重載作用下瀝青路面路用性能研究

趙應(yīng)芳

(甘肅省隴南市成縣交通運(yùn)輸局 隴南 742500)

引言

根據(jù)《交通運(yùn)輸服務(wù)決勝全面建成小康社會(huì)開(kāi)啟全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家新征程三年行動(dòng)計(jì)劃(2018—2020年)》具體指示：截至2019年，全國(guó)公路里程已達(dá)484.65萬(wàn)公里，其中高速公路達(dá)14.26萬(wàn)公里，公路里程數(shù)遠(yuǎn)超各國(guó)成為世界第一。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，也由此發(fā)生了重超、超載現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)超重超載車輛逐年增加。超重、超載車輛大多數(shù)為貨運(yùn)車輛，并占據(jù)滿載車輛的80%，其超載率可達(dá)到60%～200%，更有甚者超載率可達(dá)到300%[1-2]。超載汽車對(duì)于瀝青路面的破壞是嚴(yán)重的，其原因主要是由于汽車荷載軸重越大對(duì)于瀝青路面的疲勞損傷也就越嚴(yán)重，軸重增加也會(huì)使得瀝青路面的彈性變形增大，最終導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生形變破壞[3-4]。瀝青路面設(shè)計(jì)能夠承受的彈性形變作用次數(shù)大幅值減少，軸重的增加將直接導(dǎo)致路面壽命縮減。由此，許多研究人員對(duì)瀝青路面面層材料的抗車轍能力、抗磨耗與透水性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。其中張雪彤[5]對(duì)干線公路中路面使用性能進(jìn)行了研究，并對(duì)瀝青路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性進(jìn)行了分析，提出保證干線公路的正常交通與提升其性能與壽命具有極大的科學(xué)意義?？飶?qiáng)等[6]通過(guò)漢堡車轍儀對(duì)瀝青路面的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了正交試驗(yàn)以及方差分析，并檢驗(yàn)了瀝青瑪蹄脂碎石混合料高溫穩(wěn)定性影響因素。最終結(jié)果顯示：不同因素對(duì)混合料高性能的影響差異較大，環(huán)境>級(jí)配(粗細(xì))>溫度>木質(zhì)素纖維摻量，其中，在不同級(jí)配混合料中，高溫性能優(yōu)劣依次為粗>中>細(xì)，并提出瀝青瑪蹄脂碎石混合料均具備較好的高溫穩(wěn)定性，具備較好的路用性能與重載穩(wěn)定性。姚亮[7]對(duì)瀝青路面的結(jié)構(gòu)和瀝青路面材料受到的具體影響進(jìn)行了研究，提出荷載是導(dǎo)致瀝青路面損壞的主要因素，并對(duì)瀝青路面設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，討論了損害設(shè)計(jì)、層間設(shè)計(jì)、厚度設(shè)計(jì)等。周陶宏[8]針對(duì)重載瀝青路面進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析，通過(guò)研究瀝青路面的車轍以及裂縫等病害，分析得出典型結(jié)構(gòu)在不同軸重下的彎沉、拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及路面結(jié)構(gòu)的損傷情況。王永斌等[9]針對(duì)不同級(jí)配、不同高模量瀝青混合料進(jìn)行了車轍、四點(diǎn)彎曲、低溫小梁、凍融等路用性能試驗(yàn)，分析高模量劑瀝青混合料路用性能的影響。寧金成等[10]利用ABAQUS有限元分析軟件，分析了重荷載水平力對(duì)瀝青路面使用的影響，結(jié)果表明水平力對(duì)于彎沉、拉壓應(yīng)變、車轍等的影響各不相同，其中無(wú)論哪種水平力的作用,拉應(yīng)變?cè)谒搅Ρ诚蛞粋?cè)的車輪荷載邊緣取得最大值。孟繁民[11]通過(guò)對(duì)瀝青混凝土路面在各個(gè)地區(qū)的調(diào)查分析可知，車轍對(duì)瀝青路面的破壞嚴(yán)重，并針對(duì)一些較大的車轍病害進(jìn)行了具體分析，探究了如果沒(méi)有及時(shí)處理車轍病害將造成的嚴(yán)重后果。翟佩琪等[12]對(duì)于瀝青路面在不同材料下的車轍病害進(jìn)行了分析，其中對(duì)瀝青路面的強(qiáng)度、剛度以及平整度等進(jìn)行了分析和試驗(yàn)，得到了一些有利于減少車轍病害發(fā)生的方法和有效的防治措施，從而可延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。

以上學(xué)者對(duì)于瀝青路面的各類路用性能進(jìn)行了研究，包括對(duì)干線公路的現(xiàn)場(chǎng)考察、室內(nèi)試驗(yàn)、有限元數(shù)值模擬分析、理論分析等。本文對(duì)于重載作用下的SBS改性瀝青的路用性能進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)3種不同油石比的瀝青路面進(jìn)行試驗(yàn)，分析各類油石比在重載作用下的車轍性能，以期能為道路承載力提供和參考。

1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)以殼牌SBS改性瀝青為例，其具體性能指標(biāo)見(jiàn)表1，集料級(jí)試驗(yàn)見(jiàn)表2。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)對(duì)改性瀝青以及混合料各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

表2 集料試驗(yàn)指標(biāo)表

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果顯示，SBS改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2 篩分與油石比確定

通過(guò)控制孔隙率進(jìn)行最佳油石比配比，控制孔隙率為3.0%～4.5%。通過(guò)篩孔試驗(yàn)確定篩孔通過(guò)率并進(jìn)行級(jí)配合成，通過(guò)篩分試驗(yàn)進(jìn)行級(jí)配的確定(粗集料、中集料、細(xì)集料)，再由級(jí)配選擇孔隙率進(jìn)行油石比的確定，本次試驗(yàn)主要分三種級(jí)配進(jìn)行，第一組試件粗集料孔隙率為5.3%，中集料孔隙率為4.7%，細(xì)集料孔隙率為3.8%，最終確定油石比為5.9%；第二組試件粗集料孔隙率為4.7%，中集料孔隙率為3.9%，細(xì)集料孔隙率為2.9%，最終確定油石比為6.2%。第三組試件粗集料孔隙率為4.0%，中集料孔隙率為3.0%，細(xì)集料孔隙率為2.1%，最終確定油石比為6.5%。可以看出，三組試件組合集料的孔隙率越來(lái)越小，油石比的比率越來(lái)越大，最終確定油石比為6.5%、6.2%、5.9%。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與儀器介紹

對(duì)于路面材料的重載試驗(yàn)主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)與試驗(yàn)方法較為固定，但是通常情況下試驗(yàn)的準(zhǔn)確率也比較高，測(cè)試方法為馬歇爾穩(wěn)定度即車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)，試驗(yàn)主要根據(jù)《瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》方法，對(duì)上述三種試件進(jìn)行瀝青混合料車轍動(dòng)穩(wěn)定度重載試驗(yàn)。為達(dá)到重載試驗(yàn)效果，以便更加真實(shí)的反映出重載條件下，瀝青路面的影響情況以及車轍動(dòng)穩(wěn)定度的變形率。同等情況下變形率越小，動(dòng)穩(wěn)定度越小，其重載條件下的性能越優(yōu)越。車轍試驗(yàn)儀采用的是河北大宏實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的全自動(dòng)瀝青混合料車轍試驗(yàn)機(jī)，車轍試驗(yàn)機(jī)見(jiàn)圖1所示。

圖1 全自動(dòng)車轍試驗(yàn)儀

3.1 試驗(yàn)步驟

重載條件下，車轍試驗(yàn)具體使用儀器為：瀝青拌合機(jī)、瀝青壓實(shí)模具，瀝青成型機(jī)用來(lái)制備并車轍試驗(yàn)步驟分為以下幾步，首先將上述三種油石比的瀝青原材料放入拌合機(jī)，在設(shè)定溫度下進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，攪拌時(shí)間不少于120s，時(shí)間長(zhǎng)短由溫度和原材料而定；然后將拌和好的集料和瀝青混合物放進(jìn)模具中進(jìn)行初步壓實(shí)，壓實(shí)過(guò)程要盡快進(jìn)行，并從四周向中間進(jìn)行，壓實(shí)成型后的瀝青混合物在模具中呈現(xiàn)中間高于四周的試樣，第三步將初步成型的試樣表面鋪好一層卡紙密封，再放在成型機(jī)上進(jìn)行碾壓，第一次碾壓將頂部凸起部位壓平，此過(guò)程碾壓2次，第二次碾壓將試件翻轉(zhuǎn)90°進(jìn)行第二次碾壓，此過(guò)程將沿著相同方向碾壓24次，放置48h以上。最后進(jìn)行車轍試驗(yàn)并進(jìn)行記錄與數(shù)據(jù)分析。

3.2 車轍試驗(yàn)流程與校準(zhǔn)

本試驗(yàn)主要針對(duì)重載作用下三種油石比的瀝青混合料進(jìn)行，采用瀝青混合料車轍試驗(yàn)儀進(jìn)行車轍試驗(yàn)。三種油石比制成的標(biāo)準(zhǔn)車轍試件將在車轍儀上進(jìn)行車輪模擬碾壓試驗(yàn)。

瀝青混合料車轍試驗(yàn)溫度為60℃±0.5℃，位移精度為0.05mm。具體試驗(yàn)步驟為：首先將成型的3種油石比的試件，分別在恒溫箱中保溫儲(chǔ)存5h以上，同時(shí)將車轍試驗(yàn)儀預(yù)熱和精度校準(zhǔn)，后打開(kāi)車轍試驗(yàn)儀，并將試件放置在儀器中，保證車轍試驗(yàn)輪在試件中央位置，車轍試驗(yàn)過(guò)程中，車輪的運(yùn)行方向應(yīng)與試件的成型碾壓方向一致。然后將試驗(yàn)儀車輪位置下調(diào)，下調(diào)至與試件表面接觸，本研究為重載條件，因此將車輪荷載調(diào)整至1.5MPa。并同時(shí)調(diào)節(jié)位置傳感器，使車輪在車轍試驗(yàn)過(guò)程中不超出測(cè)量范圍。試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)1h左右，停止試驗(yàn)，打印并保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。然后將另外兩種油石比的試件重復(fù)以上步驟。再將3種油石比試件的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并分析。

4 試驗(yàn)分析

重載條件下通過(guò)車轍試驗(yàn)對(duì)三種油石比瀝青混合料進(jìn)行試件制備與車轍試驗(yàn)，將記錄下的車轍深度與車轍次數(shù)等數(shù)據(jù)繪制二維曲線圖進(jìn)行分析與對(duì)比，上述三種試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 車轍試驗(yàn)結(jié)果圖

通過(guò)分析圖2可得：重載條件下三種油石比的車轍試驗(yàn)結(jié)果有所不同，其中油石比為5.9%的瀝青混合料試件車轍深度最小，最大深度為6.94mm，車轍深度變化過(guò)程為5000車輪往返次數(shù)內(nèi)速率最快，當(dāng)試驗(yàn)車輪往返速率達(dá)到15000次數(shù)左右時(shí)車轍深度變化基本平穩(wěn)。油石比為6.5%的瀝青混合料試件車轍深度最大，最大深度為7.82mm，同樣的，此試件在車轍深度變化過(guò)程為5000車輪往返次數(shù)內(nèi)速率最快，當(dāng)試驗(yàn)車輪往返速率達(dá)到15000次左右時(shí)車轍深度變化基本平穩(wěn)?？梢?jiàn)，瀝青試件在重載車轍試驗(yàn)中，車轍往返次數(shù)在5000左右時(shí)，車轍深度變化速率最快。當(dāng)次數(shù)達(dá)到15000次左右時(shí)，整體車轍深度變化趨于平穩(wěn)。通過(guò)圖2曲線整體趨勢(shì)可以得出，當(dāng)瀝青混合料的油石比越大，車轍深度會(huì)隨之增大。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定三種油石比對(duì)應(yīng)不同的集料孔隙率，集料的孔隙率越小對(duì)應(yīng)的油石比越大。

(2)通過(guò)室內(nèi)車轍試驗(yàn)得出三種油石比的瀝青混合料試件在車轍次數(shù)為5000車輪往返次數(shù)內(nèi)速率最快，當(dāng)次數(shù)達(dá)到15000次左右時(shí)，整體車轍深度變化趨于平穩(wěn)。

(3)通過(guò)車轍曲線可以看出當(dāng)瀝青混合料的油石比越大，車轍深度會(huì)隨之增大。