基于MMLS3的特種瀝青路面野外加速加載試驗評估

陳簫劍　朱富萬　吳威偉　白偉

作者簡介：陳簫劍（1992—），碩士，工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

摘要：文章針對廣西某高速公路三種結(jié)構(gòu)瀝青路面（石墨烯橡膠復(fù)合改性瀝青路面、高模量EME-14瀝青路面、廣西高速典型路面結(jié)構(gòu)）開展野外MMLS3加速加載試驗，采用車轍深度、蠕變速率、斷面形態(tài)等指標(biāo)，分析評估不同瀝青路面結(jié)構(gòu)抵抗永久變形的性能差異，同時積累野外實測數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：高模量路面結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的長期抗車轍能力;石墨烯橡膠復(fù)合改性瀝青上面層瀝青膜剝落情況明顯優(yōu)于SBS上面層，同時具有更好的抗剪切性能。

關(guān)鍵詞：MMLS3加速加載試驗;特種瀝青路面;永久變形;車轍形態(tài)

中國分類號：U416.03A230864

0 引言

近年來國內(nèi)外開展了大量的瀝青路面加速加載試驗APT（Accelerated Pavement Testing），該試驗通過設(shè)定的條件對路面或芯樣進(jìn)行連續(xù)加載，在較短的時間內(nèi)建立路面結(jié)構(gòu)使用性能的變化規(guī)律，能夠為路面材料和結(jié)構(gòu)評價、壽命預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。其中MMLS3（One-third scale Model Mobile Load Simulator）加速加載設(shè)備因其體積較小、重量較輕、運輸方便，既可用于室內(nèi)試驗，也可用于野外試驗[1]，在國內(nèi)外得到一定程度的推廣應(yīng)用。MMLS3設(shè)備主要由南非PAVE TESTING公司生產(chǎn)，其加載輪尺寸約為足尺的1/3，目前應(yīng)用國家地區(qū)包括美國、歐洲、中國、南非、澳洲等。

國內(nèi)擁有MMLS3加速加載設(shè)備的高校、科研機(jī)構(gòu)已有數(shù)十家，目前主要開展試驗條件、加載次數(shù)、混合料性能評估等室內(nèi)加載研究工作[2-5]，缺少相關(guān)野外加載數(shù)據(jù)。因此本文擬基于MMLS3加速加載試驗，依托廣西某高速特種瀝青路面（2018年11月建成通車），開展MMLS3野外加速加載試驗評估，積累野外實測數(shù)據(jù)，并結(jié)合廣西地區(qū)高速公路建設(shè)特點，分析不同路面結(jié)構(gòu)方案的適用性。

1 路面結(jié)構(gòu)情況與加載方案

1.1 路面結(jié)構(gòu)情況

本次野外MMLS3加載路面結(jié)構(gòu)主要包括三種，分別是石墨烯橡膠復(fù)合改性瀝青路面結(jié)構(gòu)、高模量EME-14路面結(jié)構(gòu)以及廣西地區(qū)典型高速公路路面結(jié)構(gòu)（SBS路面結(jié)構(gòu)），詳細(xì)路面結(jié)構(gòu)形式如表1所示。其中，石墨烯橡膠復(fù)合改性瀝青用于上面層，以提升表面層的抗車轍、抗磨耗性能;高模量EME-14用于中下面層，采用12 cm一次攤鋪碾壓成型，以提升中下面層的抗車轍與抗疲勞性能。以下分別以石墨烯、高模量、SBS作為三種路面結(jié)構(gòu)代號進(jìn)行分析評估。

如表2所示為以上路面結(jié)構(gòu)所采用的混合料性能參數(shù)。從表2中可以看出，采用石墨烯橡膠復(fù)合改性瀝青后，AC-13C穩(wěn)定度提升明顯，但動穩(wěn)定度略有降低，而高模量EME-14穩(wěn)定度與動穩(wěn)定度結(jié)果均有顯著提升。

1.2 設(shè)備介紹與加載方案

1.2.1 設(shè)備介紹

MMLS3區(qū)別于傳統(tǒng)車轍試驗，采用充氣輪胎、單向加載模式，有空氣浴和水浴兩種試驗環(huán)境，能夠在短時間內(nèi)模擬瀝青混合料的推移情況。MMLS3設(shè)備主要包括加載主體、高溫水浴裝置、車轍斷面儀以及熱風(fēng)裝置等，其所加載荷載為1.9～2.7 kN，輪胎氣壓為0.7 MPa，加載速度為1～22 km/h，碾壓次數(shù)最大約7 200 次/h。

1.2.2 加載方案

本次道路模擬實驗選用最大荷載為2.7 kN，加載速度為22 km/h，胎壓為0.7 MPa，并考慮廣西夏天炎熱、雨量充足等氣候特點，選用高溫60 ℃水浴條件，并采用車轍斷面儀沿著輪跡橫斷面測量車轍深度。如圖1所示，共測量7個斷面，記錄各個斷面下不同加載次數(shù)的車轍深度（0次、1 000次、2 000次、5 000次、10 000次、50 000次、100 000次、150 000次、200 000次、250 000次、300 000次、400 000、500 000次），評價不同路面結(jié)構(gòu)的抗車轍能力。采用車轍深度、車轍發(fā)展速率、車轍斷面形態(tài)等指標(biāo)評估各路面結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下抵抗車轍變形的能力。

2 加速加載試驗結(jié)果與分析

2.1 車轍深度試驗結(jié)果

加載50萬次后的車轍深度試驗結(jié)果如表3所示，三種路面結(jié)構(gòu)加載后的深度基本處于同一水平，約為1.6～1.7 mm，無明顯差別。

針對路面車轍形態(tài)及車轍表觀情況展開分析，得到以下結(jié)論：

（1）石墨烯與SBS路面車轍形態(tài)主要為“V”型，高模量為“W”型。這主要是由于高模量路面結(jié)構(gòu)中下層位模量較高，承受荷載作用時變形較小，并間接導(dǎo)致上面層部分位置剪切應(yīng)力與應(yīng)變增大[6]，呈現(xiàn)較為均布的車轍變形。如圖2所示。

（2）從輪跡表面來看（見圖3），SBS上面層瀝青膜剝落情況明顯差于石墨烯上面層。分析其原因，主要是石墨烯通過納米改性在一定程度上改善了瀝青的粘附性能與水穩(wěn)定性能[7]。

2.2 車轍發(fā)展速率分析

從車轍深度試驗結(jié)果分析來看，MMLS3對于不同形式路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性能區(qū)分度存在一定缺陷，因此結(jié)合不同加載次數(shù)的車轍深度開展車轍發(fā)展速率分析，能夠表征車轍發(fā)展不同階段的高溫穩(wěn)定性能，并預(yù)測未來車轍發(fā)展?fàn)顩r。車轍發(fā)展主要采用蠕變速率（次/mm）指標(biāo)進(jìn)行分析，如表4～5和圖4～5所示。

從車轍深度變化情況來看，車轍發(fā)展主要分為兩個階段：（1）前期壓密階段，約為20～30萬次（車轍深度占加載50萬次車轍深度的80%～90%），主要特征為車轍深度發(fā)展較快，蠕變速率變化較大;（2）車轍蠕變階段，車轍深度發(fā)展較慢，蠕變速率相對穩(wěn)定。

此外，三種路面結(jié)構(gòu)車轍深度、蠕變速率發(fā)展趨勢基本一致，呈先快速增大后逐漸穩(wěn)定趨勢。對第二階段30～50萬次的車轍深度進(jìn)行線性擬合，并計算不同路面結(jié)構(gòu)的蠕變速率，橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)高模量路面>SBS路面>石墨烯路面，表明高模量路面結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的長期抵抗車轍能力。

2.3 車轍斷面形態(tài)分析

對于新建路面而言，車轍產(chǎn)生主要包括壓密性車轍與剪切性車轍，針對不同路面結(jié)構(gòu)的車轍斷面形態(tài)開展分析能夠?qū)囖H的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行確認(rèn)。本文采用拱起面積與輪跡帶凹陷面積之間的比例作為車轍斷面形態(tài)評價指標(biāo)（見圖6），如式（1）所示，分析造成車轍產(chǎn)生的原因。

不同路面結(jié)構(gòu)拱起面積占輪跡帶凹陷面積的比例如表6、圖7所示。經(jīng)分析可得出以下結(jié)論：

（1）整體來看，三種路面結(jié)構(gòu)的這一指標(biāo)均呈現(xiàn)較大數(shù)值，表明三種路面結(jié)構(gòu)車轍變形主要為剪切導(dǎo)致，從側(cè)面說明路面的前期壓實效果處于較好水平。

（2）橫向?qū)Ρ葋砜?，石墨烯路面結(jié)構(gòu)該指標(biāo)明顯低于SBS與高模量路面，表明石墨烯路面車轍發(fā)展過程中，剪切性變形比例低于其他兩種路面結(jié)構(gòu)，具有更好的抗剪切性能。

3 結(jié)語

本文主要依托廣西某高速公路，基于MMLS3設(shè)備在野外開展路面結(jié)構(gòu)整體加速加載試驗，得出以下結(jié)論：

（1）通過對三種路面結(jié)構(gòu)形式50萬次加速加載試驗，加載后的深度基本處于同一水平，約為1.6～1.7 mm，無明顯差別。石墨烯與SBS路面車轍斷面形態(tài)主要為“V”型，高模量為“W”型，這主要是由于高模量路面結(jié)構(gòu)中下層位模量較高，承受荷載作用時變形較小，并間接導(dǎo)致上面層部分位置剪切應(yīng)力與應(yīng)變增大。此外，石墨烯橡膠復(fù)合改性瀝青上面層瀝青膜剝落情況明顯優(yōu)于SBS上面層。

（2）從車轍深度變化規(guī)律看出，對于新建路面車轍發(fā)展主要分為兩個階段：第一階段為壓密階段，主要受施工因素影響;第二階段為蠕變階段，該階段車轍發(fā)展速度直接影響路面的長期性能。通過對第二階段車轍發(fā)展速率擬合并計算不同路面結(jié)構(gòu)的蠕變速率，橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)高模量路面>SBS路面>石墨烯路面，表明高模量路面結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的長期抵抗車轍能力。

（3）通過計算不同路面結(jié)構(gòu)拱起面積占輪跡帶凹陷面積的比例發(fā)現(xiàn)，石墨烯路面剪切性變形比例低于其他兩種路面結(jié)構(gòu)，具有更好的抗剪切性能。

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