趙應(yīng)芳
(甘肅省隴南市成縣交通運(yùn)輸局 隴南 742500)
根據(jù)《交通運(yùn)輸服務(wù)決勝全面建成小康社會(huì)開(kāi)啟全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家新征程三年行動(dòng)計(jì)劃(2018—2020年)》具體指示:截至2019年,全國(guó)公路里程已達(dá)484.65萬(wàn)公里,其中高速公路達(dá)14.26萬(wàn)公里,公路里程數(shù)遠(yuǎn)超各國(guó)成為世界第一。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展,也由此發(fā)生了重超、超載現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì),近年來(lái)超重超載車輛逐年增加。超重、超載車輛大多數(shù)為貨運(yùn)車輛,并占據(jù)滿載車輛的80%,其超載率可達(dá)到60%~200%,更有甚者超載率可達(dá)到300%[1-2]。超載汽車對(duì)于瀝青路面的破壞是嚴(yán)重的,其原因主要是由于汽車荷載軸重越大對(duì)于瀝青路面的疲勞損傷也就越嚴(yán)重,軸重增加也會(huì)使得瀝青路面的彈性變形增大,最終導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生形變破壞[3-4]。瀝青路面設(shè)計(jì)能夠承受的彈性形變作用次數(shù)大幅值減少,軸重的增加將直接導(dǎo)致路面壽命縮減。由此,許多研究人員對(duì)瀝青路面面層材料的抗車轍能力、抗磨耗與透水性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。其中張雪彤[5]對(duì)干線公路中路面使用性能進(jìn)行了研究,并對(duì)瀝青路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性進(jìn)行了分析,提出保證干線公路的正常交通與提升其性能與壽命具有極大的科學(xué)意義??飶?qiáng)等[6]通過(guò)漢堡車轍儀對(duì)瀝青路面的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了正交試驗(yàn)以及方差分析,并檢驗(yàn)了瀝青瑪蹄脂碎石混合料高溫穩(wěn)定性影響因素。最終結(jié)果顯示:不同因素對(duì)混合料高性能的影響差異較大,環(huán)境>級(jí)配(粗細(xì))>溫度>木質(zhì)素纖維摻量,其中,在不同級(jí)配混合料中,高溫性能優(yōu)劣依次為粗>中>細(xì),并提出瀝青瑪蹄脂碎石混合料均具備較好的高溫穩(wěn)定性,具備較好的路用性能與重載穩(wěn)定性。姚亮[7]對(duì)瀝青路面的結(jié)構(gòu)和瀝青路面材料受到的具體影響進(jìn)行了研究,提出荷載是導(dǎo)致瀝青路面損壞的主要因素,并對(duì)瀝青路面設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討,討論了損害設(shè)計(jì)、層間設(shè)計(jì)、厚度設(shè)計(jì)等。周陶宏[8]針對(duì)重載瀝青路面進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析,通過(guò)研究瀝青路面的車轍以及裂縫等病害,分析得出典型結(jié)構(gòu)在不同軸重下的彎沉、拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及路面結(jié)構(gòu)的損傷情況。王永斌等[9]針對(duì)不同級(jí)配、不同高模量瀝青混合料進(jìn)行了車轍、四點(diǎn)彎曲、低溫小梁、凍融等路用性能試驗(yàn),分析高模量劑瀝青混合料路用性能的影響。寧金成等[10]利用ABAQUS有限元分析軟件,分析了重荷載水平力對(duì)瀝青路面使用的影響,結(jié)果表明水平力對(duì)于彎沉、拉壓應(yīng)變、車轍等的影響各不相同,其中無(wú)論哪種水平力的作用,拉應(yīng)變?cè)谒搅Ρ诚蛞粋?cè)的車輪荷載邊緣取得最大值。孟繁民[11]通過(guò)對(duì)瀝青混凝土路面在各個(gè)地區(qū)的調(diào)查分析可知,車轍對(duì)瀝青路面的破壞嚴(yán)重,并針對(duì)一些較大的車轍病害進(jìn)行了具體分析,探究了如果沒(méi)有及時(shí)處理車轍病害將造成的嚴(yán)重后果。翟佩琪等[12]對(duì)于瀝青路面在不同材料下的車轍病害進(jìn)行了分析,其中對(duì)瀝青路面的強(qiáng)度、剛度以及平整度等進(jìn)行了分析和試驗(yàn),得到了一些有利于減少車轍病害發(fā)生的方法和有效的防治措施,從而可延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。
以上學(xué)者對(duì)于瀝青路面的各類路用性能進(jìn)行了研究,包括對(duì)干線公路的現(xiàn)場(chǎng)考察、室內(nèi)試驗(yàn)、有限元數(shù)值模擬分析、理論分析等。本文對(duì)于重載作用下的SBS改性瀝青的路用性能進(jìn)行研究,通過(guò)對(duì)3種不同油石比的瀝青路面進(jìn)行試驗(yàn),分析各類油石比在重載作用下的車轍性能,以期能為道路承載力提供和參考。
本試驗(yàn)以殼牌SBS改性瀝青為例,其具體性能指標(biāo)見(jiàn)表1,集料級(jí)試驗(yàn)見(jiàn)表2。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)對(duì)改性瀝青以及混合料各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。
表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果
表2 集料試驗(yàn)指標(biāo)表
通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果顯示,SBS改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。
通過(guò)控制孔隙率進(jìn)行最佳油石比配比,控制孔隙率為3.0%~4.5%。通過(guò)篩孔試驗(yàn)確定篩孔通過(guò)率并進(jìn)行級(jí)配合成,通過(guò)篩分試驗(yàn)進(jìn)行級(jí)配的確定(粗集料、中集料、細(xì)集料),再由級(jí)配選擇孔隙率進(jìn)行油石比的確定,本次試驗(yàn)主要分三種級(jí)配進(jìn)行,第一組試件粗集料孔隙率為5.3%,中集料孔隙率為4.7%,細(xì)集料孔隙率為3.8%,最終確定油石比為5.9%;第二組試件粗集料孔隙率為4.7%,中集料孔隙率為3.9%,細(xì)集料孔隙率為2.9%,最終確定油石比為6.2%。第三組試件粗集料孔隙率為4.0%,中集料孔隙率為3.0%,細(xì)集料孔隙率為2.1%,最終確定油石比為6.5%。可以看出,三組試件組合集料的孔隙率越來(lái)越小,油石比的比率越來(lái)越大,最終確定油石比為6.5%、6.2%、5.9%。
對(duì)于路面材料的重載試驗(yàn)主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)與試驗(yàn)方法較為固定,但是通常情況下試驗(yàn)的準(zhǔn)確率也比較高,測(cè)試方法為馬歇爾穩(wěn)定度即車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn),試驗(yàn)主要根據(jù)《瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》方法,對(duì)上述三種試件進(jìn)行瀝青混合料車轍動(dòng)穩(wěn)定度重載試驗(yàn)。為達(dá)到重載試驗(yàn)效果,以便更加真實(shí)的反映出重載條件下,瀝青路面的影響情況以及車轍動(dòng)穩(wěn)定度的變形率。同等情況下變形率越小,動(dòng)穩(wěn)定度越小,其重載條件下的性能越優(yōu)越。車轍試驗(yàn)儀采用的是河北大宏實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的全自動(dòng)瀝青混合料車轍試驗(yàn)機(jī),車轍試驗(yàn)機(jī)見(jiàn)圖1所示。
圖1 全自動(dòng)車轍試驗(yàn)儀
重載條件下,車轍試驗(yàn)具體使用儀器為:瀝青拌合機(jī)、瀝青壓實(shí)模具,瀝青成型機(jī)用來(lái)制備并車轍試驗(yàn)步驟分為以下幾步,首先將上述三種油石比的瀝青原材料放入拌合機(jī),在設(shè)定溫度下進(jìn)行充分?jǐn)嚢?,攪拌時(shí)間不少于120s,時(shí)間長(zhǎng)短由溫度和原材料而定;然后將拌和好的集料和瀝青混合物放進(jìn)模具中進(jìn)行初步壓實(shí),壓實(shí)過(guò)程要盡快進(jìn)行,并從四周向中間進(jìn)行,壓實(shí)成型后的瀝青混合物在模具中呈現(xiàn)中間高于四周的試樣,第三步將初步成型的試樣表面鋪好一層卡紙密封,再放在成型機(jī)上進(jìn)行碾壓,第一次碾壓將頂部凸起部位壓平,此過(guò)程碾壓2次,第二次碾壓將試件翻轉(zhuǎn)90°進(jìn)行第二次碾壓,此過(guò)程將沿著相同方向碾壓24次,放置48h以上。最后進(jìn)行車轍試驗(yàn)并進(jìn)行記錄與數(shù)據(jù)分析。
本試驗(yàn)主要針對(duì)重載作用下三種油石比的瀝青混合料進(jìn)行,采用瀝青混合料車轍試驗(yàn)儀進(jìn)行車轍試驗(yàn)。三種油石比制成的標(biāo)準(zhǔn)車轍試件將在車轍儀上進(jìn)行車輪模擬碾壓試驗(yàn)。
瀝青混合料車轍試驗(yàn)溫度為60℃±0.5℃,位移精度為0.05mm。具體試驗(yàn)步驟為:首先將成型的3種油石比的試件,分別在恒溫箱中保溫儲(chǔ)存5h以上,同時(shí)將車轍試驗(yàn)儀預(yù)熱和精度校準(zhǔn),后打開(kāi)車轍試驗(yàn)儀,并將試件放置在儀器中,保證車轍試驗(yàn)輪在試件中央位置,車轍試驗(yàn)過(guò)程中,車輪的運(yùn)行方向應(yīng)與試件的成型碾壓方向一致。然后將試驗(yàn)儀車輪位置下調(diào),下調(diào)至與試件表面接觸,本研究為重載條件,因此將車輪荷載調(diào)整至1.5MPa。并同時(shí)調(diào)節(jié)位置傳感器,使車輪在車轍試驗(yàn)過(guò)程中不超出測(cè)量范圍。試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)1h左右,停止試驗(yàn),打印并保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。然后將另外兩種油石比的試件重復(fù)以上步驟。再將3種油石比試件的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并分析。
重載條件下通過(guò)車轍試驗(yàn)對(duì)三種油石比瀝青混合料進(jìn)行試件制備與車轍試驗(yàn),將記錄下的車轍深度與車轍次數(shù)等數(shù)據(jù)繪制二維曲線圖進(jìn)行分析與對(duì)比,上述三種試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
圖2 車轍試驗(yàn)結(jié)果圖
通過(guò)分析圖2可得:重載條件下三種油石比的車轍試驗(yàn)結(jié)果有所不同,其中油石比為5.9%的瀝青混合料試件車轍深度最小,最大深度為6.94mm,車轍深度變化過(guò)程為5000車輪往返次數(shù)內(nèi)速率最快,當(dāng)試驗(yàn)車輪往返速率達(dá)到15000次數(shù)左右時(shí)車轍深度變化基本平穩(wěn)。油石比為6.5%的瀝青混合料試件車轍深度最大,最大深度為7.82mm,同樣的,此試件在車轍深度變化過(guò)程為5000車輪往返次數(shù)內(nèi)速率最快,當(dāng)試驗(yàn)車輪往返速率達(dá)到15000次左右時(shí)車轍深度變化基本平穩(wěn)??梢?jiàn),瀝青試件在重載車轍試驗(yàn)中,車轍往返次數(shù)在5000左右時(shí),車轍深度變化速率最快。當(dāng)次數(shù)達(dá)到15000次左右時(shí),整體車轍深度變化趨于平穩(wěn)。通過(guò)圖2曲線整體趨勢(shì)可以得出,當(dāng)瀝青混合料的油石比越大,車轍深度會(huì)隨之增大。
(1)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定三種油石比對(duì)應(yīng)不同的集料孔隙率,集料的孔隙率越小對(duì)應(yīng)的油石比越大。
(2)通過(guò)室內(nèi)車轍試驗(yàn)得出三種油石比的瀝青混合料試件在車轍次數(shù)為5000車輪往返次數(shù)內(nèi)速率最快,當(dāng)次數(shù)達(dá)到15000次左右時(shí),整體車轍深度變化趨于平穩(wěn)。
(3)通過(guò)車轍曲線可以看出當(dāng)瀝青混合料的油石比越大,車轍深度會(huì)隨之增大。