荷載對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響研究

何俊輝 趙艷納

摘要：為全面分析荷載對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響，真實(shí)模擬運(yùn)營(yíng)過(guò)程中荷載變化情況，文章通過(guò)對(duì)高速公路交通量的調(diào)查，得出車轍輪胎氣壓的分布圖，確定試驗(yàn)荷載為0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，并在標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出一種變載車轍儀，利用變載車轍試驗(yàn)，以動(dòng)穩(wěn)定度、車轍深度、車轍總位移為指標(biāo)，分析荷載對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：荷載對(duì)瀝青混合料高溫性能影響較大，隨著荷載的增大，動(dòng)穩(wěn)定度降低，基質(zhì)瀝青和改性瀝青的荷載與動(dòng)穩(wěn)定度相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.95以上，表明兩者具有較好的線性關(guān)系，建議用線性模型描述兩者關(guān)系;隨著荷載增加，車轍深度呈增大的趨勢(shì)，但改性瀝青車轍深度增速相比基質(zhì)瀝青較慢，表明改性瀝青的承重能力更強(qiáng);動(dòng)穩(wěn)定度和車轍深度具有良好的相關(guān)關(guān)系，相同混合料可從車轍深度大小推算出混合料動(dòng)穩(wěn)定度，可從另一個(gè)角度為高溫穩(wěn)定性提供評(píng)估指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：荷載;瀝青混合料;高溫性能;車轍

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路交通事業(yè)也進(jìn)入飛速發(fā)展的階段。瀝青路面因具有表面平整、無(wú)接縫、行車舒適、噪音低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于高等級(jí)公路中。但瀝青混合料是一種典型的溫度敏感性材料，其路用性能受溫度影響較大，加上交通量增大、超載現(xiàn)象嚴(yán)重、渠化交通等因素的影響，瀝青路面在運(yùn)營(yíng)早期就會(huì)出現(xiàn)裂縫、車轍、坑槽等病害，嚴(yán)重影響路用性能。相關(guān)文獻(xiàn)表明，車轍是瀝青路面亟待解決的早期病害之一[1]。

車轍深度受環(huán)境溫度、原材料質(zhì)量、荷載大小以及荷載作用時(shí)間等因素的影響[2]，其中車輛荷載是主要因素，國(guó)內(nèi)外道路工作者對(duì)其進(jìn)行了大量研究。Uzarowski，Ludomir[3]代表殼牌石油公司在第一屆國(guó)際瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)議中提出通過(guò)限制路基頂面垂直壓應(yīng)變來(lái)控制路面車轍的產(chǎn)生。Seong-Wan Park[4]提出輪胎載荷和車軸的輪胎的幾何布置比總荷載更直接影響路面對(duì)車輛的響應(yīng)，并提出一種在常規(guī)柔性路面（CFP）中建立基于車轍性能的載荷極限的方法。Huang Xiaoming等[5]利用有限元程序ABAQUS分析了瀝青路面車轍隨溫度和交通變化的關(guān)系，結(jié)果表明：在同樣的交通和溫度環(huán)境下，車轍深度與輪胎壓力呈線性正相關(guān)，但在重載條件下呈非線性。吳浩[6]在不同溫度不同應(yīng)力條件下進(jìn)行蠕變實(shí)驗(yàn)，得出蠕變曲線，并提出一種時(shí)間-溫度-應(yīng)力等效計(jì)算公式。栗培龍等[7]認(rèn)為荷載對(duì)車轍的影響在高溫條件下更顯著，提出對(duì)標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)環(huán)境“60 ℃、0.7 MPa”進(jìn)行修正。周嵐[8]提出在高溫重載條件下，瀝青路面更易產(chǎn)生車轍。彭浩等[9]提出隨著荷載增加，動(dòng)穩(wěn)定度顯著減小。賀平等[10]提出荷載和環(huán)境溫度對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性具有明顯的影響。張滿河[11]等通過(guò)高溫重載車轍試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粗集料含量較多的瀝青混合料，動(dòng)穩(wěn)定度較大且3 000次變形量最小，抵抗高溫重載能力更強(qiáng)。張敏[1]提出瀝青混合料的抗車轍性能隨著荷載的增加而降低，荷載對(duì)DS影響顯著。

通過(guò)檢索資料發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有荷載對(duì)瀝青混合料高溫性能影響研究，多采用標(biāo)準(zhǔn)荷載車轍儀，大約都是0.7 MPa（根據(jù)車輪受到的壓力和接觸面積的比值計(jì)算得出的），無(wú)法模擬實(shí)際路面荷載變化。本文為真實(shí)模擬路面荷載變化情況，通過(guò)對(duì)高速公路交通量的調(diào)查，得出車轍輪胎氣壓的分布圖，確定試驗(yàn)荷載為0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于在現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上改變車轍碾壓輪壓強(qiáng)的問(wèn)題，提出一種荷載變化范圍較廣的變載車轍儀，以更準(zhǔn)確地研究荷載的變化對(duì)瀝青混合料性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

（1）原材料

本文采用“昆侖”A級(jí)70#基質(zhì)瀝青和“昆侖”SBS改性瀝青，集料采用宜陽(yáng)弘源氧化鈣石料廠生產(chǎn)的石料。試驗(yàn)檢測(cè)表明，原材料各指標(biāo)均能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求。

（2）配合比設(shè)計(jì)

本文偏重研究混合料的高溫性能，以中面層常用的AC-20為基礎(chǔ)，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。通過(guò)調(diào)整各檔料的比例，調(diào)整合成級(jí)配曲線圖，使得級(jí)配曲線在上、下限之間，并且使得曲線呈“S”型，使礦料中粗集料偏多，提高瀝青混合料的高溫性能。最終得到級(jí)配圖如圖1所示。

根據(jù)圖1，試著調(diào)整合成級(jí)配，得出比較平滑的兩個(gè)曲線，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定一個(gè)油石比，進(jìn)行試打級(jí)配，再根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)，選擇一個(gè)比較好的級(jí)配。

改性瀝青油石比確定采用一種級(jí)配、五種不同油石比，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試驗(yàn)，測(cè)出馬歇爾試件毛體積相對(duì)密度、穩(wěn)定度、流值、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度，取目標(biāo)空隙率為4.6%時(shí)對(duì)應(yīng)的油石比4.28%作為OAC1，且OAC1在OACmin～OACmax之間，從而確定OAC=4.34%，即下文瀝青混合料的高溫性能試驗(yàn)最佳油石比為4.34%。

1.2 變載車轍試驗(yàn)方法

1.2.1 荷載梯度的確定

本次現(xiàn)場(chǎng)交通量調(diào)查的地點(diǎn)選在蓮易高速公路紅旗收費(fèi)站，采用人工法數(shù)固定時(shí)間段內(nèi)通過(guò)該收費(fèi)站的雙向混合交通量，采用輪重儀對(duì)通過(guò)的車輛載重進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，采用氣壓表測(cè)試之前測(cè)試輪重的車輛輪壓，其測(cè)試結(jié)果如表1、圖2所示。

根據(jù)荷載在路面結(jié)構(gòu)深度分布規(guī)律，考慮最不利因素取上面層、中面層荷載范圍為0.7～1.3 MPa，下面層荷載范圍為0.5～1.1 MPa，為更全面分析荷載對(duì)瀝青混合料的影響，確定試驗(yàn)荷載為0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.2 變載車轍試驗(yàn)

為真實(shí)模擬運(yùn)營(yíng)過(guò)程中荷載變化情況，本文采用變載車轍試驗(yàn)，變載車轍儀設(shè)計(jì)如下：

（1）測(cè)碾壓輪與車轍板的接觸面積。在溫度為60 ℃的環(huán)境下，在測(cè)試平臺(tái)上放置一個(gè)5 cm厚的鋼板，上鋪一張帶有復(fù)寫紙的方格紙，然后放下荷載輪垂直靜壓鋼板，從方格紙上可測(cè)出接觸面積S。

（2）測(cè)碾壓輪與車轍板的壓力。在溫度為60 ℃的環(huán)境下，在測(cè)試平臺(tái)上放置一個(gè)2.5 cm厚的鋼板，然后在鋼板上放置量程為5～180 kg的電子秤，把碾壓輪放在上邊即可測(cè)出壓力F。

（3）改變配重的質(zhì)量。碾壓輪對(duì)接觸面的壓力是靠配種自身的重力傳遞得到的，所以通過(guò)改變配重的質(zhì)量可以實(shí)現(xiàn)改變壓力。根據(jù)測(cè)出的接觸面積S，通過(guò)試算，推出每個(gè)壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)的壓力，從而得到所需配重的質(zhì)量m，換算結(jié)果如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

取AC-20改性瀝青、基質(zhì)瀝青兩種瀝青混合料，分別在0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa五個(gè)不同壓強(qiáng)下，進(jìn)行車轍試驗(yàn)，每組取3個(gè)平行試樣記錄45～60 min內(nèi)車轍位移，計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定度，求其平均值，結(jié)果如表3和表4所示。

2.1 荷載與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系

為研究改性瀝青、基質(zhì)瀝青兩種AC-20車轍板的動(dòng)穩(wěn)定度與荷載之間的關(guān)系，列出兩種瀝青混合料隨荷載的變化趨勢(shì)如圖3所示。

從整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，無(wú)論是改性瀝青還是基質(zhì)瀝青混合料，在溫度條件一定時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度隨著荷載的增加而減小，并且變化幅度比較穩(wěn)定。本次試驗(yàn)溫度是60 ℃，已超過(guò)基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)，因此基質(zhì)瀝青混合料彈性模量、蠕變模量等指標(biāo)較低，輪壓從0.7～1.3 MPa變化時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度變化較大，從2 342（次/mm）下降到539（次/mm），已經(jīng)不能滿足規(guī)范的要求。改性瀝青在60 ℃的環(huán)境下，有較強(qiáng)的彈性模量、蠕變模量，所以在加載的過(guò)程中，試驗(yàn)指標(biāo)變化比較穩(wěn)定，基本呈線性變化。

以上兩個(gè)回歸公式，相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.95以上，結(jié)果表明，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與車輪所受的荷載有著很好的相關(guān)性，這為以后進(jìn)行重載車轍研究提供有力的依據(jù)?？紤]到今后對(duì)車轍預(yù)估模型的簡(jiǎn)化，建議用線性模型來(lái)描述荷載與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系。

2.2荷載與車轍總位移的關(guān)系

由圖4、圖5可知，隨著荷載的增加，車轍深度呈增大的趨勢(shì)，改性瀝青車轍深度增加緩慢，荷載從0.5 MPa增到1.3 MPa時(shí)，車轍深度增加不到30%，而基質(zhì)瀝青車轍深度增加明顯，荷載從0.5 MPa增到1.3 MPa時(shí)，車轍深度從3 mm增到6.4 mm，增幅達(dá)100%以上。表明改性瀝青承受重載的能力強(qiáng)，增幅逐漸減慢這是因?yàn)楹奢d較大時(shí)，易將瀝青混合料壓密，剛開(kāi)始變形深度增加很快，之后隨著碾壓次數(shù)的增加，混合料逐漸密實(shí)，最后車轍深度變化趨于穩(wěn)定。

2.3 動(dòng)穩(wěn)定度與車轍深度的關(guān)系

動(dòng)穩(wěn)定度是瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的主要控制指標(biāo)，而車轍深度是路面高溫病害的主要表現(xiàn)形式。根據(jù)動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算公式可知，動(dòng)穩(wěn)定度是由不同時(shí)間所對(duì)應(yīng)的車轍深度計(jì)算得來(lái)的，所以動(dòng)穩(wěn)定度與車轍深度必然有著很好的相關(guān)關(guān)系。

由以上瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果可以列出不同荷載下車轍深度與動(dòng)穩(wěn)定度之間的關(guān)系如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7可以得出：車轍深度增大時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度減小，表明相同混合料可從車轍深度大小推算出混合料動(dòng)穩(wěn)定度，可將車轍深度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，提供了從另一個(gè)角度評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能的方法。

2.4 荷載對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響

通過(guò)變載車轍試驗(yàn)，分析荷載與動(dòng)穩(wěn)定度、車轍深度等高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)動(dòng)穩(wěn)定度隨著荷載的增加而減小，車轍深度隨著荷載的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，表明荷載對(duì)瀝青混合料高溫性能影響較大。在實(shí)際工程中，應(yīng)注重重載交通條件下瀝青路面的高溫性能。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）荷載對(duì)瀝青混合料高溫性能影響較大。瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與車轍所受的荷載相關(guān)系數(shù)都達(dá)到0.95以上，表明兩者有著很好的相關(guān)性，這為以后進(jìn)行重載車轍研究提供有力的依據(jù)?？紤]到今后對(duì)車轍預(yù)估模型的簡(jiǎn)化，建議用線性模型來(lái)描述荷載與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系。

（2）隨著荷載的增加，車轍深度呈增大的趨勢(shì)，改性瀝青車轍深度增加緩慢，荷載從0.5 MPa增到1.3 MPa時(shí)，車轍深度增加不到30%，而基質(zhì)瀝青車轍深度增加明顯，表明改性瀝青混合料的承重能力更強(qiáng)。

（3）相同混合料可從車轍深度大小推算出混合料動(dòng)穩(wěn)定度，可將車轍深度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，提供了從另一個(gè)角度評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能的方法。

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