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高速公路沥青面层混合料开裂性能指标试验研究


通过低温间接拉伸蠕变试验和路面抗裂性能(OT)试验对通车年限相同、地理环境相近但不同沥青面层结构的高速公路沥青面层混合料芯样进行了不同角度的试验分析研究,得出了相对应的试验性能指标。结果证明,蠕变柔量和开裂损失率指标可有效预测和评价沥青面层混合料开裂现象,即在相同试验温度条件下,SMA-13级配沥青混合料蠕变柔量大于AC-16和AC-20级配沥青混合料蠕变柔量,且AC类沥青混合料的低温蠕变柔量变化快于SMA类沥青混合料,而抗开裂性能指标中AC-16与AC-20级配沥青混合料相近,SMA-13级配沥青混合料抗开裂性能损失程度最小,因此加铺SMA结构的沥青混合料面层结构适应变形的能力强,沥青路面不易开裂。


关键词

沥青路面 | 低温间接拉伸蠕变 | 路面抗裂性能 | 蠕变柔量 | 开裂损失率

沥青混合料路面开裂现象之所以普遍,与沥青本身温度敏感性较强的特性有着不可分割的关系,即沥青混合料暴露在自然环境下以后,在温度差的影响下混合料不断地发生膨胀、收缩变形,并在其内部不断地产生拉、压应力,当外部拉压应力大于沥青混合料本身内部黏结力时最终产生开裂,发展成裂缝。冯中良通过BBR试验评价沥青胶结料低温性能,指出蠕变速率限定温度指标与路用性能相关性较强;张争奇用低温收缩系数与低温小梁破坏应变综合表征级配对沥青混合料低温性能的影响;美国战略研究计划(SHRP)曾提出3种研究沥青混合料性能的主要方法,包括温度应力试验、收缩系数试验和断裂力学积分,并认为温度应力试验方法在模拟沥青路面收缩过程时效果最佳。但对于路面结构设计不同但使用环境相近的现役高速公路沥青面层混合料开裂现象性能指标的研究却鲜有报道。而在通车年限相同、地理环境相似和交通量相近的情况下,辽宁省内西开高速和永桓高速采用的两层沥青面层结构(150pxAC-16+200pxAC-20)相比于新铁高速公路典型3层沥青面层结构(100pxSMA-13+125pxAC-16+175pxAC-20)开裂现象更为明显。

对此,本文通过AASHTO在20世纪90年代提出的低温间接拉伸蠕变试验和路面抗裂性能(OT)试验,对西开高速、永桓高速和新铁高速等3条不同沥青面层结构的高速公路沥青面层混合料芯样进行了试验研究,利用试验所得的性能指标分析了不同结构组成的沥青面层混合料开裂原因。


试 验

低温间接拉伸蠕变试验

(1)试验介绍

SHRP计划的一系列研究之后,AASHTO20世纪90年代提出了间接拉伸试验测定蠕变柔量的方法T322,并对试验过程及数据处理做出详细的规定,为系统研究沥青混合料低温性能提供了依据。蠕变柔量是应变对荷载适应能力的表征,是线性黏弹性材料最重要的力学参数。蠕变柔量指标可用来有效预测沥青混合料水平变形和垂直变形,同时低温蠕变柔量可表征沥青混合料路面在冬季气温下降过程中对收缩变形的随从性。

(2)试验方法

低温间接拉伸蠕变试验采用直径150mm的试件,可现场取芯或实验室成型,将试件切割成约40mm厚度的试件,采用定位规准板将4个传感器支撑柱黏结在试件的中心位置。试件的2个切割面都黏结4个支撑柱,每个切割面安装竖向、横向2个电磁位移传感器,测定2个方向的位移变化。竖向、横向的2个针式电磁位移传感器十字交叉,但不能接触。本文采用-18℃、-15℃、-12℃等3个试验温度进行低温间接拉伸蠕变试验。

(3)试验过程

将试件在试验温度下养护5h,选用合适的间接拉伸试验压条,将试件放在夹具中央,竖向针式位移传感器与DTS-30的加载杆处于同一平面内,通过预估试件间接拉伸极限强度,本文采用6kN作为蠕变试验所施加的荷载,保证300s时刻的水平横向应变不超过500,否则立即停止试验;待试件回复3min后可以再次试验。试验照片如图1所示。

(4)计算方法

3个试件进行分析,取得平均的直径和厚度,取整mm,蠕变荷载取整kN




计算6个试件表面(3个试件,每个试件2个表面)的标准水平及垂直变形值。





确定加载时间为整个蠕变试验时间一半时6个试件表面的平均水平及垂直变形值ΔXai,ΔTai

也就是说,对1100s的蠕变试验,确定其在t50s的变形值。




计算偏移值ΔXt及ΔYt的修剪均值。将6个ΔXai6个ΔYai值分别按数值大小排列,取中间4个的平均值。

可见,在水平变形及垂直变形的修剪均值中,没有考虑最大值和最小值的影响。




路面抗裂性能(OT)试验

(1)试验介绍

路面抗裂性能(OverlayTester,简称OT)试验是由Lytton等在20世纪70年代设计的,用来模拟裂缝的张开与闭合的试验方法,而这两个行为正是导致裂缝产生和扩展的动力。后来,ZhouFujie等人将其改进,用来作为预测和评价沥青混合料抗裂性能的可靠简便的试验方法。该方法目前主要应用于美国,由美国德克萨斯州交通委员会(TxDOT)制定了试验标准,近年来在全世界范围内逐步推广。

(2)试验方法

路面抗裂性能试验应采用直径为150mm的圆柱体试样,经切割得到标准的试件,可以通过实验室成型或者室外钻孔获得。标准试件最终尺寸为长150mm,高38mm,宽75mm。试件切割方法与标准试件如图2所示。试验温度为25℃,固定钢板与活动钢板间隔(开口距离)为2mm,加载频率为10s/循环,试验持续时间为200min。养护条件:在25℃的条件下养护5h。终止条件:加载循环次数达到1200次,或荷载损失率达到93%。

 (3)试验过程

将标准试件固定在试验台上,在环境温度为25℃的条件下养护5h,设定恒定开口距离,施加周期为10s、最大位移为0.635mm的恒定位移,荷载清零,开始试验,直至加载循环次数达到1200次,或是荷载损失率达到93%为止。试验照片如图3所示。



结果分析

(1)低温间接拉伸蠕变试验

本文选取了西开高速、永桓高速和新铁高速沥青路面典型材料进行低温间接拉伸蠕变试验,对不同材料低温蠕变柔量差异进行评价。芯样类型为新铁高速SMA-13、西开和永桓AC-16上面层,新铁高速AC-16中面层,新铁高速、西开高速和永桓高速AC-20下面层。对上述材料取回芯样后,切割成试件标准尺寸,试验结果如表1和图4所示。


由表1和图4试验结果可知:蠕变柔量越大,沥青混合料适应变形的能力越强;蠕变柔量越小,沥青混合料适应变形的能力就越弱。且相同材料在不同温度下的蠕变柔量结果不同,即温度越低,蠕变柔量越小。但在相同试验温度条件下,SMA-13级配沥青混合料蠕变柔量大于AC-16和AC-20级配沥青混合料蠕变柔量,且AC类沥青混合料的低温蠕变柔量变化快于SMA类沥青混合料。


路面抗裂性能试验

同样针对新铁高速SMA-13、西开和永桓AC-16上面层,新铁高速AC-16中面层,新铁高速、西开高速和永桓高速AC-20下面层材料取回后的芯样,切割成试件标准尺寸,进行不同材料抗裂性能差异的路面抗裂性能(OverlayTester)试验,试验结果如表2所示。



试验完成后试件的典型开裂状态如图5所示



由试验结果可以看出,应力衰减指标与试件出现裂缝状态呈一定相关性,即应力衰减指标越大,试件出现裂缝越多。同时AC-16和AC-20级配沥青混合料试件在固定板裂缝位置处出现了细长裂缝,裂缝长度较长;SMA-13试件开裂最不明显,仅有部分试件在固定板底部裂缝位置出现了细小的可见裂缝,裂缝长度较短。


结 语

(1)低温蠕变柔量可表征沥青混合料路面在冬季气温下降过程中对收缩变形的随从性,即蠕变柔量越大,沥青混合料适应变形的能力越强,沥青路面就不易开裂;蠕变柔量越小,沥青混合料适应变形的能力就越弱,沥青路面就容易开裂,而且随着温度的降低,同种材料的低温蠕变柔量下降趋势明显。

(2)开裂损失率指标则体现了沥青混合料在常温状态下整体的黏结强度,开裂损失率越高,表明沥青混合料整体黏结性差,在频繁的温缩交替变化情况下,更容易产生裂缝;开裂损失率低,则沥青混合料的整体黏结性就强,不易开裂。

(3)在相同试验温度条件下,SMA-13级配沥青混合料蠕变柔量大于AC-16AC-20级配沥青混合料蠕变柔量,且AC类沥青混合料的低温蠕变柔量变化快于SMA类沥青混合料。而抗开裂性能指标中AC-16AC-20级配沥青混合料相近,但SMA-13级配沥青混合料抗开裂性能损失程度最小。因此,当沥青路面下面层均为AC-20材料结构时,由于SMA类沥青混合料的低温蠕变柔量大且开裂损失率低,所以试验中的3层沥青面层结构产生裂缝几率小于2层沥青面层。

                                                                                                                                        全文完  首发于《公路》2020年第8



扩展相关实验设备

沥青路面反射裂缝


设备名称:电机控制沥青罩面层测试系统Overlay Tester
型       号:B215EM
制  造  商:意大利Matest公司



满足规范:美国 ASTM WK 26816 使用面层反射裂缝测试仪确定沥青混合料断裂敏感性的标准测试方法,德州 TxDOT Tex-2 48-F 面层反射裂 缝测试程序。

意大利matest/Pavetest 面层反射裂缝测试仪是一套采用数字控制的高性能电机作动器的电机伺服控制试验装置,提供可达50mm/分的 精确的加载速率,用于确定沥青混合料的断裂敏感性。设备配置意大利matest/Pavetest 尖端领先的 CDAS 数字控制器 , TestLab软件 和丰富的配件,实现硬件和软件的结合。

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技术参数
加载范围
可达 25kN
作动器行程
30 mm
测试空间
400 mm
加载速率
0.3mm/min ~ 50mm/min
温控范围
10℃~ 60℃ ( 电热单元 )
可选 -20℃~ +80℃ ( 制冷单元 )
主机电源
230V 50-60Hz 单相 (B215EM)
230V 50-60Hz 单相 ( 电热单元 )
230V 50Hz 单相 ( 制冷单元 )


技术特点
▍ 伺服电机控制加载单元,对放置于加载架上的试样施 加恒定速率的荷载
▍ 系统组成:带荷载传感器的加载架,内置位移传感 器,温控箱,数据采集和控制系统 (CDAS)。温控箱 带玻璃门,降低热损耗,可对试样做连续观测

便携式温控单元,可通过 PC 对其监测、设置和调节

主要配置
▍ 坚固的双柱加载架
▍ 精密电机作动器 (30mm 行程 )
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30mm 行程的 LVDT位移传感器


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▍ B225-01 温控箱 -- 电热单元 +10℃~ +60℃ 或
▍ B225-02H 温控箱 -- 制冷单元 水平放置 -20℃~ +80℃
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▍ B204-13 OT 试样准备夹具,符合 TxDOT_tex-248-F


                                                                               


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H009-01EN 22”LCD 屏 PC






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