車轍深度與總車轍深度之比.由表1 可知：在加載初期，Ⅰ，Ⅱ區(qū)各斷面產(chǎn)生的車轍比例相差較小，Ⅰ區(qū)平均為51%，Ⅱ區(qū)平均為57%；在加載中期，Ⅰ，Ⅱ區(qū)車轍比例差別顯著，Ⅰ區(qū)平均為26%，Ⅱ區(qū)平均為9%，說明高溫加劇了加載中期車轍的發(fā)展；在加載后期，Ⅰ區(qū)車轍比例比Ⅱ區(qū)少11%，進一步說明了溫度越高，加載中期車轍變形發(fā)展越快.若假設(shè)年平均交通增長率在設(shè)計年限15a內(nèi)不變，考慮軸載換算后估算可知：高溫條件下路面運營8a左右將達到大中修水平，常溫條件下路面壽命則可達設(shè)計年限.

表1 不同加載階段中各斷面產(chǎn)生的車轍比例Table 1 Rutting proportions of testing section in different loading stages

2.2 車轍面積

為分析車轍面積的具體構(gòu)成，在車轍變形曲線中，定義從左至右曲線與橫坐標軸所包圍的5部分面積分別為S1，S2，S3，S4，S5（見圖1），其依次表征：輪跡2隆起面積、輪跡2凹陷面積、中間隆起面積、輪跡1凹陷面積、輪跡1隆起面積.

筆者以Ⅰ區(qū)6＃斷面為例進行車轍面積分析，結(jié)果如圖2（a），（b）所示.圖2（a）表明，輪載影響區(qū)內(nèi)，6＃斷面處初期車轍變形速率較快，隨后壓密變形速率基本恒定在37.0mm2／萬次，流動變形速率基本保持在37.4mm2／萬次.圖2（b）中，隆起和凹陷面積比最大值超過1.00，隆起面積占總車轍面積比例在0.46附近波動.綜合判斷，加載10.00 萬次后，6＃斷面處材料主要處于流動變形狀態(tài).

圖2 Ⅰ區(qū)6＃斷面車轍面積分析Fig.2 Analysis of rutting area of 6＃section in track Ⅰ

筆者對穩(wěn)定加載期（＞20.00萬次）內(nèi)Ⅰ，Ⅱ區(qū)各斷面車轍面積進行分析，結(jié)果見表2.由表2 可知，Ⅰ區(qū)（高溫條件）隆起面積占總車轍面積比例的平均值約為0.40，Ⅱ區(qū)（常溫條件）約為0.45.由于MLS66雙輪在單向駛?cè)牒婉偝鲋械募虞d不均勻，斷面車轍狀態(tài)類型漸變性改變.通過對Ⅰ區(qū)車轍面積的具體分析，初步可以判定：在100.00萬次高溫加速加載期間，1＃～4＃斷面的車轍為壓密車轍，5＃斷面的車轍臨近流動性車轍，6＃，7＃斷面的車轍處于流動車轍.如果將5＃斷面流動車轍變形定義為車轍變形的臨界狀態(tài)，則對于本試驗中瀝青路面結(jié)構(gòu)在高溫加速加載時，臨界壓密變形速率約33.0mm2／萬次，臨界流動變形速率約25.2mm2／萬次，臨界隆起面積占總車轍面積比例為0.46.Ⅱ區(qū)近100.00萬次常溫加速加載期間，1＃，2＃斷面的車轍為壓密車轍，其余斷面的車轍都屬于流動車轍.相比于Ⅰ區(qū)壓密變形速率，Ⅱ區(qū)低1個數(shù)量級左右.

表2 穩(wěn)定加載期內(nèi)各斷面車轍面積分析Table 2 Analysis of rutting areas of testing sections in stable loading stage

2.3 穩(wěn)定凹陷變形速率

一般室內(nèi)車轍試驗以動穩(wěn)定度來衡量瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性.此處，為了探討瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，筆者對比分析了MLS66 加速加載試驗中的車轍凹陷變形.試驗段溫度條件為——Ⅰ區(qū)：SMA 層底的最低溫度為43℃，平均日最低溫度為53℃；SMA 層底的最高溫度為90 ℃，平均日最高溫度為81℃；Ⅱ區(qū)：SMA 層底溫度為30～45℃.以＞20.00萬次加載過程為穩(wěn)定加載階段，取Ⅰ，Ⅱ區(qū)輪跡最大凹陷變形量（記為負值）與劃分階段內(nèi)加載次數(shù)的比值作為穩(wěn)定凹陷變形速率.計算Ⅰ，Ⅱ區(qū)穩(wěn)定凹陷變形速率（95%置信區(qū)間）的均值，結(jié)果分別為－0.079mm／萬次（動穩(wěn)定度為12.66萬次／mm）和－0.017 mm／萬次（動穩(wěn)定度為58.82 萬次／mm）（見表3），這表明高溫條件下車轍穩(wěn)定凹陷變形速率約為常溫條件下的5倍.

表3 穩(wěn)定凹陷變形速率Table 3 Rates of pit deformation in stable loading stage

一般認為，當溫度高于60℃以后，瀝青混合料的抗形變能力急劇降低.雖然實際路面的加速加載試驗與瀝青混合料車轍試驗方法不同，但是其衡量抗永久變形的思想與車轍試驗相同：（1）避免了開始階段壓密變形的影響；（2）采用穩(wěn)定凹陷變形速率即動穩(wěn)定度的倒數(shù)來表征混合料的高溫性能.所以，建議改性類的瀝青混合料需進行極端高溫（＞60 ℃，如70℃或80℃）條件下的抗形變能力試驗，且極端高溫條件下改性瀝青混合料的室內(nèi)車轍試驗動穩(wěn)定度標準為現(xiàn)有《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中動穩(wěn)定度標準的4～5倍.

2.4 芯樣分析

選?、瘢騾^(qū)中的4 個斷面（2＃，3＃，6＃，7＃斷面），自其車轍凹陷區(qū)域、隆起區(qū)域、未加載區(qū)域的瀝青混合料面層結(jié)構(gòu)中鉆取φ100芯樣3個.依據(jù)上面層與中面層、中面層與下面層的結(jié)合界面進行各面層高度測量，計算凹陷、隆起、未加載區(qū)域上、中、下面層的平均高度，結(jié)果見圖3.再對一部分芯樣分離切割出上、中、下面層，然后對各面層進行馬歇爾試驗，結(jié)果見表4；對另一部分芯樣切割出高度約為10cm含上面層與中面層或中面層與下面層結(jié)合界面的試件，然后進行MTS（material testing system）模量試驗，結(jié)果見表5.

由圖3可知：（1）高溫條件下，僅有凹陷處上面層芯樣平均高度出現(xiàn)較大的減?。◤?.0cm 變至4.4cm），這表明車輛對面層材料的壓密作用主要表現(xiàn)在上面層，即車轍主要產(chǎn)生于上面層；常溫條件下，凹陷處上面層芯樣平均高度未發(fā)生明顯變化，車轍主要產(chǎn)生于中面層.（2）高溫條件下，車轍隆起處芯樣的平均高度均比未加載處增加，說明高溫使瀝青混合料發(fā)生了較多的流動變形.（3）芯樣總平均高度越大，最大車轍變形量越小，這表明施工質(zhì)量對路面結(jié)構(gòu)的變形起到重要作用，因此增加面層厚度是減少路面出現(xiàn)車轍的重要保證.

圖3 不同區(qū)域上、中、下面層芯樣的平均高度Fig.3 Average height of cores taken from upper－，mid－，and lower－surface layer at different positions

表4 面層芯樣的空隙率、馬歇爾穩(wěn)定度及流值Table 4 Volume of air voids（VV），Marshall stability（MS）and flow value（FL）of cores taken from surface layer

表5 不同區(qū)域面層芯樣的回彈模量（15℃）Table 5 Resilience modulus of cores taken from surface layer at different positions（15℃）

由于受到試件處理方法、層位判斷準確度等外在因素的影響，芯樣高度可能無法準確反映材料是否受到車輪荷載的壓密作用，但是空隙率指標能反映出各層材料的進一步壓密作用.從各面層芯樣的空隙率VV、馬歇爾穩(wěn)定度MS及流值FL測試結(jié)果（見表4）可知：（1）中面層芯樣的空隙率基本低于設(shè)計空隙率（3%～6%）的最小值3%，這可能是由于施工不均所導致的，將給路面結(jié)構(gòu)帶來潛在的不利影響.（2）Ⅰ區(qū)凹陷處上、中、下面層芯樣空隙率平均減小22%，說明上、中、下面層可能都受到了相近的壓密作用.Ⅰ區(qū)隆起處芯樣空隙率變化差異較大，上、下面層芯樣空隙率平均增加率較小，為5.5%，而中面層芯樣空隙率平均增加率較大，為16.0%.如果將空隙率的增加歸結(jié)于材料的側(cè)向流動，則中面層出現(xiàn)了較多的材料側(cè)向流動，這表明中面層受到車轍的影響更大.Ⅱ區(qū)上面層芯樣空隙率平均減少了27%，明顯高于中面層和下面層的16%，表現(xiàn)出上面層被輪載壓密程度大于其他面層.（3）輪載作用后不同斷面芯樣的空隙率不同，Ⅰ區(qū)6＃斷面、Ⅱ區(qū)6＃斷面上面層空隙率基本大于相應的Ⅰ區(qū)2＃斷面、Ⅱ區(qū)2＃斷面上面層空隙率，而中下面層空隙率則相反.因此，相對壓密性車轍類型（2＃斷面），流動性車轍類型（6＃斷面）的上面層相對產(chǎn)生較大的流動性變形，中下面層產(chǎn)生較大的壓密性變形，與2.2節(jié)的分析結(jié)果相一致.（4）部分芯樣的馬歇爾穩(wěn)定度在加載后有一定程度的降低，最大可達20%；高溫條件下輪跡凹陷及隆起處芯樣流值大多增大，說明高溫及輪載作用使瀝青路面結(jié)構(gòu)材料抗塑性變形能力下降.（5）相對馬歇爾穩(wěn)定度及流值，不同面層芯樣的空隙率在加載前后呈現(xiàn)較為規(guī)律性的變化.因此，以空隙率作為經(jīng)受荷載后瀝青混合料材料性質(zhì)變化的評判依據(jù)較為合理，而馬歇爾穩(wěn)定度及流值可作為輔助參考.

按t分布法整理斷面不同區(qū)域（凹陷、隆起、未加載）面層芯樣的（抗壓）回彈模量值（見表5），然后對其進行單因素方差分析，結(jié)果見表6.取顯著性水平0.01，F(xiàn)0.01（2，10）＝7.56＜148.11，表明加載后3個區(qū)域的材料性質(zhì)有了顯著區(qū)別.

表6 回彈模量的單因素方差分析Table 6 One－way variance analysis of resilience modulus

3 結(jié)論

（1）在輪載初期的二次壓實下瀝青路面產(chǎn)生的壓密性車轍約占總車轍深度的1／3～1／2.所以，實際工程中應注意路面的施工壓實，這是有效保障路面在運營期間高溫穩(wěn)定性良好的先決條件.

（2）高溫下的平均車轍深度增加速率、平均穩(wěn)定凹陷變形速率分別約為常溫下的2倍及5倍；高溫下壓密變形速率比常溫時高1個數(shù)量級左右；穩(wěn)定加載期內(nèi)，高溫下車轍隆起面積占總車轍面積比例的平均值約為0.40，常溫下約為0.45.建議依據(jù)工程所在地溫度狀況及平均車轍深度增加速率制定相應的路面養(yǎng)護管理計劃；建議對改性瀝青混合料進行極端高溫（＞60℃，如70℃或80℃）的抗形變能力試驗；建議以車轍面積及空隙率的變化來評判車轍變形的發(fā)生發(fā)展.

（3）不同溫度條件下車轍發(fā)生層位不同：高溫時中面層出現(xiàn)了較多的側(cè)向流動，常溫時上面層被輪載壓密較多.荷載作用后中面層出現(xiàn)變形，其空隙率基本低于設(shè)計空隙率的最小值，是路面結(jié)構(gòu)中的不利因素.所以，應改進中面層材料的組成設(shè)計，采用模量較高的瀝青混合料.

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