山西省交通规划勘察设计院 山西太原 030012
摘要：随着交通量、车辆轴载的不断增加，交通渠化程度的不断提高，以及持续高温天气的综合影响，车辙问题日益严重，成为高速公路沥青混凝土路面最严重的早期病害之一。车辙的产生会影响路面的平整度，削减面层以及路面结构的整体强度，降低路面的抗滑能力，甚至会由于车辙内积水而影响高速行车时的安全性，还可能影响车辆在超车或变更车道时的操作稳定性。
关键词：沥青混凝土；单轴贯入试验；抗压回弹模量试验
对高模量沥青混凝土及SBS改性沥青和70＃普通沥青混凝土在15℃、20℃、40℃及60℃条件下进行单轴贯入和抗压回弹模量试验，结果表明高模量沥青混凝土在各温度下具有相对较高的抗剪强度和抗压回弹模量值，尤其在高温时优势明显，同时得到了以标准温度15℃及20℃抗压回弹模量为基准的回归方程，并对各种混合料在不同温度下抗压回弹模量进行较高精度的推算，当对结果精度要求不高时也可以采用抗剪强度对抗压回弹模量进行换算。通过对路面结构永久变形的计算，验证了国外将高模量沥青混凝土用于路面结构中间层的正确性，同时也表明了采用抗剪强度及抗压回弹模量指标进行路面变形分析的合理性。
一、试验方法简介
1.单轴贯入试验方法，同济大学提出了单轴贯入抗剪试验方法，通过有限元分析和实测混合料强度试验确定了单轴贯入试验条件。
2.抗压回弹模量试验方法，根据规范规定，在标准试验温度15℃（或者20℃）下，采用加载速率2mm·min-1，对Φ100×100mm试件进行7级单轴无侧限重复加载（抗压强度破坏荷载的0.1倍～0.7倍）测试各级回弹变形计算出抗压回弹模量。
二、试验结果及分析
研究认为路面车辙变形主要发生在路表以下10cm内，沥青混合料抗剪强度不足直接导致路面剪切塑性流动的出现，加之混合料回弹模量不足以造成路面扩散应力能力的下降，路面在很短时间内便出现较大的车辙永久变形。通过三维有限元力学分析，对目前国内常用沥青路面结构中剪应力沿深度变化规律进行研究，表明高剪应力区主要集中在路面结构中、上面层。因而本文主要针对中、上面层SUP20及SUP13级配展开研究，中面层集料采用目前普遍使用的石灰岩，上面层采用玄武岩。为了系统研究高模量沥青混凝土的抗变形特性，采用高模量改性沥青，并对比壳牌SBS改性沥青及70＃普通沥青试验结果。
1.单轴贯入试验结果及分析，因空隙率变化对沥青混合料抗剪强度影响较大，为便于比较，试验所成型的混合料试件均在各自最佳沥青用量（由马歇尔方法确定）下成型，采用每组6个平行试件空隙率均控制在4％±0.2％，抗剪强度试验在MTS810试验机上进行。为了考察不同温度下各沥青混合料抗剪性能，主要进行了在15℃、20℃、40℃和60℃下抗剪强度测试，抗剪强度试验结果见图1和图2。
图2 高模量与SBS改性沥青混合料抗剪强度比及与温度的关系
图2表明高模量与SBS改性沥青混合料抗剪强度比值在不同温度下有所不同，温度低于40℃时SUP20及SUP13抗剪强度比均先增大后减小，高于40℃时有所不同，SUP20呈增大趋势，60℃时比值为1.22倍，而SUP13则相反，60℃时比值只有1.10，说明在高温季节随着温度升高，相对于SBS改性沥青混合料而言，SUP20更能体现高模量沥青混合料抗变形性能优势。当然高模量沥青相对于普通70#基质沥青混合料而言，其性能优势在各温度下均表现明显，不同温度下两者比值的平均值达到了1.61倍。
2.抗压回弹模量的温度修正，对多种沥青混合料在不同温度下的抗压回弹模量数据，按各温度下抗压回弹模量值与20℃标准温度下抗压回弹模量之比与温度的关系进行回归分析，得到了公式：ET/E20=2.980-0.099T。式中：T为温度值，℃；ET与E20分别为温度T及标准温度20℃下的抗压回弹模量值，MPa。上式的比值关系可以消除材料性质的影响，这种比值关系与沥青标号、类型和混合料级配类型无关，通过对温度与实测弯沉盆反算得到的沥青层模量之间相互关系。研究分析也认为沥青层厚度、集料级配及材料性质对比值影响不大。仔细研究发现，该研究所采用的试件由马歇尔试验击实成型，试件尺寸与现行规范标准尺寸相差较大，另外该式只能对-10~30℃范围抗压回弹模量数值进行推算，并且当温度接近30℃时，由该式计算的结果几乎为0，这种状况在实际路面中是不可能出现的。数据分别以15℃及20℃抗压回弹模量值为标准，将其他温度下数值与之比值作为纵坐标，以温度作为横坐标，进行相关性分析，发现在双对数坐标下，两者呈现较高的相关性能。得出的回归方程相关系数较高。实际操作中，在试验条件受限或时间不允许的情况下，当对路面结构进行分析需要用到沥青混合料不同温度下的抗压回弹模量值时，可以只进行标准温度下（15℃或20℃）的模量试验，利用回归方程进行推算，既省去了繁琐的重复试验过程又能保证较高的精度。
3.抗剪强度与抗压回弹模量相关性，对比抗剪强度及抗压回弹模量试验结果，采用相同级配的混合料在同一温度下均表现为高模量改性沥青最优，其次是SBS改性沥青及70#普通沥青，并且指标变化趋势相同，相互之间可能存在较大的相关关系。对各温度下抗剪强度与抗压回弹模量的公式中：R为沥青层车辙深度，mm；Lp为隆起系数，半刚性基层取0.505；Ti为沥青路面温度，℃；τi为沥青路面在行车荷载作用下产生的最大剪应力，MPa；[τ]i为沥青路面材料抗剪强度，MPa；N为轴的转数，min-1。
图3 抗剪强度与抗压回弹模量相关性分析
三、结论
1.单轴贯入及抗压回弹模量试验结果表明，高模量沥青混凝土在高温（60℃）时，仍然具有较为优越的抗剪强度及抗压回弹模量，因而将其用于路面结构将有利于改善路面抗变形性能。
2.用标准温度（15℃或20℃）做基准的模量推算公式适用于温度大于0℃的情况，可对较高温度下模量进行推算，克服了以前只能对-10~30℃范围进行推算的弊端；当对推算结果精度要求不高时，也可以采用抗剪强度—抗压回弹模量换算公式，通过进行较为简单的单轴贯入试验，由抗剪强度推算出抗压回弹模量。
3.相同条件下，高模量沥青混合料的动态模量均高于我国规范中采用的抗压回弹模量，抗压回弹模量对映于频率较低时（0.01～0.1 Hz）的动态模量，采用动态模量进行高模量沥青路面设计，更能反映沥青混合料的黏弹特性，考虑路面结构内温度和荷载频率对路面力学响应的影响，从而使分析结果更加科学合理。
参考文献
［1］卫彬，张菱，等．沥青路面结构行为理论．2016.
［2］张华杰，王立寒，喻名栋．沥青混合料抗剪试验方法及抗剪参数研究 ．2015.
论文作者:白翔
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/5
标签：沥青论文; 温度论文; 抗压论文; 强度论文; 路面论文; 比值论文; 混凝土论文; 《建筑学研究前沿》2017年第30期论文;