車(chē)轍深度對(duì)水利樞紐永久道路瀝青路面高溫穩(wěn)定性的影響

羅 坤， 馬 力， 徐 琴， 賈玉豪

（1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京 210000； 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；3.上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335）

水利樞紐永久道路作為連接水利樞紐與外部的主要通道，其戰(zhàn)略地位不言而喻，而保持水利樞紐永久道路的長(zhǎng)期耐久性是道路管養(yǎng)部門(mén)面臨的主要問(wèn)題.由于瀝青路面的行車(chē)舒適性好、養(yǎng)護(hù)維修方便，因此其近年來(lái)在水利樞紐永久道路中得到了廣泛應(yīng)用［1］.隨著路面服役年限的增加，車(chē)轍已經(jīng)成為水利樞紐永久道路瀝青路面的典型病害，若不及時(shí)養(yǎng)護(hù)將會(huì)影響路面的長(zhǎng)期使用［2-3］.

目前，已有較多學(xué)者對(duì)瀝青路面各層位瀝青混合料的高溫性能進(jìn)行了研究.朱浩然等［4］采用漢堡車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)瀝青路面各層位瀝青混合料的高溫性能進(jìn)行了研究，同時(shí)提出了既有路面中面層瀝青混合料的高溫性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn).Xu和Huang［5］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，中面層瀝青混合料的流動(dòng)變形是半剛性基層瀝青路面車(chē)轍變形的主要來(lái)源.肖川等［6］采用數(shù)值模擬方法分析了動(dòng)態(tài)荷載作用下瀝青路面的剪應(yīng)力響應(yīng)特征，結(jié)果顯示剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在中面層的頂面，中面層承受了較大的剪切應(yīng)力.Zhao 等［7］通過(guò)MSRL 試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)路面芯樣的高溫性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，路面結(jié)構(gòu)抵抗高溫變形的能力主要取決于中面層，同時(shí)建議相關(guān)部門(mén)在進(jìn)行路面維修時(shí)應(yīng)充分評(píng)估原路面中面層的高溫穩(wěn)定性.

車(chē)轍深度是路面抵抗高溫變形能力的總體表現(xiàn)，同時(shí)也是道路管養(yǎng)部門(mén)進(jìn)行路面養(yǎng)護(hù)的主要依據(jù)［8］.綜合來(lái)看，目前關(guān)于瀝青路面不同車(chē)轍深度與各層位瀝青混合料高溫性能關(guān)系的研究還比較少.由于各層位瀝青混合料在不同受力作用下的高溫性能殘值存在較大差異，因此對(duì)瀝青路面中各層位瀝青混合料在不同車(chē)轍深度下抵抗高溫變形的能力進(jìn)行研究尤為必要.

本研究以某水利樞紐永久道路瀝青路面不同車(chē)轍深度處的路面芯樣作為研究對(duì)象，分別對(duì)不同車(chē)轍深度處不同層位的路面芯樣進(jìn)行了動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)，并采用修正的Burgers模型分析了不同車(chē)轍深度對(duì)不同層位瀝青混合料動(dòng)態(tài)蠕變特性的影響.本研究可為瀝青路面的養(yǎng)護(hù)維修提供一定的參考.

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 芯樣信息

現(xiàn)場(chǎng)路面芯樣取自某水利樞紐永久道路不同車(chē)轍深度處的瀝青路面，分別在車(chē)轍深度為4.5、8.6、11.2、14.9、17.5 mm 的瀝青路面輪跡帶處鉆取芯樣.原路面采用半剛性基層，瀝青面層結(jié)構(gòu)為4 cm SMA-13+8 cm SUP-20（即上面層瀝青類(lèi)型為SMA-13瀝青混合料，厚度為4 cm；中面層瀝青類(lèi)型為SUP-20 瀝青混合料，厚度為8 cm），該瀝青路面已使用10年.不同車(chē)轍深度下瀝青混合料的體積指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 不同車(chē)轍深度下瀝青混合料的體積指標(biāo)Tab.1 Volume indexes of asphalt mixtures under different rutting depths

1.2 動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)

采用動(dòng)態(tài)伺服液壓材料試驗(yàn)機(jī)UTM-25對(duì)不同層位路面芯樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn).具體步驟如下：首先采用雙面鋸對(duì)現(xiàn)場(chǎng)路面芯樣進(jìn)行切割，得到厚度分別為40、53 mm的上、中面層芯樣；然后將上、中面層芯樣置于60 ℃的恒溫環(huán)境箱中保溫4 h；隨后將上、中面層芯樣取出并采用UTM-25對(duì)上、中面層芯樣施加0.7 MPa的應(yīng)力，荷載加載波形為半正弦波，加載周期為1 s；試驗(yàn)終止條件為荷載作用次數(shù)達(dá)到104次或軸向應(yīng)變達(dá)到105με［9-10］.每組平行試驗(yàn)均用2個(gè)芯樣.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 不同車(chē)轍深度下不同層位瀝青混合料的軸向應(yīng)變 為了評(píng)價(jià)不同車(chē)轍深度下不同層位瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，分別對(duì)不同車(chē)轍深度下的上、中面層路面芯樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)，不同車(chē)轍深度下各層位芯樣的動(dòng)態(tài)蠕變曲線(xiàn)見(jiàn)圖1.然后根據(jù)動(dòng)態(tài)蠕變曲線(xiàn)分別獲取不同車(chē)轍深度下各層位芯樣的軸向應(yīng)變.軸向應(yīng)變是指荷載作用次數(shù)達(dá)到104次時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變或者提前到達(dá)試驗(yàn)終止條件（即軸向應(yīng)變達(dá)到105με）時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，軸向應(yīng)變?cè)酱?，表明瀝青混合料抵抗高溫變形的能力越差.選取加載周期t=6000 s處對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變作為參照，不同車(chē)轍深度下各層位芯樣的軸向應(yīng)變見(jiàn)圖2.

圖1 不同車(chē)轍深度下各層位芯樣的動(dòng)態(tài)蠕變曲線(xiàn)Fig.1 Dynamic creep curves of core samples in different layers at different rutting depths

圖2 加載周期t=6000 s時(shí)不同車(chē)轍深度下各層位芯樣的軸向應(yīng)變Fig.2 Axial strains of core samples in different layers at different rutting depths at loading period t=6000 s

一般來(lái)說(shuō)，瀝青混合料在重復(fù)荷載作用下會(huì)出現(xiàn)三個(gè)變形階段：第一階段為壓密階段，隨著荷載作用時(shí)間的增加，蠕變變形速率逐漸遞減；第二階段為變形穩(wěn)定階段，此階段的蠕變變形速率基本不變；第三階段為流動(dòng)失穩(wěn)階段，該階段的應(yīng)變和應(yīng)變速率不斷增加，瀝青混合料發(fā)生剪切流動(dòng)變形［11-13］.從圖1可以看出，除了車(chē)轍深度為17.5 mm處的中面層芯樣進(jìn)入第三階段外，其余各芯樣均處于第二階段.整體來(lái)看，不同車(chē)轍深度下中面層芯樣的軸向應(yīng)變均高于上面層芯樣，表明中面層SUP-20瀝青混合料抵抗高溫變形的能力比上面層SMA-13瀝青混合料抵抗高溫變形的能力差.隨著車(chē)轍深度的增加，上面層芯樣軸向應(yīng)變的變化幅度較小，主要原因?yàn)镾MA-13瀝青混合料具有骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，可以抵抗來(lái)自車(chē)輛荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力并保持良好的抵抗高溫變形的能力.隨著車(chē)轍深度的增加，中面層芯樣的軸向應(yīng)變先略微減小然后顯著增加，說(shuō)明隨著車(chē)轍深度的增加，中面層瀝青混合料抵抗高溫變形的能力先有所增強(qiáng)后快速減弱.當(dāng)車(chē)轍深度為11.2 mm時(shí)，中面層芯樣的軸向應(yīng)變最小，說(shuō)明此時(shí)中面層瀝青混合料抵抗高溫變形的能力最強(qiáng).這種變化趨勢(shì)與材料自身特性以及交通荷載對(duì)瀝青混合料造成的累積損傷有關(guān).中面層的SUP-20瀝青混合料屬于懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)，內(nèi)摩擦角較小，材料本身抵抗高溫變形的能力較差；在交通荷載作用下，中面層首先會(huì)經(jīng)歷初步壓密過(guò)程，瀝青混合料內(nèi)部的空隙率降低，使得中面層瀝青混合料抵抗高溫變形的能力有所增強(qiáng)；隨著交通荷載的增加，中面層承受的剪切應(yīng)力不斷累積，瀝青混合料中的集料會(huì)沿礦料間的接觸面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，于是微小裂紋不斷累積，最終導(dǎo)致中面層瀝青混合料抵抗高溫變形的能力減弱.因此，在交通荷載作用下，瀝青路面的車(chē)轍破壞首先會(huì)發(fā)生在中面層，也就是說(shuō)水利樞紐永久道路瀝青路面抵抗高溫變形的能力主要取決于中面層瀝青混合料.

2.1.2 不同車(chē)轍深度下不同層位瀝青混合料的軸向應(yīng)變速率 軸向應(yīng)變速率可以表征交通荷載作用下路面車(chē)轍變形的發(fā)展速率，軸向應(yīng)變速率越大，表明瀝青路面發(fā)生車(chē)轍變形的速率越大.不同車(chē)轍深度下各層位芯樣的軸向應(yīng)變速率見(jiàn)圖3，同時(shí)對(duì)加載周期t=6000 s時(shí)不同車(chē)轍深度下各層位芯樣的軸向應(yīng)變速率（圖4）進(jìn)行對(duì)比分析.

圖3 不同車(chē)轍深度下各層位芯樣的軸向應(yīng)變速率Fig.3 Axial strain rates of core samples in different layers at different rutting depths

圖4 加載周期t=6000 s時(shí)不同車(chē)轍深度下各層位芯樣的軸向應(yīng)變速率Fig.4 Axial strain rates of core samples in different layers at different rutting depths at loading period t=6000 s

從圖3可看出，除了車(chē)轍深度為17.5 mm處的中面層芯樣進(jìn)入第三階段外，其余各芯樣均處于第二階段.不同車(chē)轍深度下各層位芯樣的軸向應(yīng)變速率的變化趨勢(shì)與軸向應(yīng)變相似.隨車(chē)轍深度的增加，上面層芯樣的軸向應(yīng)變速率的變化幅度較小，中面層芯樣的軸向應(yīng)變速率則先減小后增加，說(shuō)明隨著車(chē)轍深度的增加，上面層瀝青混合料發(fā)生車(chē)轍變形的速率幾乎不變，但是中面層瀝青混合料發(fā)生車(chē)轍變形的速率則先減小后增大.當(dāng)車(chē)轍深度為11.2 mm 時(shí)，中面層芯樣的軸向應(yīng)變速率最小，說(shuō)明此時(shí)中面層瀝青混合料發(fā)生車(chē)轍變形的速率最小.

綜合軸向應(yīng)變和軸向應(yīng)變速率的結(jié)果可知，上面層瀝青混合料抵抗高溫變形的能力和發(fā)生車(chē)轍變形的速率受車(chē)轍深度的影響較??；隨著車(chē)轍深度的增加，中面層瀝青混合料抵抗高溫變形的能力先增強(qiáng)后減弱，發(fā)生車(chē)轍變形的速率則先減小后增大；當(dāng)車(chē)轍深度為11.2 mm時(shí)，中面層瀝青混合料抵抗高溫變形的能力最強(qiáng)且發(fā)生車(chē)轍變形的速率最小，因此若在此車(chē)轍深度下及時(shí)對(duì)瀝青路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，對(duì)于路面結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期保存可能是有利的.

2.2 修正的Burgers模型非線(xiàn)性擬合結(jié)果

采用修正的Burgers模型（圖5）來(lái)分析不同車(chē)轍深度對(duì)不同層位瀝青混合料動(dòng)態(tài)蠕變特性的影響.該模型將Burgers 模型中表征材料黏性流動(dòng)變形特性的外部黏性元進(jìn)行非線(xiàn)性修正，即圖5中所示的外置黏壺，表達(dá)式見(jiàn)式（1）和式（2）.黏性系數(shù)η1隨加載時(shí)間的增加而增大，瀝青混合料的黏性流動(dòng)變形εp趨于定值，符合瀝青路面車(chē)轍變形的黏彈性特征［14-16］.修正的Burgers模型的表達(dá)式見(jiàn)式（3）和式（4）.

圖5 修正的Burgers模型Fig.5 Modified Burgers model

式中：σ0為施加應(yīng)力，MPa；E1為瞬時(shí)彈性階段的模量，MPa；A為串聯(lián)黏壺黏性大小，105MPa；B為串聯(lián)黏壺黏度非線(xiàn)性增長(zhǎng)的速率，10-6MPa·s-1；E2為系數(shù)延遲彈性模量，即與黏壺并聯(lián)的彈簧的彈性模量，MPa；η1為串聯(lián)黏壺黏性系數(shù)，104MPa·s；η2為并聯(lián)黏壺黏性系數(shù)，104MPa·s；t為加載周期，s；tk為延遲時(shí)間，s；εp為外置黏壺的應(yīng)變；εt為修正的Burgers模型隨時(shí)間t的應(yīng)變.

采用1stOpt15 Pro軟件對(duì)不同車(chē)轍深度下各層位瀝青混合料的蠕變曲線(xiàn)進(jìn)行非線(xiàn)性擬合，得到不同車(chē)轍深度下各層位瀝青混合料的黏彈性擬合參數(shù)，如表2和表3所示.

表2 不同車(chē)轍深度下上面層瀝青混合料黏彈性參數(shù)擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of viscoelastic parameters of asphalt mixtures in upper layer at different rutting depths

表3 不同車(chē)轍深度下中面層瀝青混合料黏彈性參數(shù)擬合結(jié)果Tab.3 Fitting results of viscoelastic parameters of asphalt mixtures in middle layer at different rutting depths

從表2和表3可以看出，黏彈性參數(shù)受瀝青混合料類(lèi)型和車(chē)轍深度的影響均較大.為了更清晰地表征黏彈性參數(shù)隨車(chē)轍深度的變化規(guī)律，選取黏性系數(shù)η1和延遲時(shí)間tk（η2/E2）這兩個(gè)表征瀝青混合料黏彈性變形的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行比較，如圖6所示.tk可以表征瀝青混合料黏彈性變形的發(fā)展速率，其值越小，表明瀝青混合料發(fā)生黏彈性變形的速率越大，瀝青混合料越容易發(fā)生黏彈性變形［17-18］，其中E2為延遲彈性模量，加載時(shí)起到阻止黏性元件變形發(fā)展的作用.η1為不可恢復(fù)的永久變形黏性系數(shù)，η1越大，表明瀝青混合料的黏聚力越大、抵抗高溫變形的能力越強(qiáng)［19-20］.

圖6 加載周期t=6000 s時(shí)不同車(chē)轍深度下各層位瀝青混合料的黏彈性參數(shù)η1 和tk 的值Fig.6 Values of viscoelastic parameters η1 and tk of asphalt mixtures of different layers at different rutting depths at loading period t=6000 s

從圖6（a）可以看出，上面層瀝青混合料的η1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中面層瀝青混合料，表明上面層瀝青混合料具有較大的黏聚力，抵抗高溫變形的能力較強(qiáng).上、中面層瀝青混合料的η1均隨車(chē)轍深度的增加先升高后降低，但上面層瀝青混合料η1的下降幅度高達(dá)31.1%，中面層瀝青混合料η1的下降幅度高達(dá)56.8%，說(shuō)明隨車(chē)轍深度的增加，中面層瀝青混合料的黏聚力下降的更多，抵抗高溫變形的能力更弱.上、中面層瀝青混合料的η1在車(chē)轍深度分別為8.6、11.2 mm時(shí)均有所增加，主要原因?yàn)闉r青混合料在交通荷載作用初期產(chǎn)生壓密作用，瀝青混合料內(nèi)部的黏聚力增大，抵抗高溫變形的能力增強(qiáng)，但隨著車(chē)轍深度的繼續(xù)增加，瀝青混合料內(nèi)部的黏聚力就會(huì)逐漸減小，抵抗高溫變形的能力也會(huì)逐漸減弱.從圖6（b）可以看出，隨著車(chē)轍深度的增加，上、中面層瀝青混合料的延遲時(shí)間tk具有相似的變化趨勢(shì)，均為先顯著降低，然后保持平緩，最后再顯著降低.總的來(lái)看，在不同車(chē)轍深度下，中面層瀝青混合料的tk均小于上面層瀝青混合料，說(shuō)明與上面層瀝青混合料相比，中面層瀝青混合料的黏彈性變形速率更大，這就意味著中面層瀝青混合料發(fā)生車(chē)轍變形破壞的速度更快.

綜上可知，在初期壓密階段隨著車(chē)轍深度的增加，上、中面層瀝青混合料抵抗高溫變形的能力均逐漸增強(qiáng)，隨著車(chē)轍深度的持續(xù)增加，瀝青混合料內(nèi)部的微損傷開(kāi)始不斷累積，導(dǎo)致上、中面層瀝青混合料的軸向應(yīng)變速率均迅速增加，抵抗高溫變形的能力則均會(huì)嚴(yán)重減弱.但是與中面層瀝青混合料相比，上面層瀝青混合料的動(dòng)態(tài)蠕變特性受車(chē)轍深度的影響較小.

3 結(jié)論

采用動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)研究了不同車(chē)轍深度對(duì)某水利樞紐永久道路瀝青路面各層位瀝青混合料動(dòng)態(tài)蠕變特性的影響，得到主要結(jié)論如下：

1）動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)表明，隨著車(chē)轍深度的增加，上面層瀝青混合料的軸向應(yīng)變和軸向應(yīng)變速率的變化幅度均較小，中面層瀝青混合料的軸向應(yīng)變和軸向應(yīng)變速率則先降低后增加，說(shuō)明上面層瀝青混合料受車(chē)轍深度的影響較小，抵抗高溫變形的能力較強(qiáng)，而中面層瀝青混合料受車(chē)轍深度的影響較大，抵抗高溫變形的能力隨著車(chē)轍深度的增加先增強(qiáng)后減弱.

2）車(chē)轍壓密在一定程度上可以提升中面層瀝青混合料的密實(shí)度，增強(qiáng)中面層瀝青混合料抵抗高溫變形的能力，然而隨著車(chē)轍深度的持續(xù)增加，中面層瀝青混合料內(nèi)部的黏聚力有所降低，導(dǎo)致其抵抗高溫變形的能力有所減弱.

3）修正的Burgers模型非線(xiàn)性擬合結(jié)果表明，隨著車(chē)轍深度的增加，上、中面層瀝青混合料的黏性系數(shù)η1和延遲時(shí)間tk均有所降低，表明在長(zhǎng)期服役狀態(tài)下，上、中面層瀝青混合料的黏聚力均會(huì)下降，抵抗高溫變形的能力也均會(huì)減弱.在初期壓密階段，隨著車(chē)轍深度的增加，上、中面層瀝青混合料抵抗高溫變形的能力均逐漸增強(qiáng)，隨著車(chē)轍深度的繼續(xù)增加，上、中面層瀝青混合料內(nèi)部的微損傷開(kāi)始不斷累積，于是上、中面層瀝青混合料的軸向應(yīng)變速率均迅速增加，抵抗高溫變形的能力則均會(huì)嚴(yán)重減弱，但是與中面層瀝青混合料相比，上面層瀝青混合料的動(dòng)態(tài)蠕變特性受車(chē)轍深度的影響較小.

4）綜合來(lái)看，水利樞紐永久道路瀝青路面抵抗高溫變形的能力主要取決于中面層瀝青混合料，因此道路管養(yǎng)部門(mén)在對(duì)路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時(shí)需要加強(qiáng)對(duì)中面層瀝青混合料性能的評(píng)估，并且建議其在合適的車(chē)轍深度下展開(kāi)養(yǎng)護(hù).