梯度溫度場下的瀝青路面車轍性能分析*

張國付 龐 凌 游梓晗

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

0 引 言

瀝青是一種溫敏材料，在眾多環境影響因素中，溫度成為影響瀝青路面性能的主要因素之一[1].瀝青老化、重載、水損害等瀝青路面常見的損壞形式也與路面溫度息息相關.

有關瀝青路面在不同溫度場條件下的性能研究方法有理論分析法和實驗測試法.隨著傳感技術的發展，測量多點溫度的實驗方法變得更為經濟.實驗測試法基本思路是基于實測數據進行回歸分析，建立經驗方程，在實際應用中可靠性較高，實用性很強，越來越多的研究者在嘗試建立經驗方程以達到預測瀝青路面溫度場的目的[2].然而實驗測試法在建立經驗方程的過程中，對影響溫度場的因素選擇過于主觀，可能會忽略一些重要的影響因素，而考慮那些影響并不明顯的因素.再者，經驗方程往往達不到量綱統一[3]，所建立的方程式物理意義不明確.

文獻[4]針對車轍破壞提出了解決指導，設定了瀝青混合料設計的車轍檢驗標準，但即使是滿足規范標準的瀝青混合料設計在用于實際路面時也會有不同程度的車轍破壞.本文利用多功能全壽命分析儀模擬瀝青路面實際的環境因素，根據當地的環境因素，通過調節儀器溫度、紫外強度等參數，來模擬當地實際路面溫度場，可行性高，且不受地域限制.在模擬出的梯度溫度場下對試件進行車轍性能檢測，更符合實際.

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

1) 瀝青采用湖北鄂州生產的SBS改性瀝青、AH-90基質瀝青.依據文獻[5]測得的瀝青物理性質見表1～2.

表1 SBS改性瀝青性能指標測試結果

2) 集料是瀝青混合料中的骨料，集料的組成

表2 AH-90基質瀝青常規指標試驗結果

成分對瀝青混合料的性能有顯著影響，其中粒徑大于3 mm的石料是成為骨架的重要部分，而粒徑在3 mm以下的石料主要起填孔隙作用.本實驗中下層和中層選用石灰巖，而上層則選擇優質玄武巖以兼顧成本和車轍性能.其基本物理性能根據文獻[6].

3) 礦粉選用某公司生產的石灰石礦粉.根據文獻[6]對其進行測試，結果見表3.

表3 礦粉物理性能測試結果

1.2 瀝青混合料的配比設計

試驗采用全厚式瀝青混凝土試件，以保證試件的結構與高等級路面完全相同，進而獲得具有參考價值的實驗數據.全厚式瀝青混凝土試件由三層結構組成，分別是8 mm厚度的下面層，6 mm厚度的中面層以及4 mm厚度的上面層.中面層對瀝青路面車轍性能的影響遠大于另外兩層，為了同時保證瀝青路面使用過程中的舒適性，瀝青路面的抗車轍性能以及鋪設路面的成本，可以選擇性的降低下面層的性能.故試驗選擇見表4.

表4 全厚式瀝青混凝土試件配置

1.2.1上面層配合比設計和最佳油石比確定

上面層所用的玄武巖的篩分結果和配合比見表5.在確定上層的級配后，選定四個油石比：4.10%，4.40%，4.70%，5.00%作為實驗參數.每一種油石比進行四次重復的馬歇爾實驗，得到的數據取平均值以減少誤差，最終確定油石比為4.3%.

1.2.2下面層和中面層的配合比和最佳油石比確定

下面層和中面層所用的石灰巖的篩分結果及其配比見表6.下層和中層的級配確定后確定最佳油石比時選擇3.7%，4.0%，4.3%，4.6%.按上述油石比每組進行四次重復的馬歇爾實驗，最終確定最佳油石比為4.30%.

表5 AC-20的集料篩分結果及其配合比

表6 AC-25的篩分及其配合比

1.3 溫度測量點位置的確定

為了反映試件中的溫度梯度，必須確定在不同深度位置測量溫度以便反映試件所處的溫度場.用紅外相機拍攝在車轍實驗機中保溫后的試件表面以確定鉆孔位置.紅外相片見圖1.

圖1 試件溫度分布圖

由圖1可知，試件靠近長邊兩側分別有兩個高溫位置而溫度隨著遠離這四個點逐漸降低，最低溫度分別可以在試件中央處和試件靠寬邊的邊緣處.為了能反應輪碾部分的溫度狀況選取了在四個高溫點中的三個點以及這三個點與長邊平行的方向的左右距離10 cm的兩個點.沒有選擇到的高溫點被用來放置車轍實驗機的溫度控制熱電偶.在三組位置分別鉆孔，鉆孔深度依次為3，7，14 cm.使用光纖溫度傳感器在輪碾過程中測量溫度.具體方案見圖2.圖中白色原點位置為鉆孔位置，白色斜線位置為車轍實驗機溫度傳感器所處的位置.

圖2 試件打鉆孔位置圖

1.4 試驗方法

實際瀝青混凝土路面在使用過程中，因為太陽輻射、氣流等原因，瀝青路面溫度從表面到內部不同深度，存在一定的溫度梯度[7-8].而室內模擬瀝青混凝土在使用過程中發生高溫車轍破壞，如漢堡車轍試驗、瀝青混合料車轍試驗等，都是采用電熱管加熱方式在60 ℃或45 ℃等恒定的溫度條件下進行；其它的如室內模擬瀝青混凝土老化過程、疲勞和低溫開裂破壞也都是保持氣溫在某一恒定的溫度條件下進行.這些模擬實驗中，無論是單一的恒定溫度場和溫度產生的來源，都與實際路面情況不相符，導致模擬試驗車轍、裂縫形成以及老化規律與實際情況不相符[9-10].而采用紫外燈及空氣溫度調節器來控制瀝青混凝土試件溫度，可使試件處于溫度梯度可調節的非恒定溫度場下，科學地模擬實際瀝青混凝土路面的溫度場，在吃溫度場下對試件進行車轍性能研究，具體試驗參數見表7.

表7 實驗參數

2 試驗結果與討論

將各組實驗的車轍數據做成輪碾次數和車轍深度的曲線圖，并根據曲線圖擬合出各組數據的曲線方程，并用方程計算最終車轍深度.各組的擬合曲線方程整理見表8，各組實驗的車轍數據擬合曲線統一繪制見圖3.

表8 車轍數據擬合曲線方程

圖3 車轍深度變化曲線

2.1 溫度對車轍的影響

由圖3可知，車轍的發展有兩個階段，即壓密階段和穩定增長階段.在壓密階段發生破壞的速度較快，而穩定增長的過程中破壞速度越來越慢，最后趨近與一個定值.在輪碾次數達到約13 000次時環境條件溫度和紫外強度較低的實驗組(1-1，2-1，3-1，3-2)達到車轍破壞的最大破壞，而溫度達到50 ℃或紫外強度達到70 kW/m2的實驗組(2-2，3-3)在輪碾次數達到約22 000次左右時達到車轍破壞的最大值.

第一階段中，不同溫度的車轍破壞程度不同，溫度較高的實驗組，瀝青流動性較好，瀝青在壓實過程中更易流動到骨架的空隙中，進而產生較大的車轍破壞.在穩定增長階段中，車轍深度隨著輪碾次數的增加而呈現接近線性的增長速度.試件進入第二階段的先后與試件所處的實驗溫度和紫外強度有很大的影響，從圖中紫外強度均為30 W/m2的2-1，2-2，3-1三個組別的比較中.可以觀察得到實驗溫度較高的組別，進入第二階段的時間較其他組別明顯有延后.

動穩定度是指在車轍形成一定階段，試件每產生1 mm變形所承受的標準軸輪碾次數.車轍實驗中，車轍深度的測定往往有較大的誤差，不宜重復實驗[11].本試驗中取車轍破壞進入穩定階段的10 000～17 000的車轍變形來計算穩定度.不同溫度下，試件的動穩定度見表9.

表9 不同溫度下車轍試件的動穩定度

由表9可知，溫度對動穩定度的影響很大，當溫度從40 ℃升高到45 ℃時動穩定度減小了55.48%，而從40 ℃升高到50 ℃時，動穩定度減小了81.94%.動穩定度隨溫度的變化較為平穩，

2.2 紫外光對車轍的影響

由圖3可知，紫外光強對試件的車轍深度有顯著的影響，本次試驗中使用紫外光照度儀測量了試件表面的紫外光作為控制紫外光強度的方法.紫外光可以產生溫度梯度，溫度梯度使得試件上面層的溫度要遠遠高于中下兩面層.上面層在高溫條件下更易發生車轍破壞.紫外強度更高的情況下第一階段壓密階段中車轍破壞會迅速的達到一個較嚴重的程度，隨后車轍破壞的速度逐漸降低，直至穩定階段.紫外強度越高達到穩定階段的時間越晚.

2.2.1溫度梯度

使用紫外燈可以在試件中產生一個有梯度的溫度場，每組實驗的溫度梯度見表10.

由表10可知, 紫外光的照射會在試件中產生明顯的梯度溫度場，從1-1和3-1的對比中可以得到，30 W/m2的紫外光在試件中產生的溫差比沒有紫外光的情況下高了8 ℃左右.而在沒有紫外光下試件產生溫差的原因主要是從模具底部與測試機接觸面的的熱量流失，而這種熱量流失是不可避免的.在溫度條件皆為45 ℃的實驗組(1-1,3-1,3-2,3-3)的比較中可知,紫外光越強，表面溫度受紫外光影響升溫越高，為了使試樣表面溫度一致，環境溫度必須保持更低的水平，進而溫度梯度也隨著紫外光的強度增加而增大，產生較大的溫度梯度進而使試件整體的溫度偏離控制溫度.在紫外條件皆為30 W/m2的實驗組(2-1,2-2,3-1)的比較中可知在紫外強度相同時溫度更多的是影響試件的整體溫度水平，而并不會顯著的影響溫度梯度的大小.

表10 溫度梯度分布情況

2.2.2動穩定度

本實驗中以車轍破壞進入穩定階段的15 000～20 000的車轍形變來計算穩定度.不同紫外強度下，試件的動穩定度見表11.

表11 不同紫外強度下車轍試件的動穩定度

紫外強度對試件的車轍深度有影響，紫外強度從0 W/m2增加到30 W/m2的時候動穩定度減小了70.13%，紫外強度從0 W/m2增加到50 W/m2的時候動穩定度降低了72.85%，紫外強度從0 W/m2增加到70 W/m2的時候動穩定度降低了84.58%.由此可見，紫外光產生梯度溫度場確實會對試件的車轍破壞產生巨大的影響，動穩定度隨紫外強度的變化呈現突變趨勢，即在紫外光強度超過一個限度之后會對車轍破壞有更大的影響，而不同紫外強度對試件車轍性能的影響也符合不同紫外強度在試件中形成梯度溫度的梯度大小以及試件所處溫度的高低.

3 結 束 語

溫度是影響車轍深度的重要因素之一，試驗中車轍深度隨著溫度的提升顯著增加，車轍深度的形成速度也隨溫度的提升顯著增加.車轍破壞具有壓密階段和穩定階段，壓密階段中車轍破壞發生的較快，穩定階段中車轍破壞隨時間增長的速度較慢且近似于直線關系，較高的溫度會使車轍破壞進入穩定階段的時間點延后.紫外光會使試件內產生明顯的梯度溫度場，紫外強度越高車轍深度越深，車轍破壞的形成速度也會增加.紫外強度越高車轍破壞進入穩定階段的時間點越晚.紫外光對車轍破壞的影響一方面是由于在試件中產生了溫度梯度，也有可能是紫外光對瀝青的性能產生了一定影響.

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