瀝青混合料車轍試驗方法、指標(biāo)及影響因素研究綜述

萬頃

(中國人民解放軍廣東省珠海警備區(qū)， 廣東珠海 440400)

瀝青混合料車轍試驗方法、指標(biāo)及影響因素研究綜述

萬頃

(中國人民解放軍廣東省珠海警備區(qū)， 廣東珠海 440400)

車轍病害已經(jīng)成為我國主要路面形式-瀝青路面的主要病害。國內(nèi)研究人員為此做了大量預(yù)防與檢驗車轍病害的車轍試驗方法、評價指標(biāo),以及影響因素的研究。但未有關(guān)于這些研究系統(tǒng)而全面的介紹與分析。為此,全面、系統(tǒng)地介紹與分析車轍試驗方法、評價指標(biāo),以及影響因素非常必要。

瀝青混合料;車轍試驗;試驗方法;評價指標(biāo);影響因素

0 前言

瀝青路面不僅是我國公路路面鋪裝的重要形式,而且已經(jīng)成為市政道路建設(shè)與養(yǎng)護的主力軍。然而,經(jīng)濟發(fā)展大大推動了我國車輛數(shù)量、重量,以及形式向著多元化、重載化、量增化的方向急速前行的同時,給瀝青道路帶來了嚴(yán)重壓力,車轍病害頻發(fā),嚴(yán)重破壞瀝青路面,同時也造成了潛在道路安全問題。

因此,瀝青路面鋪裝不但要應(yīng)用抗車轍性能良好的瀝青混合料,而且要在應(yīng)用瀝青混合料之前進行科學(xué)、系統(tǒng)的抗車轍試驗。由于受不同因素和條件的影響,現(xiàn)有抗車轍性能評價試驗及方法不具備普適性,存在一定的局限性和不足。為此,國內(nèi)道路領(lǐng)域科研人員對此進行了大量詳細(xì)而深入研究?？傮w上,研究內(nèi)容包括車轍方法研究、評價指標(biāo)研究,以及影響因素研究三個方面。而本文將較為系統(tǒng)而全面地介紹目前國內(nèi)在這三個方面的研究狀況。

1 車轍試驗方法及研究簡述

目前國內(nèi)外常用的車轍試驗方法以法國瀝青路面車轍儀(PRT)、漢堡輪轍設(shè)備(WTD)、佐治亞瀝青路面分析儀(APA),以及我國國產(chǎn)車轍試驗儀為主。美國國家瀝青技術(shù)中心(NCAT),以及其它相關(guān)研究人員發(fā)現(xiàn)APA與路面實際使用性能相關(guān)性較好［1］。旋轉(zhuǎn)輪轍儀(RLWT)［2］產(chǎn)于20世紀(jì)90年代末的美國,便攜簡單,適用于施工質(zhì)量控制和對車轍病害路段進行調(diào)查分析。

我國規(guī)范中的車轍試驗使用的是國產(chǎn)車轍試驗儀。賈娟等人［3］通過采用國標(biāo)車轍試驗儀、佐治亞瀝青路面分析儀(APA)、旋轉(zhuǎn)輪轍儀(RLWT)對AC-13、AC-20、AC-25三種不同粒徑瀝青混合料進行車轍試驗,發(fā)現(xiàn)國標(biāo)車轍試驗的變形深度最大,2000次加載次數(shù)時,變形深度是APA結(jié)果的1.6倍,RLWT的8.3倍;APA與RLWT都以最終的車轍深度來評價抗車轍能力,但它們之間的相關(guān)性較差。相比之下,國產(chǎn)車轍試驗儀更適合我國交通和道路情況。

2 國標(biāo)車轍試驗評價指標(biāo)研究

國標(biāo)車轍試驗儀評價瀝青混合料抗車轍性能采用的常用指標(biāo)參數(shù)包括動穩(wěn)定度、絕對變形量、相對變形率、蠕變率等,受試件制作、碾壓次數(shù)、溫度等眾多內(nèi)外因素的影響,上述幾種評價指標(biāo)存在或多或少的局限性。

在國內(nèi),王旭東［4］相對較早地根據(jù)現(xiàn)行試驗規(guī)程計算了瀝青混合料的動穩(wěn)定度和相對變形指標(biāo),發(fā)現(xiàn)兩者存在較明顯的差別,認(rèn)為從概念和實際操作性角度,相對變形指標(biāo)比動穩(wěn)定度指標(biāo)更加合理。曹林濤等人［5］通過比較研究室內(nèi)車轍試驗與現(xiàn)場加速加載試驗(ALF),發(fā)現(xiàn)蠕變率和相對變形參數(shù)評價結(jié)論相同,且與現(xiàn)場實際一致,建議采用蠕變率和相對變形聯(lián)合評價瀝青混合料車轍試驗。向晉源［6］進行車轍試驗研究,認(rèn)為由于動穩(wěn)定度、絕對變形量、相對變形率均是實測值,會受到實測值和試件中的誤差影響,試驗重現(xiàn)性不好,而通過SPT試驗結(jié)果對比分析認(rèn)為修正后動穩(wěn)定度評價混合料抗車轍性能更加合理,而修正后的相對變形率在控制變形(車轍)深度更加有效,兩者聯(lián)合作為車轍試驗評價指標(biāo)更好。

王淑娟［7］對瀝青混合料的車轍試驗、蠕變勁度試驗、高溫抗壓強度試驗等室內(nèi)試驗及對應(yīng)實體工程車轍深度的跟蹤觀測研究表明0.7 MPa 荷載條件下,瀝青混合料的動穩(wěn)定度及相對變形、蠕變勁度、抗壓強度等指標(biāo)之間有較好的一致性,與現(xiàn)場瀝青路面高溫性能之間無明顯相關(guān)性;1.05 MPa荷載、50%保證率溫度條件下,瀝青混合料動穩(wěn)定度與現(xiàn)場瀝青路面高溫性能間具有良好的相關(guān)性。胡曉倩等人［8］研究6種瀝青混合料的車轍試驗發(fā)現(xiàn):同一瀝青混合料在相同試驗條件,最大變形量與動穩(wěn)定度值存在矛盾性,而用車轍變形曲線橫坐標(biāo)上的 20 min和60 min對應(yīng)車轍變形曲線圍成的閉合區(qū)域的面積定義并衡量瀝青混合料的抗車轍性能,與最大變形量實現(xiàn)了良好的相關(guān)性,較動穩(wěn)定度指標(biāo)更具科學(xué)性。

較為詳細(xì)及全面的國內(nèi)關(guān)于車轍試驗的典型評價指標(biāo)計算公式或表達方式可參見表1所列。

通過調(diào)研國內(nèi)車轍試驗評價指標(biāo)的研究,可以發(fā)現(xiàn)用相對變形評價瀝青混合料抗車轍性能較為合理,且無論修正后的相對變形指標(biāo),還是相對變形與蠕變率、相對變形率、動穩(wěn)定度等指標(biāo)聯(lián)合均能較好地實現(xiàn)室內(nèi)測試與路面實際車轍良好的關(guān)聯(lián)性。

3 影響車轍試驗因素的研究

影響車轍試驗的因素非常多,可分成試件制作和試驗條件兩類,目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并進行了研究的影響因素可參見表2所列。下面將就這兩個方面影響因素的研究情況做詳細(xì)介紹與分析。

3.1 試件

3.1.1 材料、級配及制樣

瀝青混合料由瀝青、集料,以及礦粉混合組成,這些材料的物理力學(xué)直接影響瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性［9］。集料的不規(guī)則形、堿性程度,瀝青種類、粘附性,級配粗細(xì)搭配情況,以及制樣過車的質(zhì)量和穩(wěn)定性控制等都對后續(xù)車轍試驗、穩(wěn)定性、變異性、準(zhǔn)確性及科學(xué)性產(chǎn)生關(guān)鍵影響［10］。

3.1.2 試件尺寸

尹峰等人結(jié)合Finn等,根據(jù)AASHO試驗路觀測結(jié)果得的兩種車轍預(yù)估公式,發(fā)現(xiàn)車轍隨厚度變化的趨勢基本符合Finn得出的規(guī)律,試件轍槽深度(永久變形量)隨厚度增加而增加,動穩(wěn)定度則隨厚度增加而減?。?1］。石立萬等人研究認(rèn)為全厚度車轍試驗可作為常規(guī)瀝青混合料車轍試驗的補充,對瀝青路面結(jié)構(gòu)的整體抗車轍性能進行檢驗,其評價指標(biāo)可沿用單層瀝青混合料車轍控制的指標(biāo),即以車轍試驗45～60 min時的車轍變形計算全厚度車轍動穩(wěn)定度［12］。

此外,根據(jù)國標(biāo)車轍試驗規(guī)定: 輪碾成型采用300 mm×300 mm×50 mm； 現(xiàn)場切割采用300 mm× 150 mm ×50 mm。而我國《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTJ014 -97)推薦的高速公路的瀝青層厚度為12～18 cm,而我國普遍采用的是4 cm、5 cm、6 cm的結(jié)構(gòu),這與5 cm的試件總厚度有較大的差距。因此,只用 5 cm 厚的試件來模擬整個路面的車轍,顯然是不合適的。

表1 車轍試驗評價指標(biāo)計算公式或表達方式統(tǒng)計一覽表［4-9］

表2 影響車轍試驗的因素一覽表

因此,為了保證馬歇爾車轍試驗的可靠性、穩(wěn)定性,需要在進行試驗制作過程中,確保材料的均勻性、級配唯一性、制樣過程的嚴(yán)格控制,以及根據(jù)實際路面情況調(diào)整車轍試驗厚度,厚度偏差盡量小。

3.2 試驗條件

我國現(xiàn)行國標(biāo)車轍試驗條件(見表3)已難適應(yīng)和滿足高低溫、重載、超載及大坡度等實際瀝青路面要求。為此國內(nèi)學(xué)者進行了溫度、速度、時間、荷載、坡度等多方面車轍試驗條件研究。

表3 國標(biāo)車轍試驗條件一覽表

3.2.1 溫度

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性決定了路面抗車轍能力,尤其在炎熱夏季，氣溫高，局部高溫地區(qū)可突破40℃，路表面溫度達到70℃,室內(nèi)試驗通過改變溫度進行車轍試驗,試驗結(jié)果顯示,瀝青混合料車轍動穩(wěn)定度隨試驗溫度的升高,呈直線下降趨勢,其車轍深度隨試驗溫度的升高而加深，具有良好的二次線性關(guān)系［11］。

彭浩等人［13］取標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下的荷載0.7MPa、不浸水狀態(tài),而溫度分別取為40℃、50℃、60℃,對瀝青混合料進行對比試驗分析,發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高,動穩(wěn)定度呈現(xiàn)衰減的趨勢,并且下降的速率隨溫度的升高急劇增大,當(dāng)溫度從40℃上升到50℃時,動穩(wěn)定度衰減了18.9%,當(dāng)溫度從50℃上升到60℃時,動穩(wěn)定度衰減了60.2%。

關(guān)宏信［14］等人則通過改變荷載和輪碾速度,考察了30℃、45℃及60℃的車轍指標(biāo),發(fā)現(xiàn)重載和低速的聯(lián)合很容易影響車轍指標(biāo),45℃車轍試驗溫度下的車轍指標(biāo)值劣于60℃、標(biāo)準(zhǔn)輪壓和標(biāo)準(zhǔn)輪碾速度條件下的結(jié)果;而在30℃試驗溫度下,即使有重載和低速的聯(lián)合影響,車轍指標(biāo)值仍然好于60℃、標(biāo)準(zhǔn)輪壓和標(biāo)準(zhǔn)輪碾速度條件下的結(jié)果。

3.2.2 荷載

彭浩等人［13］在標(biāo)準(zhǔn)溫度和濕度試驗條件下,分別取為0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa,進行對比分析。發(fā)現(xiàn)隨著荷載增加,動穩(wěn)定度呈現(xiàn)一直下降的趨勢,并且下降的幅度比較大,當(dāng)荷載從0.7 MPa增加到0.8 MPa,以及由0.8 MPa增加到0.9 MPa時,動穩(wěn)定度分別下降了53.5%和43.7%,表明荷載對瀝青混合料的高溫性能的影響非常大,在設(shè)計重載交通的路面時,要特別注意荷載對瀝青混合料高溫性能的影響。由于我國的車輛趨于重型化,各主要路線均存在嚴(yán)重的超載、重載現(xiàn)象,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了 0.7 MPa,甚至達到了1.2 MPa［15］。因此現(xiàn)行的車轍試驗的荷載偏小,已不能客觀地評價實際軸載造成的車轍情況,因此,試驗荷載亟待提高。此外,實驗室車轍的加載形式主要是豎向荷載,但是實際路面除了豎向荷載外,還要考慮水平剪力的影響。

3.2.3 速度、時間及坡度

變速車轍試驗結(jié)果表明重載低速嚴(yán)重影響瀝青混合料車轍性能,建立動穩(wěn)定度隨試驗輪行走速度的變化方程,可以將低速下的動穩(wěn)定度值轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下的動穩(wěn)定度值［16］。

大部分典型車轍試驗的時間超過2 h,劉毅等人［17］通過車轍試驗分析發(fā)現(xiàn),延長試驗時間不能改善試驗結(jié)果的平行性,但有助于不同瀝青混合料的區(qū)分,不同荷載與溫度條件下的車轍試驗,其試驗時間不是材料失穩(wěn)的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有的車轍試驗規(guī)程規(guī)定試驗時長為60 min,而有關(guān)分析與研究認(rèn)為,當(dāng)室內(nèi)試驗輪碾速度變化時,不應(yīng)該把試驗時間還定為60 min,而應(yīng)該保證每次試驗時試驗輪對試件總的輪碾次數(shù)不變,如當(dāng)輪碾速度為標(biāo)準(zhǔn)輪碾速度的n倍時，那么試驗時間應(yīng)調(diào)節(jié)為標(biāo)準(zhǔn)試驗時間的1/n倍［14］。

通過將車轍儀一端墊高來改變坡度,測得數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn),隨著坡度的增大,車速越小,坡度越大車轍深度增加的幅度越大［11］。

總之,影響車轍試驗的試驗因素很多,還包括濕度、養(yǎng)生時間、輪碾次數(shù)等等［18］,對此,要根據(jù)國內(nèi)不同區(qū)域的氣候、溫度、交通狀況、坡度等情況,選擇合理而穩(wěn)定的制樣條件,科學(xué)合適的試驗溫度、荷載、速度及試驗條件,不能照搬規(guī)程規(guī)定的試驗條件。

4 總結(jié)

本文在簡述國內(nèi)外車轍試驗方法的基礎(chǔ)上,較為系統(tǒng)而全面地介紹和分析了國內(nèi)車轍試驗評價指標(biāo),以及車轍試驗影響因素的有關(guān)研究成果與結(jié)論。關(guān)于國內(nèi)在這三個方面的研究結(jié)果和成果可總結(jié)如下:

(1)目前主要的車轍試驗測試以國標(biāo)車轍試驗、佐治亞瀝青路面分析儀、旋轉(zhuǎn)輪轍儀為主,我國普遍采用國標(biāo)車轍試驗儀。

(2)研究表明,在多種評價指標(biāo)當(dāng)中,相對變形指標(biāo)評價瀝青混合料抗車轍性能較為合理,且無論修正后的相對變形指標(biāo),還是相對變形與蠕變率、相對變形率、動穩(wěn)定度等指標(biāo)聯(lián)合均能較好實現(xiàn)室內(nèi)測試與路面實際車轍良好的關(guān)聯(lián)性。

(3)只有確保材料均勻、級配唯一、制樣過程嚴(yán)格、試件尺寸厚度與實際相符的制樣條件,以及因地制宜的試驗溫度、荷載、速度、坡度等試驗條件下,才能將各種車轍試驗影響因素控制在于實際車轍情況相符合的范圍內(nèi),試驗結(jié)果才能更為客觀、穩(wěn)定、可靠的反應(yīng)實際路面車轍情況。

總之,隨著我國道路,尤其瀝青路面事業(yè)的發(fā)展,車轍試驗方法及影響因素必將發(fā)生變化,道路從業(yè)和研究人員與時俱進,將會進一步積極探索和研究。

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U416.217

A

1009-7716(2015)03-0138-04

2014--12-22

萬頃(1985-),男,湖南岳陽人,工程師,從事工程項目管理工作。