土工合成材料加筋瀝青混合料抗車轍性能研究

周天璧

(岳陽路橋集團有限公司 岳陽 414000)

由于當前交通量的提高,汽車軸載量的增加以及車輛行駛的渠化,使得我國高等級瀝青公路的使用條件日益苛刻,路面永久變形、開裂等病害時有發(fā)生,這不僅影響路面服役時的舒適性和安全性,還會縮短其使用壽命,使路面的服役壽命遠低于設計使用年限[1-3]。針對瀝青路面出現(xiàn)的車轍病害問題,在現(xiàn)階段建筑材料稀缺的背景下,許多研究者們開始從普通材料組合的方向出發(fā)以尋求解決瀝青路面車轍病害的方法。當前工程界針對瀝青路面車轍病害除了傳統(tǒng)的挖、埋等填補式處理方式外,還有一種是在瀝青層中嵌入土工合成材料從而形成一種全新的加筋復合夾層結構,與傳統(tǒng)方式相比,除了相對可觀的經(jīng)濟和社會效益外,還具有更加優(yōu)越的病害處治效果[5-6]。

土工合成材料加筋能夠使瀝青路面結構的承載均勻化,其側向約束作用可以在一定程度上抑制由車輛荷載造成的瀝青混合料的剪切流動變形,從而減少車轍深度及瀝青層底部的應力和應變,提升瀝青路面的抗車轍性能,此外,加筋材料的種類與加筋位置均會影響其對抗車轍性能的提升效果[7-9]。本文從彈性力學的平衡原理、變形協(xié)調(diào)原理出發(fā),考慮加筋邊界條件的影響,推導出瀝青層加筋邊界處變形與土工合成材料約束力的關系,而后根據(jù)約束力的相關影響因素設計不同的瀝青混合料加筋方案,最后通過車轍試驗研究不同加筋方案下瀝青混合料的抗車轍性能,為土工合成材料在瀝青路面中的應用提供指導。

1 基于彈性力學的土工合成材料加筋理論推導

1.1 平衡原理

假設瀝青層中的瀝青混合料與土工合成材料的彈性模量和泊松比分別為Ea、Eg和μa、μg,當承受大小為p的均布荷載時,土工合成材料會隨著路面的變形而變形。將土工合成材料的變形分解為豎向變形ω與平面變形μ,相應作用于瀝青面層當中的豎向應力與平面應力分別為q和S。土工合成材料與瀝青混合料形成的復合結構層厚度為h,距離表面的深度為H,荷載的分布角度為α,整個面層結構的受力狀態(tài)見圖1。

圖1 土工合成材料加筋瀝青層受力示意圖

根據(jù)力的相互作用原理,土工合成材料作用于瀝青面層當中的應力與瀝青面層作用于土工合成材料本身的應力應當大小相等、方向相反,將土工合成材料考慮為自由體,其受到的豎向應力與平面應力分別為q′和S′,S′在平面中分解為Sr′和Sθ′,整個土工合成材料自由體在極坐標中的受力狀態(tài)見圖2。

圖2 極坐標中土工合成材料自由體的應力狀態(tài)

由于標準軸載為軸對稱荷載,因此在軸對稱和小變形的假設條件下,橫斷面應力狀態(tài)中r方向和θ方向的平衡方程及縱斷面應力狀態(tài)的平衡方程,如式(1)。

(1)

式中:Tr和Tθ分別為土工合成材料在徑向與縱向的拉應力;Sr′和Sθ′分別為作用于土工合成材料表面的面應力;q′為施加于土工合成材料上的豎向應力;w為土工合成材料的豎向變形。

1.2 變形協(xié)調(diào)原理

除了平衡方程外,還應考慮土工合成材料的物理方程,根據(jù)廣義虎克定律,土工合成材料的徑向應變εr和縱向應變ε0計算方法,如式(2)。

(2)

式中:Eg、hg和μg分別為土工合成材料的彈性模量、厚度、泊松比;σr和σθ為土工合成材料在徑向和縱向上的應力,可分別用Tr/hr和Tθ/hθ表示。根據(jù)變形協(xié)調(diào)方程,土工合成材料的徑向應變和縱向應變還可由其側向和豎向的變形得到,由側向與豎向變形產(chǎn)生的徑向與縱向應變?nèi)缡?3)。

(3)

將徑向與縱向應變分別疊加可得徑向與縱向總應變?nèi)缡?4)。

(4)

將變形協(xié)調(diào)方程(4)帶入物理方程(2)中可得徑向與縱向拉應力Tr和Tθ如式(5)。

(5)

將式(5)帶入平衡方程(1)中,可得土工合成材料側向與豎向應力的變形表達式,如式(6)。

(6)

1.3 加筋邊界相對滑動因子

式(6)中,w與μ分別為土工合成材料的豎向與側向變形,理想狀態(tài)下土工合成材料與瀝青混合料之間不產(chǎn)生相對滑動,因此土工合成材料產(chǎn)生的變形應與加筋邊界處瀝青混合料的變形相同,而真實情況下土工合成材料與瀝青混合料之間或多或少都會產(chǎn)生一定的相對滑動,因此假設土工合成材料的變形與瀝青層內(nèi)部的變形的關系如式(7)。

(7)

式中:w′與μ′分別為瀝青層中加筋邊界處瀝青混合料產(chǎn)生的豎向與側向變形;λ為滑動因子,表示土工合成材料與瀝青混合料之間的相對滑動狀態(tài),其大小為0到1之間,當λ=1時,其不產(chǎn)生相對滑動,土工合成材料的變形完全等價于瀝青層內(nèi)部的變形,當λ=0時,土工合成材料與瀝青混合料之間完全滑動,其失去加筋作用。根據(jù)力的相互作用原理,土工合成材料承受的應力應當與其施加于瀝青層中的應力大小相等、方向相反,并將式(7)帶入式(6)中,可得瀝青層加筋邊界處的變形與作用于瀝青層內(nèi)部的側向與豎向約束應力Sr′和q′之間的關系如式(8)。

(8)

2 加筋方案與車轍試驗

2.1 加筋方案

由式(8)可知,作用于瀝青層內(nèi)部的側向與豎向約束力的主要影響因素有土工合成材料的彈性模量、厚度、泊松比,土工合成材料與瀝青混合料之間的相對滑動因子,以及加筋邊界處瀝青混合料的側向與豎向變形。這些影響因素大致可以分為三大類,第一類為土工合成材料自身的物理特性,第二類為土工合成材料與瀝青混合料的邊界特性,第三類為加筋邊界處瀝青混合料自身的變形特性。第一類因素主要受土工合成材料種類的影響,為了綜合考慮土工合成材料種類的影響,選擇應用較多的土工格柵與土工格室分別代表二維與三維加筋結構應用于瀝青路面當中,性能見表1。

表1 土工合成材料性能參數(shù)

第二類因素主要受土工合成材料與瀝青混合料間的黏結劑影響,因此選擇黏性較好的SBS改性瀝青與相容性較好的環(huán)氧改性瀝青作為2種不同的黏結劑應用于加筋結構當中,其主要技術指標見表2。

表2 黏結劑主要技術指標檢測結果

針對其自身的變形特性,在加筋方案設計時方便調(diào)控的自變量為加筋層的深度H,而鋪筑時位于瀝青面層且上面層的厚度不適合土工合成材料加筋,所以在加筋方案設計時選擇的加筋位置為中層和下層。綜上所述,最終設計出12種不同的加筋方案見圖3。

圖3 土工合成材料的加筋方案

通過比較無加筋與方案1～12,12種加筋結構可知不同加筋條件下的加筋效果,比較方案1、2、3、4、5、6和7、8、9、10、11、12可得不同加筋條件下二維土工格柵和三維土工格室加筋的區(qū)別,通過比較方案4、5、6、10、11、12和1、2、3、7、8、9可得不同加筋條件下加筋位置的影響,而比較方案1、4、7、10,2、5、8、11和3、6、9、12則可知不同加筋條件下黏結劑在加筋過程中所體現(xiàn)的作用。

2.2 車轍試驗

為了得到最優(yōu)的土工合成材料加筋方案,分別進行上述不同加筋方案下的車轍試驗。考慮瀝青混合料在上述加筋方案下的抗永久變形性、并基于上述性能對抗車轍性能進行量化評估。由于現(xiàn)有研究對土工合成材料加筋瀝青混合料的力學性能測試暫無標準可循,因此本文中采用的測試方法僅部分參考瀝青混合料試驗章程。考慮到室內(nèi)試驗中土工合成材料的網(wǎng)格尺寸較小,所以同樣選擇粒徑偏小的AC-13型瀝青混合料,試驗方案見表3。

表3 車轍試驗方案

車轍板試件通過輪碾法成型,其尺寸為0.3 m×0.3 m×0.05 m,見圖4a)。車轍試驗前將試件放入環(huán)境箱中在目標溫度下養(yǎng)護6 h,進行試驗時的輪壓與標準軸載下的輪壓相同,為0.7 MPa,車轍試驗加載裝置見圖4b)。

圖4 車轍試件與車轍試驗加載裝置

3 結果與分析

根據(jù)表3中的試驗方案分別進行上述12種加筋方案下的車轍試驗以評估各加筋方案的永久變形性能,從而比較12種加筋方案的抗車轍效果。試驗中監(jiān)測得到上述12種加筋方案下累積豎向永久變形與輪碾周次關系曲線如圖5所示。由圖5可知,與未加筋時相比,同等條件下土工合成材料加筋瀝青混合料的豎向永久變形均有不同程度的減小,根據(jù)JTG E20-2011 《瀝青混合料試驗規(guī)范》,采用動穩(wěn)定度評價瀝青混合料的抗車轍性能,動穩(wěn)定度的計算方法如式(9)。

(9)

圖5 車轍試驗結果

式中:N為試驗輪往返碾壓速度。根據(jù)表3,往返輪碾速度N為42 次/min,因而45和60 min時的車轍變形與循環(huán)輪碾周次為1 890次和2 520次時的車轍變形相同,所以可以通過圖5讀取各個加筋方案在上述輪碾周次下的變形值,計算得到的動穩(wěn)定度,見表4。

表4 不同加筋方案下的動穩(wěn)定度

由表4可知,與未加筋相比,加筋后的動穩(wěn)定度有不同程度的增長,比較加筋方案1、7,2、8,3、9,4、10,5、11和6、12可知,同等條件下土工格室加筋后的動穩(wěn)定度均小于土工格柵加筋,結果表明土工格室加筋的抗車轍性能要優(yōu)于土工格柵。這是由于與土工格柵的摩擦和互鎖相比,土工格室加筋可以直接通過側壁對瀝青混合料進行約束。

由加筋方案4、1,5、2,6、3,10、7,11、8和12、9可知,同等條件下中層加筋時動穩(wěn)定度小于下層加筋,這是因為車轍主要是瀝青混合料在循環(huán)輪碾下向兩側的流動變形,中層加筋位置離流動變形區(qū)域更近,因此該位置有更強的抗車轍性能。

根據(jù)加筋方案1、2、3,4、5、6,7、8、9和10、11、12可知,加筋時在加筋邊界處設置黏結層有利于提升動穩(wěn)定度,且SBS改性瀝青黏結層的效果優(yōu)于環(huán)氧改性瀝青黏結層。這是由于黏結層的主要作用是提升土工合成材料與瀝青混合料間的黏附力,而SBS改性瀝青的黏附效果優(yōu)于環(huán)氧改性瀝青。為了評估不同加筋方案下瀝青混合料動穩(wěn)定度以未加筋瀝青混合料為基準,計算加筋后上述3項指標的變化,方法如式(10)所示。

(10)

式中:IR為上述各種方案加筋后的指標,IU為未加筋時的指標;CI為該指標的變化幅度。根據(jù)表4采用式(10)計算可得上述12種土工合成材料加筋方案下瀝青混合料的動穩(wěn)定度和疲勞壽命的增大幅度及彎曲蠕變速率的減小幅度,見圖5b)。根據(jù)圖5b)可知,對動穩(wěn)定度提升幅度最大的為加筋方案8,其達到103%。這表明加筋方案8的抗車轍性能最佳,即(土工合成材料)土工格室+(加筋位置)中層+(黏結層)SBS改性瀝青黏結層。

4 結語

本文基于彈性力學平衡原理、變形協(xié)調(diào)原理以及邊界條件,推導土工合成材料對瀝青混合料的加筋作用力,并基于加筋作用力的影響因素設計12種加筋方案,最后通過車轍試驗評估抗車轍性能最優(yōu)的加筋方案,研究結論如下。

1) 從土工合成材料的種類來看,土工格室加筋后的抗車轍性能遠高于土工格柵;從加筋邊界條件來看,設置SBS改性瀝青黏結層略優(yōu)于設置環(huán)氧改性瀝青黏結層且均優(yōu)于未設黏結層;從加筋層的位置來看,中層加筋時的抗車轍性能優(yōu)于下層加筋。

2) 土工合成材料加筋瀝青混合料能夠抑制車轍試驗中循環(huán)輪碾下瀝青混合料的豎向永久變形,提升動穩(wěn)定度。加筋方案8對動穩(wěn)定度的提升幅度最大,為103%,因此,抗車轍性能最佳的為加筋方案8。