基于材料性能的沥青路面验收方法研究

2020-10-16黄硕磊任俊达李卓琳周健楠

辽宁省交通高等专科学校学报 2020年4期

黄硕磊任俊达李卓琳周健楠

（1.辽宁省交通科学研究院有限责任公司，辽宁沈阳 110000，2.高速公路养护技术交通运输行业重点实验室，辽宁沈阳 110000）

2017 版沥青路面设计规范中增加了材料模量、抗剪强度和胶结料低温性能这几个参数，同时相对于弯沉验收，材料参数验收较为直接，不需要进行温度和F 修正便可与设计值进行对比，可直接得到不同层位材料是否合格的判断。特别是对于半刚性基层沥青路面而言，弯沉一般在施工结束后1～3 年才趋于稳定，是一个长期的过程，而利用材料参数可在施工后直接得到是否合格的结论，具有更强的指导意义。沥青混合料的动态模量、高温抗剪切性能和低温抗裂性能能够很好地反应道路的工程质量。

Roque［1］等人于 1992 年开发了一套基于间接拉伸试验模式下评价沥青混合料性能的测试和分析方法，该方法通过三维有限元分析修正了变形测量中试件膨胀的影响以及二维平面应力假设的影响。该测量体系以试件中部变形为基准测定沥青混合料在线粘弹性范围内的劈裂动态回弹模量，以间接拉伸试件表面中部附近，垂直和水平应力分布相对稳定处（约为从试件中心至 2/3 半径范围内），分析沥青混合料特性。该测量体系被NCHRP1-28 Report 所采用，之后被广泛的应用于基于间接拉伸试验的沥青混合料性能测试［2］。四点弯曲试验也是获得沥青混合料动态模量的一个主要试验方法［3～6］，四点弯曲常用的试验控制方法有应力控制和应变控制两种，应力控制适用于较厚的路面（＞152mm），应变控制适用于较薄的路面（＜51mm）。破坏判定根据控制方法的不同而有所不同，应力控制时为试件的垂直变形在稳定粘弹性流动阶段发展到加速变形阶段出现反弯点为依据；而应变控制时是取模量下降到初始劲度模量的 50%来作为依据。虞将苗［7］采用四点弯曲试验方法分析了外部因素和内部因素对沥青混合料初始劲度和疲劳寿命的影响，并分别按外部因素和内部因素建立了初始劲度模量的回归方程。

单轴贯入试验类似于土工试验方法中的CBR试验，其原理就是在试件上使用小于试件直径的钢压头进行加载，通过这个试验来模拟路面中的实际受力状态，然后通过力学公式的推导，求出混合料的抗剪切强度。

我国在 “七五” 及 “八五” 两个国家科技攻关专题中对沥青混合料的低温评价方法进行了大量对比研究，基本上国外所有的试验方法我国相关单位都进行了实验［8］。但基本都停留在研究阶段，一般只作为评价方法，尚未建立我国的沥青混合料低温控制标准。

因此，针对多指标设计方法所控制的主要路面病害形式（疲劳、车辙和温度裂缝），基于传统的现场钻取芯样方法，开展材料参数验收方法研究，是快速有效检验路面施工过程中和结束后是否合格的可行的技术手段，也是目前我国相关规范的验收方法的有效技术补充。本文主要针对沥青混合料模量参数、剪切参数和低温抗裂参数进行研究。

1 路面动态模量验证

目前，室内动态模量测试开展得较为普遍的方法主要是间接拉伸试验、单轴压缩试验和四点弯曲试验。针对路面芯样检测而言，只有间接拉伸模式较为满足实际芯样的尺度要求，具有比较大的应用潜力和可行性，因此，综述实际需求和目前技术手段，最终确定间接拉伸模量作为模量参数的验收试验方法，同时与单轴压缩模量进行拟合。

1.1 间接拉伸模量试验方法

本文中间接拉伸模量的研究参考欧标EN12697-23 附录C 中规定的圆柱体试件间接拉伸模量试验（IT -CY）来进行评价［9］。

温度对沥青混合料间接拉伸劲度模量的测定有很大影响，本实验中采用试验设备为DTS-30（图7-3），本次试验温度为 20℃。试验仪器如图1 所示，试验夹具如图2 所示。采用端部法测量试件水平直径两端位移作为变形计算依据。

图1 DTS30 沥青混合料多功试验机

图2 间接拉伸动态模量试验

1.2 间接拉伸模量与单轴压缩模量关系确定

为进一步确定沥青混合料间接拉伸模量与单轴压缩模量之间的关系，将沥青混合料单轴压缩动态模量试验后的试件切为上下两部分，由于单轴压缩动态模量试验温度为20℃，其试件基本不会产生不可恢复的永久变形，因此，实验后的试件可用来进行间接拉伸动态模量试验，并对同一试件的两种模量测试结果进行对比分析，具有较好的代表性和一致性。

本文对基质沥青 LAC-25、SBS 改性沥青LAC-20、SBS 改性沥青 AC-16、SBS 改性沥青SMA-13L 共计4 种沥青混合料类型进行间接拉伸动态模量试验，并与单轴压缩动态模量进行对比分析，以期建立相应的联系。表1 为间接拉伸动态模量试验结果，表2 为单轴压缩动态模量试验结果。

表1 间接拉伸动态模量试验结果

续表

表2 不同类型沥青混合料动态模量试验结果

为了进一步提高拟合精度，采用分组拟合的方法，得到不同混合料类型两种模量的转换关系如图3～图6 所示。

图3 LAC-25 混合料单轴压缩动态模量与间接拉伸动态模量关系

图4 LAC-20 混合料单轴压缩动态模量与间接拉伸动态模量关系

图5 LAC-16 混合料单轴压缩动态模量与间接拉伸动态模量关系

图6 SMA-13L 混合料单轴压缩动态模量与间接拉伸动态模量关系

由图3～图6 可知，对于 LAC-25，LAC-20、LAC-16 和SMA-13L，不同类型沥青混合料的单轴压缩动态模量和间接拉伸动态模量的比例不同，但相关系数均达到了0.8 左右。由上述分析可知，在建立了两种模量的对应关系后，即可利用现场取芯芯样进行间接拉伸模量测试，经转化后可与设计所使用的单轴压缩模量对比，从而能够分析现场模量与设计模量的符合程度。

2 路面高温性能验证

2.1 基于现场芯样的贯入剪切试验

单轴贯入试验类似于土工试验方法中的CBR试验，其原理就是在试件上使用小于试件直径的钢压头进行加载，通过这个试验来模拟路面中的实际受力状态，然后通过力学公式的推导，求出混合料的抗剪切强度［10-12］。

如图7 所示，首先将路面模型简化为一定尺寸的圆柱体，其上施加一定的荷载，当图中的r/R （r 为压头直径，R 为试件直径。）比值足够小时，其受力状态与实际路面的受力状态非常接近，有限元力学分析证明了这一点，见图8，从图8 中看出，单轴贯入试验中的应力分布与荷载作用下的实际道路中的应力分布较为接近。因此，我们可以认为，采用单轴贯入试验方法评价沥青混合料的抗剪强度是合理的。为了比较道路中与试件中的应力分布，将道路中的应力分布于试件中的应力分布综合到一张图上。对于道路中的应力分布，画图时纵坐标为 “深度 Z （cm） /作用圆直径D （cm）”，横坐标为计算的应力值。同样对于试件中的应力分布，画图时纵坐标为“高度（cm） /压头直径（cm）” 横坐标为计算的应力值。该图给出了道路中的剪应力分布和试件中的剪应力分布对比。

图7 单轴贯入试验模型

图8 沿深度方向剪应力分布比较图

2.2 现场芯样贯入剪切试验结果

由于试验试件为现场取芯试样，因此为了与设计厚度为100±2.0mm 试件性能相对应，对厚度不为 100mm 非标准高度试件，应按式（1）、式（2）对试验结果进行高度修正。

对于直径为150mm，厚度38mm≤h＜100mm的试件：

对于直径为 100，厚度 38mm≤h＜100mm 的试件：

贯入剪切强度的试验验证以施工现场芯样的测试结果为代表，对不同标段，不同层位的芯样进行贯入试验，试验结果见表3～表7 所示。

表3 第一段下面层抗剪强度试验结果

表4 第一段中面层抗剪强度试验结果

表5 第二段现场成型中面层抗剪强度试验结果

表6 第二段中面层抗剪强度试验结果

表7 第二段下面层抗剪强度试验结果

续表

由表3～表7 可以看出，路面现场芯样的抗剪强度基本能满足要求，而实验室成型芯样的抗剪强度较好，从试验数据分析来看，现场成型的试验的空隙率较低，混合料的均质性较好，因此，对于路面实际施工过程中，应确保混合料的摊铺温度和碾压工艺，适当提高路面的压实度，使得施工后的空隙率满足设计文件要求，并在摊铺过程中，避免混合料的离析，提高路面施工的均匀性。

3 路面低温抗裂性能验证

美国SHRP 研究项目开发的低温间接拉伸蠕变试验可以测定沥青混合料在低温时的蠕变柔度和抗拉强度，对路面芯样的适用性较好［13-15］，因此，本文采用该试验方法评价沥青混合料的低温性能，并与沥青的低温性能建立相应的关联。

沥青混合料蠕变破坏是指一定应力作用下，变形随时间的增加而增加达到某一极限应变时，应变不再按原来稳定流动方式增加，应变速率发生突变，继续增加应变可能造成试件断裂。

图9 典型蠕变试验曲线

如图9 所示，蠕变应变时间曲线可划分为三个阶段即迁移蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段。迁移蠕变阶段的变形速率逐渐减小，其变形由材料结构中的延迟弹性变形决定，卸去荷载后，迁移蠕变变形可以部分地随时间延续而逐渐恢复，稳定蠕变变形主要由材料的粘性流动变形机构决定，此变形不可恢复，其变形速率保持不变是等速期，同时定义稳定蠕变阶段与加速蠕变阶段的转折点为蠕变破坏时间，对同一种沥青混合料经受应力水平越小，延迟时间分布的时间里程越长，反之经受应力水平越大，蠕变破坏时间便短、由于迁移蠕变变形和稳定蠕变变形机理不同，其变形速率不同，使得蠕变变形本身具有明显非线性［16-17］。沥青混合料低温间接拉伸蠕变试验如图10 所示。