基于MMLS3的特种沥青路面野外加速加载试验评估

陈箫剑　朱富万　吴威伟　白伟

作者简介：陈箫剑（1992—），硕士，工程师，主要从事高速公路建设管理工作。

摘要：文章针对广西某高速公路三种结构沥青路面（石墨烯橡胶复合改性沥青路面、高模量EME-14沥青路面、广西高速典型路面结构）开展野外MMLS3加速加载试验，采用车辙深度、蠕变速率、断面形态等指标，分析评估不同沥青路面结构抵抗永久变形的性能差异，同时积累野外实测数据。结果表明：高模量路面结构具有最优的长期抗车辙能力;石墨烯橡胶复合改性沥青上面层沥青膜剥落情况明显优于SBS上面层，同时具有更好的抗剪切性能。

关键词：MMLS3加速加载试验;特种沥青路面;永久变形;车辙形态

中国分类号：U416.03A230864

0 引言

近年来国内外开展了大量的沥青路面加速加载试验APT（Accelerated Pavement Testing），该试验通过设定的条件对路面或芯样进行连续加载，在较短的时间内建立路面结构使用性能的变化规律，能够为路面材料和结构评价、寿命预测提供科学依据。其中MMLS3（One-third scale Model Mobile Load Simulator）加速加载设备因其体积较小、重量较轻、运输方便，既可用于室内试验，也可用于野外试验[1]，在国内外得到一定程度的推广应用。MMLS3设备主要由南非PAVE TESTING公司生产，其加载轮尺寸约为足尺的1/3，目前应用国家地区包括美国、欧洲、中国、南非、澳洲等。

国内拥有MMLS3加速加载设备的高校、科研机构已有数十家，目前主要开展试验条件、加载次数、混合料性能评估等室内加载研究工作[2-5]，缺少相关野外加载数据。因此本文拟基于MMLS3加速加载试验，依托广西某高速特种沥青路面（2018年11月建成通車），开展MMLS3野外加速加载试验评估，积累野外实测数据，并结合广西地区高速公路建设特点，分析不同路面结构方案的适用性。

1 路面结构情况与加载方案

1.1 路面结构情况

本次野外MMLS3加载路面结构主要包括三种，分别是石墨烯橡胶复合改性沥青路面结构、高模量EME-14路面结构以及广西地区典型高速公路路面结构（SBS路面结构），详细路面结构形式如表1所示。其中，石墨烯橡胶复合改性沥青用于上面层，以提升表面层的抗车辙、抗磨耗性能;高模量EME-14用于中下面层，采用12 cm一次摊铺碾压成型，以提升中下面层的抗车辙与抗疲劳性能。以下分别以石墨烯、高模量、SBS作为三种路面结构代号进行分析评估。

如表2所示为以上路面结构所采用的混合料性能参数。从表2中可以看出，采用石墨烯橡胶复合改性沥青后，AC-13C稳定度提升明显，但动稳定度略有降低，而高模量EME-14稳定度与动稳定度结果均有显著提升。

1.2 设备介绍与加载方案

1.2.1 设备介绍

MMLS3区别于传统车辙试验，采用充气轮胎、单向加载模式，有空气浴和水浴两种试验环境，能够在短时间内模拟沥青混合料的推移情况。MMLS3设备主要包括加载主体、高温水浴装置、车辙断面仪以及热风装置等，其所加载荷载为1.9～2.7 kN，轮胎气压为0.7 MPa，加载速度为1～22 km/h，碾压次数最大约7 200 次/h。

1.2.2 加载方案

本次道路模拟实验选用最大荷载为2.7 kN，加载速度为22 km/h，胎压为0.7 MPa，并考虑广西夏天炎热、雨量充足等气候特点，选用高温60 ℃水浴条件，并采用车辙断面仪沿着轮迹横断面测量车辙深度。如图1所示，共测量7个断面，记录各个断面下不同加载次数的车辙深度（0次、1 000次、2 000次、5 000次、10 000次、50 000次、100 000次、150 000次、200 000次、250 000次、300 000次、400 000、500 000次），评价不同路面结构的抗车辙能力。采用车辙深度、车辙发展速率、车辙断面形态等指标评估各路面结构在高温环境下抵抗车辙变形的能力。

2 加速加载试验结果与分析

2.1 车辙深度试验结果

加载50万次后的车辙深度试验结果如表3所示，三种路面结构加载后的深度基本处于同一水平，约为1.6～1.7 mm，无明显差别。

针对路面车辙形态及车辙表观情况展开分析，得到以下结论：

（1）石墨烯与SBS路面车辙形态主要为“V”型，高模量为“W”型。这主要是由于高模量路面结构中下层位模量较高，承受荷载作用时变形较小，并间接导致上面层部分位置剪切应力与应变增大[6]，呈现较为均布的车辙变形。如图2所示。

（2）从轮迹表面来看（见图3），SBS上面层沥青膜剥落情况明显差于石墨烯上面层。分析其原因，主要是石墨烯通过纳米改性在一定程度上改善了沥青的粘附性能与水稳定性能[7]。

2.2 车辙发展速率分析

从车辙深度试验结果分析来看，MMLS3对于不同形式路面结构的抗车辙性能区分度存在一定缺陷，因此结合不同加载次数的车辙深度开展车辙发展速率分析，能够表征车辙发展不同阶段的高温稳定性能，并预测未来车辙发展状况。车辙发展主要采用蠕变速率（次/mm）指标进行分析，如表4～5和图4～5所示。

从车辙深度变化情况来看，车辙发展主要分为两个阶段：（1）前期压密阶段，约为20～30万次（车辙深度占加载50万次车辙深度的80%～90%），主要特征为车辙深度发展较快，蠕变速率变化较大;（2）车辙蠕变阶段，车辙深度发展较慢，蠕变速率相对稳定。

此外，三种路面结构车辙深度、蠕变速率发展趋势基本一致，呈先快速增大后逐渐稳定趋势。对第二阶段30～50万次的车辙深度进行线性拟合，并计算不同路面结构的蠕变速率，横向对比发现高模量路面>SBS路面>石墨烯路面，表明高模量路面结构具有最优的长期抵抗车辙能力。

2.3 车辙断面形态分析

对于新建路面而言，车辙产生主要包括压密性车辙与剪切性车辙，针对不同路面结构的车辙断面形态开展分析能够对车辙的产生机理进行确认。本文采用拱起面积与轮迹带凹陷面积之间的比例作为车辙断面形态评价指标（见图6），如式（1）所示，分析造成车辙产生的原因。

不同路面结构拱起面积占轮迹带凹陷面积的比例如表6、图7所示。经分析可得出以下结论：

（1）整体来看，三种路面结构的这一指标均呈现较大数值，表明三种路面结构车辙变形主要为剪切导致，从侧面说明路面的前期压实效果处于较好水平。

（2）横向对比来看，石墨烯路面结构该指标明显低于SBS与高模量路面，表明石墨烯路面车辙发展过程中，剪切性变形比例低于其他两种路面结构，具有更好的抗剪切性能。

3 结语

本文主要依托广西某高速公路，基于MMLS3设备在野外开展路面结构整體加速加载试验，得出以下结论：

（1）通过对三种路面结构形式50万次加速加载试验，加载后的深度基本处于同一水平，约为1.6～1.7 mm，无明显差别。石墨烯与SBS路面车辙断面形态主要为“V”型，高模量为“W”型，这主要是由于高模量路面结构中下层位模量较高，承受荷载作用时变形较小，并间接导致上面层部分位置剪切应力与应变增大。此外，石墨烯橡胶复合改性沥青上面层沥青膜剥落情况明显优于SBS上面层。

（2）从车辙深度变化规律看出，对于新建路面车辙发展主要分为两个阶段：第一阶段为压密阶段，主要受施工因素影响;第二阶段为蠕变阶段，该阶段车辙发展速度直接影响路面的长期性能。通过对第二阶段车辙发展速率拟合并计算不同路面结构的蠕变速率，横向对比发现高模量路面>SBS路面>石墨烯路面，表明高模量路面结构具有最优的长期抵抗车辙能力。

（3）通过计算不同路面结构拱起面积占轮迹带凹陷面积的比例发现，石墨烯路面剪切性变形比例低于其他两种路面结构，具有更好的抗剪切性能。

参考文献：

[1]赵倩倩.MMLS3试验方法介绍[J].北方交通，2013（6）：40-43.

[2]申爱琴，郭寅川，车 飞，等.基于MMLS3试验的混合料离析对沥青路面长期高温性能的影响[J].中国公路学报，2012，25（3）：80-86.

[3]武金婷，叶 奋，赵倩倩.基于MMLS3的改性沥青混合料高温稳定性研究[J].建筑材料学报，2012（5）：78-83.

[4]苏志翔，李淑明，吴小虎.MMLS3加速加载试验模型路面结构相似性设计[J].长沙理工大学学报，2014（1）：16-23.

[5]赵顺根，许新权.基于MMLS3的西部环道性能预测研究概述[J].科学之友，2012（10）：49-50.

[6]高 明 ，高模量沥青混凝土对沥青路面结构的高温受力影响分析[J].中外公路，2018，38（1）：283-287.

[7]候林杰.纳米石墨烯改性沥青流变性能研究[J].华东交通大学学报，2018（4）：133-137.

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