江訓(xùn)利, 何必想, 劉港歸, 陳 琪, 王朝暉, 黃志義

(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院, 杭州 310058; 2.溫州市公路與運(yùn)輸管理中心, 浙江 溫州 325000)

車轍是瀝青路面最為常見的病害[1],不僅會(huì)造成路用性能下降,還會(huì)影響行車安全。目前提高瀝青路面抗車轍性能的方法主要包括:外摻劑改性、路面結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化以及瀝青混合料級配設(shè)計(jì)改良等[2-6]。

外摻劑改性方法主要是通過對瀝青進(jìn)行改性,從而獲得抗車轍性能較好的瀝青膠結(jié)料,使用較多的有廢舊塑料、廢舊橡膠、專業(yè)抗車轍劑等外摻劑[7-10]。然而外摻劑在我國使用的時(shí)間相對較短,對加入添加劑的瀝青膠結(jié)料性能變化以及機(jī)理等了解尚未透徹,且其考慮因素相對單一,常常忽略結(jié)構(gòu)的整體服役性能而著重于材料的改良,使得抗車轍效果有限。優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)組合是提升瀝青路面抗車轍能力的主要方法之一。目前我國普遍采用半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)形式,車轍主要發(fā)生在路面面層。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來優(yōu)化各面層的模量組合能一定程度上提高路面抗車轍性能,但路面結(jié)構(gòu)涉及因素較多,難以大范圍推廣使用[11]。相對而言,通過瀝青混合料級配設(shè)計(jì)來提升路面抗車轍性能更為方便,且效果好,推廣性強(qiáng)。有研究表明瀝青混合料的抗車轍性能60%來自集料骨架嵌擠作用[12],所以采用一定的手段來優(yōu)化瀝青混合料的級配,使骨料相互間能發(fā)揮最大作用,可以有效提升瀝青路面的抗車轍性能。

近年來,離散單元法已逐漸被應(yīng)用到瀝青混合料結(jié)構(gòu)性能分析和級配設(shè)計(jì)過程中,該方法能反映物質(zhì)內(nèi)部的不均勻性和不連續(xù)性,且操作過程可重復(fù)性和再現(xiàn)性好,經(jīng)濟(jì)方便,能有效克服傳統(tǒng)室內(nèi)試驗(yàn)的不足[13]。

雖然通過離散元分析方法能快速實(shí)現(xiàn)瀝青混合料級配設(shè)計(jì),但設(shè)計(jì)出的瀝青混合料的抗車轍性能還需進(jìn)一步通過室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)來驗(yàn)證,以保證最終應(yīng)用的瀝青混合料抗車轍性能具有可靠性。目前瀝青混合料抗車轍性能的評價(jià)指標(biāo)有綜合穩(wěn)定指數(shù)、車轍深度、相對變形、蠕變率和動(dòng)穩(wěn)定度等[14-15]。雖然上述指標(biāo)具有一定的適用性,但有調(diào)查表明即使車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度評價(jià)良好的瀝青混合料,實(shí)際的路面狀況仍然表現(xiàn)不佳[16],且上述這些指標(biāo)都是半經(jīng)驗(yàn)半力學(xué)性質(zhì),具有一定的局限性,所以需要基于瀝青混合料真實(shí)受力狀態(tài),提出更為適用的力學(xué)性質(zhì)的抗車轍性能評價(jià)指標(biāo)。

近些年,有相關(guān)研究將動(dòng)力學(xué)理論引入到瀝青混合料,通過計(jì)算塑性活化能(Ea)來表征瀝青混合料的疲勞、老化、愈合性能[17]。如李輝等[18]對不同瀝青試樣進(jìn)行時(shí)間掃描試驗(yàn)得到剪切模量和相位角等基本數(shù)據(jù),并建模進(jìn)行計(jì)算,利用這一動(dòng)力學(xué)指標(biāo)將瀝青疲勞損傷進(jìn)程、開裂子進(jìn)程與塑性變形子進(jìn)程進(jìn)行關(guān)聯(lián),從而驗(yàn)證瀝青抗變形能力。該指標(biāo)可以從能量的角度有效反映材料的抗變形能力,屬于力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),因此具有成為瀝青混合料抗車轍性能評價(jià)指標(biāo)的潛力。為此,本文嘗試將其作為瀝青混合料抗車轍性能的評價(jià)指標(biāo),從而指導(dǎo)瀝青混合料的級配設(shè)計(jì)優(yōu)化。

本文依托S332省道溫強(qiáng)線大中修項(xiàng)目,采用離散元優(yōu)化級配和Ea指標(biāo)評價(jià)相結(jié)合的方法來研究瀝青混合料抗車轍性能,具體步驟如下:首先,通過離散元方法進(jìn)行初步的級配優(yōu)化設(shè)計(jì);然后,通過室內(nèi)試驗(yàn)及塑性活化能理論來計(jì)算優(yōu)化前后瀝青混合料的Ea,并通過Ea指標(biāo)來評價(jià)瀝青混合料的抗車轍性能的優(yōu)化程度;最后,在試驗(yàn)路中分別鋪設(shè)原設(shè)計(jì)級配和優(yōu)化后級配的瀝青混合料路面,并進(jìn)行后期跟蹤觀察和監(jiān)測。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)主要包括離散元模擬試驗(yàn)及室內(nèi)蠕變試驗(yàn)。其中試驗(yàn)路段采用瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA-13),具體配合比如表1所示,其中部分原材料如圖1所示。

表1 瀝青混合料原設(shè)計(jì)配合比

圖1 部分試驗(yàn)材料

1.2 試驗(yàn)方案

本文將基于原設(shè)計(jì)配合比制作試樣,進(jìn)行室內(nèi)蠕變試驗(yàn),作為離散元模擬試驗(yàn)的參數(shù)標(biāo)定依據(jù),之后將根據(jù)獲得的離散元試樣中的材料參數(shù)進(jìn)行級配設(shè)計(jì)。通過文獻(xiàn)調(diào)研篩選出抗車轍性能較好的級配,對所選的級配進(jìn)行虛擬蠕變試驗(yàn),根據(jù)變形結(jié)果對比得到初步級配。之后通過對關(guān)鍵尺寸篩孔篩余率的敏感性分析,確定最終優(yōu)化級配。

為了確定模擬結(jié)果的可靠性,將采用原設(shè)計(jì)級配和優(yōu)化級配分別制作瀝青混合料試件,進(jìn)行室內(nèi)蠕變試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和塑性活化能理論計(jì)算得到Ea,再通過Ea指標(biāo)來評價(jià)優(yōu)化級配混合料的抗車轍性能。室內(nèi)蠕變試驗(yàn)方案如表2所示,試驗(yàn)條件分為20、40 ℃,浸水和不浸水(浸水需保證試件在恒溫的水浴箱中浸水達(dá)24 h)以及有損、無損條件下加載。

表2 抗壓蠕變試驗(yàn)方案

室內(nèi)蠕變試驗(yàn)方案中有損、無損條件加載是指材料在蠕變試驗(yàn)時(shí)其內(nèi)部受力狀態(tài)處于有損階段還是無損階段,關(guān)于有損、無損階段的判定如圖2所示。圖2為瀝青混合料的不同階段所對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變(σ-ε)曲線,其中包括線性黏彈性區(qū)、非線性黏彈性區(qū)以及材料損傷區(qū)等[19],其具體判定方法如下:

圖2 瀝青混合料的不同受力階段

1)在線性黏彈性狀態(tài)下,加載路徑(OA)和卸載路徑(AO)相同;且在給定應(yīng)力或應(yīng)變水平下,材料性能(如復(fù)數(shù)模量)不會(huì)隨著加載周期的增加而改變,也不會(huì)隨著應(yīng)變水平改變而改變。

2)在非線性黏彈性狀態(tài)下,加載路徑(OBC)和卸載路徑(CO)不同,但卸載后變形能夠完全恢復(fù);在給定的應(yīng)力或應(yīng)變水平下,材料性能(如復(fù)數(shù)模量)不會(huì)隨著加載周期的增加而改變,但會(huì)隨著應(yīng)變的改變而改變。

3)在損傷狀態(tài)下,加載路徑(OCE)和卸載路徑(EF)不同,卸載后變形無法完全恢復(fù);在給定應(yīng)力或應(yīng)變水平下,材料性能(如復(fù)數(shù)模量)隨著加載周期的增加而改變,同時(shí)也會(huì)隨著應(yīng)變的改變而改變。

為了保證瀝青混合料蠕變試驗(yàn)?zāi)軌虬凑諢o損階段和損傷階段分別加載,設(shè)定了相關(guān)加載流程,其中無損蠕變試驗(yàn)時(shí),目標(biāo)應(yīng)力控制在25 kPa,此時(shí)目標(biāo)應(yīng)力相對較小,對于瀝青混合料來說,處于無損狀態(tài)。加載過程中加載速率為20 N/s,達(dá)到目標(biāo)荷載后,在恒定應(yīng)力作用下的蠕變時(shí)間為300 s。無損試驗(yàn)結(jié)束后,將試件置于恒溫箱內(nèi)2 h,讓其黏彈性應(yīng)變εve能夠完全恢復(fù)。試件εve完全恢復(fù)后,再進(jìn)行有損蠕變試驗(yàn),有損蠕變試驗(yàn)的加載溫度及濕度與上一步無損蠕變試驗(yàn)相同,不同的是改變目標(biāo)應(yīng)力水平。在有損蠕變試驗(yàn)時(shí)目標(biāo)應(yīng)力控制在300 kPa,加載速率為300 N/s,蠕變時(shí)間為300 s。具體試驗(yàn)加載裝置如圖3所示。

圖3 蠕變試驗(yàn)加載裝置

本文中所有試件采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)法進(jìn)行成型,成型試件大小為φ101.6 mm×63.5 mm。具體試驗(yàn)操作按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[20]進(jìn)行。試件擊實(shí)次數(shù)為每面75次。試件擊實(shí)完成1 d后進(jìn)行脫模。

2 離散元模擬分析

2.1 離散元模型設(shè)置

瀝青混合料主要由集料、瀝青砂漿、空隙3相組成,建模過程中,利用不同粒徑的顆粒模擬瀝青混合料中的不同粒徑的集料,同時(shí)考慮粗集料的形狀,有效地形成骨架結(jié)構(gòu),減少與實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異。其中結(jié)合實(shí)際分析和計(jì)算方便,將2.36 mm以下的細(xì)集料同瀝青、礦粉、纖維等成分作為瀝青砂漿成分來考慮[21]。

建立模擬試件的主要步驟如下:

1)切割室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)蠕變試樣,獲取截面圖像,通過處理,得到集料二維不規(guī)則形狀,建立離散元不規(guī)則集料庫。

2)根據(jù)各檔集料、礦粉等質(zhì)量分?jǐn)?shù)及密度進(jìn)行體積換算,計(jì)算出各料相應(yīng)的體積分?jǐn)?shù),模擬試件中各檔集料的面積分?jǐn)?shù)計(jì)算公式為

(1)

其中:si為第i檔集料占模型的面積分?jǐn)?shù);pi和pi+1分別為第i檔和第i+1檔篩孔集料的通過率;v為設(shè)計(jì)孔隙率;ω為油石比;ρa(bǔ)為集料密度;ρ1為瀝青砂漿密度。

3)按照面積分?jǐn)?shù)在模型空間內(nèi)投放具有級配特征的圓形顆粒。

4)導(dǎo)入步驟1中的不規(guī)則集料庫,形成顆粒簇,替代步驟3中表示粗集料的圓形顆粒。

5)在模型空間內(nèi)生成均勻排列直徑較小的顆粒作為瀝青砂漿,刪除與步驟3中顆粒簇重合的顆粒,再根據(jù)空隙率刪除一定數(shù)量的顆粒作為空隙。

由于模擬無法考慮不同級配的變化對瀝青混合料比表面積的影響,因此本文中所有模擬試件的孔隙率都設(shè)定為5%,瀝青用量保持為5.75%,同時(shí)忽略各檔集料密度的差異。

2.2 單軸蠕變模擬試驗(yàn)

PFC2D軟件通過賦予模型內(nèi)部各材料之間不同的接觸模型來體現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)特性。本文中模型內(nèi)部單元間的接觸類型主要有以下幾種:集料與集料之間的接觸、集料與瀝青砂漿之間的接觸、瀝青砂漿與瀝青砂漿之間的接觸。根據(jù)相應(yīng)的性質(zhì),對不同的接觸類型選取合適的接觸模型。其中瀝青砂漿與瀝青砂漿間的接觸類型采用Burgers模型[22]。同時(shí),為了解決模擬蠕變試驗(yàn)耗費(fèi)時(shí)間過長的問題,張垚[21]根據(jù)時(shí)溫等效原理,調(diào)整Burgers模型中的移位因子,減少模擬中的蠕變加載時(shí)間。本文基于此方法,采用的移位因子為1 000,可在保證試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定的前提下減少蠕變模擬時(shí)間為原來的1/1 000。

離散元模擬中采用的線性模型和線性黏結(jié)模型的具體參數(shù)如表3所示,Burgers模型的具體參數(shù)如表4所示,其中集料與集料、集料與墻體、瀝青砂漿與墻體的接觸類型采用線性模型,集料與瀝青砂漿的接觸類型采用線性黏結(jié)模型,瀝青砂漿與瀝青砂漿的接觸類型采用Burgers模型。PFC2D軟件通過蠕變接觸模型建立的蠕變設(shè)計(jì)配合比模型如圖4所示,其中,藍(lán)色部分為集料,紅色部分為瀝青砂漿,空白部分為孔隙單元。

表3 線性模型及線性黏結(jié)模型參數(shù)

表4 Burgers模型參數(shù)

圖4 離散元蠕變模型

2.3 蠕變模擬試驗(yàn)結(jié)果

離散元蠕變試驗(yàn)經(jīng)過參數(shù)校準(zhǔn)之后,得到結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出,模擬試驗(yàn)的變形無論是加載前期的快速變形階段,還是后期的蠕變緩慢增長階段都與室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地匹配,說明該模型可以有效預(yù)測瀝青混合料的蠕變變形。

圖5 原設(shè)計(jì)配合比的蠕變模擬曲線

基于該模型中的參數(shù),通過調(diào)研關(guān)于瀝青混合料抗車轍性能研究的文獻(xiàn),篩選文獻(xiàn)中性能較好的級配進(jìn)行模擬,選擇出基礎(chǔ)級配,結(jié)果如表5所示。

表5 模擬級配

蠕變模擬結(jié)果如圖6所示,模擬結(jié)果表明,文獻(xiàn)[25]級配有較好的抵抗永久變形性能,從各檔集料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以看出,該級配屬于連續(xù)密實(shí)型,有著足夠的粗集料,且2.36～4.75 mm檔和 0～2.36 mm檔有著較為合理的比例,因此將文獻(xiàn)[25]的級配作為基礎(chǔ)級配進(jìn)行級配敏感性分析。

圖6 蠕變模擬結(jié)果

2.4 級配敏感性分析

從2.3的結(jié)果可以看出,13.20～16.00 mm檔集料不可過多,大集料過多會(huì)導(dǎo)致空隙過大。因此級配優(yōu)化的思路是要保證有足夠粗集料。在文獻(xiàn)[25]級配的基礎(chǔ)上,主要調(diào)整不同粒徑檔石料的比例,從而得到調(diào)整后的級配S1、S2、S3、S4,其各級配見表6。

表6 調(diào)整后級配

將以上調(diào)整后的級配參數(shù)代入離散元模型中,得到蠕變試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果,如圖7所示,S1減小了4.75～9.50 mm檔的占比,增加了2.36～4.75 mm檔的占比,結(jié)果導(dǎo)致變形增大,S2增加了0～2.36 mm檔的占比,變形同樣增大,初步估計(jì)為細(xì)集料含量增加較多,導(dǎo)致骨架撐開;S3相對于S1減小了 2.36～4.75 mm檔增加的幅度,結(jié)果變形較小;S4將 2.36～4.75 mm檔與0～2.36 mm檔比例進(jìn)行調(diào)整,增加了2.36～4.75 mm檔的占比,變形減小。因此,S4級配被確定為最終的優(yōu)化級配。

圖7 調(diào)整后模擬結(jié)果

綜合模擬結(jié)果可以看出,蠕變變形受大粒徑材料影響較大,當(dāng)大粒徑材料含量合適時(shí),需要適當(dāng)增加2.36～4.75 mm檔集料的占比,適當(dāng)減小0～2.36 mm細(xì)料的占比,找到一個(gè)比較均衡的比例,保證集料之間能夠形成密實(shí)的骨架,從而抵抗外部的荷載,減少永久變形產(chǎn)生。

3 塑性活化能評價(jià)指標(biāo)求解

3.1 應(yīng)變分解原理

現(xiàn)以不浸水條件下瀝青混合料在無損及有損時(shí)的蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。當(dāng)瀝青混合料在進(jìn)行靜態(tài)壓縮蠕變時(shí),其無損階段與有損階段的總應(yīng)變εT分解公式為

(2)

由式(2)可知,有損階段的εp=εT-εve。

3.2 瀝青混合料無損及損傷階段的黏彈性應(yīng)變

3.2.1 確定無損時(shí)的蠕變?nèi)崃颗c松弛模量

在無損的試驗(yàn)條件下,由于目標(biāo)荷載較小,蠕變時(shí)間較短,蠕變曲線僅呈現(xiàn)出第1階段。然而在有損的試驗(yàn)條件下,材料在較大荷載及較長時(shí)間的作用下呈現(xiàn)出明顯的兩階段變形規(guī)律,即迅速壓密的遷移期、變形線性增大的穩(wěn)定期。此外,瀝青混合料的表觀參數(shù)可通過無損蠕變試驗(yàn)得到,包括蠕變?nèi)崃考八沙谀Ａ?蠕變試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 無損及有損蠕變階段的試驗(yàn)結(jié)果

無損試件的表觀蠕變?nèi)崃康挠?jì)算公式[29]為

(3)

式中:D(t)為蠕變?nèi)崃?ε(t)為在恒定蠕變應(yīng)力σC作用下的應(yīng)變歷史。

此外,松弛模量可以通過蠕變?nèi)崃窟M(jìn)行拉普拉斯變換而得到,由于瀝青混合料的具有黏彈性性質(zhì),蠕變?nèi)崃坑?jì)算公式[28]為

(4)

式中:D0為初始蠕變?nèi)崃?D1為蠕變?nèi)崃肯禂?shù);τ為阻滯時(shí)間系數(shù)。

通過對室內(nèi)無損蠕變試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到蠕變?nèi)崃康谋磉_(dá)式即可知松弛模量的表達(dá)式,其結(jié)果如圖9所示。

3.2.2 求解損傷階段的黏彈性應(yīng)變

由于瀝青混合料具有黏彈性,而εve均是可恢復(fù)應(yīng)變,在損傷階段,其耗散的能量對于永久變形耗散的能量沒有貢獻(xiàn),在分析永久變形時(shí),有必要將其分離出來,無損與有損階段的應(yīng)變歷史計(jì)算公式為

(5)

式中ε0、ε1、γ為應(yīng)變歷史的擬合參數(shù)。此外,通過對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖8所示,瀝青混合料無損及有損階段的ε的變化趨勢符合預(yù)期效果。

3.3 瀝青混合料損傷階段的塑性應(yīng)變

當(dāng)瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生損傷時(shí),材料的物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化,在外部荷載的作用下,材料內(nèi)部的σ狀態(tài)是非常復(fù)雜的。在恒定的σ作用下,產(chǎn)生豎向應(yīng)變εT(包括εve、εp)。而衡量瀝青混合料永久變形的物理量為累積塑性變形及塑性變化率,即首先要分離出塑性變形才能量化永久變形,計(jì)算公式為

εp=εT-εve

(6)

當(dāng)瀝青混合料處于損傷階段時(shí),其εT由εve、εp組成,其中瀝青混合料在損傷階段的εve可通過無損階段的εve預(yù)測得到,因此根據(jù)ε分解公式求出損傷階段的εve及εT。損傷階段的ε分解如圖10所示,可知設(shè)計(jì)配合比及優(yōu)化配合比的瀝青混合料在損傷階段的εT主要均由塑性變形貢獻(xiàn),其中εve所占比例較小。

圖10 損傷階段的應(yīng)變分解

3.4 瀝青混合料損傷階段的塑性應(yīng)變率與塑性活化能

(7)

將式(7)進(jìn)一步等價(jià)變換可以得到公式[18]

(8)

其中,在不浸水條件下室內(nèi)蠕變試驗(yàn)的求解參數(shù)如表7所示,設(shè)計(jì)級配與優(yōu)化級配活化能結(jié)果如圖11所示。在不浸水條件下瀝青混合料設(shè)計(jì)級配和優(yōu)化級配的Ea分別為51.911、64.098 kJ/mol,兩者相差12.187 kJ/mol,這說明,在相同加載條件及環(huán)境下,優(yōu)化后的級配具有更好的抗車轍性能。

表7 不浸水條件下室內(nèi)蠕變試驗(yàn)求解參數(shù)

圖11 設(shè)計(jì)級配與優(yōu)化級配在不浸水條件下的塑性活化能

4 室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證

通過室內(nèi)蠕變試驗(yàn)和塑性活化能理論求解得到不浸水條件下優(yōu)化前后瀝青混合料的Ea,結(jié)果表明優(yōu)化后的級配具有更高的Ea,即具有更高的抗車轍性能。為了進(jìn)一步驗(yàn)證Ea指標(biāo)用來評價(jià)瀝青混合料抗車轍性能的可靠性,對優(yōu)化前后的瀝青混合料進(jìn)行了在浸水條件下不同溫度時(shí)的蠕變試驗(yàn),并將相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。

4.1 不同浸水條件下分析結(jié)果

圖12 不同浸水條件下蠕變試驗(yàn)的應(yīng)變結(jié)果

圖13 設(shè)計(jì)級配與優(yōu)化級配在浸水條件下的塑性活化能

4.2 不同溫度條件下分析結(jié)果

圖14為在浸水條件下,設(shè)計(jì)級配和優(yōu)化級配分別在20、40 ℃的損傷蠕變分析結(jié)果。從圖中可以發(fā)現(xiàn)混合料的蠕變在20、40 ℃條件下,采用優(yōu)化級配的變形均小于設(shè)計(jì)級配,因此優(yōu)化級配有更好的服役性能,即Ea指標(biāo)具有較好的評價(jià)指導(dǎo)作用。此外隨著溫度的提高和時(shí)間的延長,瀝青的流動(dòng)性能越好,瀝青混合料的變形越來越大,塑性變形也隨著溫度的升高而不斷增大。

圖14 不同溫度條件下蠕變試驗(yàn)的應(yīng)變結(jié)果

5 試驗(yàn)路驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)路概況

試驗(yàn)路位于S332省道溫強(qiáng)線龍灣段,鋪設(shè)長度約為100 m。近年來隨著溫州經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,S332省道溫強(qiáng)線交通量逐年大幅增加,加上車輛超限超載現(xiàn)象嚴(yán)重,道路路面出現(xiàn)不同程度的破壞,直接影響行車安全性和駕乘舒適度。根據(jù)現(xiàn)場觀測,目前路段出現(xiàn)主要病害有龜裂、裂縫、坑槽、沉陷、車轍等病害,如圖15所示。新建試驗(yàn)路將會(huì)對該路段進(jìn)行面層銑刨,分別采用優(yōu)化級配和原設(shè)計(jì)級配重新鋪設(shè)面層瀝青混合料。

圖15 試驗(yàn)路段病害狀況

5.2 試驗(yàn)路變形監(jiān)測

本文分別在2種級配瀝青混合料的試驗(yàn)路段埋設(shè)沉降板、位移監(jiān)測釘?shù)?通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來分析2種級配瀝青混合料鋪設(shè)的瀝青面層結(jié)構(gòu)在實(shí)際服役條件下的抗車轍性能。

5.2.1 監(jiān)測方案

本次埋設(shè)的裝置主要包括位移沉降板、位移監(jiān)測釘,具體的平面布置如圖16示,其中位移沉降板埋設(shè)位置為道路基層結(jié)構(gòu)層的層頂位置;位移監(jiān)測釘埋設(shè)位置為新鋪瀝青層的表面。沉降板主要用于監(jiān)測道路結(jié)構(gòu)中路基和基層的變形大小,而位移監(jiān)測釘主要是用于監(jiān)測道路整體的變形大小。

圖16 傳感器布置平面示意(單位:m)

5.2.2 試驗(yàn)段變形監(jiān)測結(jié)果

本文統(tǒng)計(jì)了試驗(yàn)路在2019年11月至2020年2月的變形數(shù)據(jù),如圖17所示,其中1號和2號監(jiān)測點(diǎn)為原設(shè)計(jì)級配瀝青混合料試驗(yàn)段瀝青面層位移釘?shù)谋O(jiān)測位置,5號和6號監(jiān)測點(diǎn)為優(yōu)化級配瀝青混合料試驗(yàn)段瀝青面層位移釘?shù)谋O(jiān)測位置,3號和4號為基層層頂位移沉降板的監(jiān)測位置。通過1號和2號變形數(shù)據(jù)可以知道原設(shè)計(jì)級配瀝青混合料試驗(yàn)段的道路結(jié)構(gòu)整體變形大小,通過5號和6號變形數(shù)據(jù)可以知道優(yōu)化級配瀝青混合料試驗(yàn)段的道路結(jié)構(gòu)整體變形大小,通過3號和4號可以知道整個(gè)試驗(yàn)段基層及以下結(jié)構(gòu)的變形大小。通過比較圖中3個(gè)月的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),隨著路面服役時(shí)間的增加,原設(shè)計(jì)級配路段與優(yōu)化級配路段各測點(diǎn)的變形均呈增加趨勢。

圖17 路面結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

為了進(jìn)一步分析原設(shè)計(jì)級配瀝青混合料試驗(yàn)段和優(yōu)化級配瀝青混合料試驗(yàn)段瀝青面層結(jié)構(gòu)的車轍變形大小,對以上6個(gè)觀測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,其中通過將瀝青面層位移釘?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)減去對應(yīng)時(shí)間沉降板的監(jiān)測數(shù)據(jù),可以得到瀝青面層結(jié)構(gòu)的車轍變形大小。具體來說,以3號和4號監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值作為試驗(yàn)路段基層及以下結(jié)構(gòu)變形的代表值,然后將1、2、5、6號的監(jiān)測數(shù)據(jù)減去對應(yīng)時(shí)間的基層及以下結(jié)構(gòu)的變形代表值,從而得到各試驗(yàn)段瀝青面層結(jié)構(gòu)的車轍變形大小。其結(jié)果如圖18所示,其中原設(shè)計(jì)級配段1號點(diǎn)和2號點(diǎn)數(shù)據(jù)為原設(shè)計(jì)瀝青混合料試驗(yàn)路中2處監(jiān)測點(diǎn)位置的瀝青面層車轍變形大小,原設(shè)計(jì)級配段平均值為這2個(gè)位置瀝青面層車轍變形的平均值大小。優(yōu)化級配段5號點(diǎn)和6號點(diǎn)數(shù)據(jù)為優(yōu)化瀝青混合料試驗(yàn)路中2處監(jiān)測位置的瀝青面層車轍變形大小,優(yōu)化級配段平均值則為這2個(gè)位置瀝青面層車轍變形的平均值大小。通過圖中數(shù)據(jù)可以看到,原設(shè)計(jì)級配瀝青混合料試驗(yàn)段瀝青面層的車轍變形要明顯大于優(yōu)化級配瀝青混合料試驗(yàn)段。通過2個(gè)試驗(yàn)段瀝青面層車轍變形平均值變化曲線可以看到,原設(shè)計(jì)級配瀝青混合料試驗(yàn)段車轍變形隨時(shí)間增長變化明顯,而優(yōu)化瀝青混合料試驗(yàn)段瀝青面層車轍變形相對較小,且隨時(shí)間增長后期變形逐漸減慢。此外,以2020年2月的數(shù)據(jù)為例,采用優(yōu)化級配路段瀝青面層車轍變形不大,其中5、6號點(diǎn)車轍變形分別為0.147、0.048 mm,平均值為0.098 mm;而采用原設(shè)計(jì)級配路段瀝青面層車轍變形較大,其中1、2號點(diǎn)車轍變形分別為0.254、0.349 mm,平均值為0.302 mm。此時(shí)采用優(yōu)化級配的路段瀝青面層車轍變形量均值為采用原設(shè)計(jì)級配路段瀝青面層車轍變形量均值的32.45%。綜上可知,優(yōu)化級配瀝青混合料具有更好的抗車轍性能,這也說明本文的抗車轍研究方法具有可行性,即指標(biāo)能夠用來評價(jià)瀝青混合料抗車轍性能,并能夠用來指導(dǎo)瀝青混合料的級配設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖18 瀝青面層車轍變形結(jié)果

6 結(jié)論

1)通過離散元級配優(yōu)化分析發(fā)現(xiàn),蠕變變形受大粒徑骨料影響較大,當(dāng)大粒徑骨料含量合適時(shí),需要適當(dāng)增加2.36～4.75 mm檔集料的占比,并適當(dāng)減小0～2.36 mm檔細(xì)料的占比,找到一個(gè)比較均衡的比例,保證集料之間能夠形成密實(shí)骨架,從而可以減少永久變形的產(chǎn)生。

2)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和塑性活化能理論計(jì)算得到在不浸水條件下原設(shè)計(jì)級配的Ea為51.911 kJ/mol,優(yōu)化級配的Ea為64.098 kJ/mol。Ea越大表明抗車轍性能越強(qiáng),因此通過Ea指標(biāo)評價(jià)可以得到優(yōu)化級配瀝青混合料有著更好的抗車轍服役性能。

4)通過試驗(yàn)路車轍變形監(jiān)測數(shù)據(jù)對比得到,優(yōu)化級配瀝青混合料瀝青面層的車轍變形量均值為原設(shè)計(jì)級配瀝青混合料瀝青面層的車轍變形量的32.45%。因此優(yōu)化后的瀝青混合料抗車轍能力明顯優(yōu)于原設(shè)計(jì)瀝青混合料,這進(jìn)一步表明Ea指標(biāo)作為瀝青混合料抗車轍性能評價(jià)指標(biāo)具有可靠性。