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      大交通量、輕荷載對瀝青路面車轍影響研究

      2014-01-09 05:56:20余海洋
      城市道橋與防洪 2014年8期
      關(guān)鍵詞:輪壓穩(wěn)定度車轍

      余海洋

      (鄭州市市政工程勘測設(shè)計研究院,河南鄭州 450052)

      0 前言

      隨著我國高等級道路工程的大量修建,瀝青路面發(fā)展迅速。瀝青混合料是一種典型的熱流變材料,在夏季高溫季節(jié),材料表現(xiàn)為彈、粘-塑性體或粘-塑性體。瀝青混合料在荷載作用下產(chǎn)生較大的塑性變形,特別是在城市道路中,由于渠化交通的作用,荷載及荷載重復(fù)次數(shù)的增加,導(dǎo)致塑性變形的累積。在炎熱地區(qū),很多瀝青路面都出現(xiàn)了泛油、車轍等高溫穩(wěn)定性不夠的問題,嚴重影響瀝青路面平整度與行車安全。

      根據(jù)車轍形成機理,車轍通常可分為以下三類:磨耗型車轍、結(jié)構(gòu)型車轍和失穩(wěn)型車轍。在路面車轍中,一般以失穩(wěn)型車轍為主。對于瀝青路面結(jié)構(gòu),車轍的形成主要有兩部分:一部分車轍為各結(jié)構(gòu)層在荷載作用下的進一步壓實引起的永久變形的積累,另一部分是結(jié)構(gòu)層材料承受不了車輛作用而產(chǎn)生剪切形變和側(cè)向移動的不可恢復(fù)變形的積累。

      本文針對鄭州市舊路改造項目采用的瀝青加鋪結(jié)構(gòu)進行全厚度車轍試驗,就大交通量、輕荷載對瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響進行研究。

      1 輕荷載車轍試驗

      1.1 試驗輕荷載標準

      根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTJ052-2000)規(guī)定,車轍試驗的試驗溫度為60℃,輪壓為0.7MPa。為了解輕荷載對路面的影響,本次試驗利用改進的ZCZ-7型自動車轍試驗儀,針對擬定瀝青結(jié)構(gòu)層進行了全厚度車轍試驗[1]。

      根據(jù)有關(guān)文獻研究的結(jié)果,輪胎因花紋的存在,使有效接地面積小于虛面積??紤]荷載作用面積的折減,當輪胎的平均接地壓力為0.45MPa,對于橫向花紋輪胎,當胎壓為250 kPa時,單輪負荷約7.0 kN;當胎壓為390 kPa時,單輪負荷約6.5 kN。對于走向花紋輪胎,當胎壓為250 kPa時,單輪負荷約7.1 kN;當胎壓為390 kPa時,單輪負荷約5.2 kN[2]。根據(jù)中國汽車車型手冊,輕型貨車輪胎,以6.5-16型號的輪胎最為普遍[3]。一般而言,輕型貨車輪胎以走向花紋居多,只有少量的橫向花紋。因此,當胎壓為250 kPa時,輪壓0.45MPa相當于走向花紋輪胎的輕型車重約28 kN(包括車輛的前、后軸);當胎壓為390 kPa時,輪壓0.45MPa相當于走向花紋輪胎的輕型車重約21 kN(包括車輛的前、后軸)。本試驗采用0.45MPa荷載就是盡量模擬城市道路上占總交通量80%以上的小客車、面包車、輕型貨車等對瀝青路面車轍的影響情況。

      1.2 大交通量的模擬

      常規(guī)車轍試驗連續(xù)測試的時間為1 h,本次全厚度車轍試驗的時間均為5 h,相當于加載次數(shù)18 000次。從試驗原始數(shù)據(jù)曲線(見圖1)可以看出,車轍總量隨時間的變化逐漸趨于穩(wěn)定,5 h以后變形隨時間幾乎呈線性變化。

      圖1 0.45MPa時不同溫度下變形隨時間變化圖

      1.3 試驗條件

      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。鄭州地區(qū)屬夏炎熱地區(qū),且高溫持續(xù)時間長。由于溫度是影響動穩(wěn)定度和車轍深度的重要因素,本次試驗在60℃、65℃、70℃的溫度下分別做了擬定瀝青結(jié)構(gòu)層全厚度車轍試驗,試驗荷載為0.45MPa,每組試件連續(xù)測試時間為5 h。全厚度車轍試驗對象為鄭州市舊路改造項目采用的瀝青加鋪結(jié)構(gòu),其主要路面結(jié)構(gòu)層見圖2。

      圖2 設(shè)計路面各結(jié)構(gòu)層示意圖(15 cm)

      1.4 試驗結(jié)果

      在0.45MPa輪壓下,溫度分別為60℃、65℃、70℃時,針對瀝青路面結(jié)構(gòu)層進行全厚度車轍試驗的結(jié)果見表1。車轍試驗曲線見圖1。

      表1 0.45MPa輪壓下全厚度(15 cm)車轍試驗結(jié)果

      2 試驗數(shù)據(jù)分析

      由圖1可以看出,車轍變形隨著時間的增加而增加,溫度越高,變形越大。但對于同一瀝青路面結(jié)構(gòu),溫度越高,只是前期的變形速率(切線斜率)較大,3 h以后幾乎呈線性變化,變化趨勢都比較穩(wěn)定且相差不大。將表1的試驗結(jié)果繪成直方圖(見圖3和圖4),可以更清楚地了解在輕荷載作用下,動穩(wěn)定度和車轍深度隨溫度的變化趨勢。

      圖3 0.45MPa時動穩(wěn)定度隨溫度變化圖

      圖4 0.45MPa時車轍深度隨溫度變化圖

      從圖3和圖4可以看出,當荷載為0.45MPa時,溫度從60℃上升到65℃,動穩(wěn)定度降低了36.6%,車轍深度則增加了41.7%;溫度從65℃上升到70℃,動穩(wěn)定度降低了45.0%,車轍深度則增加了21.9%。本次試驗路面結(jié)構(gòu)上面層為改性SMA-13瀝青混合料,中面層也為改性AC-25瀝青混合料,兩種瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性都較好。在溫度為70℃,0.45MPa的輪壓下進行全厚度車轍試驗5 h,車轍深度達2.297 mm,見圖1和表1。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。

      為了了解輕荷載對車轍深度和動穩(wěn)定度的影響程度,本次試驗還做了0.7MPa標準荷載下,60℃、65℃、70℃全厚度(15 cm)車轍試驗,試驗結(jié)果見表2,變形隨時間變化見圖5。

      表2 0.7MPa輪壓下全厚度(15 cm)車轍試驗結(jié)果

      圖5 0.7MPa時不同溫度下變形隨時間變化圖

      由圖5可以看出,在0.7MPa的輪壓下,車轍變形也隨著時間的增加而增加,溫度越高,變形越大,3 h以后變形幾乎都呈線性變化,比較穩(wěn)定。

      將輕荷載(0.45MPa)全厚度車轍試驗和標準荷載(0.7MPa)試驗結(jié)果比較,見圖6和圖7。

      圖6 0.45MPa與0.7MPa動穩(wěn)定度結(jié)果比較

      圖7 0.45MPa與0.7MPa車轍深度結(jié)果比較

      從圖6和圖7中可以看出:

      (1)無論何種溫度,0.45MPa輪壓下的動穩(wěn)定度都比0.7MPa輪壓下的動穩(wěn)定度大,車轍深度都比0.7MPa輪壓下的車轍深度小。

      (2)無論何種溫度,0.45MPa輪壓下的動穩(wěn)定度和0.7MPa輪壓下的動穩(wěn)定度差別較大,而5 h的車轍深度差別相對較小。

      (3)無論何種溫度,在大交通量的作用下,輪壓的變化對動穩(wěn)定度的影響比對車轍深度的影響大。

      動穩(wěn)定度和車轍深度只能反映45~60 min和5小時的變形情況,為了更清楚地了解5 h內(nèi)各個時間變形的變化情況,在不同溫度下,將0.45MPa和0.7MPa的變形曲線相比較,見圖8~圖10。

      圖8 60℃時變形隨時間變化曲線圖

      圖9 65℃時變形隨時間變化曲線圖

      圖10 70℃變形時隨時間變化曲線圖

      從圖8~圖10中可以看出:0.45MPa和0.7MPa在3 h以后的變形速率都趨于穩(wěn)定,但0.7MPa的變形速率比0.45MPa的變形速率(斜率)大。

      在車轍深度與時間的半對數(shù)圖上,時間與車轍深度之間用直線來擬合有較好的相關(guān)性,不同溫度和荷載下的擬合方程及相關(guān)系數(shù)見表3。

      表3 不同溫度下的擬合方程及相關(guān)系數(shù)

      為了了解在0.45MPa的輪壓下,瀝青路面經(jīng)車輛反復(fù)碾壓后車轍深度的變化情況,對其擬合直線方程求極限,并和0.7MPa相比較。以60℃為例,作下列計算:

      由上可知,溫度為60℃時,在0.45MPa的輪壓下,瀝青路面經(jīng)車輛反復(fù)碾壓后,其車轍深度相當于0.7MPa輪壓的54.78%。同樣可以求得,在65℃溫度下,k65℃=0.6247,在 7 0℃溫度下,k70℃=0.6348。其變化趨勢見圖11。

      圖11 0.45MPa和0.7MPa車轍深度關(guān)系趨勢圖

      從圖11可以看出,隨著溫度的升高,K值逐漸增大,表明在0.45MPa輪壓下的車轍變形越接近于0.7MPa輪壓下的車轍變形。溫度較高時,輕荷載引起的車轍變形約相當于標準荷載0.7MPa引起的車轍變形的60%左右。

      3 結(jié)論

      通過本次大交通量、輕荷載的全厚度車轍試驗,并和0.7MPa標準荷載下車轍試驗對比,可以得出如下結(jié)論:

      (1)輕荷載對瀝青路面的作用,主要表現(xiàn)在蠕變變形的積累和剪切破壞上,特別是在高溫,大交通量的情況下,瀝青混合料的蠕變變形增大,輪胎兩側(cè)的接地壓力和剪應(yīng)力增大,導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生較深車轍。

      (2)當?shù)貐^(qū)溫度較高時,原來意義上對瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計不構(gòu)成影響的輕型車(小于30 kN),對動穩(wěn)定度和車轍深度的影響不容忽視。

      (3)在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時,應(yīng)考慮總重為15~30 kN輕型車(包括車輛的前、后軸)對瀝青路面車轍的影響,其對瀝青路面車轍的影響相當于標準荷載的60%左右。

      [1] 李申惠,廖衛(wèi)東,李向東,等.超載、超高溫條件下全厚式路面車轍試驗研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2003(12):13-16.

      [2] 胡小弟,孫立軍.輕型貨車接地壓力分布實測[J].公路交通科技,2005(8):1-7.

      [3] GB 516O89,載重汽車斜交輪胎[S].

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