基于FBG的瀝青混合料車轍橫向應(yīng)變分析

高俊啟 魏路楠 魯洪強(qiáng)

(1南京航空航天大學(xué)土木工程系, 南京 210016)(2青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 青島 266101)

當(dāng)前瀝青路面的車轍類型主要以輪跡部位下凹、車轍兩側(cè)向上隆起的流動(dòng)性車轍為主[1],車轍問題已被認(rèn)定是影響瀝青路面通行的主要問題.國(guó)內(nèi)外學(xué)者在分析車轍路段流動(dòng)性車轍形成的原因時(shí),提出應(yīng)主要從材料和級(jí)配方面對(duì)該問題進(jìn)行改進(jìn).目前的分析技術(shù)大多從室內(nèi)模型試驗(yàn)出發(fā)來進(jìn)行理論分析和計(jì)算.實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫變形的方法包括輪胎式車轍試驗(yàn)、恒高度重復(fù)剪切試驗(yàn)、漢堡車轍方法、重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)等[2],但基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的豎向位移來表征車轍的方法難以反映流動(dòng)性車轍現(xiàn)象.喬英娟等[3]建立了瀝青路面三維有限元模型,根據(jù)瀝青層的側(cè)向(橫向)位移發(fā)展趨勢(shì),分析瀝青路面流動(dòng)性車轍形成的方式和原因.Abd-Alla等[4]采用新北海道車轍試驗(yàn)(HWTT),確定了橫向永久變形、橫截面面積變化以及表面和界面層的最大變形,表明骨料(粒徑不小于2 mm)主要在垂直于輪跡方向運(yùn)動(dòng),且在輪跡處的混合料中存在著較大的應(yīng)變.Kondo等[5]利用傳統(tǒng)的車轍試驗(yàn),通過單向和往復(fù)運(yùn)動(dòng)分析了車轍橫向變形,發(fā)現(xiàn)單向運(yùn)動(dòng)時(shí)的變形大于往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的變形.朱云升等[6]在不同應(yīng)力、溫度和空隙率水平下進(jìn)行重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn),得到了瀝青混合料試件的永久變形和橫、豎向變形,認(rèn)為重載下的高接觸壓力將加快瀝青混合料的車轍和橫向變形.Hu等[7]采用三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)有限元方法研究了高溫下瀝青混合料的橫向變形,指出橫向變形主要由橫向剪切應(yīng)力引起.以上學(xué)者在針對(duì)車轍橫向變形的研究中,往往比較側(cè)重最終的橫向變形,而較少對(duì)試驗(yàn)全時(shí)段的橫向應(yīng)變進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)與分析,以揭示混合料內(nèi)部集料的流動(dòng)過程.

應(yīng)變作為耐久性瀝青路面設(shè)計(jì)的重要指標(biāo),對(duì)其監(jiān)測(cè)可揭示瀝青混合料內(nèi)部在高溫狀態(tài)下的受力狀態(tài)、變形行為和發(fā)展規(guī)律.國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)研究瀝青混合料的高溫變形特性,根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,從應(yīng)力指數(shù)、蠕變激活能、指標(biāo)流變次數(shù)和斜率等方面分析了瀝青混合料的永久變形機(jī)理[8-10].但蠕變?cè)囼?yàn)未能很好地反映車輛在路面行駛的真實(shí)狀態(tài).我國(guó)室內(nèi)車轍試驗(yàn)對(duì)路面真實(shí)環(huán)境進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,其所測(cè)變形曲線很難區(qū)分蠕變階段和變形階段,無法監(jiān)測(cè)應(yīng)變變化.光纖光柵(FBG)技術(shù)的發(fā)展使得實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瀝青路面內(nèi)部力學(xué)和環(huán)境指標(biāo)成為可能.國(guó)內(nèi)學(xué)者利用光纖光柵傳感器對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)變、溫度、施工現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)、真實(shí)荷載工況進(jìn)行了應(yīng)用研究[11-14],并進(jìn)行了室內(nèi)車轍試件應(yīng)變的測(cè)試研究等[15],但尚未建立影響車轍發(fā)展的不同因素的應(yīng)變理論模型.

本文從影響瀝青混合料高溫抗車轍能力的級(jí)配和材料因素出發(fā),設(shè)計(jì)了基于FBG的室內(nèi)車轍試驗(yàn),借助FBG傳感器能靈敏捕捉結(jié)構(gòu)應(yīng)變的特性,研究了瀝青混合料內(nèi)部顆粒擴(kuò)散輪載的能力和流動(dòng)狀態(tài).在車轍板試件上同時(shí)獲得轍槽變形曲線和表面橫向應(yīng)變響應(yīng)曲線,以求從車轍板表面兩側(cè)橫向流動(dòng)變形的角度揭示瀝青混合料車轍橫向流動(dòng)變形的發(fā)展規(guī)律,對(duì)瀝青混合料的抗車轍性能做出合理的評(píng)估.

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)中的結(jié)構(gòu)因素為級(jí)配,選用AC-13C型和AC-13F型級(jí)配并結(jié)合馬歇爾試驗(yàn)確定油石比,見表1.試驗(yàn)涉及的材料因素有廢膠粉(WRP)改性以及廢膠粉和抗車轍劑復(fù)合改性.廢膠粉改性混合料以干法方式制作.廢膠粉選用河北石家莊生產(chǎn)的20目廢膠粉,經(jīng)測(cè)試后滿足技術(shù)要求.抗車轍劑選用某科技公司生產(chǎn)的威瀝士RSP.

表1 試驗(yàn)級(jí)配 %

試驗(yàn)所用瀝青選用經(jīng)測(cè)試各項(xiàng)性能均達(dá)標(biāo)的70#瀝青,所用集料選用各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)的江蘇茅迪玄武巖.此外,還選用了國(guó)產(chǎn)橡膠瀝青反應(yīng)劑以及環(huán)氧樹脂等材料.

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

光纖光柵傳感器選用應(yīng)變傳遞率高的表面黏貼式FBG傳感器[16];光纖光柵信號(hào)解調(diào)儀選用美國(guó)MOI公司生產(chǎn)的Micron Optics-ENLIGHT sm130型儀器;車轍試驗(yàn)設(shè)備采用LLN-5型瀝青混合料車轍試驗(yàn)系統(tǒng).

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始前,需在瀝青混合料車轍試件(300 mm×300 mm×50 mm)上沿與輪跡垂直的車轍板中部等間距布設(shè)表面黏貼式FBG傳感器,應(yīng)注意確保每塊板黏貼的距離一致.FBG傳感器黏貼前應(yīng)先將相應(yīng)區(qū)域用環(huán)氧樹脂抹平,以提高光纖光柵傳感器的黏貼強(qiáng)度與平整度.整體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見圖1.圖中,F1,F2,F3為應(yīng)變傳感器,T1為溫度傳感器,傳感器通過跳線從車轍儀中引出.試驗(yàn)時(shí),由解調(diào)儀同步采集試驗(yàn)全程傳感器在輪載作用下產(chǎn)生的應(yīng)變值,采集頻率為100 Hz.共制作5組車轍板試件,每組3個(gè),試驗(yàn)方案見表2.

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)(單位：mm)

表2 車轍試驗(yàn)方案%

1.3 溫度補(bǔ)償處理

將溫度傳感器T1測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到如圖2所示的溫度響應(yīng)曲線圖.由圖可知,溫度傳感器T1的溫度為59.98 6～60.006 ℃,僅在60 ℃上下波動(dòng),1 200 s后溫度響應(yīng)曲線更為平坦.究其原因在于,試件和試模在光纖采集數(shù)據(jù)前已置于(60±0.5)℃下的恒溫室保溫超過5 h,各傳感器已處于恒溫環(huán)境中,因此,試驗(yàn)可忽略溫度對(duì)FBG應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)采集的影響.

圖2 溫度傳感器T1的溫度響應(yīng)曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

FBG傳感器的采集頻率為100 Hz,能較好地采集輪載作用于車轍板中部時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變最大值.為便于分析數(shù)據(jù),提取每分鐘應(yīng)變最大值進(jìn)行結(jié)果分析.

2.1 廢膠粉改性對(duì)車轍橫向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律的影響

針對(duì)普通和廢膠粉改性瀝青混合料,進(jìn)行了3組(A,B,C組)基于FBG技術(shù)的車轍室內(nèi)試驗(yàn),每個(gè)試件中3個(gè)應(yīng)變傳感器的動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)曲線及車轍儀轍槽位移曲線見圖3(a)～(c).

圖3(a)為未摻膠粉的AC-13C瀝青混合料車轍試件的橫向應(yīng)變和轍槽位移曲線.根據(jù)車轍位移數(shù)據(jù),計(jì)算可得動(dòng)穩(wěn)定度為1 658次/mm.由圖可知,試驗(yàn)早期短時(shí)間內(nèi)各傳感器測(cè)試處均處于受壓狀態(tài),且在短時(shí)間內(nèi)應(yīng)變急劇增大,2 min后達(dá)到最大負(fù)應(yīng)變,然后以近似線性方式逐漸增加,從負(fù)應(yīng)變逐漸變?yōu)檎龖?yīng)變.同時(shí),由圖中轍槽位移曲線可見,這段時(shí)間內(nèi)轍槽位移也穩(wěn)步增加,即使在穩(wěn)定期,轍槽位移依然增幅較大,表明車轍的發(fā)展與瀝青混合料表面應(yīng)變場(chǎng)具有一定的相關(guān)性.使用FBG技術(shù)能夠捕捉瀝青混合料表面應(yīng)變對(duì)輪載間接作用的響應(yīng),從而能夠較全面地反映車轍變形規(guī)律,轍槽位移則只能反映輪跡處變形.如F3傳感器測(cè)試處后期應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)相比其前期和其余兩處較為緩和,說明距離車輪越近的區(qū)域,混合料內(nèi)部在高溫狀態(tài)下橫向流動(dòng)越劇烈,而遠(yuǎn)離輪載間接作用的區(qū)域則相對(duì)緩和,橫向應(yīng)變稍小.

圖3(b)為摻15%廢膠粉的瀝青混合料車轍試件的橫向應(yīng)變和轍槽位移曲線.根據(jù)車轍位移數(shù)據(jù),計(jì)算出動(dòng)穩(wěn)定度為6 300次/mm.由圖3(b)可知,3個(gè)傳感器測(cè)試處所測(cè)應(yīng)變均為負(fù)值,說明混合料表面均處于受壓狀態(tài).F1和F2傳感器處應(yīng)變?cè)?～10 min內(nèi)以幾乎一致的速率迅速增長(zhǎng),F3傳感器處則稍緩和,轍槽位移曲線在早期亦增長(zhǎng)迅速,反映了混合料在輪載作用下的初期壓密過程.14 min后F2傳感器處應(yīng)變開始持續(xù)下降,整體趨勢(shì)較為平緩,且車轍發(fā)展穩(wěn)定期時(shí)的下降速率反而稍快于中期.離轍槽最遠(yuǎn)的F3傳感器處應(yīng)變則是在24 min左右達(dá)到峰值,而后則持續(xù)下降;距離輪跡最近的F1傳感器處應(yīng)變變化大致呈拋物線形式,20 min后增長(zhǎng)平穩(wěn),50 min后(即車轍發(fā)展穩(wěn)定期)應(yīng)變稍微下降,說明廢膠粉改性瀝青混合料高溫下抵抗內(nèi)部荷載傳遞的能力較強(qiáng).圖中曲線還出現(xiàn)應(yīng)變值回升的現(xiàn)象,說明廢膠粉改性瀝青混合料內(nèi)部的廢膠粉、礦料和瀝青有效黏結(jié)成一個(gè)整體,共同抵抗來自車輪碾壓所傳遞的荷載,有效抑制了車轍的發(fā)展.轍槽位移在車轍發(fā)展穩(wěn)定期線性增加,而輪側(cè)橫向應(yīng)變則沒有線性增加,表明車轍曲線不能直觀反映混合料表面應(yīng)變場(chǎng)的變化.

(a) 廢膠粉摻量0%的AC-13C試件

(b) 廢膠粉摻量15%的AC-13C試件

(c) 廢膠粉摻量18%的AC-13C試件

(d) AC-13F試件

(e) 復(fù)合改性試件

圖3(c)為摻18%廢膠粉的瀝青混合料車轍試件的橫向應(yīng)變和轍槽位移曲線.F1傳感器未能正常采集數(shù)據(jù),故圖中未標(biāo)出相應(yīng)數(shù)據(jù).根據(jù)車轍位移數(shù)據(jù),計(jì)算得到動(dòng)穩(wěn)定度為2 864次/mm,未滿足規(guī)范要求(≥3 000次/mm).本試驗(yàn)中,F2和F3傳感器處應(yīng)變呈現(xiàn)基本一致的增加趨勢(shì),車轍發(fā)展穩(wěn)定期雖持續(xù)增長(zhǎng),但幅度不大,如F2傳感器處應(yīng)變?cè)?5～60 min時(shí)只增加了約8×10-5,高于15%摻量的廢膠粉改性瀝青混合料(約下降2×10-5),低于普通瀝青混合料(約1.5×10-4).對(duì)比圖3(b)和(c)可以看出,高溫性能較好的15%摻量的廢膠粉改性瀝青混合料應(yīng)變變化較18%摻量的廢膠粉改性瀝青混合料緩慢.由此可知,廢膠粉改性瀝青混合料擴(kuò)散荷載的能力優(yōu)于普通瀝青混合料,較大的廢膠粉摻量并不能提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性.

由于瀝青混合料本身的高溫性能不同,即使在相同的荷載、環(huán)境條件下,車轍板相同位置處表面輪跡外側(cè)橫向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律也不同.對(duì)于未摻膠粉的AC-13C瀝青混合料車轍試件,其橫向應(yīng)變?cè)? min后從負(fù)應(yīng)變轉(zhuǎn)向正應(yīng)變.對(duì)于摻15%廢膠粉的瀝青混合料車轍試件,其橫向應(yīng)變均為負(fù)值.在車轍試驗(yàn)后期,負(fù)應(yīng)變逐漸減小,有轉(zhuǎn)變?yōu)檎龖?yīng)變的趨勢(shì)(見圖3(b)),但由于試驗(yàn)設(shè)定60 min停止,沒能獲得后續(xù)數(shù)據(jù).對(duì)于摻18%廢膠粉的瀝青混合料車轍試件,其橫向應(yīng)變均為正值,即受拉并逐漸增大.由此可知,對(duì)于高溫性能好的瀝青混合料,車轍兩側(cè)隆起變形較小,或者兩側(cè)隆起變形發(fā)生較晚,其輪跡旁的表面應(yīng)變場(chǎng)以受壓為主,并逐漸趨于受拉.對(duì)于高溫性能差的瀝青混合料,車轍兩側(cè)隆起變形較大,或者兩側(cè)隆起變形發(fā)生較早,其輪跡旁的表面應(yīng)變場(chǎng)以受拉為主,并逐漸增大.由于動(dòng)穩(wěn)定度是依據(jù)試驗(yàn)開始后45～60 min的車轍變形值計(jì)算的,故無法建立動(dòng)穩(wěn)定度與輪跡外側(cè)橫向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律的關(guān)系.

2.2 級(jí)配對(duì)車轍橫向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律的影響

圖3(d)為摻15%廢膠粉的AC-13F瀝青混合料車轍試件的橫向應(yīng)變和轍槽位移曲線.根據(jù)車轍位移數(shù)據(jù),計(jì)算得到動(dòng)穩(wěn)定度為2 520次/mm.由圖可知,車轍試件轍槽右側(cè)表面均由短暫的受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)為長(zhǎng)期受壓狀態(tài).F1傳感器處應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)最快,F3傳感器處應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)最慢,說明在遠(yuǎn)離輪載作用的區(qū)域,輪載引起的橫向變形較小,混合料內(nèi)部的橫向流動(dòng)較弱,AC-13F車轍試件橫向傳遞荷載的能力較弱.

綜合圖3(b)和(d)可知,2種級(jí)配類型的混合料試件在F1的橫向應(yīng)變均處于下降受壓趨勢(shì).對(duì)比F1的最大應(yīng)變值可知,摻15%膠粉的AC-13C瀝青混合料為-2×10-4,摻15%膠粉的AC-13F瀝青混合料為-1×10-3.對(duì)于AC-13F試件,在試驗(yàn)后期,F2和F3橫向應(yīng)變呈現(xiàn)下降趨勢(shì),而對(duì)于AC-13C試件,F2和F3橫向應(yīng)變呈現(xiàn)緩慢上升狀態(tài),說明在高溫狀態(tài)下,AC-13C混合料橫向傳遞車輪荷載的能力比AC-13F強(qiáng),即廢膠粉改性瀝青混合料應(yīng)優(yōu)先選用粗型密級(jí)配,以提高高溫性能.

2.3 復(fù)合改性對(duì)車轍橫向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律的影響

圖3(e)為WRP和RSP復(fù)合改性瀝青混合料車轍試件的橫向應(yīng)變和轍槽位移曲線.根據(jù)車轍位移數(shù)據(jù),計(jì)算得到動(dòng)穩(wěn)定度為10 500次/mm.由圖可見,F1位置始終處于受拉狀態(tài),在試驗(yàn)開始后8 min達(dá)到應(yīng)變峰值(約1.30×10-4),而后開始下降,至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)下降約6×10-5.F2橫向應(yīng)變?cè)? min時(shí)達(dá)到峰值,而后逐漸下降至0,說明荷載在混合料內(nèi)部的橫向傳遞逐漸減弱,在廢膠粉和抗車轍劑的共同作用下,瀝青混合料內(nèi)部的橫向流動(dòng)得到了很大程度上的緩解.

綜合圖3(b)和(e)可見,廢膠粉改性瀝青混合料在摻加RSP抗車轍劑后,距離輪載最近的F1橫向應(yīng)變達(dá)到峰值1.3×10-4后便逐漸下降,F2橫向應(yīng)變也是達(dá)到峰值后逐漸下降至0;而對(duì)于未摻加抗車轍劑的廢膠粉改性瀝青混合料,F1橫向應(yīng)變處于緩慢增長(zhǎng)狀態(tài),F2和F3橫向應(yīng)變達(dá)到峰值后緩慢上升,說明摻加抗車轍劑的廢膠粉改性瀝青混合料抵抗車輪荷載傳遞的能力更強(qiáng),混合料在高溫下幾乎不產(chǎn)生橫向流動(dòng),車轍板整體強(qiáng)度較高,高溫性能優(yōu)越.

綜上可知,車轍發(fā)生過程中,瀝青混合料的高溫性能影響試件表面橫向應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律.動(dòng)穩(wěn)定度小的瀝青混合料,靠近轍槽位置(F1)的橫向應(yīng)變較大;動(dòng)穩(wěn)定度大的瀝青混合料,靠近轍槽位置(F1)的橫向應(yīng)變較小.另外,對(duì)于任一瀝青混合料試件,遠(yuǎn)離轍槽位置,其橫向應(yīng)變較小;靠近轍槽位置,其橫向應(yīng)變較大.隨荷載作用次數(shù)的增加,試件表面各點(diǎn)橫向應(yīng)變逐漸增大,各位置橫向應(yīng)變的發(fā)展趨勢(shì)相同,但應(yīng)變變化率不同.利用該規(guī)律,可以分析評(píng)價(jià)瀝青混合料車轍橫向流動(dòng)變形性能.

3 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了基于FBG技術(shù)的車轍室內(nèi)試驗(yàn),在車轍板上同時(shí)獲得轍槽變形曲線和瀝青混合料表面橫向應(yīng)變響應(yīng)曲線,從車轍板表面橫向應(yīng)變發(fā)展的角度揭示了瀝青混合料流動(dòng)性車轍的發(fā)展規(guī)律.

2) 車轍形成過程中,瀝青混合料的高溫性能影響試件表面橫向應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律.動(dòng)穩(wěn)定度小的瀝青混合料,靠近轍槽位置的橫向應(yīng)變較大;動(dòng)穩(wěn)定度大的瀝青混合料,靠近轍槽位置的橫向應(yīng)變較小.

3) 廢膠粉摻量為15%的瀝青混合料高溫性能較優(yōu),說明對(duì)瀝青混合料進(jìn)行廢膠粉改性可以有效緩解車轍橫向流動(dòng)變形,而過大的廢膠粉摻量并未使混合料內(nèi)部流動(dòng)得到緩解.廢膠粉改性瀝青混合料應(yīng)優(yōu)先選用粗型密級(jí)配,以改善高溫抗橫向流動(dòng)變形能力.

4) 復(fù)合改性瀝青混合料的車轍橫向變形較普通瀝青混合料和廢膠粉改性瀝青混合料發(fā)展緩慢,在廢膠粉和抗車轍劑的共同作用下,瀝青混合料內(nèi)部的橫向流動(dòng)得到了很大程度上的緩解.

5) 對(duì)于任一瀝青混合料試件,遠(yuǎn)離轍槽位置,其橫向應(yīng)變較小;靠近轍槽位置,其橫向應(yīng)變較大.隨荷載作用次數(shù)的增加,試件表面各點(diǎn)橫向應(yīng)變逐漸增大,各位置橫向應(yīng)變的發(fā)展趨勢(shì)相同,但應(yīng)變變化率不同.基于橫向應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)的車轍變形評(píng)價(jià)能夠清楚地反映瀝青混合料內(nèi)部抵抗輪載間接傳遞的能力和內(nèi)部集料在高溫下的流動(dòng)狀態(tài),分析了解材料和級(jí)配因素影響下瀝青路面流動(dòng)性車轍的發(fā)展規(guī)律.