武黃高速公路瀝青混凝土路面車轍試驗研究

武黃高速公路瀝青混凝土路面車轍試驗研究

宜黃高速公路吳黃段于20世紀90年代竣工，歷時10多年。一些路段遭到嚴重破壞和變形。主要表現(xiàn)在路基沉降、水泥混凝土路面錯臺、塌陷等,為了改善路面性能,武黃段指揮部采用對原有混凝土板進行加固處理后在其上直接加鋪瀝青混凝土面層的方法對其進行大修。車轍問題是瀝青路面普遍遇到的問題,武漢地區(qū)夏季氣溫高達42℃(路面溫度可達68℃),高溫持續(xù)時間長,且武黃路段交通量大,超載嚴重,因此在加鋪前對某一結(jié)構(gòu)的瀝青路面進行車轍試驗,對于其在使用中保持相當?shù)氖褂眯阅苁直匾r青混合料車轍試驗是最早由英國道路研究所(TRRL)確立的試驗方法,因為它能較好地反映瀝青混凝土路面在車輪重復(fù)荷載作用下發(fā)生塑性流動變形(車轍)所致永久變形的積累過程,現(xiàn)在已在不少國家得到應(yīng)用。華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院道路實驗室采用改進的ZCZ-7型自動車轍試驗儀制作全厚度輪碾成型試件,在高溫、超載條件下進行車轍試驗,研究這2個因素對路面車轍的影響。1試驗結(jié)論的全厚結(jié)構(gòu)本次車轍試驗對象為武黃路K27+400~K39+500段所采用的加鋪結(jié)構(gòu),其路面各結(jié)構(gòu)層見表1和圖1。1.1試件的成型、壓實度測定1)安裝標準試件模板,尺寸300mm×300mm×50mm所在層厚度;2)準備材料,礦料、瀝青質(zhì)量按混合料的壓實密度計算,并考慮3%的富余量;3)將烘好的礦料和加溫后的瀝青稱好依次倒入拌和機內(nèi)拌和,然后稱取適量拌和好的混合料裝入試模并用小錘適當擊實,待溫度合適后用輪碾機碾壓成型(注意:采用不同瀝青,碾壓時試塊溫度不同),輪碾機荷重與碾壓次數(shù)可根據(jù)要求的瀝青混合料密度或壓實度經(jīng)試壓決定(試驗通過對碾壓后試件取芯的方法測定壓實度,要求壓實度超過96%);4)壓實成型后在試塊上注明碾壓方向,壓實成型后的試件需在室溫條件下養(yǎng)生12h以上(通常為1d),才能在其上成型第二層,余此類推,各層的碾壓方向始終一致;5)為消除試驗誤差的影響,同一溫度、輪壓下的試件每組3個,試驗結(jié)果取其平均值。1.2試驗方案和試驗過程試驗前,先對車轍儀的溫度控制系統(tǒng)、位移感應(yīng)系統(tǒng)以及定時系統(tǒng)進行校準并設(shè)定。試驗時首先將高溫恒溫室升溫至設(shè)定的溫度,對輪壓面積、輪壓進行重新標定(橡膠輪在溫度、壓力變化時,輪壓面積有較大變化,須反復(fù)標定,其結(jié)果見表2,然后將試塊連模放入恒溫室中,當試塊溫度升至要求的試驗溫度(一般需6h,以保證試件內(nèi)外溫度一致),把試塊連模放在試驗機上進行試驗,試驗時車輪行走方向與試塊成型時的碾壓方向一致。啟動車轍試驗數(shù)據(jù)檢測軟件,輸入試驗溫度、試驗荷載、加載速度、試驗時間以及試件的厚度等基本資料,試驗機與電腦相連,可自動記錄試驗時間、溫度、加荷次數(shù)、變形量等,還可畫出變形隨時間變化的曲線圖(示例如圖2)。采用的試驗機的輪行速度為標準(42±1)次/min,其動穩(wěn)定度計算式為DS=42×15/(d60-d45)式中,DS為動穩(wěn)定度(次/min);d60為試驗時間為60min時試件的變形量(mm);d45為試驗時間為45min時試件的變形量(mm)。2瀝青外因的影響影響瀝青路面車轍產(chǎn)生的原因很多,歸結(jié)起來可分為內(nèi)因、外因及其他因素3大類。內(nèi)因主要反映在材料本身的質(zhì)量上,如瀝青類型、瀝青用量、集料的表面狀況和級配等;而外因則主要包括氣候條件和交通條件;其他因素則是指路面基層和路面結(jié)構(gòu)組成及其施工質(zhì)量對路面車轍的影響。當內(nèi)因、外因及其他因素結(jié)合在一起時就會對瀝青路面車轍的形成產(chǎn)生綜合影響。對于許多方面,已有不少文章有過詳細論述,這里主要討論超載、高溫對車轍產(chǎn)生的影響。2.1試驗溫度對車轍的影響瀝青混合料是一種粘彈性材料,其強度和模量都隨溫度升高而急劇下降。在條件相同的情況下,瀝青混凝土的強度和回彈模量變化很大,在路面適應(yīng)的溫度范圍內(nèi)其值相差幾倍到十幾倍。在高溫季節(jié),高速公路行車道上的輪跡帶承受著大量重車的反復(fù)作用,瀝青混合料在高溫時的強度不足以抵抗重輪荷載的反復(fù)作用,輪下的瀝青混合料產(chǎn)生剪切變形而側(cè)向流動,輪跡帶變形下凹、兩側(cè)逐漸鼓起,形成槽形的車轍。因此,高溫是影響車轍形成的重要因素。武漢地區(qū)地處公路自然區(qū)劃東部濕熱區(qū)的IV2區(qū),素有火爐之稱,夏季氣溫高達42℃,路面溫度可達68℃,針對武黃路的高溫特點,分別做了瀝青混合料在60℃、65℃、70℃時不同輪壓下的車轍試驗來模擬高溫對車轍的影響,試驗結(jié)果如圖3。從圖3中可以看出,以0.9MPa為例,當溫度從60℃變化到65℃時動穩(wěn)定度下降了45.1%,而當溫度從65℃變化到70℃時動穩(wěn)定度下降了43.3%,可見試驗溫度對動穩(wěn)定度的影響相當大。當然,不同條件下的試驗結(jié)果會有所不同,但其變化規(guī)律值得借鑒。2.2車輛荷載的影響隨著國民經(jīng)濟和公路交通運輸事業(yè)的發(fā)展,運輸車輛中大型貨運車輛的比重不斷增加,車輛超載的現(xiàn)象十分普遍。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)最重的單、雙、三軸竟分別達到70kN、320kN和430kN?？梢哉f車輛超載超限在我國公路上既非常普遍又特別嚴重。超載運輸車輛往往采用高強度輪胎,由于裝載太多,所以影響其行車速度,特別是上坡路段,車輛行駛很慢?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),行車道比超車道車轍嚴重,上坡路段比下坡路段車轍嚴重?？偟膩碚f,大型超載車越多,行車輪跡越集中的車道(如在爬坡車道、車輛阻塞的車道)車轍就越嚴重。我國路面設(shè)計方法是將各種車輛軸載作用次數(shù)換算為標準軸載作用次數(shù),計算成設(shè)計年限內(nèi)標準軸載的總次數(shù)來進行路面設(shè)計?！豆窞r青路面設(shè)計規(guī)范》(JTJ014-97)規(guī)定以路表彎沉作為設(shè)計控制指標,以整體性結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力作為設(shè)計驗算指標,并分別以彎沉等效原則和層底拉應(yīng)力等效原則進行標準軸載的換算。進行設(shè)計彎沉計算和瀝青層層底拉應(yīng)力驗算時,按下式進行標準軸換算N=∑C1·C2·n1·(Pi/P)4.35式中,N為標準軸載的當量軸次(次/d);n1被換算車型的各級軸載作用次數(shù)(次/日);P為標準軸重(kN);Pi為被換算車型的各級軸載(kN);C1為軸數(shù)系數(shù);C2為輪組系數(shù)。從上式可以看出,當車輛軸載增加1倍時,標準軸載作用次數(shù)不是增加1倍,而是按照4.35次方的乘方關(guān)系增加,所以,車輛超載對路面的結(jié)構(gòu)損壞非常嚴重。武黃高速交通量繁重,超載現(xiàn)象也極為嚴重,針對武黃路車輛荷載的特點,分別做了瀝青混合料在0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa時不同溫度下的車轍試驗,來模擬超載對車轍的影響。試驗結(jié)果見圖4。如圖4所示,以65℃為例,當溫度從0.7MPa變化到0.9MPa時動穩(wěn)定度下降了62.1%,而當溫度從0.9MPa變化到1.1MPa時動穩(wěn)定度下降了40.5%。當然,不同條件下的試驗結(jié)果會有所不同,但其變化規(guī)律應(yīng)該具有相似性。3改善結(jié)合料、礦料的粘結(jié)強度a.由于瀝青混合料的高溫抗剪切強度不足而產(chǎn)生的側(cè)向流動變形的程度與瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性直接有關(guān)。使用溫度穩(wěn)定性好的瀝青是提高瀝青混合料溫度穩(wěn)定性的最重要措施。在規(guī)定瀝青標號范圍內(nèi)使用較稠和粘度高的瀝青可以提高瀝青混合料的抗變形能力。b.用聚合物(SBS、SBR、PE等)改性瀝青,可以大大改善瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性能,減少高溫時的永久變形,同時還可以改善結(jié)合料與礦料的粘結(jié)強度。聚合物加入瀝青后使瀝青變稠、粘度增加,減小了溫度敏感性,結(jié)果是相應(yīng)地減少永久變形并改善瀝青混凝土層的荷載分布能力。彈性體聚合物的加入,增加總形變中的彈性形變,可減少粘滯形變的量,并可改善瀝青混凝土的柔性。實驗室中,對AH-70瀝青和SBS改性瀝青進行了對比試驗,結(jié)果表明,兩者存在質(zhì)的差別。c.瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性首先取決于礦料的骨架,尤其集料的相互嵌擠作用,而礦料級配組成對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性則起決定性作用。有關(guān)研究資料表明,通常情況下,瀝青混合料的抗車轍能力,級配礦料相互嵌擠的骨架作用的貢獻占60%,而瀝青膠結(jié)材料的性質(zhì)提供40%的抗變形能力。因此,礦料級配是否合理,骨料間是否能有效嵌擠對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性起主要作用。d.把好施工