聚酯布提高瀝青路面車(chē)轍性能試驗(yàn)研究

楊 群，余承喜，屠正彥，孫文州

(1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.上海東南郊環(huán)高速公路投資發(fā)展有限公司，上海 200336；3.上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，上海 200031)

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聚酯布提高瀝青路面車(chē)轍性能試驗(yàn)研究

楊 群1，余承喜1，屠正彥2，孫文州3

(1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.上海東南郊環(huán)高速公路投資發(fā)展有限公司，上海 200336；3.上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，上海 200031)

為了研究高溫與長(zhǎng)期荷載條件下聚酯布對(duì)瀝青路面抗車(chē)轍性能的影響，選擇兩種聚酯布進(jìn)行車(chē)轍與MMLS3試驗(yàn)，并結(jié)合時(shí)-溫等效理論分析兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性。車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果表明與普通試件相比，高溫條件下1#、2#聚酯布試件的車(chē)轍深度依次降低24.7%和55.7%，動(dòng)穩(wěn)定度分別提高1.8和2.5倍。MMLS3試驗(yàn)結(jié)果表明長(zhǎng)期荷載作用下聚酯布試件的最終車(chē)轍深度比普通試件小約20%；25萬(wàn)次加載后普通試件出現(xiàn)剪切裂縫，進(jìn)入破壞階段，聚酯布試件則進(jìn)入穩(wěn)定剪切變形階段。兩個(gè)試驗(yàn)共同說(shuō)明高溫與長(zhǎng)期荷載條件下，聚酯布均能有效分散輪胎荷載應(yīng)力，提高瀝青路面的抗車(chē)轍性能。

道路工程；瀝青路面；MMLS3試驗(yàn)；聚酯布；車(chē)轍

0 引言

車(chē)轍是瀝青路面最嚴(yán)重的病害之一，面層尤其中面層瀝青混合料的剪切流動(dòng)是導(dǎo)致永久變形的主要原因。在溫度或者環(huán)境荷載的作用下，中面層混合料具有最大的剪應(yīng)力；現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明中面層車(chē)轍占路面總車(chē)轍深度的60%左右[1-2]。因此，降低中面層混合料的車(chē)轍深度是提高路面整體抗車(chē)轍性能的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)、外主要通過(guò)添加抗車(chē)轍劑、調(diào)整級(jí)配、增加面層厚度等方法來(lái)提高瀝青路面的車(chē)轍性能[3]，但很少?gòu)穆访娼Y(jié)構(gòu)加強(qiáng)方面進(jìn)行研究。

聚酯布是一種以聚合物為基礎(chǔ)的土工材料，具有與瀝青混合料特性相似的黏彈性，兩者具有良好的相容性。國(guó)內(nèi)、外學(xué)者對(duì)土工材料進(jìn)行了大量研究。研究表明[4-5]，土工格柵的加筋能夠起到減少車(chē)轍、延緩反射裂縫發(fā)展，加強(qiáng)面層，延長(zhǎng)壽命的作用；東南大學(xué)的尹應(yīng)梅[6]的研究表明聚酯布能夠提高瀝青罩面的抗裂、防水、加筋等路用性能；胡學(xué)亮[7]的研究表明，聚酯布能夠起到減小荷載作用下的強(qiáng)度因子，防止反射裂縫，延長(zhǎng)路面使用壽命的作用。

目前，聚酯玻纖布在國(guó)外主要用于舊路面性能修復(fù)、防裂和橋面防水，并沒(méi)有對(duì)聚酯玻纖布提高瀝青路面的抗車(chē)轍性能進(jìn)行深入探討。筆者認(rèn)為聚酯布與聚酯布玻纖布具有類似的性質(zhì)及作用，其橋聯(lián)增韌效應(yīng)和整體效應(yīng)，以及與粒料間的嵌鎖、加筋作用，能夠抑制瀝青混合料的塑性變形，減緩車(chē)轍發(fā)展。

因此，本研究的主要目的是設(shè)計(jì)能夠真實(shí)反映聚酯布對(duì)瀝青路面抗車(chē)轍性能影響的試驗(yàn)方法，對(duì)聚酯布瀝青路面的抗車(chē)轍性能進(jìn)行研究，為類似復(fù)合瀝青路面抗車(chē)轍性能的評(píng)價(jià)提供參考。

1 試驗(yàn)方案

選用車(chē)轍試驗(yàn)和小型加速加載(MMLS3)試驗(yàn)來(lái)分別研究高溫與長(zhǎng)期荷載條件下聚酯布對(duì)瀝青路面車(chē)轍性能的影響。試件分為1#、2#聚酯布試件及對(duì)比試件3種。

1.1 車(chē)轍試驗(yàn)

研究表明[8]，中面層是車(chē)轍易發(fā)的關(guān)鍵層位，其混合料的剪切流動(dòng)變形更易加重車(chē)轍病害。為了直觀觀測(cè)聚酯布對(duì)中面層混合料抗車(chē)轍性能的影響，車(chē)轍試驗(yàn)將聚酯布碾壓粘貼在車(chē)轍板頂面直接承受輪胎荷載作用，試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)至90 min。與對(duì)比試件的動(dòng)穩(wěn)定度、車(chē)轍深度、車(chē)轍發(fā)展規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，研究高溫環(huán)境下聚酯布對(duì)瀝青路面抗車(chē)轍性能的影響。

1.2 MMLS3試驗(yàn)

瀝青是一種黏彈性材料，瀝青路面在長(zhǎng)期荷載條件下會(huì)引起較大的永久變形。而MMLS3試驗(yàn)是現(xiàn)場(chǎng)車(chē)轍行為的有效模擬手段，能在短期內(nèi)獲得實(shí)際路面路用性能在長(zhǎng)期行車(chē)荷載作用下的變化規(guī)律[9-12]。

因此，通過(guò)小型壓路機(jī)模擬瀝青路面實(shí)際攤鋪碾壓方式成型試件，利用MLLS3試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際長(zhǎng)期行車(chē)荷載作用下車(chē)轍的發(fā)展。與普通試件的車(chē)轍深度、車(chē)轍發(fā)展規(guī)律及速率、外觀形態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，研究長(zhǎng)期荷載條件下聚酯布對(duì)瀝青路面抗車(chē)轍性能的影響。

2 試驗(yàn)材料

2.1 聚酯布

試驗(yàn)選用1#、2#兩種聚酯布，根據(jù)《公路工程土工合成材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E50—2006)[13]對(duì)各種聚酯布的物理力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 聚酯布測(cè)試結(jié)果

2.2 瀝青混合料

試驗(yàn)選用中海70#基質(zhì)瀝青，粗集料采用湖州某公司生產(chǎn)的輝綠巖；細(xì)集料采用浙江富陽(yáng)生產(chǎn)的石灰?guī)r；填料為石灰石料經(jīng)細(xì)磨得到的礦粉。原材料均滿足規(guī)范要求。試驗(yàn)選用AC-13和AC-20兩種瀝青混合料，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40—2004[14]馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，級(jí)配見(jiàn)表2，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果

表3 瀝青混合料設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 乳化瀝青

試驗(yàn)選用常溫下為液態(tài)的中裂型乳化瀝青，保證灑布的均勻性。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 車(chē)轍試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)試驗(yàn)條件

車(chē)轍試驗(yàn)根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[15]中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)橡膠輪外徑20 cm，寬5 cm，試驗(yàn)溫度60 ℃，胎壓為0.7 MPa，碾壓速度為42次/min，試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)至90 min。試驗(yàn)混合料選用我國(guó)中面層材料常用的AC-20，試件成型好后放入車(chē)轍試驗(yàn)機(jī)中保溫4 h后進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始之前，利用肥皂磨光聚酯布表面，然后涂抹一層礦粉，防止試驗(yàn)過(guò)程中聚酯布被試驗(yàn)輪帶起。

(2)試件成型方法

①利用輪碾法成型車(chē)轍板，碾壓次數(shù)達(dá)到30次時(shí)停止碾壓，在車(chē)轍板表面涂抹乳化瀝青后粘貼聚酯布。

②在車(chē)轍板上方設(shè)置一張兩面涂抹隔離液的橡膠板，防止碾壓過(guò)程中聚酯布被帶起，如圖1所示，進(jìn)行最后12次的碾壓；對(duì)比試件則直接碾壓42次。

圖1 車(chē)轍板成型Fig.1 Rutting board molding

③養(yǎng)生48 h后進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)。車(chē)轍試驗(yàn)示意圖如圖2所示。

圖2 車(chē)轍試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Rutting test model

3.2 MMLS3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)試件尺寸

因?yàn)镸MLS3試驗(yàn)試槽寬為20 cm，長(zhǎng)為95 cm，可測(cè)試的高度在10 cm之內(nèi)，而且考慮到瀝青面層厚度是混合料最大公稱粒徑3倍左右時(shí)的壓實(shí)效果最好，因此試驗(yàn)的試件尺寸采用4 cm AC-13+6 cm AC-20的路面組合形式，這與實(shí)際常用的瀝青路面結(jié)構(gòu)形式一致。試件寬度取14 cm，長(zhǎng)度取30 cm。

(2)胎壓和溫度

MMLS3最大輪載為2.9 kN，作用于直徑300 mm的充氣輪胎。為了與車(chē)轍試驗(yàn)進(jìn)行比較分析，試驗(yàn)的胎壓取0.71 MPa。試驗(yàn)溫度為常溫，約25 ℃。

(3)試件成型方法

試驗(yàn)利用小型壓路機(jī)碾壓成型，最后切割成符合尺寸要求的試件，壓路機(jī)振動(dòng)頻率為40 Hz，具體成型步驟如下：

①拌制瀝青混合料，然后倒入模具中進(jìn)行下面層的碾壓。

②下面層混合料自然冷卻后，灑布乳化瀝青、鋪設(shè)聚酯布，攤鋪、碾壓上面層。

10月24～26日，由中國(guó)軍事科學(xué)學(xué)會(huì)和中國(guó)國(guó)際戰(zhàn)略學(xué)會(huì)聯(lián)合舉辦的第八屆北京香山論壇在京舉行。中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平向論壇發(fā)賀信，中共中央政治局常委、全國(guó)人大常委會(huì)委員長(zhǎng)栗戰(zhàn)書(shū)出席論壇歡迎晚宴并發(fā)表主旨演講，國(guó)務(wù)委員兼國(guó)防部長(zhǎng)魏鳳和上將在開(kāi)幕式上宣讀了習(xí)近平主席的賀信并作主旨發(fā)言。

③自然冷卻后脫模，養(yǎng)生48 h后切割成14 cm×30 cm 的試件，3個(gè)試件同時(shí)安放至MMLS3試槽中進(jìn)行試驗(yàn)，如圖3所示。試件模型如圖4所示。

圖3 MMLS3試驗(yàn)Fig.3 MMLS3 test

圖4 MMLS3試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4 MMLS3 test model

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

車(chē)轍試驗(yàn)獲得的車(chē)轍深度及動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

注：TNP，TKP，AC依次代表1#、2#聚酯布試件和對(duì)比試件。

由表4可知，動(dòng)穩(wěn)定度的優(yōu)劣如下：TKP>TNP>AC，車(chē)轍深度正好相反，即含2#聚酯布瀝青混合料試件的動(dòng)穩(wěn)定度最優(yōu)，普通試件最小。與普通試件相比，1#，2#聚酯布試件動(dòng)穩(wěn)定度依次提高了1.8和2.5倍，而車(chē)轍深度分別降低了24.7%和55.7%，這說(shuō)明聚酯布能夠有效降低瀝青路面車(chē)轍的深度，提高動(dòng)穩(wěn)定度。而對(duì)比試件動(dòng)穩(wěn)定度高達(dá)2 451次/mm，主要是因?yàn)锳C-20瀝青混合料粗集料采用性能優(yōu)良的輝綠巖，級(jí)配偏粗，骨架架構(gòu)良好，強(qiáng)度較高。車(chē)轍發(fā)展曲線如圖5所示。

圖5 車(chē)轍試驗(yàn)車(chē)轍發(fā)展規(guī)律Fig.5 Rutting development law in rutting test

從圖5中可以看出：

(1)3種試件的車(chē)轍曲線表現(xiàn)為明顯兩個(gè)階段，即快速發(fā)展和穩(wěn)定發(fā)展階段。聚酯布試件和對(duì)比試件在第一階段都具有較大車(chē)轍發(fā)展速率；第二階段時(shí)聚酯布試件的車(chē)轍發(fā)展速率明顯減小，說(shuō)明此時(shí)聚酯布開(kāi)始發(fā)揮減緩車(chē)轍發(fā)展的作用。聚酯布的橫、縱向抗拉伸強(qiáng)度隨著車(chē)轍深度的加深而增大，當(dāng)車(chē)轍達(dá)到一定深度時(shí)，聚酯布形成具有一定強(qiáng)度的板體性結(jié)構(gòu)，將輪胎荷載擴(kuò)散至整個(gè)聚酯布表面，降低瀝青混合料剪切流動(dòng)變形的發(fā)展速率。由于2#聚酯布的厚度、縱向及橫向形變強(qiáng)度均大于1#，因此2#聚酯布具有較好的效果。

(2)高溫條件下，兩種聚酯布能夠降低聚酯布下層瀝青混凝土層的車(chē)轍發(fā)展速率；經(jīng)過(guò)90 min輪胎直接碾壓，兩種聚酯布完好無(wú)損，說(shuō)明聚酯布具有良好的耐久性能。

4.2 MMLS3試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試件車(chē)轍發(fā)展規(guī)律以及外觀形態(tài)，測(cè)量不同累計(jì)碾壓次數(shù)時(shí)的車(chē)轍深度，具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 MMLS3試驗(yàn)車(chē)轍深度

注：TNP，TKP，AC依次代表1#，2#聚酯布試件和對(duì)比試件。

由表5可知，與普通試件相比，1#，2#聚酯布試件的車(chē)轍深度分別減小了1.34 mm和1.27 mm，降低幅度分別為21.4%和22.6%。這說(shuō)明長(zhǎng)期荷載條件下層間聚酯布能夠有效減小瀝青路面的車(chē)轍深度。

根據(jù)表5描繪出車(chē)轍變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 MMLS3試驗(yàn)車(chē)轍發(fā)展規(guī)律Fig.6 Rutting development law in MMLS3 test

從圖6中可以看出：

(1)普通試件的車(chē)轍曲線存在兩個(gè)迅速發(fā)展的階段即0～25萬(wàn)次和25～40萬(wàn)次，而聚酯布試件存在車(chē)轍迅速階段(0～25萬(wàn)次)和穩(wěn)定發(fā)展階段(25～40萬(wàn)次)。

(2)碾壓次數(shù)為25萬(wàn)次時(shí)，1#，2#聚酯布和普通試件的車(chē)轍深度依次為4.09，4.08，4.31 mm，車(chē)轍發(fā)展規(guī)律和深度相近；聚酯布試件從25萬(wàn)次開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展階段，而普通試件車(chē)轍仍迅速發(fā)展且車(chē)轍曲線呈現(xiàn)出發(fā)散的趨勢(shì)。這是由于當(dāng)碾壓次數(shù)達(dá)到25萬(wàn)次時(shí)，試件端部從層間連接處開(kāi)始出現(xiàn)剪切裂縫，導(dǎo)致混合料的整體抗剪切能力減小。隨著輪胎荷載的作用，裂縫不斷發(fā)展延伸至上下表面，加劇了混合料的剪切流動(dòng)變形，使得混合料向兩邊推移隆起，加快車(chē)轍發(fā)展；而聚酯布試件具有非常好的整體性和強(qiáng)度，并沒(méi)有出現(xiàn)破壞，加載40萬(wàn)次后試件表面狀況如圖7所示。輪胎荷載被分散到整個(gè)聚酯布表面，有效減小甚至消除應(yīng)力集中現(xiàn)象，防止剪切裂縫的產(chǎn)生，從而起到減小混合料剪切流動(dòng)變形和降低車(chē)轍發(fā)展速率的作用。

圖7 MMLS3試驗(yàn)試件端部外表Fig.7 Appearance of specimen ends in MMLS3 test

(3)根據(jù)上述分析可知，前25萬(wàn)次碾壓瀝青路面主要發(fā)生的是壓密型車(chē)轍，后15萬(wàn)次主要是剪切流動(dòng)型車(chē)轍。

4.3 高溫與長(zhǎng)期荷載下車(chē)轍演變規(guī)律對(duì)比

溫度和時(shí)間是瀝青混合料力學(xué)特性的兩個(gè)重要影響因素。升高溫度增強(qiáng)分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力，自由體積增多，表現(xiàn)為黏度下降，蠕變和松弛速度變快，因而升高溫度與延長(zhǎng)作用時(shí)間對(duì)混合料的塑性變形都是等效的[16]。車(chē)轍試驗(yàn)的第2階段耗時(shí)約80 min，碾壓次數(shù)約為3 360次；而MMLS3試驗(yàn)在常溫下經(jīng)過(guò)約15萬(wàn)次碾壓能夠達(dá)到等量的車(chē)轍深度。因此，相同軸載條件下，高溫短期荷載和常溫長(zhǎng)期荷載對(duì)瀝青路面車(chē)轍發(fā)展的影響是等效的。

在車(chē)轍試驗(yàn)中，1#，2#聚酯布試件和對(duì)比試件第2階段的車(chē)轍深度發(fā)展速率依次為6 923，8 630，2 451次/mm；在MMLS3試驗(yàn)中則依次為50，43.1，15.4萬(wàn)次/mm，聚酯布試件的車(chē)轍發(fā)展速率顯著低于對(duì)比試件。這說(shuō)明在高溫短期荷載與常溫長(zhǎng)期荷載聚酯布都能夠起到延緩車(chē)轍發(fā)展的作用。

聚酯布在車(chē)轍試驗(yàn)與MMLS3試驗(yàn)第2階段中都起到降低車(chē)轍深度發(fā)展速率的作用，且效果相近，而就最終車(chē)轍深度減小效果而言車(chē)轍試驗(yàn)效果更好。這主要是由車(chē)轍板壓實(shí)程度的差異性與高溫條件下瀝青混合料蠕變和松弛速度變快等因素所致。

4.4 經(jīng)濟(jì)效益與技術(shù)效果分析

目前，國(guó)內(nèi)常用SBS改性瀝青與抗車(chē)轍來(lái)改善瀝青路面的抗車(chē)轍性能。工程實(shí)踐表明，同時(shí)使用兩種材料時(shí)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)能達(dá)到甚至超過(guò)6 000次/mm，工程造價(jià)增加約30元/m2，而混合料的高溫性能改善效果及工程造價(jià)與鋪設(shè)聚酯布相當(dāng)。研究表明[5-6]，瀝青路面層間鋪設(shè)聚酯布還能夠起到防止反射裂縫，延長(zhǎng)路面使用壽命的作用。因此，瀝青路面鋪設(shè)聚酯布具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與技術(shù)效果。

5 結(jié)論

(1)90 min車(chē)轍試驗(yàn)表明聚酯布能夠提高瀝青路面的高溫抗車(chē)轍性能，且具有良好的耐久性能；由于厚度和強(qiáng)度的差異性，2#聚酯布效果優(yōu)于1#。

(2)MLLS3試驗(yàn)表明，與普通試件相比，常溫下聚酯布試件的車(chē)轍深度減小了約20%。25萬(wàn)次加載次數(shù)是車(chē)轍發(fā)展的分水嶺，聚酯布試件由此開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定剪切變形階段，而普通試件則出現(xiàn)剪切裂縫，加速了車(chē)轍的發(fā)展，進(jìn)而進(jìn)入破壞階段。

(3)瀝青混合料是一種典型的黏彈性材料，具有顯著的時(shí)溫等效特性，車(chē)轍和MMLS3試驗(yàn)說(shuō)明高溫短期荷載和常溫長(zhǎng)期荷載作用會(huì)引起同樣的永久變形。兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，聚酯布具有較強(qiáng)的整體性和強(qiáng)度，在高溫和長(zhǎng)期荷載條件下均能夠有效擴(kuò)散荷載應(yīng)力，延緩車(chē)轍發(fā)展，提高瀝青路面的抗車(chē)轍性能。

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Experimental Study on Rutting Performance of Asphalt Pavement Improved by Polyester Paving Mat

YANG Qun1, YU Cheng-xi1, TU Zheng-yan2, SUN Wen-zhou3

(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China;2. Shanghai Southeast Outskirt Ring Expressway Investment Development Co., Ltd., Shanghai 200336, China;3. Shanghai Municipal Planning Design Research Institute, Shanghai 200031, China)

In order to study the impact of polyester paving mat on the anti-rutting performance of asphalt pavements under high-temperature and long-term loads, 2 kinds of polyester paving mat are selected to conduct rutting test and MMLS3 test, and the correlation between the 2 test results is analyzed by time-temperature equivalence theory. The rutting test result shows that the rutting depth of the 1st and the 2nd polyester paving mat specimens are reduced by 24.7% and 55.7% respectively, and the dynamic stability are increased by 1.8 and 2.5 times at high-temperature compared with the control specimens. The MMLS3 test result shows that (1) the final rutting depth of mat specimens is about 20% smaller than that of the control specimen under long-term loads; (2) after 250 000 times loading, the control specimens appeared shear cracks and entered into damage phases; while the polyester paving mat ones stepped into steady shear deformation phase. The 2 tests indicates that polyester paving mat can effectively disperse tire load stress and improve the anti-rutting performance of asphalt pavement under high-temperature and long-term loads.

road engineering; asphalt pavement; MMLS3 test; polyester paving mat; rutting

2015-08-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178348)。

楊群(1975-)，男，江蘇海安人，教授.(qunyang.w@#edu.cn)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.09.003

U416.217

A

1002-0268(2016)09-0014-06