剛柔復合式路面瀝青面層動態應變試驗研究

劉志勝，趙娟娟

(1.山西省交通科學研究院 黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室, 山西 太原 030006；2.北京城建設計發展集團股份有限公司 深圳分公司,廣東 深圳 518000)

剛柔復合式路面瀝青面層動態應變試驗研究

劉志勝1，趙娟娟2

(1.山西省交通科學研究院 黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室, 山西 太原 030006；2.北京城建設計發展集團股份有限公司 深圳分公司,廣東 深圳 518000)

為深入研究剛柔復合式路面瀝青面層車轍病害機理，采用復合路面結構車轍試驗模擬路面荷載動態作用，借助光纖光柵應變檢測技術測試不同方向、不同荷載、不同類型混合料和不同溫度下瀝青混合料的動態應變，從荷載大小、混合料類型和溫度3個方面分析復合式路面瀝青面層車轍變形特征。結果表明：動態荷載作用下剛柔復合式路面瀝青面層的橫向應變小于縱向應變，荷載消除后橫向應變可恢復60%，而縱向應變僅可恢復20%；一定范圍內瀝青混合料動態應變與荷載大小成正線性關系，應變的恢復能力與荷載大小成反向線性關系；SMA的應變比AC小12%，而變形恢復能力高出約60%；高溫環境下，荷載間接作用也會引起瀝青混合料的應變，SMA的抗變形能力明顯高于AC瀝青混合料。

道路工程；復合式路面；瀝青面層；動態應變；光纖測試技術

0 引 言

瀝青混凝土路面具有初期造價低、噪聲低、路面平整度好、行車舒適性好等優點，故在世界范圍內應用頗多。在我國重載交通路段，瀝青路面車轍、水損害等問題頻頻出現，早期損害嚴重[1]。水泥混凝土路面具有較高的承載能力，多在重載地區道路使用，其行車噪音大、舒適性差等問題很大程度上影響其推廣應用[2]。綜合兩種路面結構的優點，連續配筋混凝土與瀝青混凝土或鋼筋混混凝土與瀝青混凝土復合式路面被提出[3-5]，現有研究結論表明復合式路面具有結構整體強度高、行駛舒適性好、使用壽命長、維修費用小等優點，是重載交通高速公路長壽命瀝青路面結構的發展方向[6-7]。然而水泥混凝土與瀝青混凝土兩種材料有明顯的差別，尤其是彈性模量相差甚遠，致使瀝青混合料層在荷載作用下將承受更大的剪應力，對瀝青混合料變形產生較大的影響[8-9]。現有瀝青混合料抗剪性能評價手段主要包括軸剪切試驗、單軸貫入試驗、旋轉剪切試驗等[10]。同濟大學孫立軍教授提出回彈模量可間接地評價材料的抗剪性能，而與回彈模量相對應材料抗剪性能的影響最終體現在材料所產生的應力、應變大小[11-12]。應變是材料與結構的重要物理特性，最能反映結構局部特性，是材料和工程結構健康監測最為重要的參數。關于復合式路面的瀝青混合料在荷載下的動態應變，相關文獻都未見相關報道[13]。

路面結構動力學的出現為更準確地進行路面受力、變形等分析提供了條件。常用的無損檢測設備作用于路表的力都是動態的，因此采用動態荷載分析路面的應變更為合適[14]。筆者借助光纖光柵在工程中的應變測試技術，采用復合路面結構的車轍試驗模擬路面的荷載動態作用，深入分析了不同方向、不同荷載、不同類型混合料和不同溫度對瀝青混合料的動態應變的影響規律，明確了剛柔復合式路面瀝青混合料層車轍變形機理。研究結果可對復合式路面瀝青混合料層設計提供指導。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

所有試驗中瀝青采用SBS I-C改性瀝青，按照JTG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的規定對SBS I-C改性瀝青進行基本性能測試，測試結果如表1。結果顯示，SBS I-C改性瀝青的基本性能，均符合JTG F 40—2004 《公路瀝青路面施工技術規范》中規定的要求。

所有試驗中，所用的粗集料為輝綠巖，細集料為石灰巖，礦粉為石灰巖磨制，各種集料、礦粉的密度及篩分結果如表2，表3。

表2 集料密度參數Table 2 Parameters of aggregate density

表3 各種礦料和礦粉的篩分結果Table 3 Screening results of various types of mineral aggregates and mineral powder /%

1.2 試驗方法

1.2.1 測試設備

筆者采用水泥板加鋪瀝青混合料成型試件模擬，并借助車轍試驗儀對試件施加荷載，模擬研究復合式路面在行車荷載作用下的應變狀況。采用光纖光柵埋入式應變計測試路面內的應變狀態，光纖光柵埋入式應變計可以自我補償溫度變化對波長的影響[15]，其主要技術參數如表4。

表4 應變計主要技術參數Table 4 Main technical parameters of strain gauge

采用光纖光柵解調儀測試復合式路面瀝青混凝土面層結構動態應變，其主要技術參數如表5。

表5 光纖光柵解調儀主要技術參數Table 5 Main technical parameters of fiber bragg grating demodulation device

1.2.2 測試方法

剛柔復合式路面一般為水泥混凝土層上加鋪瀝青混凝土做上面層，因此在試驗過程中采用雙層車轍板模擬研究復合式路面，下層水泥混凝土板厚度為5 cm，上層瀝青混凝土厚度為5 cm。兩只光纖光柵埋入式應變計橫向、縱向布設于瀝青混凝土層底部，分別測試荷載作用下瀝青混凝土的橫向和縱向應變，如圖1。

采用車轍儀作用于試件的中心，沿著縱向應變計的方向行走模擬動態荷載對復合式路面瀝青層混凝土的作用。

2 實驗數據處理

動態荷載作用下，光纖光柵解調儀測得的反射波長是一個比較動態變化的曲線，會引起光柵應變計的周期和折射率的變化。在考慮溫度影響的情況下，光纖光柵解調儀測試的不同荷載作用下，不同類型瀝青混凝土的動態應變計算公式為：

ε=k×(λ2-λ0)-b×(λ3-λ1)

式中：k為應變系數；b為溫度修正系數；λ0為初始中心波長；λ1為光柵溫補參照波長；λ2為動態中心波長；λ3為動態溫補波長。

3 結果及討論

為全面地研究荷載作用下瀝青混合料變形規律，從瀝青混合料類型、荷載大小、試驗溫度3方面進行動態應變試驗研究，分析影響瀝青混合料動態應變的影響規律。

3.1 荷載作用下不同方向應變分析

圖2為在荷載作用下剛柔復合式路面瀝青混合料層在平行(縱向)和垂直(橫向)與行車方向的動態應變規律。從圖2可以看出，隨著行車荷載的動態作用，剛柔復合式路面瀝青混合料層在平行和垂直于荷載移動方向的動態應變表現出同樣的規律，橫向和縱向應變隨荷載作用而立即增大，荷載遠離測試點后表現出明顯的變形恢復。

圖2 瀝青混合料不同方向動態應變規律Fig.2 Law of asphalt mixture’s dynamic strain in directions

從圖2可以看出，0.1～0.5 s階段，行車荷載逐漸接近應變計測試點，瀝青混合料層橫向和縱向變形均迅速增加并達到最大值；0.5～0.9 s階段，行車荷載逐漸遠離應變計測試點，瀝青混合料層橫向和縱向變形均逐步減小。動態荷載作用下剛柔復合式路面瀝青混合料層縱向應變明顯大于橫向應變，瀝青混合料更多地向荷載移動的作用的方向發生變形，而向垂直于行車方向的橫向變形相對較小。理論狀態下，荷載作用瀝青混合料的各項變形大致相同，而本研究試驗中，縱向應變較大的原因是荷載對瀝青混合料起到了推擠作用，瀝青混合料受到推擠作用而縱向應變增加。荷載逐漸遠離測試點之后，瀝青混合料的橫向表現出明顯的伸展性，即瀝青混合料在受到縱向推擠后，在橫向具有回填的效果，橫向應變恢復能力可達到60 %，而縱向應變僅可恢復20 %左右。在經過荷載的固定作用次數后，瀝青混凝土的橫向應變在很大程度上可以恢復，而縱向應變恢復不明顯。

因此，剛柔復合式路面瀝青混合料層在荷載作用下的塑性變形在很大程度是由于瀝青混合料的縱向變形而引起的。在后續研究中只分析瀝青混合料在縱向的動態應變，分析各因素對動態因素的影響。

3.2 荷載大小對瀝青混合料應變的影響

在我國規范JTG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中，采用輪壓0.7 MPa為標準荷載進行瀝青混合料的車轍試驗。筆者也采用輪壓0.7 MPa為標準荷載，并采用0.5，1.0 MPa模擬輕交通和重交通荷載進行試驗，研究不同荷載作用下的剛柔復合式路面瀝青面層材料的動態應變規律。圖3表示在不同荷載作用下的剛柔復合式路面瀝青層動態應變規律。

圖3 不同荷載對縱向應變的影響規律Fig.3 Longitudinal strain of asphalt mixture under different loads

由圖3可以看出：不同的荷載作用下瀝青混合料層的縱向應變隨荷載作用表現出相同的變化規律。隨著荷載的增加，瀝青混合料的縱向應變逐漸增大，充分表明荷載作用是瀝青混合料的塑性變形的直接原因。輪載1.0 MPa引起的縱向應變對于0.7 MPa增加19 %，而0.5 MPa引起的縱向應變對于0.7 MPa減小20 %，由此可見在一定范圍內荷載大小與瀝青混合料的縱向應變基本呈線性關系。此外，隨著荷載的增加，荷載作用后縱向應變的恢復程度逐漸減小，這進一步說明了荷載對瀝青混合料層變形的影響。從另一種角度闡釋了瀝青混合料作為彈塑性材料，當變形增大時，其塑性表現更為明顯。

3.3 瀝青混合料類型對瀝青混合料應變的影響

瀝青混合料的類型有多種，常用于剛柔復合式路面的瀝青混合料類型主要包括密級配瀝青混凝土和具有功能特性的SMA降噪磨耗層，為此筆者選擇AC-13和SMA-13兩種類型的混凝土在常溫輪載0.7 MPa工況下進行應變性能測試，以確定荷載作用下瀝青混合料種類對其應變的影響規律。采用馬歇爾試驗方法進行AC-13和SMA-13兩種瀝青混合料的配合比，目標配合比如表6。瀝青混合料AC-13和SMA-13在動態荷載的作用下的應變規律見圖4。

表6 不同類型瀝青混合料合成級配Table 6 Gradation of asphalt mixtures of different types

注：SMA-13級配中選用棒狀木質素纖維，其中纖維用量為集料質量0.4 %；AC-13的瀝青用量為4.9 %，SMA-13瀝青用量為5.7 %。

圖4 瀝青混合料類型對縱向應變的影響規律Fig.4 Longitudinal strain of asphalt mixture of different types

由圖4可以直觀看出，兩種類型瀝青混合料具有相同的規律。隨著荷載靠近測試點，瀝青混合料的動態應變逐漸增加并達到最大值；隨著荷載的遠離，瀝青混合料的動態應變逐漸減小，并具有一定的應變恢復能。荷載作用下，SMA-13瀝青混合料的動態應變小于SMA-13瀝青混合料，相對于AC-13瀝青混合料抗變形能力高出12 %；同時，在荷載作用后SMA-13瀝青混合料的應變恢復能力大于AC-13瀝青混合料，相對于AC-13瀝青混合料變形恢復能力可增加60 %。上述試驗現象也驗證了瀝青混合料彈性模量提高后，抗變形能力和變形恢復性能增加。剛柔復合式路面瀝青混合料面層和水泥混凝土板的模量相差較大，荷載作用造成的瀝青混合料層的剪應力增加，不同類型混合料的變形能力具有明顯的區別。

3.4 溫度對瀝青混合料應變的影響

瀝青混合料的變形不僅與荷載大小、瀝青混合料類型相關，而且與環境溫度具有直接關系。高溫環境下，瀝青混合料塑性表現的更加突出，車轍等病變更為明顯，為此采用標準輪載0.7 MPa針對高溫環境(60 ℃)的剛柔復合式路面的瀝青混合料層進行試驗，以研究高溫狀態下剛柔復合式路面的瀝青混合料層的動態應變規律。試驗結果如圖5。

圖5 瀝青混合料類型對縱向應變的影響規律Fig.5 Dynamic strain of asphalt mixture in high temperature

由圖5可見：高溫狀態下，荷載作用對剛柔復合式路面的瀝青混合料層應變的影響規律。可以看出高溫狀態下，AC-13和SMA-13兩種混合料的動態應變規律大致相同，SMA-13的動態應變略小于AC-13；常溫下的瀝青混合料層應變的周期在1.4 s左右，相比之下高溫下瀝青混合料的應變變化更加明顯，周期內出現的一個較大的應變峰和一個中間的應變峰，這說明高溫狀態下，荷載的間接作用也會引起瀝青混合料的應變，并且AC-13的中間應變峰遠大于SMA-13的中間應變峰值。這表明高溫狀態下，SMA-13的抗變形能力明顯高于AC-13瀝青混合料。

此外，高溫狀態下瀝青混合料的動態應變均為正數，表明在高溫狀態下，瀝青混合料的應變恢復幾乎為0，或瀝青混合料的應變不足以引起應變計的反應。這充分揭示了高溫狀態下瀝青混合料產生車轍病害的機理，因此提高瀝青混合料的抗變形能力對瀝青混合料面層的抗車轍性能具有直接作用。

4 結 論

1)動態荷載作用下剛柔復合式路面瀝青層的橫向應變小于縱向應變，在荷載消除后橫向應變可恢復60 %左右。

2)瀝青混合料的應變隨著荷載的增大而增大，而應變恢復性能隨著荷載的增大而降低。

3)骨架密實性瀝青混合料的動態應變小于懸浮密實性瀝青混合料。

4)高溫環境下，瀝青混合料的應變增加，并受間接作用影響增加，對于懸浮密實性瀝青混合料表現更加明顯。

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Experimental Study on Dynamic Strain of Asphalt Surface Course of Rigid-flexible Composite Pavement Structure

LIU Zhisheng1，ZHAO Juanjuan2

(1. Key Lab of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region Ministry of Transport, Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006,Shanxi, P. R. China; 2. Shenzhen branch, Beijing Urban Construction Design & Development Group Limited, Shenzhen 518000,Guangdong, P. R. China)

For further research into rut disease mechanism of asphalt surface course of rigid-flexible composite pavement, wheel rutting test was used to simulate dynamic load on pavement. The dynamic strain of asphalt mixture of different types under different temperature, under different loads in sizes and directions were measured by use of optical fiber testing technology to analyze the characters of wheel rutting deformation of asphalt surface course in composite pavement from the three aspects of load size, mixture types and the temperature. The result showed that under dynamic loading, the cross strain of the asphalt surface course of the rigid-flexible composite pavement is less than the longitudinal strain. After removal of load, the cross strain can recover by 60% while the longitudinal strain can recover only by 20%. Within given range there exists a positive linear relationship between the dynamic strain of asphalt mixture and load size while a reverse directional linear relationship between strain recovering ability and load size. SMA is of 12% less dynamic strain than AC and of 60% higher recovering ability. In the surroundings of high temperarture, indirect loading may also cause strain of asphalt mixture and SMA has a notably higher resistance against deformation than AC.

road engineering；composite pavement；asphalt surface course；dynamic strain；optical fiber measurement technology

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.08

2015-01-27；

2015-03-26

山西省青年基金項目(2013011027-1)

劉志勝(1989—)，男，山西朔城人，助理工程師，碩士，主要從事路面結構與材料方面的研究。E-mail:huazhuangchun@163.com。

U 416.21

A

1674-0696(2016)02-031-04