路面沥青混合料永久性变形机理及三轴重复荷载试验研究

吴招锋，李 佳

(1.南昌轨道交通集团有限公司;2.南昌轨道交通集团有限公司)

1 路面沥青混合料形成永久变形的机理分析

沥青路面的车辙可分为5 个类型，即:(1)结构类车辙;(2)压实性车辙;(3)沥青混合料的侧向流动变形;(4)磨损性车辙;(5)水损害性车辙。在沥青混合料永久变形的形成机理的说法中，主要的说法为两种:第一种是在荷载作用下产生的压密与剪切变形。在荷载的作用下，沥青混合料的初期空隙率能够使体积变化迅速变小;剪切变形的产生原因是由于在车辆荷载作用下，其产生的剪应力大于沥青混合料自身的抗剪切能力，从而导致变形。研究表明，在建立沥青路面永久变形的预估模型时，需要考虑到两个因素，即沥青混合料的压密与塑性流动变形。塑性流动不包括材料体积的变化是因为材料的所迁移产生的，当材料承受不了出现的剪切强度或是经受了长期的蠕变，就会发生永久变形。第二种是变形是路面出现的变形中最多的变形行为，可将其变形概括为三个过程:初期压实密实、流动的沥青混合料、沥青混合料中的集料重新排列。在沥青混合料的永久变形中，可以通过2 个方面能够对其永久变形进行控制，一个方面是在施工完成后，沥青路面正处于高温情况下，沥青混合料其内部沥青的流动与集料的结构的稳定性;另一方面是在施工中，对沥青混合料的压实度要严格要求，其压实度必须要达到规范要求。

2 三轴重复荷载永久变形试验设计

2.1 永久变形试验试件的制备

三轴重复荷载永久变形的试验使用的是旋转压实仪(SGC)成型的圆柱体试件。这种压实仪主要构成为:内置式脱模器、集成计算机控制系统、封闭的压实室等组成。其中压实室的组成结构为:加压头、可调连接臂、模具转轮、固定连接臂等。为了能够获得高度合适、材料均匀的试件，首先通过根据目标空隙成型Φ150 mm ×H200 mm 的大型试件，然后从所得的大型试件中的中心取芯，使用单刃或双刃锯将其切割成Φ100 mm×H200 mm 的试件。并测量所得的钻芯试件的空隙率，保证其空隙率的范围在5% ±0.5%。试件在切割完后，根据其对磨光的需要，保证在侧面与端面的凹凸差值控制在小于0.05 mm 范围内。混合料在成型试件前需要进行短期老化处理，即将拌和好的混合料松散摊开，将其放置在135 ℃的烘箱中4 h，同时每个小时都要对其进行翻动，这样保证混合料的老化达到一致均匀的效果。

2.2 试验设备及方案的确定

进行的重复加载动三轴试验采用了英国COOPER 公司生产的CRT－NU14 气动伺服材料试验机。本所采用的试验原理是利用气体或者液体的压力为圆柱体试件提供围压，这样对实际道路的侧向约束作用进行模拟;同时采用轴向加载器，以便对试件施加轴向压力，使试件产生偏应力，这样便模拟了行车荷载对路面材料的作用。该仪器利用了气动伺服封闭循环系统，利用其对路面材料进行加载，加载则按加载0.2 s 卸载0.8 s 的方式。使计算机来控制加载，卸载和数据的采集工作。NU14 三轴仪主要由五部分组成，即三轴室、轴向加载器、围压控制器、温度控制箱、数据采集和控制系统。其中三轴室拥有高温控制系统，控制高温为60 ℃，并且具有较高的准确度，在压力恒定的情况下，精确度可达到1 ℃。集传感器及位移计的电测信号，荷载和位移的分辨率分别为1N 和1μm。当试样的轴向应变在控制系统的作用下超过5%或超过了用户指定试验周期，则该试验需强行中止。

在试验时，用橡皮膜将试件包裹，并置于压力室中，利用围压施加系统对压力室中空气加压，此时空气充当了传递媒介，能够对试样施加了围压σc，试样在此时处于各向等压状态，即=σ2=σ3=σc;之后利用活塞杆使轴向产生偏应力，则轴向总应力σ1=+，其中σ1，σ2和σ3分别为三向主应力。

在三个温度条件、三种偏应力水平下对三种沥青混合料SMA－13、AC－20、ATB－30 进行了三轴重复荷载永久变形试验。试验方案如下。

试验历程:预压0.01 MPa，并加载100 次。在完成预压阶段后，继续施加要求的荷载，同样采用加载0.2 s，卸载0.8 s 的加载方式循环10 000 次。

预压:以轴向总压力0.02 MPa，接触压力0.01 MPa 预压100 s;偏应力水平:0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa。

试验温度:20 ℃、30 ℃、40 ℃。

荷载波形:半正弦波间歇荷载，加载0.2 s，卸载0.8 s。

在达到设置的荷载作用次数10 000 次或者达到5%的沥青混合料的永久变形，停止加载试验。

3 试验结果分析

在恒温为20 ℃、30 ℃、40 ℃的条件下，分别为对SMA－13、AC－20 和ATB－30 三种级配的沥青混合料进行了三轴重复荷载永久变形试验，其中每一种温度都进行了荷载峰值试验，所采用的荷载峰值为三种:0.3 MPa、0.5 MPa 和0.7 MPa。三轴重复荷载永久变形试验数据采集界面如图1 所示。

图1 数据采集界面

试验结果显示。

(1)当荷载循环数增加时，沥青混合料的永久变形也变大，SMA－13、AC－20 、ATB－30 这三种沥青混合料的永久变形累积过程中都出现迁移、稳定、破坏这三种阶段，三种阶段都有着自己特点，迁移阶段会出现快速压密的情况，稳定阶段变形线性增大，破坏阶段则变形快速发展，这种结果正好与许多研究永久变形发展历程的研究结果相吻合，这表明三轴重复荷载永久变形的结果能够合理反映路用沥青混合料的永久变形性。

(2)在温度相同的环境下，在应力水平的增加时，在相同的荷载作用次数下的永久变形也会同时增大，这使沥青混合料的变形加快，永久应变发展速率增大，同时破坏期也提前到来;这说明快加路面永久变形的产生的原因中，重载也是其中之一。

(3)在相同偏应力下的情况下，随着温度升高，在相同的荷载作用次数下的永久变形会明显增大，沥青混合料变形迅速增加，这说明温度的升高会加快沥青混合料永久变形的形成，从而在高温环境地区，为了保证路面质量，需要采取适当的改进沥青混合料的高温抗永久变形能力。

(4)温度和偏应力对沥青混合料的永久变形量都具较大的影响，为提高沥青路面在荷载、高温的作用下的抗变形能力，可采取改善沥青胶结料性能、调整级配等各种途径。

(5)温度、应力和荷载循环次数(时间)是效果等价的，即在产生永久变形上，高应力短时间与低应力长时间，其产生的效果是等价的，同理，高温短时间与低温长时间也同样是效果等价的。

4 结束语

对SMA－13、AC－20、ATB－30 三种沥青混合料在不同温度及不同偏应力下的情况下进行三轴重复荷载永久变形试验得到了其永久变形的结果。其试验结果表明，在偏应力水平的增大、温度升高的情况下，永久变形也会随之增大。高应力短时间与低应力长时间在产生永久变形总量上是效果等价的，同时高温短时间与低温长时间也同样是效果等价的。

［1］王旭东，沙爱民，许志鸿.沥青路面材料动力特性与动态参数［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［2］沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防［M］.北京:人民交通出版社，2001:140－288.