瀝青路面交叉口高溫穩(wěn)定性關(guān)鍵指標(biāo)分析*

汪 義，王海濤，梅鴿福，王晨煒

(中國(guó)核工業(yè)中原建設(shè)有限公司，北京 100142)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)瀝青路面車轍問(wèn)題雖有較多研究，但是針對(duì)道路交叉口路面車轍的嚴(yán)重狀況進(jìn)行專門(mén)評(píng)估和防治研究在國(guó)內(nèi)并不多見(jiàn)。尤其是夏季氣溫高且高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，常年雨水多，而交叉口是道路交通的樞紐位置，交叉口處車速低，車輛加速、減速、轉(zhuǎn)向等行為較多，且交通渠化嚴(yán)重。在環(huán)境和荷載因素的綜合作用下，道路交叉口區(qū)域容易出現(xiàn)不同程度的車轍、擁包、波浪等病害[1-2]。故針對(duì)交叉口路面的特點(diǎn)，應(yīng)將其與道路主線區(qū)別對(duì)待，其設(shè)計(jì)及鋪筑須承受住更惡劣的條件。大量研究發(fā)現(xiàn)高溫變形主要存在于瀝青混凝土面層[3]。尤其是在我國(guó)，絕大多數(shù)瀝青路面都采用強(qiáng)度高和板體性好的半剛性基層，基層及基層以下的變形極小，瀝青面層產(chǎn)生的車轍深度占到總車轍深度的90%以上。因此，在瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)過(guò)程中必須對(duì)其高溫性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。然而，我國(guó)現(xiàn)行路面設(shè)計(jì)規(guī)范尚未將高溫病害納入設(shè)計(jì)體系，僅在材料設(shè)計(jì)階段通過(guò)車轍試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提出了要求[4]。但是，僅采用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)有很大的局限性，其并不能完全反映實(shí)際路面發(fā)生的永久變形[5]。因此，在工程實(shí)踐中往往會(huì)發(fā)現(xiàn)即使采用了滿足動(dòng)穩(wěn)定度要求的瀝青混合料，路面仍然很快會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍病害。這就說(shuō)明現(xiàn)有規(guī)范的試驗(yàn)方法和指標(biāo)無(wú)法有效地評(píng)價(jià)和控制實(shí)際路面的高溫變形。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)瀝青混合料高溫性能開(kāi)展了很多的研究，相繼提出了一系列室內(nèi)試驗(yàn)方法，如馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、大型環(huán)道/直道試驗(yàn)、單軸蠕變、三軸蠕變、局部三軸、彎曲蠕變、單軸貫入試驗(yàn)[6-8]等。然而，其試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測(cè)的路面永久變形量的相關(guān)性很差。這是因?yàn)樯鲜龇椒ㄒ话悴捎玫木鶆驕囟葓?chǎng)、恒定加載模式、恒定圍壓以及單層試件等試驗(yàn)條件，不能準(zhǔn)確地模擬路面的實(shí)際工作狀態(tài)，而這些因素又對(duì)瀝青混合料永久變形的發(fā)展有著重要的影響[9-10]。已有的室內(nèi)試驗(yàn)方法在討論荷載變化時(shí)沒(méi)有根據(jù)道路的實(shí)際車型進(jìn)行分析，同時(shí)沒(méi)有考慮在實(shí)際制動(dòng)加速度影響下豎向和水平力的變化關(guān)系；同時(shí)在討論瀝青路面溫度場(chǎng)時(shí)，沒(méi)有專門(mén)針對(duì)當(dāng)?shù)氐缆匪帉?shí)際位置的路面在厚度方向的溫度場(chǎng)進(jìn)行比較分析；未開(kāi)發(fā)能夠反映道路交叉口實(shí)際荷載加載方式的瀝青混合料室內(nèi)高溫蠕變?cè)囼?yàn)，難以獲取交叉口瀝青路面高溫永久變形特征曲線，從而難以對(duì)已有的材料設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

1 材料準(zhǔn)備及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 混合料材料組成

1.1.1瀝青

為研究不同改性瀝青混合料在路面交叉口的高溫穩(wěn)定性，選取3種類型瀝青材料，包括韓國(guó)SK公司生產(chǎn)的高強(qiáng)改性瀝青，SBS改性瀝青和70號(hào)普通瀝青。3種瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 3種瀝青基本性能指標(biāo)

1.1.2集料

室內(nèi)成型瀝青混合料選用玄武巖集料，該集料質(zhì)地堅(jiān)硬，強(qiáng)度較高。礦質(zhì)填料(粒徑<0.075mm)選用石灰石礦粉，含水率低，親水系數(shù)和塑性指數(shù)較小。集料與礦粉的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求。

1.1.3纖維

為了確保工程質(zhì)量，進(jìn)一步提高瀝青路面的抗裂性能及使用壽命，可在瀝青混合料中加入纖維穩(wěn)定劑材料。為研究纖維材料對(duì)路面交叉口高溫穩(wěn)定性的影響，選用的纖維穩(wěn)定劑為玄武巖礦物纖維，纖維添加劑用量為瀝青含量的0.3%。按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)定其主要技術(shù)指標(biāo)，檢測(cè)結(jié)果符合技術(shù)要求。

1.1.4配合比設(shè)計(jì)

結(jié)合江蘇省新沂市華裕路(S505—新北路)新建工程，選取車行道表面層的粗型密級(jí)配細(xì)粒式瀝青混合料(AC-13C)，最大公稱粒徑為13.2mm，其礦料推薦配合比如表2所示。選用3種瀝青材料，包括高強(qiáng)瀝青，SBS改性瀝青和70號(hào)普通瀝青，分別進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。對(duì)于SBS改性瀝青，分別設(shè)計(jì)添加玄武巖纖維和不添加玄武巖纖維兩種類型混合料。通過(guò)馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定不同瀝青和纖維組合的最佳油石比，目標(biāo)空隙率為4%，具體的宏觀體積參數(shù)如表3所示，均符合相關(guān)技術(shù)要求。

1.2 動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)

1.2.1試驗(yàn)介紹

本研究采用重復(fù)加載下的動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)來(lái)評(píng)價(jià)不同瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。試驗(yàn)過(guò)程參照美國(guó)瀝青協(xié)會(huì)試驗(yàn)規(guī)程AASHTO TP79-13來(lái)進(jìn)行。試件尺寸為直徑100mm、高度150mm的圓柱體，每種試驗(yàn)條件需準(zhǔn)備3個(gè)平行試件。試驗(yàn)采用UTM-25萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載前需將試件放入環(huán)境箱中進(jìn)行保溫，考慮江蘇地區(qū)夏季高溫實(shí)際狀況，溫度設(shè)置為60℃，保溫時(shí)間為4h。保溫結(jié)束后可開(kāi)始試驗(yàn)。

表2 AC-13C混合料礦料級(jí)配范圍

表3 不同瀝青混合料的體積參數(shù)

1.2.2試件制備

通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀在室內(nèi)成型直徑150mm、高度180mm的圓柱體試件。然后采用室內(nèi)切割裝置，去除試件兩段空隙率較大的區(qū)域，獲取大圓柱體試件中部直徑150mm、高度150mm的部分。通過(guò)室內(nèi)鉆芯，最終獲取直徑100mm、高度150mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件用于動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)的加載。

1.2.3加載模式改進(jìn)方法

標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)的重復(fù)加載周期為1s，采用半正弦波加載力，加載時(shí)間為0.1s，卸載時(shí)間為0.9s。加載應(yīng)力選擇標(biāo)準(zhǔn)軸載0.7MPa，試驗(yàn)終止條件為荷載作用次數(shù)達(dá)到10 000次或者豎向累積壓應(yīng)變超過(guò)100 000με?？紤]路面交叉口車輛的行駛速度快慢不統(tǒng)一，同時(shí)由于信號(hào)控制，存在車輛停止等候以及加減速的問(wèn)題，因此，道路交叉口位置的交通荷載作用特征難以用一種加載模式來(lái)代表。而不同的加載狀態(tài)導(dǎo)致車輛影響路面的作用時(shí)間差別巨大，因此有必要考慮實(shí)際交叉口路面車輛行駛的不同加載狀態(tài)。本研究基于實(shí)際道路交叉口車輛行駛狀態(tài)和駕駛行為的調(diào)研，確定4種不同的交通荷載加載模式，包括常速行駛、減速行駛、低速行駛和停止4種。依據(jù)不同的交通荷載加載狀態(tài)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)的動(dòng)態(tài)加載方式，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)加載模式進(jìn)行改進(jìn)，如表4所示。其中，常速行駛對(duì)應(yīng)的是標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)蠕變的加載模式，相當(dāng)于車輛的行駛速度為64km/h[11]。考慮交叉口處，車輛行駛速度會(huì)放緩，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，交叉口通行車速采用0.6的衰減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，因此，減速行駛的速度設(shè)定為40km/h，對(duì)應(yīng)的單周期加載時(shí)間為0.163s?？紤]在交通量較大的高峰時(shí)段，交叉口區(qū)域通常出現(xiàn)擁堵?tīng)顩r，此時(shí)車輛是低速通過(guò)交叉口，設(shè)定低速行駛的速度為20km/h，對(duì)應(yīng)的加載時(shí)間為0.325s?？紤]完全擁堵?tīng)顩r，車輛出現(xiàn)排隊(duì)停止現(xiàn)象，此時(shí)不存在卸載過(guò)程，因此采用靜態(tài)加載模式，加載時(shí)間為300s。同時(shí)，考慮車輛的制動(dòng)性能和安全距離等，根據(jù)已有研究[12]，設(shè)定常速行駛車輛間距為16m，減速行駛車頭間距為10m，低速行駛車頭間距為4m，相應(yīng)計(jì)算得到卸載時(shí)間分別為0.9s，0.9s和0.72s。

表4 不同加載模式的加載和卸載時(shí)間

1.2.4指標(biāo)定義

瀝青混合料的高溫永久變形曲線如圖1所示，主要分為3個(gè)階段。第1階段為初始?jí)好茈A段，該階段混合料的豎向變形速率隨加載次數(shù)的增長(zhǎng)而下降；第2階段為穩(wěn)定發(fā)展階段，該階段混合料的蠕變發(fā)展速率穩(wěn)定，累積永久應(yīng)變呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)規(guī)律；第3階段為剪切破壞階段，該階段混合料的永久變形速率迅速增加。定義瀝青混合料流變次數(shù)(flow number, Fn)為永久變形曲線第2和第3階段拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的加載次數(shù)；定義瀝青混合料流變速率(creep strain rate, Cr)為永久變形曲線第2階段的斜率。流變次數(shù)Fn越大，則混合料的抵抗高溫變形的能力越強(qiáng)；流變速率Cr越低，則混合料在高溫條件下的永久變形的趨勢(shì)越緩慢。

圖1 瀝青混合料永久變形曲線

2 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性分析

2.1 加載模式影響

圖2為不同加載模式下SBS改性瀝青混合料(加纖維)的永久變形曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，在不同加載模式下，瀝青混合料的變形均符合3階段蠕變模型，即初期變形迅速增大，變形速率逐漸下降；中期蠕變速率呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)；后期變形快速累積，蠕變速率迅速增大。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，不同加載模式對(duì)于永久變形曲線的具體增長(zhǎng)規(guī)律影響顯著。隨著車輛行駛速度從常速(64km/h)下降到停止(速度為0km/h)，瀝青混合料的永久變形逐步變大，永久變形速率也逐步變大。這是由于瀝青混合料是一種具有時(shí)溫等效特性的黏彈塑性材料，較低的車速延長(zhǎng)了荷載作用時(shí)間，最終導(dǎo)致材料的永久變形顯著增大，剪切破壞時(shí)間顯著縮短。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，道路交叉口位置，車輛的緩行甚至由于擁堵導(dǎo)致的制動(dòng)停止等駕駛行為會(huì)使得瀝青路面的蠕變損傷累積更迅速，破壞更嚴(yán)重。

圖2 不同加載模式下的瀝青混合料永久變形曲線

2.2 流變次數(shù)和速率分析

通過(guò)對(duì)不同加載模式下4種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)，可獲取相應(yīng)的永久變形曲線。通過(guò)對(duì)曲線擬合分析，可計(jì)算得到相應(yīng)的蠕變指標(biāo)，包括流變次數(shù)Fn和流變速率Cr，如圖3所示。不同試驗(yàn)條件下，瀝青混合料平行試件的測(cè)試結(jié)果存在一定變異性，變異系數(shù)均<20%，可以認(rèn)為本研究設(shè)定的試驗(yàn)條件和過(guò)程具有可重復(fù)性和代表性?？梢园l(fā)現(xiàn)，從常速行駛加載模式到停止加載模式，4種瀝青混合料的流變次數(shù)Fn均有不同程度的下降，流變速率均有不同程度的上升。從低速行駛到停止加載模式，4種瀝青混合料的Fn均發(fā)生最大幅度的下降且Cr均發(fā)生最大程度的增大，說(shuō)明道路交叉口由于擁堵或者車輛排隊(duì)產(chǎn)生的制動(dòng)停止駕駛行為會(huì)對(duì)高溫條件下的瀝青路面產(chǎn)生最嚴(yán)重的蠕變損傷。相對(duì)而言，高強(qiáng)改性瀝青混合料的流變次數(shù)顯著大于SBS改性瀝青混合料和70號(hào)普通瀝青混合料并且流變速率顯著小于其余瀝青混合料，說(shuō)明高強(qiáng)改性瀝青混合料在不同加載模式下均表現(xiàn)出最佳的高溫抗車轍性能。比較圖3a和3c可以發(fā)現(xiàn)，添加纖維可小幅度提升不同加載模式下瀝青混合料的Fn并降低Cr，說(shuō)明玄武巖纖維的添加對(duì)提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性具有積極的作用，但是相比于瀝青種類的改變，添加纖維的影響程度較小。

圖3 不同加載模式下瀝青混合料流變次數(shù)和速率指標(biāo)變化規(guī)律

2.3 不同瀝青混合料對(duì)加載模式的敏感度分析

通過(guò)對(duì)圖3的分析，可以發(fā)現(xiàn)不同加載模式下瀝青混合料的蠕變指標(biāo)存在不同程度的變化，為量化不同瀝青混合料對(duì)各加載模式的敏感程度，以常速行駛加載模式為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算其余加載模式下獲取的蠕變指標(biāo)(Fn和Cr)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)加載模式下的蠕變指標(biāo)的比值，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。圖4a為4種瀝青混合料的流變速率Cr在不同加載模式下的相對(duì)比值，圖4b為4種瀝青混合料的流變次數(shù)Fn在不同加模式下的相對(duì)比值。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，70號(hào)普通瀝青混合料對(duì)不同加載模式的敏感程度最高，從常速行駛模式到停止模式，Cr上升了約7倍，F(xiàn)n下降到低于10%；而高強(qiáng)改性瀝青混合料對(duì)不同加載模式的敏感程度最小，從常速行駛到停止模式，Cr只上升了不到1倍，F(xiàn)n下降約20%左右。對(duì)于SBS改性瀝青混合料，在減速行駛條件下，添加纖維與否對(duì)于材料蠕變指標(biāo)的變化程度影響較小，而當(dāng)加載模式為低速行駛或者停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，添加纖維明顯可以延緩Cr的上升趨勢(shì)和Fn的下降趨勢(shì)。以上分析說(shuō)明，不同的加載模式對(duì)于不同瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的區(qū)分度存在差異，當(dāng)采用較為苛刻的低速行駛和停止加載模式時(shí)，可以更有效區(qū)分不同瀝青混合料的抗永久變形能力。

圖4 不同瀝青混合料在不同加載模式下的Fn和Cr相對(duì)比值

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)道路交叉口的特殊交通荷載環(huán)境，提出了室內(nèi)模擬不同駕駛行為的改進(jìn)型動(dòng)態(tài)蠕變加載模式，通過(guò)對(duì)不同改性瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，進(jìn)一步研究了不同瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性特征，探究了不同加載模式下瀝青混合料的蠕變力學(xué)響應(yīng)的差異，為針對(duì)瀝青路面交叉口實(shí)際工況的材料室內(nèi)設(shè)計(jì)提供新的思路。同時(shí)得出以下結(jié)論。

1)高強(qiáng)改性瀝青混合料具有優(yōu)異的高溫抗車轍性能，能適用于瀝青路面交叉口的復(fù)雜交通荷載環(huán)境。添加玄武巖纖維對(duì)提升改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性具有積極的作用，但其對(duì)混合料性能提升的程度遠(yuǎn)小于瀝青種類改變的影響。

2)高溫條件下，不同瀝青混合料對(duì)于不同加載模式的敏感程度差異較大，表現(xiàn)出明顯的非線性特征。考慮道路交叉口的特殊性，可采用加載條件更為苛刻的低速行駛或者停止加載模式進(jìn)行材料的高溫穩(wěn)定性室內(nèi)評(píng)價(jià)。