剛?cè)釓?fù)合式路面瀝青面層動(dòng)態(tài)應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究

劉志勝，趙娟娟

(1.山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030006；2.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 深圳分公司,廣東 深圳 518000)

剛?cè)釓?fù)合式路面瀝青面層動(dòng)態(tài)應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究

劉志勝1，趙娟娟2

(1.山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030006；2.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 深圳分公司,廣東 深圳 518000)

為深入研究剛?cè)釓?fù)合式路面瀝青面層車(chē)轍病害機(jī)理，采用復(fù)合路面結(jié)構(gòu)車(chē)轍試驗(yàn)?zāi)M路面荷載動(dòng)態(tài)作用，借助光纖光柵應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)測(cè)試不同方向、不同荷載、不同類(lèi)型混合料和不同溫度下瀝青混合料的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，從荷載大小、混合料類(lèi)型和溫度3個(gè)方面分析復(fù)合式路面瀝青面層車(chē)轍變形特征。結(jié)果表明：動(dòng)態(tài)荷載作用下剛?cè)釓?fù)合式路面瀝青面層的橫向應(yīng)變小于縱向應(yīng)變，荷載消除后橫向應(yīng)變可恢復(fù)60%，而縱向應(yīng)變僅可恢復(fù)20%；一定范圍內(nèi)瀝青混合料動(dòng)態(tài)應(yīng)變與荷載大小成正線性關(guān)系，應(yīng)變的恢復(fù)能力與荷載大小成反向線性關(guān)系；SMA的應(yīng)變比AC小12%，而變形恢復(fù)能力高出約60%；高溫環(huán)境下，荷載間接作用也會(huì)引起瀝青混合料的應(yīng)變，SMA的抗變形能力明顯高于AC瀝青混合料。

道路工程；復(fù)合式路面；瀝青面層；動(dòng)態(tài)應(yīng)變；光纖測(cè)試技術(shù)

0 引 言

瀝青混凝土路面具有初期造價(jià)低、噪聲低、路面平整度好、行車(chē)舒適性好等優(yōu)點(diǎn)，故在世界范圍內(nèi)應(yīng)用頗多。在我國(guó)重載交通路段，瀝青路面車(chē)轍、水損害等問(wèn)題頻頻出現(xiàn)，早期損害嚴(yán)重[1]。水泥混凝土路面具有較高的承載能力，多在重載地區(qū)道路使用，其行車(chē)噪音大、舒適性差等問(wèn)題很大程度上影響其推廣應(yīng)用[2]。綜合兩種路面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，連續(xù)配筋混凝土與瀝青混凝土或鋼筋混混凝土與瀝青混凝土復(fù)合式路面被提出[3-5]，現(xiàn)有研究結(jié)論表明復(fù)合式路面具有結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度高、行駛舒適性好、使用壽命長(zhǎng)、維修費(fèi)用小等優(yōu)點(diǎn)，是重載交通高速公路長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向[6-7]。然而水泥混凝土與瀝青混凝土兩種材料有明顯的差別，尤其是彈性模量相差甚遠(yuǎn)，致使瀝青混合料層在荷載作用下將承受更大的剪應(yīng)力，對(duì)瀝青混合料變形產(chǎn)生較大的影響[8-9]?，F(xiàn)有瀝青混合料抗剪性能評(píng)價(jià)手段主要包括軸剪切試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)等[10]。同濟(jì)大學(xué)孫立軍教授提出回彈模量可間接地評(píng)價(jià)材料的抗剪性能，而與回彈模量相對(duì)應(yīng)材料抗剪性能的影響最終體現(xiàn)在材料所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變大小[11-12]。應(yīng)變是材料與結(jié)構(gòu)的重要物理特性，最能反映結(jié)構(gòu)局部特性，是材料和工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)最為重要的參數(shù)。關(guān)于復(fù)合式路面的瀝青混合料在荷載下的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，相關(guān)文獻(xiàn)都未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道[13]。

路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的出現(xiàn)為更準(zhǔn)確地進(jìn)行路面受力、變形等分析提供了條件。常用的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備作用于路表的力都是動(dòng)態(tài)的，因此采用動(dòng)態(tài)荷載分析路面的應(yīng)變更為合適[14]。筆者借助光纖光柵在工程中的應(yīng)變測(cè)試技術(shù)，采用復(fù)合路面結(jié)構(gòu)的車(chē)轍試驗(yàn)?zāi)M路面的荷載動(dòng)態(tài)作用，深入分析了不同方向、不同荷載、不同類(lèi)型混合料和不同溫度對(duì)瀝青混合料的動(dòng)態(tài)應(yīng)變的影響規(guī)律，明確了剛?cè)釓?fù)合式路面瀝青混合料層車(chē)轍變形機(jī)理。研究結(jié)果可對(duì)復(fù)合式路面瀝青混合料層設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

所有試驗(yàn)中瀝青采用SBS I-C改性瀝青，按照J(rèn)TG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定對(duì)SBS I-C改性瀝青進(jìn)行基本性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1。結(jié)果顯示，SBS I-C改性瀝青的基本性能，均符合JTG F 40—2004 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的要求。

所有試驗(yàn)中，所用的粗集料為輝綠巖，細(xì)集料為石灰?guī)r，礦粉為石灰?guī)r磨制，各種集料、礦粉的密度及篩分結(jié)果如表2，表3。

表2 集料密度參數(shù)Table 2 Parameters of aggregate density

表3 各種礦料和礦粉的篩分結(jié)果Table 3 Screening results of various types of mineral aggregates and mineral powder /%

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 測(cè)試設(shè)備

筆者采用水泥板加鋪瀝青混合料成型試件模擬，并借助車(chē)轍試驗(yàn)儀對(duì)試件施加荷載，模擬研究復(fù)合式路面在行車(chē)荷載作用下的應(yīng)變狀況。采用光纖光柵埋入式應(yīng)變計(jì)測(cè)試路面內(nèi)的應(yīng)變狀態(tài)，光纖光柵埋入式應(yīng)變計(jì)可以自我補(bǔ)償溫度變化對(duì)波長(zhǎng)的影響[15]，其主要技術(shù)參數(shù)如表4。

表4 應(yīng)變計(jì)主要技術(shù)參數(shù)Table 4 Main technical parameters of strain gauge

采用光纖光柵解調(diào)儀測(cè)試復(fù)合式路面瀝青混凝土面層結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)變，其主要技術(shù)參數(shù)如表5。

表5 光纖光柵解調(diào)儀主要技術(shù)參數(shù)Table 5 Main technical parameters of fiber bragg grating demodulation device

1.2.2 測(cè)試方法

剛?cè)釓?fù)合式路面一般為水泥混凝土層上加鋪瀝青混凝土做上面層，因此在試驗(yàn)過(guò)程中采用雙層車(chē)轍板模擬研究復(fù)合式路面，下層水泥混凝土板厚度為5 cm，上層瀝青混凝土厚度為5 cm。兩只光纖光柵埋入式應(yīng)變計(jì)橫向、縱向布設(shè)于瀝青混凝土層底部，分別測(cè)試荷載作用下瀝青混凝土的橫向和縱向應(yīng)變，如圖1。

采用車(chē)轍儀作用于試件的中心，沿著縱向應(yīng)變計(jì)的方向行走模擬動(dòng)態(tài)荷載對(duì)復(fù)合式路面瀝青層混凝土的作用。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

動(dòng)態(tài)荷載作用下，光纖光柵解調(diào)儀測(cè)得的反射波長(zhǎng)是一個(gè)比較動(dòng)態(tài)變化的曲線，會(huì)引起光柵應(yīng)變計(jì)的周期和折射率的變化。在考慮溫度影響的情況下，光纖光柵解調(diào)儀測(cè)試的不同荷載作用下，不同類(lèi)型瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)應(yīng)變計(jì)算公式為：

ε=k×(λ2-λ0)-b×(λ3-λ1)

式中：k為應(yīng)變系數(shù)；b為溫度修正系數(shù)；λ0為初始中心波長(zhǎng)；λ1為光柵溫補(bǔ)參照波長(zhǎng)；λ2為動(dòng)態(tài)中心波長(zhǎng)；λ3為動(dòng)態(tài)溫補(bǔ)波長(zhǎng)。

3 結(jié)果及討論

為全面地研究荷載作用下瀝青混合料變形規(guī)律，從瀝青混合料類(lèi)型、荷載大小、試驗(yàn)溫度3方面進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究，分析影響瀝青混合料動(dòng)態(tài)應(yīng)變的影響規(guī)律。

3.1 荷載作用下不同方向應(yīng)變分析

圖2為在荷載作用下剛?cè)釓?fù)合式路面瀝青混合料層在平行(縱向)和垂直(橫向)與行車(chē)方向的動(dòng)態(tài)應(yīng)變規(guī)律。從圖2可以看出，隨著行車(chē)荷載的動(dòng)態(tài)作用，剛?cè)釓?fù)合式路面瀝青混合料層在平行和垂直于荷載移動(dòng)方向的動(dòng)態(tài)應(yīng)變表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，橫向和縱向應(yīng)變隨荷載作用而立即增大，荷載遠(yuǎn)離測(cè)試點(diǎn)后表現(xiàn)出明顯的變形恢復(fù)。

圖2 瀝青混合料不同方向動(dòng)態(tài)應(yīng)變規(guī)律Fig.2 Law of asphalt mixture’s dynamic strain in directions

從圖2可以看出，0.1～0.5 s階段，行車(chē)荷載逐漸接近應(yīng)變計(jì)測(cè)試點(diǎn)，瀝青混合料層橫向和縱向變形均迅速增加并達(dá)到最大值；0.5～0.9 s階段，行車(chē)荷載逐漸遠(yuǎn)離應(yīng)變計(jì)測(cè)試點(diǎn)，瀝青混合料層橫向和縱向變形均逐步減小。動(dòng)態(tài)荷載作用下剛?cè)釓?fù)合式路面瀝青混合料層縱向應(yīng)變明顯大于橫向應(yīng)變，瀝青混合料更多地向荷載移動(dòng)的作用的方向發(fā)生變形，而向垂直于行車(chē)方向的橫向變形相對(duì)較小。理論狀態(tài)下，荷載作用瀝青混合料的各項(xiàng)變形大致相同，而本研究試驗(yàn)中，縱向應(yīng)變較大的原因是荷載對(duì)瀝青混合料起到了推擠作用，瀝青混合料受到推擠作用而縱向應(yīng)變?cè)黾?。荷載逐漸遠(yuǎn)離測(cè)試點(diǎn)之后，瀝青混合料的橫向表現(xiàn)出明顯的伸展性，即瀝青混合料在受到縱向推擠后，在橫向具有回填的效果，橫向應(yīng)變恢復(fù)能力可達(dá)到60 %，而縱向應(yīng)變僅可恢復(fù)20 %左右。在經(jīng)過(guò)荷載的固定作用次數(shù)后，瀝青混凝土的橫向應(yīng)變?cè)诤艽蟪潭壬峡梢曰謴?fù)，而縱向應(yīng)變恢復(fù)不明顯。

因此，剛?cè)釓?fù)合式路面瀝青混合料層在荷載作用下的塑性變形在很大程度是由于瀝青混合料的縱向變形而引起的。在后續(xù)研究中只分析瀝青混合料在縱向的動(dòng)態(tài)應(yīng)變，分析各因素對(duì)動(dòng)態(tài)因素的影響。

3.2 荷載大小對(duì)瀝青混合料應(yīng)變的影響

在我國(guó)規(guī)范JTG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中，采用輪壓0.7 MPa為標(biāo)準(zhǔn)荷載進(jìn)行瀝青混合料的車(chē)轍試驗(yàn)。筆者也采用輪壓0.7 MPa為標(biāo)準(zhǔn)荷載，并采用0.5，1.0 MPa模擬輕交通和重交通荷載進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同荷載作用下的剛?cè)釓?fù)合式路面瀝青面層材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)變規(guī)律。圖3表示在不同荷載作用下的剛?cè)釓?fù)合式路面瀝青層動(dòng)態(tài)應(yīng)變規(guī)律。

圖3 不同荷載對(duì)縱向應(yīng)變的影響規(guī)律Fig.3 Longitudinal strain of asphalt mixture under different loads

由圖3可以看出：不同的荷載作用下瀝青混合料層的縱向應(yīng)變隨荷載作用表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。隨著荷載的增加，瀝青混合料的縱向應(yīng)變逐漸增大，充分表明荷載作用是瀝青混合料的塑性變形的直接原因。輪載1.0 MPa引起的縱向應(yīng)變對(duì)于0.7 MPa增加19 %，而0.5 MPa引起的縱向應(yīng)變對(duì)于0.7 MPa減小20 %，由此可見(jiàn)在一定范圍內(nèi)荷載大小與瀝青混合料的縱向應(yīng)變基本呈線性關(guān)系。此外，隨著荷載的增加，荷載作用后縱向應(yīng)變的恢復(fù)程度逐漸減小，這進(jìn)一步說(shuō)明了荷載對(duì)瀝青混合料層變形的影響。從另一種角度闡釋了瀝青混合料作為彈塑性材料，當(dāng)變形增大時(shí)，其塑性表現(xiàn)更為明顯。

3.3 瀝青混合料類(lèi)型對(duì)瀝青混合料應(yīng)變的影響

瀝青混合料的類(lèi)型有多種，常用于剛?cè)釓?fù)合式路面的瀝青混合料類(lèi)型主要包括密級(jí)配瀝青混凝土和具有功能特性的SMA降噪磨耗層，為此筆者選擇AC-13和SMA-13兩種類(lèi)型的混凝土在常溫輪載0.7 MPa工況下進(jìn)行應(yīng)變性能測(cè)試，以確定荷載作用下瀝青混合料種類(lèi)對(duì)其應(yīng)變的影響規(guī)律。采用馬歇爾試驗(yàn)方法進(jìn)行AC-13和SMA-13兩種瀝青混合料的配合比，目標(biāo)配合比如表6。瀝青混合料AC-13和SMA-13在動(dòng)態(tài)荷載的作用下的應(yīng)變規(guī)律見(jiàn)圖4。

表6 不同類(lèi)型瀝青混合料合成級(jí)配Table 6 Gradation of asphalt mixtures of different types

注：SMA-13級(jí)配中選用棒狀木質(zhì)素纖維，其中纖維用量為集料質(zhì)量0.4 %；AC-13的瀝青用量為4.9 %，SMA-13瀝青用量為5.7 %。

圖4 瀝青混合料類(lèi)型對(duì)縱向應(yīng)變的影響規(guī)律Fig.4 Longitudinal strain of asphalt mixture of different types

由圖4可以直觀看出，兩種類(lèi)型瀝青混合料具有相同的規(guī)律。隨著荷載靠近測(cè)試點(diǎn)，瀝青混合料的動(dòng)態(tài)應(yīng)變逐漸增加并達(dá)到最大值；隨著荷載的遠(yuǎn)離，瀝青混合料的動(dòng)態(tài)應(yīng)變逐漸減小，并具有一定的應(yīng)變恢復(fù)能。荷載作用下，SMA-13瀝青混合料的動(dòng)態(tài)應(yīng)變小于SMA-13瀝青混合料，相對(duì)于AC-13瀝青混合料抗變形能力高出12 %；同時(shí)，在荷載作用后SMA-13瀝青混合料的應(yīng)變恢復(fù)能力大于AC-13瀝青混合料，相對(duì)于AC-13瀝青混合料變形恢復(fù)能力可增加60 %。上述試驗(yàn)現(xiàn)象也驗(yàn)證了瀝青混合料彈性模量提高后，抗變形能力和變形恢復(fù)性能增加。剛?cè)釓?fù)合式路面瀝青混合料面層和水泥混凝土板的模量相差較大，荷載作用造成的瀝青混合料層的剪應(yīng)力增加，不同類(lèi)型混合料的變形能力具有明顯的區(qū)別。

3.4 溫度對(duì)瀝青混合料應(yīng)變的影響

瀝青混合料的變形不僅與荷載大小、瀝青混合料類(lèi)型相關(guān)，而且與環(huán)境溫度具有直接關(guān)系。高溫環(huán)境下，瀝青混合料塑性表現(xiàn)的更加突出，車(chē)轍等病變更為明顯，為此采用標(biāo)準(zhǔn)輪載0.7 MPa針對(duì)高溫環(huán)境(60 ℃)的剛?cè)釓?fù)合式路面的瀝青混合料層進(jìn)行試驗(yàn)，以研究高溫狀態(tài)下剛?cè)釓?fù)合式路面的瀝青混合料層的動(dòng)態(tài)應(yīng)變規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果如圖5。

圖5 瀝青混合料類(lèi)型對(duì)縱向應(yīng)變的影響規(guī)律Fig.5 Dynamic strain of asphalt mixture in high temperature

由圖5可見(jiàn)：高溫狀態(tài)下，荷載作用對(duì)剛?cè)釓?fù)合式路面的瀝青混合料層應(yīng)變的影響規(guī)律。可以看出高溫狀態(tài)下，AC-13和SMA-13兩種混合料的動(dòng)態(tài)應(yīng)變規(guī)律大致相同，SMA-13的動(dòng)態(tài)應(yīng)變略小于AC-13；常溫下的瀝青混合料層應(yīng)變的周期在1.4 s左右，相比之下高溫下瀝青混合料的應(yīng)變變化更加明顯，周期內(nèi)出現(xiàn)的一個(gè)較大的應(yīng)變峰和一個(gè)中間的應(yīng)變峰，這說(shuō)明高溫狀態(tài)下，荷載的間接作用也會(huì)引起瀝青混合料的應(yīng)變，并且AC-13的中間應(yīng)變峰遠(yuǎn)大于SMA-13的中間應(yīng)變峰值。這表明高溫狀態(tài)下，SMA-13的抗變形能力明顯高于AC-13瀝青混合料。

此外，高溫狀態(tài)下瀝青混合料的動(dòng)態(tài)應(yīng)變均為正數(shù)，表明在高溫狀態(tài)下，瀝青混合料的應(yīng)變恢復(fù)幾乎為0，或?yàn)r青混合料的應(yīng)變不足以引起應(yīng)變計(jì)的反應(yīng)。這充分揭示了高溫狀態(tài)下瀝青混合料產(chǎn)生車(chē)轍病害的機(jī)理，因此提高瀝青混合料的抗變形能力對(duì)瀝青混合料面層的抗車(chē)轍性能具有直接作用。

4 結(jié) 論

1)動(dòng)態(tài)荷載作用下剛?cè)釓?fù)合式路面瀝青層的橫向應(yīng)變小于縱向應(yīng)變，在荷載消除后橫向應(yīng)變可恢復(fù)60 %左右。

2)瀝青混合料的應(yīng)變隨著荷載的增大而增大，而應(yīng)變恢復(fù)性能隨著荷載的增大而降低。

3)骨架密實(shí)性瀝青混合料的動(dòng)態(tài)應(yīng)變小于懸浮密實(shí)性瀝青混合料。

4)高溫環(huán)境下，瀝青混合料的應(yīng)變?cè)黾?，并受間接作用影響增加，對(duì)于懸浮密實(shí)性瀝青混合料表現(xiàn)更加明顯。

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Experimental Study on Dynamic Strain of Asphalt Surface Course of Rigid-flexible Composite Pavement Structure

LIU Zhisheng1，ZHAO Juanjuan2

(1. Key Lab of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region Ministry of Transport, Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006,Shanxi, P. R. China; 2. Shenzhen branch, Beijing Urban Construction Design & Development Group Limited, Shenzhen 518000,Guangdong, P. R. China)

For further research into rut disease mechanism of asphalt surface course of rigid-flexible composite pavement, wheel rutting test was used to simulate dynamic load on pavement. The dynamic strain of asphalt mixture of different types under different temperature, under different loads in sizes and directions were measured by use of optical fiber testing technology to analyze the characters of wheel rutting deformation of asphalt surface course in composite pavement from the three aspects of load size, mixture types and the temperature. The result showed that under dynamic loading, the cross strain of the asphalt surface course of the rigid-flexible composite pavement is less than the longitudinal strain. After removal of load, the cross strain can recover by 60% while the longitudinal strain can recover only by 20%. Within given range there exists a positive linear relationship between the dynamic strain of asphalt mixture and load size while a reverse directional linear relationship between strain recovering ability and load size. SMA is of 12% less dynamic strain than AC and of 60% higher recovering ability. In the surroundings of high temperarture, indirect loading may also cause strain of asphalt mixture and SMA has a notably higher resistance against deformation than AC.

road engineering；composite pavement；asphalt surface course；dynamic strain；optical fiber measurement technology

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.08

2015-01-27；

2015-03-26

山西省青年基金項(xiàng)目(2013011027-1)

劉志勝(1989—)，男，山西朔城人，助理工程師，碩士，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料方面的研究。E-mail:huazhuangchun@163.com。

U 416.21

A

1674-0696(2016)02-031-04