梯度溫度場(chǎng)下的瀝青路面車轍性能分析*

張國(guó)付 龐 凌 游梓晗

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

0 引 言

瀝青是一種溫敏材料，在眾多環(huán)境影響因素中，溫度成為影響瀝青路面性能的主要因素之一[1].瀝青老化、重載、水損害等瀝青路面常見的損壞形式也與路面溫度息息相關(guān).

有關(guān)瀝青路面在不同溫度場(chǎng)條件下的性能研究方法有理論分析法和實(shí)驗(yàn)測(cè)試法.隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量多點(diǎn)溫度的實(shí)驗(yàn)方法變得更為經(jīng)濟(jì).實(shí)驗(yàn)測(cè)試法基本思路是基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立經(jīng)驗(yàn)方程，在實(shí)際應(yīng)用中可靠性較高，實(shí)用性很強(qiáng)，越來越多的研究者在嘗試建立經(jīng)驗(yàn)方程以達(dá)到預(yù)測(cè)瀝青路面溫度場(chǎng)的目的[2].然而實(shí)驗(yàn)測(cè)試法在建立經(jīng)驗(yàn)方程的過程中，對(duì)影響溫度場(chǎng)的因素選擇過于主觀，可能會(huì)忽略一些重要的影響因素，而考慮那些影響并不明顯的因素.再者，經(jīng)驗(yàn)方程往往達(dá)不到量綱統(tǒng)一[3]，所建立的方程式物理意義不明確.

文獻(xiàn)[4]針對(duì)車轍破壞提出了解決指導(dǎo)，設(shè)定了瀝青混合料設(shè)計(jì)的車轍檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但即使是滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的瀝青混合料設(shè)計(jì)在用于實(shí)際路面時(shí)也會(huì)有不同程度的車轍破壞.本文利用多功能全壽命分析儀模擬瀝青路面實(shí)際的環(huán)境因素，根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境因素，通過調(diào)節(jié)儀器溫度、紫外強(qiáng)度等參數(shù)，來模擬當(dāng)?shù)貙?shí)際路面溫度場(chǎng)，可行性高，且不受地域限制.在模擬出的梯度溫度場(chǎng)下對(duì)試件進(jìn)行車轍性能檢測(cè)，更符合實(shí)際.

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1) 瀝青采用湖北鄂州生產(chǎn)的SBS改性瀝青、AH-90基質(zhì)瀝青.依據(jù)文獻(xiàn)[5]測(cè)得的瀝青物理性質(zhì)見表1～2.

表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2) 集料是瀝青混合料中的骨料，集料的組成

表2 AH-90基質(zhì)瀝青常規(guī)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

成分對(duì)瀝青混合料的性能有顯著影響，其中粒徑大于3 mm的石料是成為骨架的重要部分，而粒徑在3 mm以下的石料主要起填孔隙作用.本實(shí)驗(yàn)中下層和中層選用石灰?guī)r，而上層則選擇優(yōu)質(zhì)玄武巖以兼顧成本和車轍性能.其基本物理性能根據(jù)文獻(xiàn)[6].

3) 礦粉選用某公司生產(chǎn)的石灰石礦粉.根據(jù)文獻(xiàn)[6]對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表3.

表3 礦粉物理性能測(cè)試結(jié)果

1.2 瀝青混合料的配比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用全厚式瀝青混凝土試件，以保證試件的結(jié)構(gòu)與高等級(jí)路面完全相同，進(jìn)而獲得具有參考價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).全厚式瀝青混凝土試件由三層結(jié)構(gòu)組成，分別是8 mm厚度的下面層，6 mm厚度的中面層以及4 mm厚度的上面層.中面層對(duì)瀝青路面車轍性能的影響遠(yuǎn)大于另外兩層，為了同時(shí)保證瀝青路面使用過程中的舒適性，瀝青路面的抗車轍性能以及鋪設(shè)路面的成本，可以選擇性的降低下面層的性能.故試驗(yàn)選擇見表4.

表4 全厚式瀝青混凝土試件配置

1.2.1上面層配合比設(shè)計(jì)和最佳油石比確定

上面層所用的玄武巖的篩分結(jié)果和配合比見表5.在確定上層的級(jí)配后，選定四個(gè)油石比：4.10%，4.40%，4.70%，5.00%作為實(shí)驗(yàn)參數(shù).每一種油石比進(jìn)行四次重復(fù)的馬歇爾實(shí)驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)取平均值以減少誤差，最終確定油石比為4.3%.

1.2.2下面層和中面層的配合比和最佳油石比確定

下面層和中面層所用的石灰?guī)r的篩分結(jié)果及其配比見表6.下層和中層的級(jí)配確定后確定最佳油石比時(shí)選擇3.7%，4.0%，4.3%，4.6%.按上述油石比每組進(jìn)行四次重復(fù)的馬歇爾實(shí)驗(yàn)，最終確定最佳油石比為4.30%.

表5 AC-20的集料篩分結(jié)果及其配合比

表6 AC-25的篩分及其配合比

1.3 溫度測(cè)量點(diǎn)位置的確定

為了反映試件中的溫度梯度，必須確定在不同深度位置測(cè)量溫度以便反映試件所處的溫度場(chǎng).用紅外相機(jī)拍攝在車轍實(shí)驗(yàn)機(jī)中保溫后的試件表面以確定鉆孔位置.紅外相片見圖1.

圖1 試件溫度分布圖

由圖1可知，試件靠近長(zhǎng)邊兩側(cè)分別有兩個(gè)高溫位置而溫度隨著遠(yuǎn)離這四個(gè)點(diǎn)逐漸降低，最低溫度分別可以在試件中央處和試件靠寬邊的邊緣處.為了能反應(yīng)輪碾部分的溫度狀況選取了在四個(gè)高溫點(diǎn)中的三個(gè)點(diǎn)以及這三個(gè)點(diǎn)與長(zhǎng)邊平行的方向的左右距離10 cm的兩個(gè)點(diǎn).沒有選擇到的高溫點(diǎn)被用來放置車轍實(shí)驗(yàn)機(jī)的溫度控制熱電偶.在三組位置分別鉆孔，鉆孔深度依次為3，7，14 cm.使用光纖溫度傳感器在輪碾過程中測(cè)量溫度.具體方案見圖2.圖中白色原點(diǎn)位置為鉆孔位置，白色斜線位置為車轍實(shí)驗(yàn)機(jī)溫度傳感器所處的位置.

圖2 試件打鉆孔位置圖

1.4 試驗(yàn)方法

實(shí)際瀝青混凝土路面在使用過程中，因?yàn)樘栞椛?、氣流等原因，瀝青路面溫度從表面到內(nèi)部不同深度，存在一定的溫度梯度[7-8].而室內(nèi)模擬瀝青混凝土在使用過程中發(fā)生高溫車轍破壞，如漢堡車轍試驗(yàn)、瀝青混合料車轍試驗(yàn)等，都是采用電熱管加熱方式在60 ℃或45 ℃等恒定的溫度條件下進(jìn)行；其它的如室內(nèi)模擬瀝青混凝土老化過程、疲勞和低溫開裂破壞也都是保持氣溫在某一恒定的溫度條件下進(jìn)行.這些模擬實(shí)驗(yàn)中，無論是單一的恒定溫度場(chǎng)和溫度產(chǎn)生的來源，都與實(shí)際路面情況不相符，導(dǎo)致模擬試驗(yàn)車轍、裂縫形成以及老化規(guī)律與實(shí)際情況不相符[9-10].而采用紫外燈及空氣溫度調(diào)節(jié)器來控制瀝青混凝土試件溫度，可使試件處于溫度梯度可調(diào)節(jié)的非恒定溫度場(chǎng)下，科學(xué)地模擬實(shí)際瀝青混凝土路面的溫度場(chǎng)，在吃溫度場(chǎng)下對(duì)試件進(jìn)行車轍性能研究，具體試驗(yàn)參數(shù)見表7.

表7 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

將各組實(shí)驗(yàn)的車轍數(shù)據(jù)做成輪碾次數(shù)和車轍深度的曲線圖，并根據(jù)曲線圖擬合出各組數(shù)據(jù)的曲線方程，并用方程計(jì)算最終車轍深度.各組的擬合曲線方程整理見表8，各組實(shí)驗(yàn)的車轍數(shù)據(jù)擬合曲線統(tǒng)一繪制見圖3.

表8 車轍數(shù)據(jù)擬合曲線方程

圖3 車轍深度變化曲線

2.1 溫度對(duì)車轍的影響

由圖3可知，車轍的發(fā)展有兩個(gè)階段，即壓密階段和穩(wěn)定增長(zhǎng)階段.在壓密階段發(fā)生破壞的速度較快，而穩(wěn)定增長(zhǎng)的過程中破壞速度越來越慢，最后趨近與一個(gè)定值.在輪碾次數(shù)達(dá)到約13 000次時(shí)環(huán)境條件溫度和紫外強(qiáng)度較低的實(shí)驗(yàn)組(1-1，2-1，3-1，3-2)達(dá)到車轍破壞的最大破壞，而溫度達(dá)到50 ℃或紫外強(qiáng)度達(dá)到70 kW/m2的實(shí)驗(yàn)組(2-2，3-3)在輪碾次數(shù)達(dá)到約22 000次左右時(shí)達(dá)到車轍破壞的最大值.

第一階段中，不同溫度的車轍破壞程度不同，溫度較高的實(shí)驗(yàn)組，瀝青流動(dòng)性較好，瀝青在壓實(shí)過程中更易流動(dòng)到骨架的空隙中，進(jìn)而產(chǎn)生較大的車轍破壞.在穩(wěn)定增長(zhǎng)階段中，車轍深度隨著輪碾次數(shù)的增加而呈現(xiàn)接近線性的增長(zhǎng)速度.試件進(jìn)入第二階段的先后與試件所處的實(shí)驗(yàn)溫度和紫外強(qiáng)度有很大的影響，從圖中紫外強(qiáng)度均為30 W/m2的2-1，2-2，3-1三個(gè)組別的比較中.可以觀察得到實(shí)驗(yàn)溫度較高的組別，進(jìn)入第二階段的時(shí)間較其他組別明顯有延后.

動(dòng)穩(wěn)定度是指在車轍形成一定階段，試件每產(chǎn)生1 mm變形所承受的標(biāo)準(zhǔn)軸輪碾次數(shù).車轍實(shí)驗(yàn)中，車轍深度的測(cè)定往往有較大的誤差，不宜重復(fù)實(shí)驗(yàn)[11].本試驗(yàn)中取車轍破壞進(jìn)入穩(wěn)定階段的10 000～17 000的車轍變形來計(jì)算穩(wěn)定度.不同溫度下，試件的動(dòng)穩(wěn)定度見表9.

表9 不同溫度下車轍試件的動(dòng)穩(wěn)定度

由表9可知，溫度對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的影響很大，當(dāng)溫度從40 ℃升高到45 ℃時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度減小了55.48%，而從40 ℃升高到50 ℃時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度減小了81.94%.動(dòng)穩(wěn)定度隨溫度的變化較為平穩(wěn)，

2.2 紫外光對(duì)車轍的影響

由圖3可知，紫外光強(qiáng)對(duì)試件的車轍深度有顯著的影響，本次試驗(yàn)中使用紫外光照度儀測(cè)量了試件表面的紫外光作為控制紫外光強(qiáng)度的方法.紫外光可以產(chǎn)生溫度梯度，溫度梯度使得試件上面層的溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中下兩面層.上面層在高溫條件下更易發(fā)生車轍破壞.紫外強(qiáng)度更高的情況下第一階段壓密階段中車轍破壞會(huì)迅速的達(dá)到一個(gè)較嚴(yán)重的程度，隨后車轍破壞的速度逐漸降低，直至穩(wěn)定階段.紫外強(qiáng)度越高達(dá)到穩(wěn)定階段的時(shí)間越晚.

2.2.1溫度梯度

使用紫外燈可以在試件中產(chǎn)生一個(gè)有梯度的溫度場(chǎng)，每組實(shí)驗(yàn)的溫度梯度見表10.

由表10可知, 紫外光的照射會(huì)在試件中產(chǎn)生明顯的梯度溫度場(chǎng)，從1-1和3-1的對(duì)比中可以得到，30 W/m2的紫外光在試件中產(chǎn)生的溫差比沒有紫外光的情況下高了8 ℃左右.而在沒有紫外光下試件產(chǎn)生溫差的原因主要是從模具底部與測(cè)試機(jī)接觸面的的熱量流失，而這種熱量流失是不可避免的.在溫度條件皆為45 ℃的實(shí)驗(yàn)組(1-1,3-1,3-2,3-3)的比較中可知,紫外光越強(qiáng)，表面溫度受紫外光影響升溫越高，為了使試樣表面溫度一致，環(huán)境溫度必須保持更低的水平，進(jìn)而溫度梯度也隨著紫外光的強(qiáng)度增加而增大，產(chǎn)生較大的溫度梯度進(jìn)而使試件整體的溫度偏離控制溫度.在紫外條件皆為30 W/m2的實(shí)驗(yàn)組(2-1,2-2,3-1)的比較中可知在紫外強(qiáng)度相同時(shí)溫度更多的是影響試件的整體溫度水平，而并不會(huì)顯著的影響溫度梯度的大小.

表10 溫度梯度分布情況

2.2.2動(dòng)穩(wěn)定度

本實(shí)驗(yàn)中以車轍破壞進(jìn)入穩(wěn)定階段的15 000～20 000的車轍形變來計(jì)算穩(wěn)定度.不同紫外強(qiáng)度下，試件的動(dòng)穩(wěn)定度見表11.

表11 不同紫外強(qiáng)度下車轍試件的動(dòng)穩(wěn)定度

紫外強(qiáng)度對(duì)試件的車轍深度有影響，紫外強(qiáng)度從0 W/m2增加到30 W/m2的時(shí)候動(dòng)穩(wěn)定度減小了70.13%，紫外強(qiáng)度從0 W/m2增加到50 W/m2的時(shí)候動(dòng)穩(wěn)定度降低了72.85%，紫外強(qiáng)度從0 W/m2增加到70 W/m2的時(shí)候動(dòng)穩(wěn)定度降低了84.58%.由此可見，紫外光產(chǎn)生梯度溫度場(chǎng)確實(shí)會(huì)對(duì)試件的車轍破壞產(chǎn)生巨大的影響，動(dòng)穩(wěn)定度隨紫外強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)突變趨勢(shì)，即在紫外光強(qiáng)度超過一個(gè)限度之后會(huì)對(duì)車轍破壞有更大的影響，而不同紫外強(qiáng)度對(duì)試件車轍性能的影響也符合不同紫外強(qiáng)度在試件中形成梯度溫度的梯度大小以及試件所處溫度的高低.

3 結(jié) 束 語

溫度是影響車轍深度的重要因素之一，試驗(yàn)中車轍深度隨著溫度的提升顯著增加，車轍深度的形成速度也隨溫度的提升顯著增加.車轍破壞具有壓密階段和穩(wěn)定階段，壓密階段中車轍破壞發(fā)生的較快，穩(wěn)定階段中車轍破壞隨時(shí)間增長(zhǎng)的速度較慢且近似于直線關(guān)系，較高的溫度會(huì)使車轍破壞進(jìn)入穩(wěn)定階段的時(shí)間點(diǎn)延后.紫外光會(huì)使試件內(nèi)產(chǎn)生明顯的梯度溫度場(chǎng)，紫外強(qiáng)度越高車轍深度越深，車轍破壞的形成速度也會(huì)增加.紫外強(qiáng)度越高車轍破壞進(jìn)入穩(wěn)定階段的時(shí)間點(diǎn)越晚.紫外光對(duì)車轍破壞的影響一方面是由于在試件中產(chǎn)生了溫度梯度，也有可能是紫外光對(duì)瀝青的性能產(chǎn)生了一定影響.

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