張芳超， 劉玉恒， 張賢明

(1.公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程實驗室， 河南 新鄉(xiāng) 453003； 2.河南省高遠(yuǎn)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司， 河南 新鄉(xiāng) 453003； 3.河南省高等級公路檢測與養(yǎng)護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實驗室， 河南 新鄉(xiāng) 453003)

瀝青路面車轍的產(chǎn)生機(jī)理是瀝青混合料在豎直方向上承受車輛反復(fù)荷載作用產(chǎn)生的永久變形累積。眾所周知，高溫是瀝青路面產(chǎn)生車轍最主要最直接的原因。在一定荷載作用下，存在一個特殊的臨界溫度，本文定義為高溫臨界溫度，若超過此溫度界限，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性將瞬間被削弱，可能一次較小的車輪荷載就會產(chǎn)生很大的車轍變形。高溫臨界溫度，即使瀝青混合料高溫穩(wěn)定性指標(biāo)發(fā)生驟降的臨界溫度，本文的主要目的是確定一種真正適合用于確定高溫臨界溫度的試驗方法，為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)[1-2]。

Brues Marshall提出的馬歇爾試驗至今依然是國內(nèi)外瀝青混合料配合比設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，但馬歇爾試驗過程中試件內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)極為復(fù)雜，很難評價其與實際路面受力狀態(tài)的相關(guān)性[2]。岳學(xué)軍等[3]通過單軸靜載蠕變試驗對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性評價指標(biāo)進(jìn)行對比分析，認(rèn)為單軸靜載蠕變試驗操作及結(jié)果處理較為容易，但不同條件下試驗結(jié)果差異較大。任瑞等[4]認(rèn)為單軸壓縮蠕變試驗可以較好地模擬面層的實際變形情況，但其受力圖示較難體現(xiàn)混合料的側(cè)向壓力，單軸壓縮蠕變試驗難以反映粗集料的骨架作用。張裕卿等[5]采用三軸重復(fù)荷載蠕變試驗從流變次數(shù)和斜率方面分析了混合料的高溫性能，但其設(shè)備要求高，試驗過程復(fù)雜，實際應(yīng)用較少。劉宴榮等[6]認(rèn)為普通車轍試驗動穩(wěn)定度指標(biāo)僅考慮了車轍板試件后15 min的永久變形率，缺乏對最大永久變形量的考慮。許嚴(yán)等[7]通過對比分析，提出運(yùn)用單軸貫入剪切試驗研究瀝青混合料的永久變形，可以很好地顯示出瀝青混合料的三階段變形。傅志勇[8]根據(jù)SHRP中簡單剪切試驗，考察了瀝青混合料高溫永久變形的過程，雖更有效地模擬了混合料在路用狀態(tài)下的受力破壞形式，但這種簡單剪切試驗的結(jié)果與實際路面車轍情況相關(guān)性并不理想，存在試驗設(shè)備昂貴、操作方法復(fù)雜等局限性。謝軍等[9]開發(fā)了中空圓柱體試件的扭轉(zhuǎn)剪切試驗，該試驗法向和剪切應(yīng)力都是均勻分布，適用于研究瀝青混合料動態(tài)特性，但扭轉(zhuǎn)剪切試驗同樣受試驗條件的限制，難以推廣運(yùn)用。長安大學(xué)馮振剛等[10]基于美國足尺路面的經(jīng)驗，研究傳感器的布設(shè)方案，評價瀝青路面的路用性能，其最能反映實際路面的車轍形成過程，便于分析，但試驗成本高，試驗周期長，不易開展。王家主[11]針對高硫高瀝青質(zhì)瀝青混合料的三軸圍壓動態(tài)模量進(jìn)行研究，得出E/sin σ值與路面永久變形的相關(guān)性較好，適用于評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。

本文著重對比分析馬歇爾試驗、單軸貫入試驗和三軸圍壓動態(tài)模量試驗，確定瀝青路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生車轍的高溫臨界溫度評價方法，為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

1 試件制備和試驗過程

1.1 試件制備

本試驗芯樣取于特定高速公路路段(已通車10 a)，經(jīng)實地調(diào)查，對于出現(xiàn)車轍的路段，采用可調(diào)節(jié)芯樣高度的瀝青混合料取芯機(jī)，分別在1、1.5、2 cm車轍深度位置取圓柱形芯樣，經(jīng)試驗室處理只保留路面上、中面層(5 cmAC-16C+6 cmAC-20C瀝青混凝土)作為試驗試件，試件高度為9～10 cm，如圖1和圖2所示。

圖1 路面實際取芯位置示意圖

圖2 不同車轍深度芯樣試件

1.2 試驗過程

本文所選試驗在相同條件下依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)規(guī)定的平行試件進(jìn)行相關(guān)試驗。由于馬歇爾試驗和單軸貫入強(qiáng)度試驗離散性較大，試驗時進(jìn)行3組平行試驗，以其平均值作為試驗結(jié)果，各需有效芯樣45個；而三軸圍壓動態(tài)模量試驗離散性較小，不同車轍深度的試件已達(dá)到平行試驗的效果，需有效芯樣75個。試驗前剔除不合格試件，即本次研究現(xiàn)場共取有效芯樣165個。

1.2.1馬歇爾試驗

根據(jù)ASTM D1559，對不同車轍深度芯樣試件進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度和流值試驗。馬歇爾穩(wěn)定度，單位為kN;其對應(yīng)的變形稱為流值，單位為0.1 mm。

1.2.2三軸圍壓動態(tài)模量試驗

本試驗依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中的瀝青混合料單軸壓縮動態(tài)模量試驗方法，測試設(shè)備為MTS-LandMark伺服液壓動態(tài)試驗系統(tǒng)，另加設(shè)圍壓施加系統(tǒng)，為試驗提供各級圍壓。參考NCHRP9-19的試驗方法，采用圍壓為138 kPa，試驗裝置如圖3所示。

圖3 三軸圍壓動態(tài)模量試驗裝置圖

1.2.3單軸貫入強(qiáng)度試驗

單軸貫入試驗與路面結(jié)構(gòu)的受力極為相似，對試件進(jìn)行加壓，記錄試驗過程中最大破壞荷載強(qiáng)度，試驗現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 單軸貫入試驗裝置圖

2 結(jié)果與討論

2.1 馬歇爾試驗

不同車轍深度的馬歇爾試驗結(jié)果隨溫度的變化規(guī)律如圖5和圖6所示。

圖5 馬歇爾穩(wěn)定度隨溫度的變化規(guī)律

圖6 流值隨溫度的變化規(guī)律

由圖5和圖6可知：

1)不同車轍深度的馬歇爾穩(wěn)定度隨溫度的增加不斷減小，這是由于隨著溫度的升高瀝青膠結(jié)料的黏度逐漸降低，致使試件承受破壞荷載的能力降低。同時不同車轍深度的流值隨溫度升高而增大，這是因為隨著瀝青膠結(jié)料黏度降低，試件的抗變形能力減弱。

2)在相同溫度下，隨著車轍深度的增加，出現(xiàn)了穩(wěn)定度不斷減小而流值顯著增大的現(xiàn)象，這是由于瀝青混合料首先被壓密，進(jìn)而網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，最后向失穩(wěn)型車轍轉(zhuǎn)變造成的。

3)車轍深度為1、1.5、2 cm時,相鄰節(jié)點(diǎn)溫度的馬歇爾穩(wěn)定度最多，僅分別降低了10.0%、12.1%和10.8%;流值僅分別增加了15.0%、13.1%和13.7%。在整個溫度范圍內(nèi)，穩(wěn)定度和流值都無失效式突變，這是因為馬歇爾試驗試件的受力狀態(tài)與路面瀝青混合料的三向受力相差甚遠(yuǎn)，2個指標(biāo)對溫度的變化極為不敏感，不適宜作為確定高溫臨界溫度的方法。

2.2 三軸圍壓動態(tài)模量試驗

將不同車轍深度的三軸圍壓動態(tài)模量進(jìn)行整理，不同頻率下動態(tài)模量隨溫度的變化趨勢如圖7～9所示。

圖7 1 cm車轍深度處動態(tài)模量的變化規(guī)律

圖8 1.5 cm車轍深度處動態(tài)模量的變化規(guī)律

圖9 2.5 cm車轍深度處動態(tài)模量的變化規(guī)律

在不同車轍深度部位，對比不同頻率下三軸圍壓動態(tài)模量隨溫度的變化規(guī)律可得：

1)在一定車轍深度位置，不同頻率下的三軸圍壓動態(tài)模量均隨著溫度增加而不斷減小，這是由于瀝青混合料是典型的黏、彈塑性材料，隨著溫度升高，強(qiáng)度和剛度均有不同程度減弱，即動態(tài)模量不斷減小。另外，在相同溫度和相同頻率下，動態(tài)模量隨著車轍深度增加而減小，造成這種現(xiàn)象的最直接原因是隨著車轍深度增加瀝青混合料的骨架結(jié)構(gòu)嵌擠力殘值不斷減小，動態(tài)模量值相應(yīng)減小。

2)在相同試驗溫度條件下，動態(tài)模量變化趨勢與加載頻率成正比，即隨加載頻率增加而增大，主要原因是瀝青混合料的黏性特性隨加載頻率增加而減弱，相反彈性特性增強(qiáng)，動態(tài)模量增大。

3)雖然三軸圍壓動態(tài)模量隨溫度增大表現(xiàn)出不斷減小趨勢，但是3種不同車轍深度位置的動態(tài)模量在一定溫度范圍內(nèi)變化幅度很小，同樣沒有失效式突變。一定加載頻率范圍內(nèi)，相鄰節(jié)點(diǎn)溫度下的動態(tài)模量最大僅降低10%左右。在三軸圍壓條件下，動態(tài)模量指標(biāo)對溫度的變化較為不敏感，所以此試驗很難作為確定高溫臨界溫度的方法。

2.3 單軸貫入強(qiáng)度試驗

為方便對結(jié)果進(jìn)行計算與分析，采取試驗過程中極值點(diǎn)強(qiáng)度作為瀝青混合料抗剪強(qiáng)度，不同車轍深度位置芯樣的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律較為一致，如圖10所示。

圖10 單軸貫入強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律

由圖10的變化規(guī)律可知：

1)在3個不同車轍深度位置處，試件的抗剪強(qiáng)度均隨著溫度的升高而降低，這是由于隨著溫度升高，瀝青混合料黏聚力不斷減小，最大剪應(yīng)力逐漸降低，抵抗破壞的能力減弱。

2)設(shè)1、1.5、2 cm車轍深度處芯樣抗剪強(qiáng)度分別為R1、R1.5和R2，在相同溫度下，不同車轍深度處芯樣抗剪強(qiáng)度大小排序為：R1>R1.5> R2。這個現(xiàn)象說明，隨著車轍深度增大，瀝青混合料的內(nèi)摩擦角減小、集料間的嵌擠作用越來越弱，相應(yīng)抗剪強(qiáng)度不斷減小。

3)在抗剪強(qiáng)度隨溫度升高逐漸變小的趨勢中，在50 ℃處均出現(xiàn)失效式突變，即瀝青混合料抵抗破壞的能力在50 ℃處瞬間失效嚴(yán)重，這與瀝青路面在一定臨界溫度下突然產(chǎn)生車轍的現(xiàn)象一致，即本試驗確定的車轍產(chǎn)生臨界溫度為50 ℃。造成這種一致性現(xiàn)象的原因有：①單軸貫入試驗試件內(nèi)部剪應(yīng)力分布與實際輪載下剪應(yīng)力分布極為相似；②試驗過程中試件周邊瀝青混合料可對壓頭下部瀝青混合料產(chǎn)生側(cè)向約束，其與路面性能相關(guān)性較大。所以單軸貫入強(qiáng)度試驗較適宜作為確定路面結(jié)構(gòu)層臨界溫度的評價方法。

3 結(jié)論

對不同車轍深度位置處的芯樣進(jìn)行馬歇爾試驗、三軸圍壓動態(tài)模量試驗、單軸貫入試驗，得到如下結(jié)論：

1)不同車轍深度的馬歇爾穩(wěn)定度隨溫度增加不斷減小，流值隨溫度升高而增大，瀝青膠結(jié)料的黏度逐漸降低，抵抗荷載能力變形能力減弱；在相同溫度下，隨著車轍深度增加，出現(xiàn)了穩(wěn)定度不斷減小而流值則顯著增大的現(xiàn)象，預(yù)示著瀝青混合料的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，進(jìn)而向失穩(wěn)型車轍轉(zhuǎn)變。

2)不同頻率下的三軸圍壓動態(tài)模量均隨著溫

度增加而不斷減小，強(qiáng)度和剛度均有不同程度減弱；在相同溫度和相同頻率下，動態(tài)模量隨著車轍深度增加而減小，骨架結(jié)構(gòu)嵌擠力殘值不斷減小；在相同試驗溫度條件下，動態(tài)模量變化趨勢與加載頻率成正比，即瀝青混合料彈性特性增強(qiáng)，動態(tài)模量增大。

3)不同車轍深度位置處，試件的抗剪強(qiáng)度均隨著溫度升高而降低，抵抗破壞的能力隨之減弱；車轍深度越大，瀝青混合料的內(nèi)摩擦角越小、集料間的嵌擠作用越弱，相應(yīng)抗剪強(qiáng)度不斷減小。

4)在一定溫度范圍內(nèi)，馬歇爾試驗和三軸圍壓動態(tài)模量試驗的各項指標(biāo)隨溫度的變化較為平緩，而單軸貫入強(qiáng)度在50℃時發(fā)生失效式突變，符合實際路面產(chǎn)生車轍的現(xiàn)象，所以單軸貫入強(qiáng)度試驗更適合作為確定路面結(jié)構(gòu)層臨界溫度評價方法。