基于多級應力局部加載的路面芯樣高溫蠕變試驗研究

江紅

(安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230008)*

近幾年我國的高速公路已經從單純的建設期進入建管并重的階段，高效的、經濟的養護決策受到越來越多的關注.由于養護決策對于路面材料性能評估的依賴性較高，提出和改進路面材料評估試驗和指標意義重大.在瀝青混合料高溫性能方面，國內外學者做了大量的相關研究，涉及漢堡車轍試驗、高溫蠕變試驗及多級加載蠕變試驗等.首先，在漢堡車轍試驗方面，栗培龍等[1]從水溫兩個角度分析了漢堡車轍試驗的試驗條件和成型方式，認為旋轉壓實成型的試件可以替代板式試件進行試驗，并針對不同等級瀝青和改性瀝青提出了相應的試驗溫度；劉至飛等[2]采用實際板式芯樣進行漢堡車轍試驗，研究了車轍發展曲線的斜率和反彎點，認為松散病害越嚴重的區域，試件的抗車轍和抗水損壞性能越差；行車道芯樣在后期的破壞較路肩芯樣迅速.其次，動態模量作為一種瀝青混合料基本指標，在粘彈性分析和瀝青老化評價方面較為重要[3].徐志榮等[4]基于靜壓成型的瀝青混合料試件和無側限抗壓試驗測試方法，對比分析了不同加載頻率和應力水平對動態模量的影響，完善了動態模量測試方法；對于多級加載蠕變試驗的研究方面，張泉等[5]參考美國versys手冊，采用5級應力的加載模式進行單軸壓縮蠕變試驗，研究了瀝青混合料永久變形的組成并建立了其隨時間的變形公式；張爭奇等[6]進行了瀝青混合料重復加載蠕變試驗，采用先旋轉壓實成型后取芯的方法獲取試件，研究了不同結構組合對試驗結果的影響，提出了相應的評價指標.從以上三種試驗來看，漢堡車轍試驗較為成熟，發展時期較長，但其采用鋼輪的加載模式具有本質上的系統缺陷，且加載時混合料的圍壓與路面情況不符，而蠕變試驗可以采用較小的壓頭，進行多種頻率，多種間歇時間的加載，更加廣泛的模擬路面實際車輛行駛情況.目前針對于芯樣的蠕變試驗較少，且加載應力和試驗溫度也沒有明確的規定.

因此，本文基于瀝青混合料蠕變試驗，采用局部50 cm小壓頭，編寫多應力級別加載程序，針對路面芯樣進行試驗，并對整體和分層芯樣進行高溫性能評價，利用試驗指標分析路面芯樣的三階段性能，成功用于某高速公路路面材料的高溫性能評價.

1 試驗方案

1.1 芯樣信息

本次試驗的試件取自某高速公路六個不同路段，共三種結構類型，皆為雙層改性瀝青，直徑150 mm.收集各路段的車轍信息，用于分析路用性能和材料之間的關系，具體路段信息見表1.

表1 芯樣路段信息

1.2 試驗方法

由于實際路面在使用過程中承受不同軸重的車輛荷載，且上中下面層受力情況也不盡相同.由此可知以往的室內試驗存在兩大缺陷：一是忽略上中下層位實際受荷載的不同；二是試驗荷載水平與軸載水平對應關系不明確.基于此，本研究利用多層彈性體系數值模擬的方法，確定了不同層位的荷載水平，并參考路面管理系統中的真實軸載譜信息(見圖1)，通過式(1)——軸載和應力的換算，得到六級不同的應力水平，分別是：上面層為0.6～1.1 MPa，中面層為0.5～1.0 MPa，下面層為0.4～0.9 MPa.

軸載和應力的換算公式：

(1)

式中，σi是軸重qi(單位：kN)下的輪胎接地壓力(單位：kPa)；σs是標準軸重100kN下的輪胎接地壓力，即700 kPa.

參考董尼婭等的試驗方法[7-8]，加載設備為UTM-25，加載模式為伺服加載，應力曲線為半正弦波，脈沖時長0.1 s，間歇時間0.9 s，采用先單一應力預加載后多級應力循環加載的模式.部分試驗條件如下：加載次數為1 000，預加載應力為0.7 MPa整體溫度為62℃，分層溫度為上面層62℃、中面層58℃、下面層52℃.加載時在壓頭之下鋪一層聚酯乳膠墊，以減小壓頭周圍的環箍效應對試驗結果的影響.

2 試驗相關原理

2.1 蠕變三階段曲線

圖2是典型的(0.7 MPa，60℃)重復加載蠕變試驗中材料的累計應變及永久應變率的三階段發展趨勢.如圖中粗線所示，在蠕變初期，混合料的累積永久變形可以近似為發展速度不斷下降的冪函數；在蠕變穩定期，累積永久變形則基本呈線性增加；當進入了蠕變加速期，累積永久變形則出現指數型增長.相應的，累積永久變形的一階導數即為永久應變率，代表了變形速度的快慢.本文主要利用應變率三階段曲線進行分析.

2.2 試驗指標

本試驗加載分為兩個階段：預加載與正式加載.為簡潔直觀起見，本文基于應變率提出兩個指標：預加載階段的平均永久應變率(簡稱平均永久應變率)和正式加載階段的復合平均永久應變率(簡稱復合平均永久應變率).此外，基于材料在荷載作用下的抗變形能力，提出了復合蠕變勁度模量指標.相關定義如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

3 結果與分析

3.1 各路段車轍發展規律

路面的車轍是一個動態變化的過程，如果不進行養護，車轍會隨著年份的增長而不斷加深.以往研究表明，路面車轍增長呈現先加速后穩定的變化趨勢[9-10]，其內部成因與路面荷載和材料性能有關，為了分析車轍與荷載的關系，查詢路面管理系統，獲得各個路段車轍隨年份的增長規律，見圖3.

從圖3(a)可以看出，軸載作用次數在2016年和2017年增長速率放緩，路段1、2、3甚至出現下降趨勢.路段4呈增長趨勢，路段5和路段6保持穩定.車轍增長的本質主要是軸載次數的累積.

從圖3(b)可以看出，車轍深度隨著年份增加而增大.該高速從2010～2018年的車轍呈較快的增長趨勢，在2017～2018年初步達到較為穩定的狀態.為統一車轍和當量軸次之間的關系，以路段1為例，查詢樁號為K148+500從2010～2018年的車轍，將當量軸載次數歸一化，即轉換為每萬次當量軸載車轍增長量，結果見圖3(c).從圖中可以看出，每萬次當量軸載車轍增長量隨著通車時間的增加，從較高的增長量逐漸趨于穩定，說明宏觀的車轍增長趨勢也符合瀝青混合料蠕變前兩階段，存在壓密階段向穩定階段過渡的拐點，進一步驗證了本試驗的可行性.但實際上，當車轍增長到較大值，比如超過15 mm時，養護部門便會對其實施養護，所以路面實際車轍往往不會出現第三階段.

3.2 試驗結果分析

3.2.1 整體芯樣試驗結果

圖4(a)是各路段兩個位置處的整體芯樣在預加載階段內的平均永久應變率.從圖中可知，除路段1之外，其余路段輪跡帶處的平均永久應變率均小于其對應路肩處的.由于路肩處所承受的交通軸載要遠小于行車道，也就意味著行車道處的混合料被壓密的程度大于路肩處，尤其是在輪跡帶處.一般認為，路肩與輪跡帶的差值越大，輪跡帶的壓密階段進行的越徹底.圖4(b)是在多序列加載階段整體芯樣的復合平均永久應變率.可知，與預加載階段內的平均永久應變率相似，多序列加載階段內的復合平均永久應變率依然在路肩處較大.復合平均永久應變率未考慮材料在加載初期的塑性變形，而復合蠕變勁度模量的計算則包含了這部分變形.在衡量材料的高溫性能時，兩個指標可以相互補充、相互印證.

綜上，路段1的輪跡帶應變率大于路肩，可能存在某面層高溫性能不良的情況，但總體應變率數值較小，高溫性能較為良好.

3.2.2 分層芯樣試驗結果

整體芯樣的結果分析認為：多級加載的局部動態蠕變試驗可以較為直觀的得到瀝青混合料蠕變三階段，通過統計試驗結果得到的閾值與三階段有較好的相關性.由于瀝青路面的車轍與材料的高溫性能息息相關，為了探究車轍與蠕變試驗指標之間的相關性，進而得到以車轍為自變量的瀝青混合料蠕變三階段分界點，將各個芯樣對應的車轍作為橫坐標，各蠕變試驗指標作為縱坐標，以分層試驗數據為基礎，得到圖5～圖7.

(1)上面層

從圖5中可以看出，輪跡帶處芯樣的三大指標與路肩有明顯區別.輪跡帶處應變率小于路肩，模量大于路肩，符合壓密理論.當車轍為6.5 mm時，平均永久應變率和復合永久應變率較大，說明此時的瀝青混合料處于壓密階段初期，預加載不足以覆蓋全部的壓密階段，正式加載中包含了壓密階段.通過分析，可以認為車轍為7～10 mm的芯樣均處于蠕變穩定階段，芯樣車轍為10.5 mm所在的位置為路段1，上面層高溫性能嚴重衰退，已經進入蠕變第三階段，其平均永久應變率與復合永久應變率均超過路肩.從圖中可以推斷，車轍在7 mm之前，芯樣上面層處于壓密階段，當車轍超過10 mm以后，芯樣上面層高溫性能出現下降趨勢.

(2)中面層

從圖6中可以看出，車轍越大，其平均永久應變率越小，進一步佐證壓密作用.注意到車轍為7、7.5 mm的芯樣預加載階段的應變率較大，而正式加載階段的復合平均永久應變率較小，說明其仍然處于壓密階段，由于預加載的應變率較大，導致復合蠕變勁度模量較小.從復合平均永久應變率的趨勢圖中可以看出，曲線呈現兩頭較大，中間較小的形態，說明車轍為10.3 mm的芯樣中面層高溫性能出現一定衰減，但不顯著.其原因是中面層受環境和荷載影響沒有上面層明顯，其高溫性能的衰減速率慢于上面層.從圖中可以推斷，車轍在7.5 mm之前，芯樣中面層處于壓密階段，當車轍超過10.5 mm以后，芯樣中面層高溫性能出現下降趨勢.

(3)下面層

從圖7中可以看出，由于下面層受荷載和環境影響小，輪跡帶處芯樣的三大指標數值總體接近路肩.從預加載階段的平均應變率來看，在車轍為9.75 mm之后，下面層的壓密過程進行的較為徹底，復合平均永久應變率也存在類似規律.車轍為7.5 mm的芯樣(路段2)復合平均永久應變率出現突變，其輪跡帶和路肩的應變率均較高，原始試驗數據中，三個平行試件，兩個應變率超過30με/cycle，可能是由于施工質量引起的.從圖中可以推斷，車轍在9 mm之前，芯樣下面層處于壓密階段，當車轍超過10 mm以后，芯樣下面層高溫性能出現下降趨勢.

綜上所述，可以認為，上面層芯樣進入穩定階段的拐點車轍是7 mm，進入破壞階段的車轍是10mm；中面層進入穩定階段的拐點車轍是7.5mm，進入破壞階段的車轍是10.5 mm；下面層進入穩定階段的拐點車轍是9 mm，進入破壞階段的車轍有待進一步研究.本次芯樣試驗結果上中面層拐點區別不明顯，以上歸納為表2，也可根據此結論制定養護方案.

表2 各面層高溫性能分布情況

4 結論

(1)本研究創新性地提出了多級局部加載蠕變試驗方法和指標，分析了輪跡帶和路肩處芯樣的蠕變三階段，驗證了三大指標：平均永久應變率、復合平均永久應變率和復合蠕變勁度模量的有效性，可為瀝青路面材料高溫性能評價提供一種新的試驗方法；

(2)利用車轍與試驗指標之間的關系，基于材料蠕變三階段的分析，得到了以宏觀車轍為指標的路面材料高溫穩定性三階段分界點，可為路面養護決策提供一種新的支撐和依據.