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,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.
MLS66設備使用真實輪載作用到試驗路鋪面結構上,以模擬設計重載交通及進行評估分析.MLS66設備長15.00m、寬2.87m、高3.50m,由剛性主框架、6 組輪架及內部配置的雙輪胎(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.
試驗路面結構為:4cm SMA-13+8cm AC-20C+8cm AC-25C+改性瀝青防水黏結層+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構相同的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.
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.
在設定荷載與溫度控制的試驗條件下,路面結構隨加載作用出現(xiàn)了明顯的車轍變形,無其他破壞形式.
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構已較為穩(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,在此階段路面結構穩(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.若假設年平均交通增長率在設計年限15a內不變,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
為分析車轍面積的具體構成,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,結果如圖2(a),(b)所示.圖2(a)表明,輪載影響區(qū)內,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Ⅰ,Ⅱ區(qū)各斷面車轍面積進行分析,結果見表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雙輪在單向駛入和駛出中的加載不均勻,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?!?#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構在高溫加速加載時,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)定加載期內各斷面車轍面積分析Table 2 Analysis of rutting areas of testing sections in stable loading stage
一般室內車轍試驗以動穩(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規(guī)范》(JTG F40—2004)中動穩(wěn)定度標準的4~5倍.
選?、?,Ⅱ區(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構中鉆取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合界面的試件,然后進行MTS(material testing system)模量試驗,結果見表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,這表明施工質量對路面結構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測試結果(見表4)可知:(1)中面層芯樣的空隙率基本低于設計空隙率(3%~6%)的最小值3%,這可能是由于施工不均所導致的,將給路面結構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于材料的側向流動,則中面層出現(xiàn)了較多的材料側向流動,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構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
(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,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計空隙率的最小值,是路面結構中的不利因素.所以,應改進中面層材料的組成設計,采用模量較高的瀝青混合料.
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