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不同中面层沥青混合料抗车辙性能研究



摘要


通过研究发现沥青路面的车辙破坏往往发生在沥青路面的中面层。基于此通过对比分析中面层材料设计时常用的三种沥青混合料的高温抗车辙试验,并通过动稳定度、相对变形、综合稳定系数三个评价指标,综合评价了三种中面层沥青混合料的高温抗车辙性能,为以后高等级沥青路面中面层材料设计提供理论指导参考。



关键词:沥青混合料 | 抗车辙 | 评价指标


基于沥青路面具有行驶舒服、噪音低、维修方便的优点,使其成为高速公路路面的主要形式。随着交通量的增长、交通渠化、轴载加重以及持续高温等气候因素的综合影响,沥青路面的早期病害也日益严重,而车辙成为沥青路面早期破坏中严重的形式之一。沥青路面的抗车辙性能以及成为国内外沥青路面工程领域研究的热点问题,通过对高等级沥青路面面层层位功能研究发现,沥青路面面层zui大剪应力往往集中在中面层附近,所以沥青路面抗车辙能力主要依赖于中面层沥青混合料。故在沥青路面中面层材料设计时,设计具有优良高温抗车辙性能的路面材料,已是可以有效控制路面早期车辙破坏,提高沥青路面整体的路用性能和使用寿命的有效方法。



沥青混合料车辙试验

试验方案设计

通过对路面结构进行力学响应分析可以得出,沥青面层内部剪应力峰值区域主要集中在沥青路面的中面层,所以沥青路面的中面层沥青混合料易发生车辙破坏。为了对比分析不同中面层沥青混合料的高温抗车辙性能,本文选用中面层沥青混合料设计时常用的普通沥青混合料、SBS沥青混合料、高模量沥青混合料进行车辙对比试验。传统的车辙试验均为单层、单材料的试验,即对每种沥青混合料用轮碾成型机制成长300mm、宽300mm、厚50mm的板状试样,然后在车辙试验机上对每个试样分别进行试验,测定其动稳定度。具体试验方案见表1


车辙试验评价指标

目前,我国规范中评价沥青混合料高温性能的指标为车辙试验动稳定度。而国外车辙试验常采用两种方法来评价:一是动稳定度指标,另一个是相对变形指标,相对变形指标直接反映了荷载作用下试件的变形性能。

动稳定度定义为试验开始后45min60min时间段内每产生1mm车辙变形试验轮往返碾压的次数,它反映车辙试验后15min内混合料抗车辙变形的能力。我国采用车辙试验的动稳定度指标作为衡量混合料高温性能的一个间接指标,主要是基于实践的试验认识过程。在整个变形中,开始阶段的几次碾压通常产生很大的变形,且与试件接触的好坏也会引起数据波动;另外,总变形虽然能区分试验结果的差别,但不便估计变形的发展情况。因此采用动稳定度指标,既可避免试验开始阶段,尤其是开始与试件接触的影响,又对预测沥青混合料长期的抗变形性能具有较大的意义。但是实际的试验情况并非如此,车辙要求成型的空隙率在混合料的设计空隙率附近(马歇尔密度的100%±1%),试件的空隙率在4%左右,按此要求混合料的压密变形应很小,车辙试验过程中产生的变形应该主要是沥青混合料在高温条件下产生的塑性变形另一方面当车辙试验动稳定度数据很大时,要求测量变形的精度很高,国产仪器的试验误差就很大。

车辙试验另一个评价高温稳定性的指标—相对变形指标,是在规定作用次数和时间内所产生的变形与试件总厚度的比值,作用次数根据实际交通荷载和沥青混合料的使用要求而不同,如法国规定两个交通水平下荷载作用次数分别为3000次和10000次,计算公式为:




长安大学杜顺成博士提出了另外一个指标-综合稳定指数,该指标把沥青混合料车辙形成的初期压密和固结蠕变两个阶段,均考虑进去,有效解决了现行规范中动稳定度和yong久变形量相矛盾的问题。其计算公式为:




本文在评价沥青面层抗车辙变形能力时,通过传统车辙试验,分别采用动稳定度、相对变形、综合稳定指数等指标来进行。



试验结果及分析


为得到较为合理的试验结果,每种方案制作三块车辙试件,各方案试验车辙试件的试验结果见表2




动稳定度评价

做出不同试验方案的车辙动稳定度的结果对比图,如图1所示。由图1可知:




(1)中面层材料为AC-20SBS改性沥青混合料的车辙动稳定度较中面层材料为AC-20普通沥青混合料的车辙动稳定度提高了94.7%,说明SBS改性沥青可以明显提高沥青混合料的高温抗车辙性能。

(2)中面层材料为AC-20高模量沥青混合料的车辙动稳定度较中面层材料为AC-20普通沥青混合料的车辙动稳定度提高了106.2%,较中面层材料为AC-20SBS改性沥青混合料的车辙动稳定度提高了5.9%,说明高模量沥青混合料也可以显著提高沥青混合料的高温抗车辙性能,甚至其对沥青混合料的高温抗车辙性能改善效果还要略高于SBS改性沥青混合料的高温抗车辙性能改善效果。


相对变形指标评价

做出不同试验方案的车辙相对变形指标的结果对比图,如图2所示




由图2可知:

(1)随着中面层沥青混合料高温抗车辙性能的提高,其相对变形指标减小,这与动稳定度的变化趋势刚好相反,即相对变形指标越小,动稳定度越大,沥青混合料的高温性能越好。

(2)SBS改性沥青混合料通过提高基质沥青的高温粘度,提高了沥青和集料的粘结力,提高沥青混合料的抗变形能力,故SBS沥青混合料的相对变形指标明显低于普通沥青混合料的相对变形指标。

(3)高模量沥青混合料通过提高沥青混合料的劲度模量,可以明显减小沥青混合料后期的压密变形,提高沥青混合料的抗塑性变形能力,故高模量沥青混合料的相对变形指标也明显低于普通沥青混合料的相对变形指标,甚至略低于SBS改性沥青混合料的相对变形指标。


综合稳定指数评价

做出不同试验方案的车辙综合稳定指数的结果对比图,如图3所示


由图3可知:

(1)随着中面层沥青混合料高温抗车辙性能的提高,沥青混合料的综合稳定指数逐渐大。

(2)综合稳定指数综合考虑了沥青混合料在初期压密和固结蠕变两个阶段的因素,较其他指标更能真实反映沥青混合料的高温抗车辙性能,故中面层不同沥青混合料的高温抗车辙性能由低到高依次为:普通沥青混合料<SBS改性沥青混合料<高模量沥青混合料。



结论


(1)基于单纯依靠车辙动稳定度评价沥青混合料高温抗车辙性能的局限性,提出了相对变形和综合稳定指数等车辙试验评价新指标。

(2)对三种不同的中面层沥青混合料进行了系统的车辙对比试验,综合车辙试验的三个评价指标,高模量沥青混合料通过提高沥青混合料的劲度模量,可以明显提高沥青混合料的高温抗车辙性能,其高温抗车辙性能甚至超过了SBS改性沥青混合料。

(3)通过试验结果得出中面层不同沥青混合料的高温抗车辙性能依次为普通沥青混合料<SBS改性沥青混合料<高模量沥青混合料,为以后的高等级沥青路面建设中中面层沥青混合料的选取提供了依据和经验。


全文完 发布于《广东公路交通》2013年1期



车辙仪


设备名称:双轮式汉堡车辙仪
型       号:B038AM
制  造  商:意大利Matest公司


满足规范:EN 12697-22、AASHTO T324-04、JTG E20 T 0719-2011

试验环境 : 空气浴 + 水浴 专利号 : US 9, 964, 471

汉堡车辙仪可用于确定热拌沥青 (HMA) 抗车辙和水害的能力。意大利matest的“SmarTracker™” 型号的沥青混合料车辙实验仪符合并超过 EN 和 AASHTO 规范的要求。 采用智能设计,具有创新功能并考虑到用户的需求。

市场上比较通用的车辙仪,每个测试轮配备单独的伺服电机驱动,可在任何时候终止其中一个测试轮的运行,确保可以对每个试件进行单独的车辙分析。现在,您可以对两个测试轮进行湿式或干式试验,或者同时分别在干式和湿式条件下运行。


伺服电机采用正弦控制信号控制驱动测试轮,使得测试轮运动的位移-时间曲线完全满足EN和AASHTO规范的要求,以正弦曲线的方式对试件进行碾压,保证了轮迹的对称,确保了数据的准确。而市场上很多采用曲柄滑块驱动的车辙仪,都不能满足正弦碾压的要求,会造成较大的数据误差。


使用这种先进且用户友好的车辙实验仪确定蠕变斜率、剥离变形拐点和剥离斜率,以及动稳定度(中国规范)。 SmarTrackerTM 汉堡车辙仪是由意大利matest的研发工程师和来自美国和世界各地的非常有经验和声誉的行业专家、科研人员 联合开发的。

用途
沥青混合料车辙试验是用来测定热拌沥青混合料在一定荷载下的形 变敏感度,它是通过测量在设定的温度下加载轮反复碾 压试样一定次数而形成的车辙深度来实现的。汉堡车辙 仪可用于确定热拌沥青混合料(HMA)抗车辙能力。用 于沥青混合料车辙试验,在实验室模拟沥青路面高温 状态受荷载作用下的yong久变形(车辙),属于现象学 / 经验法的试验方法。

产品特点

▍符合并超过 AASHTO 和 EN 标准,可用空气浴(干式)和水浴(湿式)对试件进行控温

▍每个测试轮由单独的伺服电机驱动,确保对每个试件进行单独的车辙分析

▍测试轮运行时的位移-时间曲线符合规范要求的正弦曲线。

▍无需提升组件,测试轮在试验结束后自动退回原点

▍坚固耐用,专门为环境严酷的建筑实验室设计

▍试模滑动定位机构,便于试模的安装和取出

▍全自动运行,任意一个测试轮达到目标深度或试验次数时,系统自动识别并停止试验

▍触摸屏控制器,用户界面友好,试验状态、数据管理和测试结果均可视化显示

▍两个测试轮均各配备了用于车辙测量的位移传感器

▍机械循环水浴,温度控制在±1℃以内

▍每次试验都可轻松地装载、卸载、排水和清洁

▍设计紧凑,维修方便,也适用于小型建筑实验室

▍装有保护罩,确保操作人员远离运动部件,并在进行试验过程中更好地保温





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