沥青混合料抗车辙性能试验方法

葛 玲

(淮安市公路管理处,江苏 淮安 223000)

0 引 言

车辙是沥青路面的主要病害,对沥青混合料抗车辙性能评价的研究具有十分重要的意义。目前国内外有很多试验方法用于评价沥青混合料的抗车辙性能,主要可分为三类:①模拟现场的轮辙试验;②反映沥青混合料抗车辙机理的剪切试验;③基于性能的试验方法。这些试验方法各有其适用条件和优缺点。

1 轮辙试验

1.1 概 述

车辙试验源于英国道路研究所,逐渐在世界各国传播开来并得到了发展。目前世界各国通常使用的车辙试验仪器有:①多轮车辙仪 (CPN);②美国旋转车辙仪 (RLWT-Rotary Loaded Wheel Tester or Rutmeter);③沥青路面分析仪 (APA-Asphalt Pavement analyzer);④汉堡车辙试验仪 (HWTD);⑤法国车辙试验仪 (LCPC)。

轮辙试验作为一种简单的模拟试验方法,在不断地发展,从设备的可操作性、试验成本、试验周期、QC/QA标准的适用性、历史经验数据以及试验评价标准的可靠性等方面,推荐的方法见表1。

1.2 国标车辙试验

我国的车辙试验参照日本道路协会铺装试验法。试验温度为60℃,轮压为0.7 MPa,试验轮行走距离为230±10 mm,往返碾压速度为42±1次/min(21次往返/min),试验时间为60 min,变形测量装置能自动检测车辙变形并记录曲线,一般采用LVDT、电测百分表或非接触位移计。车辙试验机必须装有加热器、气流循环装置及装有自动温度控制设备,能保持恒温室温度60±1℃(试件内部温度60±0.5℃),根据需要亦可为其他需要的温度。用于对试件进行保温并进行试验,温度应能自动连续记录。

表1 沥青混合料永久变形推荐试验方法及标准[1]

试件采用轮碾法成型的300 mm×300 mm×50 mm的板块状试件,或是从路面上切割得到的长300 mm×150 mm×50 mm的试件。试件厚度也可以根据研究的需要进行变化。

1.3 车辙试验评价指标

车辙试验是目前应用最广泛的试验方法,其评价指标很多,主要有动稳定度DS指标、变形量指标RD、相对变形率指标δ等。这些指标在实际应用中存在许多缺陷,在此就不再赘述。这里主要介绍一下目前国内外对于车辙试验评价指标的改进研究情况。

(1)车辙率指标[2]:美国SHRP在对沥青混合料永久变形性能的研究过程中,用车辙试验验证SHRP建议的胶结料规范时,提出了车辙率指标,表示为mm/MPa◦h。美国还有人提出用次/mm◦MPa来评价沥青混合料的高温性能。这两种评价指标分别在变形率和动稳定度指标的基础上,增加了荷载轮与试块间的接触应力参数,考虑了压力的影响,在原有的基础上前进了一步。从研究的角度来说更合理,但它们将沥青混合料的高温抗车辙性能与压力的关系看成线性关系,无数的室内试验和工程实践都已经证明,这与实际情况是不符的。

(2)动态抗压强度指标[3]:即产生单位面积的累积永久变形量所能承受的动压力大小,该指标反映了混合料在整个使用过程中的抗永久变形能力。

动态抗压强度考虑了车辙产生的时间、荷载因素,更加合理,但计算过程稍显复杂,且适用性也有待验证。

(3)修正动稳定度指标

所谓修正动稳定度是指对车辙曲线进行拟合,然后再计算动稳定度,这样的计算结果就不会受个别数据影响,或者取较长时间 (＞1h)试验曲线计算动稳定度。

(4)对初期变形的考虑[4]

目前车辙试验评价指标动稳定度仅仅考虑了混合料稳定变形期 (45～60 min)内的变形特性,而未考虑初期变形,这与实际情况是不相符的。因为路面车辙不仅包括第二阶段剪切流变引起的,还包括第一阶段的压密变形 (甚至比重很大,与现场压实度有关)。故在室内研究时也应考虑第一阶段的压密变形,如果可能还应控制初期变形量。

最简单的消除初期表面不紧密状态的方法,可以先对试件进行一定次数 (如1 min 42次或者2 min 84次)的预压。法国LCPC采用的方法如下:在25℃的气温下,加载轮在试件上先作用2 000次,使试件密实和表面平整,然后将试件在60℃(或预先规定的温度)下加温6 h后进行反复加载试验,直到预定的加载次数,然后以车辙深度表征混合料抗车辙能力。

1.4 对车辙试验的评述

车辙试验能够模拟实际路面的受力模式,试验方法简单,设备较为便宜,是一种较好的试验方法。但是大量研究表明,车辙板成型空隙率难以控制,导致车辙试验变异性很大,且评价指标动稳定度与实际路面车辙相关性不高,有待于进一步的改进。

2 剪切试验

当前普遍认为,除初始的压密变形外,沥青路面的车辙主要是沥青混合料发生剪切流动形成,因此了解路面结构的剪切特性是十分必要的。目前常见的剪切试验有:三轴试验、Superpave剪切试验、斜剪试验、单轴贯入试验、中空圆柱体剪切试验、同轴剪切试验等[5]。

国内研究较多的是三轴剪切试验和单轴贯入试验,国外则对Superpave剪切试验仪研究得较多。

2.1 三轴试验

三轴试验原理是使试件处于三向受力状态[6-7],沿试件径向分布的是气体或液体压力,两个主应力σ2=σ3。三轴试验假定沥青混合料为各向同性均质体,采用库伦-莫尔理论来解释混合料的抗剪性能,并计算剪切强度参数c、φ。

三轴剪切试验试件的制作采用静压成型,成型压力一般在120～130 kN之间;一般试件规格为:Φ150mm×H150 mm,重交沥青试件的成型温度为175℃,改性沥青试件的成型温度为185℃。试验温度为60℃,加载速率为1.27mm/min,围压根据需要选择。

其具体过程如下:

(1)根据材料参数和荷载状况,通过软件计算路面表面层上最大剪应力 (τm)和正应力 (σ1)。

(2)计算水平荷载作用下的正应力和剪应力:

式中:Kt为抗剪结构强度系数,与车速、道路等级和轴载次数有关。

(3)比较τa和 [τ]的大小,如果前者小于后者,则满足抗剪要求,否则不满足。

三轴试验固然有其优点,但缺点也是很明显的。从原理的角度,它来源于对土力学的研究,假设条件和材料参数的不同局限了其对沥青混合料的适用性;其显著不足在于不能模拟移动轮载的条件下主应力轴的旋转和剪切应力反向引起的各向异性。此外,动三轴试验通过液体或者气体媒质对圆柱型试件施加的围压为相等的 σ2和 σ3,而无法控制中间主应力。而且三轴试验的试验过程复杂,难以推广。

2.2 单轴贯入试验

单轴贯入剪切试验[8],类似于CBR试验,它的原理就是在试件上使用小于圆柱体试件直径的钢压头进行加载,通过这个试验来模拟沥青路面中的实际受力状态。

单轴贯入试验采用破坏拐点作为贯入压力,通过有限元分析求出强度参数,然后根据贯入压力值可以方便地求出各应力值。为了求得混合料中粘聚力c及内摩擦角φ两个重要参数,再采用同样的试件进行无侧限抗压强度试验。通过试验,可以得到侧限σ3=0时的一组σ1值。这样,结合单轴贯入的一组σ1,σ3,便可画出莫尔圆,从而求出φ和c。

可以看出,单轴贯入试验可以求出混合料的抗剪参数,可以作为混合料抗车辙设计参数,具有较好的应用前景,并且剪切强度指标可以用于车辙预估。但是,单轴贯入试验对不同混合料的区分度、以及相同混合料的变异性大小并没有详细研究,需要进一步的完善。

2.3 Superpave剪切试验

Superpave剪切试验仪是美国公路SHRP战略研究计划为研究沥青混合料的抗剪切变形性能而研制出的,简单剪切试验的试件为圆柱体,直径为150 mm,高为50 mm,试件被胶结在两钢板之间,在试件的顶面和底面施加外力,一般施加半正弦剪切应力69±5 kPa,荷载作用时间0.1 s,间歇时间0.6 s,加载频率1.43 Hz,根据研究需要确定剪切荷载作用次数。

Superpave剪切试验仪 (SST)基本上消除了体积变形,试件的应力状态接近于纯剪切状态,试验结果能突出反映混合料产生永久变形的机理,因而能有效地应用于比较和预估各种混合料的抗永久变形性能。

在最初AASHTO TP7-94的规范中,规定SST可以做6种试验:体积试验、单轴应变试验、恒高度简单剪切试验、恒高度频率扫描试验、恒高度重复剪切试验及恒应力比重复剪切试验。在后来的规范TP7-99和TP7-01中相继删除了前两种和最后一种试验,主要是这几种试验没有合理地反映SHRP预测永久变形的模型。目前最常用的是恒高度重复剪切试验 (RSCH)。

恒高度重复剪切试验 (RSCH)的主要缺点是在试验过程中,试件上下顶面的边界层会导致试验结果产生一定误差,此外简单剪切试验仪价格昂贵,目前在国内购买的很少,应用不多。

3 简单性能试验

SPT(Simple Performance Test)是美国联邦公路局(FHWA)资助的国家合作公路研究项目(NCHRP 9-19)的研究成果。SPT是简单实用、经济有效的性能评价试验,它不仅是混合料设计工具,也是质量控制 (QC)、质量保证 (QA)和评价的工具。通过大量的综合试验项目,统计评估33个可能的试验方法-试验指标组合,建立测试的性能特性与MnRoad、WestTrack和FHWA的ALF试验中的沥青混合料实测性能之间的关联。选择性能评价试验的评估标准为:(1)精确性 (如测试的混合料反应特性与实际现场性能具有良好相关性);(2)可靠性 (如测试数据可靠,变异性小);(3)使用便利 (试验原理简单,操作方便);(4)合理的设备费用 (能够推广使用,并面向承包商在施工现场使用)。根据这些评估标准,对现存的沥青混合料性能评价试验方法进行评估选择SPT的候选试验。基于这一试验项目结果,NCHRP 9-19项目确定了沥青混合料动态模量 (|E*|)试验、重复加载永久变形 (流变次数)试验、静态蠕变 (流变时间)试验作为简单性能试验。

3.1 动态模量试验

动态模量是沥青混合料的基本特性之一,相关研究最早始于1960年Papazian对沥青混合料动态模量测试方法的研究,1979年被ASTM收编为标准测试方法 (D3497——沥青混凝土混合料动态模量的标准测试方法)。2003年AASHTO推出了TP62-03 SPT标准的试验作为沥青混合料动态模量的标准备选测试方法。

动态模量评价指标可以用于路面抗车辙性能评估、材料设计和路面结构设计,具有广泛的应用前景。

动态模量试验是一种无损试验,能够得到直接用于路面设计和评价指标动态模量|E*|,具有应用价值,但要进入我国设计系统仍然有许多工作需要验证和完善[9]。

3.2 静态蠕变试验

静态蠕变试验是指在规定的试验温度下对试件施加一恒定的轴向压缩荷载 (试验可以在有围压或无围压的条件下进行)测定作用时间内的轴向应变(应变率),它为时间的函数。并用于计算流变时间,应变的变化率再次开始增大 (应变率最小)的点对应时间就是流变时间Ft。

静态蠕变试验方法简单,可以在有围压或者无围压条件下进行,且无围压试验结果相关性高于有围压结果,但是无围压条件试验,可能低估某些骨架结构混合料 (比如:SMA、Superpave、SAC等)的抗车辙性能。该试验的最大缺点是加载模式和现场荷载条件不符,故尽管相关性很好,但是大量研究都认为该试验在研究永久变形中不合理。

3.3 重复荷载试验

重复荷载试验是指在规定的试验温度下对试件施加一重复的轴向半正矢波荷载脉冲,每1.0 s荷载加载0.1 s,间歇0.9 s,试验可以在有围压或无围压条件下进行,试验期间测定相应时间的永久轴向应变。这种试验方法最早是由Monismith等在20世纪70年代中期提出的。为了更好描述试验特点,Witczak提出了流动数的概念:永久轴向应变变化率再次开始增大 (即永久应变率最小时)的点对应的加载次数就是流变次数Fn。

重复荷载试验能够很好地模拟现场动态荷载作用模式,通过围压控制能够近似模拟路面侧向受力状态,且流动数与车辙深度有着良好的相关性,可以区分出不同混合料抗车辙性能,因而得到广泛应用[10]。但是近来研究发现,路面受力模式受温度、荷载变化而变化,重复荷载试验采用的固定荷载模式就不能很好地模拟现场路面受力状态。

3.4 局部加载试验

局部加载试验方法是结合了三轴试验和单轴贯入试验二者优点的试验方法。在保留贯入试验可以模拟随温度和应力水平变化而产生被动侧压力的优点基础上,吸取三轴试验应力应变状态明确,可以测量一点应变状态的优点,局部加载试验如图1所示[11]。基本思路是用较小尺寸的底座对圆柱形试件的底面进行局部约束,同时也用较小尺寸的压头对顶面进行局部加载,使上下压头之间的混合料区域应力相对均匀,同时压头外围的混合料可以提供变化的围压。这样设计的试验具有以下几个优点:

(1)混合料自身可以提供随温度、荷载和破坏进程而变化的侧向约束;

(2)试验简单,应力应变基本均匀,可以通过软件直接导出;

(3)试件制作简单,通过旋转压实仪成型,不用钻芯;

(4)对试验设备的要求降低了,更加有利于推广。

图1 局部加载模型

利用ABAQUS有限元软件模拟,得到局部加载试验的合理尺寸为:压头尺寸Φ为75mm,试件直径Φ为150 mm,试件高度为75 mm,试验在具有温度控制的UTM试验机上完成,试验温度为60℃,试件间歇半正矢波形,荷载峰值为700kPa。

室内平行局部加载试验结果表明,局部加载试验Fn变异系数为8%,D1变异系数为10%;SPT重复荷载试验Fn变异系数为12%,D1变异系数为13%。现场芯样的SPT重复荷载试验Fn和D1与车辙深度的相关系数均为0.77;局部加载试验试验Fn和D1与车辙深度的相关系数均大于0.81;Fn和D1相关系数为0.90。由此可以看出局部加载试验方法要略优于SPT重复荷载试验。

可见局部加载试验方法有着很好的应用前景值得深入研究,尤其是其评价指标、评价标准以及试验标准化研究等工作需要进一步完善。

4 结 语

沥青混合料抗车辙性能试验方法的研究有助于提高混合料设计水平和进行车辙预估研究。目前众多试验方法中,急需一种与路面车辙性好、自身变异性小、区分度高的性能试验方法。局部加载试验是一种既合理又实用的试验方法,有必要进行深入研究和推广。

[1]王昌衡,陈建民.沥青混合料车辙试验研究[J].中外公路,2003,23(6):81-83.

[2]闫其来.沥青混合料抗车辙性能试验研究[D].南京:东南大学,2005.

[3]陈忠达,袁万杰,薛航,等.沥青混合料高温性能评价指标[J].长安大学学报:自然科学版,2006,26(5):1-4.

[4]曹林涛,李立寒,孙大权,等.沥青混合料车辙试验评价指标研究[J].武汉理工大学学报,2007,(11):14-17.

[5]冯俊领,徐绍国.沥青混合料剪切试验方法研究综述[J].公路交通科技:应用技术版,2009,(2):9-11.

[6]欧阳岚.沥青混合料剪切性能试验研究[D].长沙:长沙理工大学,2006.

[7]谢泽华.沥青混合料高温稳定性三轴试验研究[D].长沙:长沙理工大学,2006.

[8]毕玉峰,孙立军.沥青混合料抗剪试验方法研究[J].同济大学学报:自然科学版,2005,33(8):1036-1040.

[9]胡霞光,李德超,田莉.沥青混合料动态模量研究进展[J].中外公路,2007,27(1):132-136.

[10]田晓霞.基于SPT的沥青混合料高温性能的试验研究[D].南京:东南大学,2007.

[11]张裕卿.沥青混合料高温变形规律及试验方法研究[D].南京:东南大学,2007.