路面瀝青混合料永久性變形機理及三軸重復荷載試驗研究

吳招鋒，李 佳

(1.南昌軌道交通集團有限公司;2.南昌軌道交通集團有限公司)

1 路面瀝青混合料形成永久變形的機理分析

瀝青路面的車轍可分為5 個類型，即:(1)結構類車轍;(2)壓實性車轍;(3)瀝青混合料的側向流動變形;(4)磨損性車轍;(5)水損害性車轍。在瀝青混合料永久變形的形成機理的說法中，主要的說法為兩種:第一種是在荷載作用下產生的壓密與剪切變形。在荷載的作用下，瀝青混合料的初期空隙率能夠使體積變化迅速變小;剪切變形的產生原因是由于在車輛荷載作用下，其產生的剪應力大于瀝青混合料自身的抗剪切能力，從而導致變形。研究表明，在建立瀝青路面永久變形的預估模型時，需要考慮到兩個因素，即瀝青混合料的壓密與塑性流動變形。塑性流動不包括材料體積的變化是因為材料的所遷移產生的，當材料承受不了出現的剪切強度或是經受了長期的蠕變，就會發生永久變形。第二種是變形是路面出現的變形中最多的變形行為，可將其變形概括為三個過程:初期壓實密實、流動的瀝青混合料、瀝青混合料中的集料重新排列。在瀝青混合料的永久變形中，可以通過2 個方面能夠對其永久變形進行控制，一個方面是在施工完成后，瀝青路面正處于高溫情況下，瀝青混合料其內部瀝青的流動與集料的結構的穩定性;另一方面是在施工中，對瀝青混合料的壓實度要嚴格要求，其壓實度必須要達到規范要求。

2 三軸重復荷載永久變形試驗設計

2.1 永久變形試驗試件的制備

三軸重復荷載永久變形的試驗使用的是旋轉壓實儀(SGC)成型的圓柱體試件。這種壓實儀主要構成為:內置式脫模器、集成計算機控制系統、封閉的壓實室等組成。其中壓實室的組成結構為:加壓頭、可調連接臂、模具轉輪、固定連接臂等。為了能夠獲得高度合適、材料均勻的試件，首先通過根據目標空隙成型Φ150 mm ×H200 mm 的大型試件，然后從所得的大型試件中的中心取芯，使用單刃或雙刃鋸將其切割成Φ100 mm×H200 mm 的試件。并測量所得的鉆芯試件的空隙率，保證其空隙率的范圍在5% ±0.5%。試件在切割完后，根據其對磨光的需要，保證在側面與端面的凹凸差值控制在小于0.05 mm 范圍內。混合料在成型試件前需要進行短期老化處理，即將拌和好的混合料松散攤開，將其放置在135 ℃的烘箱中4 h，同時每個小時都要對其進行翻動，這樣保證混合料的老化達到一致均勻的效果。

2.2 試驗設備及方案的確定

進行的重復加載動三軸試驗采用了英國COOPER 公司生產的CRT－NU14 氣動伺服材料試驗機。本所采用的試驗原理是利用氣體或者液體的壓力為圓柱體試件提供圍壓，這樣對實際道路的側向約束作用進行模擬;同時采用軸向加載器，以便對試件施加軸向壓力，使試件產生偏應力，這樣便模擬了行車荷載對路面材料的作用。該儀器利用了氣動伺服封閉循環系統，利用其對路面材料進行加載，加載則按加載0.2 s 卸載0.8 s 的方式。使計算機來控制加載，卸載和數據的采集工作。NU14 三軸儀主要由五部分組成，即三軸室、軸向加載器、圍壓控制器、溫度控制箱、數據采集和控制系統。其中三軸室擁有高溫控制系統，控制高溫為60 ℃，并且具有較高的準確度，在壓力恒定的情況下，精確度可達到1 ℃。集傳感器及位移計的電測信號，荷載和位移的分辨率分別為1N 和1μm。當試樣的軸向應變在控制系統的作用下超過5%或超過了用戶指定試驗周期，則該試驗需強行中止。

在試驗時，用橡皮膜將試件包裹，并置于壓力室中，利用圍壓施加系統對壓力室中空氣加壓，此時空氣充當了傳遞媒介，能夠對試樣施加了圍壓σc，試樣在此時處于各向等壓狀態，即=σ2=σ3=σc;之后利用活塞桿使軸向產生偏應力，則軸向總應力σ1=+，其中σ1，σ2和σ3分別為三向主應力。

在三個溫度條件、三種偏應力水平下對三種瀝青混合料SMA－13、AC－20、ATB－30 進行了三軸重復荷載永久變形試驗。試驗方案如下。

試驗歷程:預壓0.01 MPa，并加載100 次。在完成預壓階段后，繼續施加要求的荷載，同樣采用加載0.2 s，卸載0.8 s 的加載方式循環10 000 次。

預壓:以軸向總壓力0.02 MPa，接觸壓力0.01 MPa 預壓100 s;偏應力水平:0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa。

試驗溫度:20 ℃、30 ℃、40 ℃。

荷載波形:半正弦波間歇荷載，加載0.2 s，卸載0.8 s。

在達到設置的荷載作用次數10 000 次或者達到5%的瀝青混合料的永久變形，停止加載試驗。

3 試驗結果分析

在恒溫為20 ℃、30 ℃、40 ℃的條件下，分別為對SMA－13、AC－20 和ATB－30 三種級配的瀝青混合料進行了三軸重復荷載永久變形試驗，其中每一種溫度都進行了荷載峰值試驗，所采用的荷載峰值為三種:0.3 MPa、0.5 MPa 和0.7 MPa。三軸重復荷載永久變形試驗數據采集界面如圖1 所示。

圖1 數據采集界面

試驗結果顯示。

(1)當荷載循環數增加時，瀝青混合料的永久變形也變大，SMA－13、AC－20 、ATB－30 這三種瀝青混合料的永久變形累積過程中都出現遷移、穩定、破壞這三種階段，三種階段都有著自己特點，遷移階段會出現快速壓密的情況，穩定階段變形線性增大，破壞階段則變形快速發展，這種結果正好與許多研究永久變形發展歷程的研究結果相吻合，這表明三軸重復荷載永久變形的結果能夠合理反映路用瀝青混合料的永久變形性。

(2)在溫度相同的環境下，在應力水平的增加時，在相同的荷載作用次數下的永久變形也會同時增大，這使瀝青混合料的變形加快，永久應變發展速率增大，同時破壞期也提前到來;這說明快加路面永久變形的產生的原因中，重載也是其中之一。

(3)在相同偏應力下的情況下，隨著溫度升高，在相同的荷載作用次數下的永久變形會明顯增大，瀝青混合料變形迅速增加，這說明溫度的升高會加快瀝青混合料永久變形的形成，從而在高溫環境地區，為了保證路面質量，需要采取適當的改進瀝青混合料的高溫抗永久變形能力。

(4)溫度和偏應力對瀝青混合料的永久變形量都具較大的影響，為提高瀝青路面在荷載、高溫的作用下的抗變形能力，可采取改善瀝青膠結料性能、調整級配等各種途徑。

(5)溫度、應力和荷載循環次數(時間)是效果等價的，即在產生永久變形上，高應力短時間與低應力長時間，其產生的效果是等價的，同理，高溫短時間與低溫長時間也同樣是效果等價的。

4 結束語

對SMA－13、AC－20、ATB－30 三種瀝青混合料在不同溫度及不同偏應力下的情況下進行三軸重復荷載永久變形試驗得到了其永久變形的結果。其試驗結果表明，在偏應力水平的增大、溫度升高的情況下，永久變形也會隨之增大。高應力短時間與低應力長時間在產生永久變形總量上是效果等價的，同時高溫短時間與低溫長時間也同樣是效果等價的。

［1］王旭東，沙愛民，許志鴻.瀝青路面材料動力特性與動態參數［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［2］沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現象及預防［M］.北京:人民交通出版社，2001:140－288.