基于多级应力局部加载的路面芯样高温蠕变试验研究

江红

(安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230008)*

近几年我国的高速公路已经从单纯的建设期进入建管并重的阶段，高效的、经济的养护决策受到越来越多的关注.由于养护决策对于路面材料性能评估的依赖性较高，提出和改进路面材料评估试验和指标意义重大.在沥青混合料高温性能方面，国内外学者做了大量的相关研究，涉及汉堡车辙试验、高温蠕变试验及多级加载蠕变试验等.首先，在汉堡车辙试验方面，栗培龙等[1]从水温两个角度分析了汉堡车辙试验的试验条件和成型方式，认为旋转压实成型的试件可以替代板式试件进行试验，并针对不同等级沥青和改性沥青提出了相应的试验温度；刘至飞等[2]采用实际板式芯样进行汉堡车辙试验，研究了车辙发展曲线的斜率和反弯点，认为松散病害越严重的区域，试件的抗车辙和抗水损坏性能越差；行车道芯样在后期的破坏较路肩芯样迅速.其次，动态模量作为一种沥青混合料基本指标，在粘弹性分析和沥青老化评价方面较为重要[3].徐志荣等[4]基于静压成型的沥青混合料试件和无侧限抗压试验测试方法，对比分析了不同加载频率和应力水平对动态模量的影响，完善了动态模量测试方法；对于多级加载蠕变试验的研究方面，张泉等[5]参考美国versys手册，采用5级应力的加载模式进行单轴压缩蠕变试验，研究了沥青混合料永久变形的组成并建立了其随时间的变形公式；张争奇等[6]进行了沥青混合料重复加载蠕变试验，采用先旋转压实成型后取芯的方法获取试件，研究了不同结构组合对试验结果的影响，提出了相应的评价指标.从以上三种试验来看，汉堡车辙试验较为成熟，发展时期较长，但其采用钢轮的加载模式具有本质上的系统缺陷，且加载时混合料的围压与路面情况不符，而蠕变试验可以采用较小的压头，进行多种频率，多种间歇时间的加载，更加广泛的模拟路面实际车辆行驶情况.目前针对于芯样的蠕变试验较少，且加载应力和试验温度也没有明确的规定.

因此，本文基于沥青混合料蠕变试验，采用局部50 cm小压头，编写多应力级别加载程序，针对路面芯样进行试验，并对整体和分层芯样进行高温性能评价，利用试验指标分析路面芯样的三阶段性能，成功用于某高速公路路面材料的高温性能评价.

1 试验方案

1.1 芯样信息

本次试验的试件取自某高速公路六个不同路段，共三种结构类型，皆为双层改性沥青，直径150 mm.收集各路段的车辙信息，用于分析路用性能和材料之间的关系，具体路段信息见表1.

表1 芯样路段信息

1.2 试验方法

由于实际路面在使用过程中承受不同轴重的车辆荷载，且上中下面层受力情况也不尽相同.由此可知以往的室内试验存在两大缺陷：一是忽略上中下层位实际受荷载的不同；二是试验荷载水平与轴载水平对应关系不明确.基于此，本研究利用多层弹性体系数值模拟的方法，确定了不同层位的荷载水平，并参考路面管理系统中的真实轴载谱信息(见图1)，通过式(1)——轴载和应力的换算，得到六级不同的应力水平，分别是：上面层为0.6～1.1 MPa，中面层为0.5～1.0 MPa，下面层为0.4～0.9 MPa.

轴载和应力的换算公式：

(1)

式中，σi是轴重qi(单位：kN)下的轮胎接地压力(单位：kPa)；σs是标准轴重100kN下的轮胎接地压力，即700 kPa.

参考董尼娅等的试验方法[7-8]，加载设备为UTM-25，加载模式为伺服加载，应力曲线为半正弦波，脉冲时长0.1 s，间歇时间0.9 s，采用先单一应力预加载后多级应力循环加载的模式.部分试验条件如下：加载次数为1 000，预加载应力为0.7 MPa整体温度为62℃，分层温度为上面层62℃、中面层58℃、下面层52℃.加载时在压头之下铺一层聚酯乳胶垫，以减小压头周围的环箍效应对试验结果的影响.

2 试验相关原理

2.1 蠕变三阶段曲线

图2是典型的(0.7 MPa，60℃)重复加载蠕变试验中材料的累计应变及永久应变率的三阶段发展趋势.如图中粗线所示，在蠕变初期，混合料的累积永久变形可以近似为发展速度不断下降的幂函数；在蠕变稳定期，累积永久变形则基本呈线性增加；当进入了蠕变加速期，累积永久变形则出现指数型增长.相应的，累积永久变形的一阶导数即为永久应变率，代表了变形速度的快慢.本文主要利用应变率三阶段曲线进行分析.

2.2 试验指标

本试验加载分为两个阶段：预加载与正式加载.为简洁直观起见，本文基于应变率提出两个指标：预加载阶段的平均永久应变率(简称平均永久应变率)和正式加载阶段的复合平均永久应变率(简称复合平均永久应变率).此外，基于材料在荷载作用下的抗变形能力，提出了复合蠕变劲度模量指标.相关定义如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

3 结果与分析

3.1 各路段车辙发展规律

路面的车辙是一个动态变化的过程，如果不进行养护，车辙会随着年份的增长而不断加深.以往研究表明，路面车辙增长呈现先加速后稳定的变化趋势[9-10]，其内部成因与路面荷载和材料性能有关，为了分析车辙与荷载的关系，查询路面管理系统，获得各个路段车辙随年份的增长规律，见图3.

从图3(a)可以看出，轴载作用次数在2016年和2017年增长速率放缓，路段1、2、3甚至出现下降趋势.路段4呈增长趋势，路段5和路段6保持稳定.车辙增长的本质主要是轴载次数的累积.

从图3(b)可以看出，车辙深度随着年份增加而增大.该高速从2010～2018年的车辙呈较快的增长趋势，在2017～2018年初步达到较为稳定的状态.为统一车辙和当量轴次之间的关系，以路段1为例，查询桩号为K148+500从2010～2018年的车辙，将当量轴载次数归一化，即转换为每万次当量轴载车辙增长量，结果见图3(c).从图中可以看出，每万次当量轴载车辙增长量随着通车时间的增加，从较高的增长量逐渐趋于稳定，说明宏观的车辙增长趋势也符合沥青混合料蠕变前两阶段，存在压密阶段向稳定阶段过渡的拐点，进一步验证了本试验的可行性.但实际上，当车辙增长到较大值，比如超过15 mm时，养护部门便会对其实施养护，所以路面实际车辙往往不会出现第三阶段.

3.2 试验结果分析

3.2.1 整体芯样试验结果

图4(a)是各路段两个位置处的整体芯样在预加载阶段内的平均永久应变率.从图中可知，除路段1之外，其余路段轮迹带处的平均永久应变率均小于其对应路肩处的.由于路肩处所承受的交通轴载要远小于行车道，也就意味着行车道处的混合料被压密的程度大于路肩处，尤其是在轮迹带处.一般认为，路肩与轮迹带的差值越大，轮迹带的压密阶段进行的越彻底.图4(b)是在多序列加载阶段整体芯样的复合平均永久应变率.可知，与预加载阶段内的平均永久应变率相似，多序列加载阶段内的复合平均永久应变率依然在路肩处较大.复合平均永久应变率未考虑材料在加载初期的塑性变形，而复合蠕变劲度模量的计算则包含了这部分变形.在衡量材料的高温性能时，两个指标可以相互补充、相互印证.

综上，路段1的轮迹带应变率大于路肩，可能存在某面层高温性能不良的情况，但总体应变率数值较小，高温性能较为良好.

3.2.2 分层芯样试验结果

整体芯样的结果分析认为：多级加载的局部动态蠕变试验可以较为直观的得到沥青混合料蠕变三阶段，通过统计试验结果得到的阈值与三阶段有较好的相关性.由于沥青路面的车辙与材料的高温性能息息相关，为了探究车辙与蠕变试验指标之间的相关性，进而得到以车辙为自变量的沥青混合料蠕变三阶段分界点，将各个芯样对应的车辙作为横坐标，各蠕变试验指标作为纵坐标，以分层试验数据为基础，得到图5～图7.

(1)上面层

从图5中可以看出，轮迹带处芯样的三大指标与路肩有明显区别.轮迹带处应变率小于路肩，模量大于路肩，符合压密理论.当车辙为6.5 mm时，平均永久应变率和复合永久应变率较大，说明此时的沥青混合料处于压密阶段初期，预加载不足以覆盖全部的压密阶段，正式加载中包含了压密阶段.通过分析，可以认为车辙为7～10 mm的芯样均处于蠕变稳定阶段，芯样车辙为10.5 mm所在的位置为路段1，上面层高温性能严重衰退，已经进入蠕变第三阶段，其平均永久应变率与复合永久应变率均超过路肩.从图中可以推断，车辙在7 mm之前，芯样上面层处于压密阶段，当车辙超过10 mm以后，芯样上面层高温性能出现下降趋势.

(2)中面层

从图6中可以看出，车辙越大，其平均永久应变率越小，进一步佐证压密作用.注意到车辙为7、7.5 mm的芯样预加载阶段的应变率较大，而正式加载阶段的复合平均永久应变率较小，说明其仍然处于压密阶段，由于预加载的应变率较大，导致复合蠕变劲度模量较小.从复合平均永久应变率的趋势图中可以看出，曲线呈现两头较大，中间较小的形态，说明车辙为10.3 mm的芯样中面层高温性能出现一定衰减，但不显著.其原因是中面层受环境和荷载影响没有上面层明显，其高温性能的衰减速率慢于上面层.从图中可以推断，车辙在7.5 mm之前，芯样中面层处于压密阶段，当车辙超过10.5 mm以后，芯样中面层高温性能出现下降趋势.

(3)下面层

从图7中可以看出，由于下面层受荷载和环境影响小，轮迹带处芯样的三大指标数值总体接近路肩.从预加载阶段的平均应变率来看，在车辙为9.75 mm之后，下面层的压密过程进行的较为彻底，复合平均永久应变率也存在类似规律.车辙为7.5 mm的芯样(路段2)复合平均永久应变率出现突变，其轮迹带和路肩的应变率均较高，原始试验数据中，三个平行试件，两个应变率超过30με/cycle，可能是由于施工质量引起的.从图中可以推断，车辙在9 mm之前，芯样下面层处于压密阶段，当车辙超过10 mm以后，芯样下面层高温性能出现下降趋势.

综上所述，可以认为，上面层芯样进入稳定阶段的拐点车辙是7 mm，进入破坏阶段的车辙是10mm；中面层进入稳定阶段的拐点车辙是7.5mm，进入破坏阶段的车辙是10.5 mm；下面层进入稳定阶段的拐点车辙是9 mm，进入破坏阶段的车辙有待进一步研究.本次芯样试验结果上中面层拐点区别不明显，以上归纳为表2，也可根据此结论制定养护方案.

表2 各面层高温性能分布情况

4 结论

(1)本研究创新性地提出了多级局部加载蠕变试验方法和指标，分析了轮迹带和路肩处芯样的蠕变三阶段，验证了三大指标：平均永久应变率、复合平均永久应变率和复合蠕变劲度模量的有效性，可为沥青路面材料高温性能评价提供一种新的试验方法；

(2)利用车辙与试验指标之间的关系，基于材料蠕变三阶段的分析，得到了以宏观车辙为指标的路面材料高温稳定性三阶段分界点，可为路面养护决策提供一种新的支撑和依据.