基于多級應(yīng)力局部加載的路面芯樣高溫蠕變試驗研究

江紅

(安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230008)*

近幾年我國的高速公路已經(jīng)從單純的建設(shè)期進入建管并重的階段，高效的、經(jīng)濟的養(yǎng)護決策受到越來越多的關(guān)注.由于養(yǎng)護決策對于路面材料性能評估的依賴性較高，提出和改進路面材料評估試驗和指標意義重大.在瀝青混合料高溫性能方面，國內(nèi)外學者做了大量的相關(guān)研究，涉及漢堡車轍試驗、高溫蠕變試驗及多級加載蠕變試驗等.首先，在漢堡車轍試驗方面，栗培龍等[1]從水溫兩個角度分析了漢堡車轍試驗的試驗條件和成型方式，認為旋轉(zhuǎn)壓實成型的試件可以替代板式試件進行試驗，并針對不同等級瀝青和改性瀝青提出了相應(yīng)的試驗溫度；劉至飛等[2]采用實際板式芯樣進行漢堡車轍試驗，研究了車轍發(fā)展曲線的斜率和反彎點，認為松散病害越嚴重的區(qū)域，試件的抗車轍和抗水損壞性能越差；行車道芯樣在后期的破壞較路肩芯樣迅速.其次，動態(tài)模量作為一種瀝青混合料基本指標，在粘彈性分析和瀝青老化評價方面較為重要[3].徐志榮等[4]基于靜壓成型的瀝青混合料試件和無側(cè)限抗壓試驗測試方法，對比分析了不同加載頻率和應(yīng)力水平對動態(tài)模量的影響，完善了動態(tài)模量測試方法；對于多級加載蠕變試驗的研究方面，張泉等[5]參考美國versys手冊，采用5級應(yīng)力的加載模式進行單軸壓縮蠕變試驗，研究了瀝青混合料永久變形的組成并建立了其隨時間的變形公式；張爭奇等[6]進行了瀝青混合料重復加載蠕變試驗，采用先旋轉(zhuǎn)壓實成型后取芯的方法獲取試件，研究了不同結(jié)構(gòu)組合對試驗結(jié)果的影響，提出了相應(yīng)的評價指標.從以上三種試驗來看，漢堡車轍試驗較為成熟，發(fā)展時期較長，但其采用鋼輪的加載模式具有本質(zhì)上的系統(tǒng)缺陷，且加載時混合料的圍壓與路面情況不符，而蠕變試驗可以采用較小的壓頭，進行多種頻率，多種間歇時間的加載，更加廣泛的模擬路面實際車輛行駛情況.目前針對于芯樣的蠕變試驗較少，且加載應(yīng)力和試驗溫度也沒有明確的規(guī)定.

因此，本文基于瀝青混合料蠕變試驗，采用局部50 cm小壓頭，編寫多應(yīng)力級別加載程序，針對路面芯樣進行試驗，并對整體和分層芯樣進行高溫性能評價，利用試驗指標分析路面芯樣的三階段性能，成功用于某高速公路路面材料的高溫性能評價.

1 試驗方案

1.1 芯樣信息

本次試驗的試件取自某高速公路六個不同路段，共三種結(jié)構(gòu)類型，皆為雙層改性瀝青，直徑150 mm.收集各路段的車轍信息，用于分析路用性能和材料之間的關(guān)系，具體路段信息見表1.

表1 芯樣路段信息

1.2 試驗方法

由于實際路面在使用過程中承受不同軸重的車輛荷載，且上中下面層受力情況也不盡相同.由此可知以往的室內(nèi)試驗存在兩大缺陷：一是忽略上中下層位實際受荷載的不同；二是試驗荷載水平與軸載水平對應(yīng)關(guān)系不明確.基于此，本研究利用多層彈性體系數(shù)值模擬的方法，確定了不同層位的荷載水平，并參考路面管理系統(tǒng)中的真實軸載譜信息(見圖1)，通過式(1)——軸載和應(yīng)力的換算，得到六級不同的應(yīng)力水平，分別是：上面層為0.6～1.1 MPa，中面層為0.5～1.0 MPa，下面層為0.4～0.9 MPa.

軸載和應(yīng)力的換算公式：

(1)

式中，σi是軸重qi(單位：kN)下的輪胎接地壓力(單位：kPa)；σs是標準軸重100kN下的輪胎接地壓力，即700 kPa.

參考董尼婭等的試驗方法[7-8]，加載設(shè)備為UTM-25，加載模式為伺服加載，應(yīng)力曲線為半正弦波，脈沖時長0.1 s，間歇時間0.9 s，采用先單一應(yīng)力預(yù)加載后多級應(yīng)力循環(huán)加載的模式.部分試驗條件如下：加載次數(shù)為1 000，預(yù)加載應(yīng)力為0.7 MPa整體溫度為62℃，分層溫度為上面層62℃、中面層58℃、下面層52℃.加載時在壓頭之下鋪一層聚酯乳膠墊，以減小壓頭周圍的環(huán)箍效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響.

2 試驗相關(guān)原理

2.1 蠕變?nèi)A段曲線

圖2是典型的(0.7 MPa，60℃)重復加載蠕變試驗中材料的累計應(yīng)變及永久應(yīng)變率的三階段發(fā)展趨勢.如圖中粗線所示，在蠕變初期，混合料的累積永久變形可以近似為發(fā)展速度不斷下降的冪函數(shù)；在蠕變穩(wěn)定期，累積永久變形則基本呈線性增加；當進入了蠕變加速期，累積永久變形則出現(xiàn)指數(shù)型增長.相應(yīng)的，累積永久變形的一階導數(shù)即為永久應(yīng)變率，代表了變形速度的快慢.本文主要利用應(yīng)變率三階段曲線進行分析.

2.2 試驗指標

本試驗加載分為兩個階段：預(yù)加載與正式加載.為簡潔直觀起見，本文基于應(yīng)變率提出兩個指標：預(yù)加載階段的平均永久應(yīng)變率(簡稱平均永久應(yīng)變率)和正式加載階段的復合平均永久應(yīng)變率(簡稱復合平均永久應(yīng)變率).此外，基于材料在荷載作用下的抗變形能力，提出了復合蠕變勁度模量指標.相關(guān)定義如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

3 結(jié)果與分析

3.1 各路段車轍發(fā)展規(guī)律

路面的車轍是一個動態(tài)變化的過程，如果不進行養(yǎng)護，車轍會隨著年份的增長而不斷加深.以往研究表明，路面車轍增長呈現(xiàn)先加速后穩(wěn)定的變化趨勢[9-10]，其內(nèi)部成因與路面荷載和材料性能有關(guān)，為了分析車轍與荷載的關(guān)系，查詢路面管理系統(tǒng)，獲得各個路段車轍隨年份的增長規(guī)律，見圖3.

從圖3(a)可以看出，軸載作用次數(shù)在2016年和2017年增長速率放緩，路段1、2、3甚至出現(xiàn)下降趨勢.路段4呈增長趨勢，路段5和路段6保持穩(wěn)定.車轍增長的本質(zhì)主要是軸載次數(shù)的累積.

從圖3(b)可以看出，車轍深度隨著年份增加而增大.該高速從2010～2018年的車轍呈較快的增長趨勢，在2017～2018年初步達到較為穩(wěn)定的狀態(tài).為統(tǒng)一車轍和當量軸次之間的關(guān)系，以路段1為例，查詢樁號為K148+500從2010～2018年的車轍，將當量軸載次數(shù)歸一化，即轉(zhuǎn)換為每萬次當量軸載車轍增長量，結(jié)果見圖3(c).從圖中可以看出，每萬次當量軸載車轍增長量隨著通車時間的增加，從較高的增長量逐漸趨于穩(wěn)定，說明宏觀的車轍增長趨勢也符合瀝青混合料蠕變前兩階段，存在壓密階段向穩(wěn)定階段過渡的拐點，進一步驗證了本試驗的可行性.但實際上，當車轍增長到較大值，比如超過15 mm時，養(yǎng)護部門便會對其實施養(yǎng)護，所以路面實際車轍往往不會出現(xiàn)第三階段.

3.2 試驗結(jié)果分析

3.2.1 整體芯樣試驗結(jié)果

圖4(a)是各路段兩個位置處的整體芯樣在預(yù)加載階段內(nèi)的平均永久應(yīng)變率.從圖中可知，除路段1之外，其余路段輪跡帶處的平均永久應(yīng)變率均小于其對應(yīng)路肩處的.由于路肩處所承受的交通軸載要遠小于行車道，也就意味著行車道處的混合料被壓密的程度大于路肩處，尤其是在輪跡帶處.一般認為，路肩與輪跡帶的差值越大，輪跡帶的壓密階段進行的越徹底.圖4(b)是在多序列加載階段整體芯樣的復合平均永久應(yīng)變率.可知，與預(yù)加載階段內(nèi)的平均永久應(yīng)變率相似，多序列加載階段內(nèi)的復合平均永久應(yīng)變率依然在路肩處較大.復合平均永久應(yīng)變率未考慮材料在加載初期的塑性變形，而復合蠕變勁度模量的計算則包含了這部分變形.在衡量材料的高溫性能時，兩個指標可以相互補充、相互印證.

綜上，路段1的輪跡帶應(yīng)變率大于路肩，可能存在某面層高溫性能不良的情況，但總體應(yīng)變率數(shù)值較小，高溫性能較為良好.

3.2.2 分層芯樣試驗結(jié)果

整體芯樣的結(jié)果分析認為：多級加載的局部動態(tài)蠕變試驗可以較為直觀的得到瀝青混合料蠕變?nèi)A段，通過統(tǒng)計試驗結(jié)果得到的閾值與三階段有較好的相關(guān)性.由于瀝青路面的車轍與材料的高溫性能息息相關(guān)，為了探究車轍與蠕變試驗指標之間的相關(guān)性，進而得到以車轍為自變量的瀝青混合料蠕變?nèi)A段分界點，將各個芯樣對應(yīng)的車轍作為橫坐標，各蠕變試驗指標作為縱坐標，以分層試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，得到圖5～圖7.

(1)上面層

從圖5中可以看出，輪跡帶處芯樣的三大指標與路肩有明顯區(qū)別.輪跡帶處應(yīng)變率小于路肩，模量大于路肩，符合壓密理論.當車轍為6.5 mm時，平均永久應(yīng)變率和復合永久應(yīng)變率較大，說明此時的瀝青混合料處于壓密階段初期，預(yù)加載不足以覆蓋全部的壓密階段，正式加載中包含了壓密階段.通過分析，可以認為車轍為7～10 mm的芯樣均處于蠕變穩(wěn)定階段，芯樣車轍為10.5 mm所在的位置為路段1，上面層高溫性能嚴重衰退，已經(jīng)進入蠕變第三階段，其平均永久應(yīng)變率與復合永久應(yīng)變率均超過路肩.從圖中可以推斷，車轍在7 mm之前，芯樣上面層處于壓密階段，當車轍超過10 mm以后，芯樣上面層高溫性能出現(xiàn)下降趨勢.

(2)中面層

從圖6中可以看出，車轍越大，其平均永久應(yīng)變率越小，進一步佐證壓密作用.注意到車轍為7、7.5 mm的芯樣預(yù)加載階段的應(yīng)變率較大，而正式加載階段的復合平均永久應(yīng)變率較小，說明其仍然處于壓密階段，由于預(yù)加載的應(yīng)變率較大，導致復合蠕變勁度模量較小.從復合平均永久應(yīng)變率的趨勢圖中可以看出，曲線呈現(xiàn)兩頭較大，中間較小的形態(tài)，說明車轍為10.3 mm的芯樣中面層高溫性能出現(xiàn)一定衰減，但不顯著.其原因是中面層受環(huán)境和荷載影響沒有上面層明顯，其高溫性能的衰減速率慢于上面層.從圖中可以推斷，車轍在7.5 mm之前，芯樣中面層處于壓密階段，當車轍超過10.5 mm以后，芯樣中面層高溫性能出現(xiàn)下降趨勢.

(3)下面層

從圖7中可以看出，由于下面層受荷載和環(huán)境影響小，輪跡帶處芯樣的三大指標數(shù)值總體接近路肩.從預(yù)加載階段的平均應(yīng)變率來看，在車轍為9.75 mm之后，下面層的壓密過程進行的較為徹底，復合平均永久應(yīng)變率也存在類似規(guī)律.車轍為7.5 mm的芯樣(路段2)復合平均永久應(yīng)變率出現(xiàn)突變，其輪跡帶和路肩的應(yīng)變率均較高，原始試驗數(shù)據(jù)中，三個平行試件，兩個應(yīng)變率超過30με/cycle，可能是由于施工質(zhì)量引起的.從圖中可以推斷，車轍在9 mm之前，芯樣下面層處于壓密階段，當車轍超過10 mm以后，芯樣下面層高溫性能出現(xiàn)下降趨勢.

綜上所述，可以認為，上面層芯樣進入穩(wěn)定階段的拐點車轍是7 mm，進入破壞階段的車轍是10mm；中面層進入穩(wěn)定階段的拐點車轍是7.5mm，進入破壞階段的車轍是10.5 mm；下面層進入穩(wěn)定階段的拐點車轍是9 mm，進入破壞階段的車轍有待進一步研究.本次芯樣試驗結(jié)果上中面層拐點區(qū)別不明顯，以上歸納為表2，也可根據(jù)此結(jié)論制定養(yǎng)護方案.

表2 各面層高溫性能分布情況

4 結(jié)論

(1)本研究創(chuàng)新性地提出了多級局部加載蠕變試驗方法和指標，分析了輪跡帶和路肩處芯樣的蠕變?nèi)A段，驗證了三大指標：平均永久應(yīng)變率、復合平均永久應(yīng)變率和復合蠕變勁度模量的有效性，可為瀝青路面材料高溫性能評價提供一種新的試驗方法；

(2)利用車轍與試驗指標之間的關(guān)系，基于材料蠕變?nèi)A段的分析，得到了以宏觀車轍為指標的路面材料高溫穩(wěn)定性三階段分界點，可為路面養(yǎng)護決策提供一種新的支撐和依據(jù).