土工合成材料加筋沥青混合料抗车辙性能研究

周天璧

(岳阳路桥集团有限公司 岳阳 414000)

由于当前交通量的提高,汽车轴载量的增加以及车辆行驶的渠化,使得我国高等级沥青公路的使用条件日益苛刻,路面永久变形、开裂等病害时有发生,这不仅影响路面服役时的舒适性和安全性,还会缩短其使用寿命,使路面的服役寿命远低于设计使用年限[1-3]。针对沥青路面出现的车辙病害问题,在现阶段建筑材料稀缺的背景下,许多研究者们开始从普通材料组合的方向出发以寻求解决沥青路面车辙病害的方法。当前工程界针对沥青路面车辙病害除了传统的挖、埋等填补式处理方式外,还有一种是在沥青层中嵌入土工合成材料从而形成一种全新的加筋复合夹层结构,与传统方式相比,除了相对可观的经济和社会效益外,还具有更加优越的病害处治效果[5-6]。

土工合成材料加筋能够使沥青路面结构的承载均匀化,其侧向约束作用可以在一定程度上抑制由车辆荷载造成的沥青混合料的剪切流动变形,从而减少车辙深度及沥青层底部的应力和应变,提升沥青路面的抗车辙性能,此外,加筋材料的种类与加筋位置均会影响其对抗车辙性能的提升效果[7-9]。本文从弹性力学的平衡原理、变形协调原理出发,考虑加筋边界条件的影响,推导出沥青层加筋边界处变形与土工合成材料约束力的关系,而后根据约束力的相关影响因素设计不同的沥青混合料加筋方案,最后通过车辙试验研究不同加筋方案下沥青混合料的抗车辙性能,为土工合成材料在沥青路面中的应用提供指导。

1 基于弹性力学的土工合成材料加筋理论推导

1.1 平衡原理

假设沥青层中的沥青混合料与土工合成材料的弹性模量和泊松比分别为Ea、Eg和μa、μg,当承受大小为p的均布荷载时,土工合成材料会随着路面的变形而变形。将土工合成材料的变形分解为竖向变形ω与平面变形μ,相应作用于沥青面层当中的竖向应力与平面应力分别为q和S。土工合成材料与沥青混合料形成的复合结构层厚度为h,距离表面的深度为H,荷载的分布角度为α,整个面层结构的受力状态见图1。

图1 土工合成材料加筋沥青层受力示意图

根据力的相互作用原理,土工合成材料作用于沥青面层当中的应力与沥青面层作用于土工合成材料本身的应力应当大小相等、方向相反,将土工合成材料考虑为自由体,其受到的竖向应力与平面应力分别为q′和S′,S′在平面中分解为Sr′和Sθ′,整个土工合成材料自由体在极坐标中的受力状态见图2。

图2 极坐标中土工合成材料自由体的应力状态

由于标准轴载为轴对称荷载,因此在轴对称和小变形的假设条件下,横断面应力状态中r方向和θ方向的平衡方程及纵断面应力状态的平衡方程,如式(1)。

(1)

式中:Tr和Tθ分别为土工合成材料在径向与纵向的拉应力;Sr′和Sθ′分别为作用于土工合成材料表面的面应力;q′为施加于土工合成材料上的竖向应力;w为土工合成材料的竖向变形。

1.2 变形协调原理

除了平衡方程外,还应考虑土工合成材料的物理方程,根据广义虎克定律,土工合成材料的径向应变εr和纵向应变ε0计算方法,如式(2)。

(2)

式中:Eg、hg和μg分别为土工合成材料的弹性模量、厚度、泊松比;σr和σθ为土工合成材料在径向和纵向上的应力,可分别用Tr/hr和Tθ/hθ表示。根据变形协调方程,土工合成材料的径向应变和纵向应变还可由其侧向和竖向的变形得到,由侧向与竖向变形产生的径向与纵向应变如式(3)。

(3)

将径向与纵向应变分别叠加可得径向与纵向总应变如式(4)。

(4)

将变形协调方程(4)带入物理方程(2)中可得径向与纵向拉应力Tr和Tθ如式(5)。

(5)

将式(5)带入平衡方程(1)中,可得土工合成材料侧向与竖向应力的变形表达式,如式(6)。

(6)

1.3 加筋边界相对滑动因子

式(6)中,w与μ分别为土工合成材料的竖向与侧向变形,理想状态下土工合成材料与沥青混合料之间不产生相对滑动,因此土工合成材料产生的变形应与加筋边界处沥青混合料的变形相同,而真实情况下土工合成材料与沥青混合料之间或多或少都会产生一定的相对滑动,因此假设土工合成材料的变形与沥青层内部的变形的关系如式(7)。

(7)

式中:w′与μ′分别为沥青层中加筋边界处沥青混合料产生的竖向与侧向变形;λ为滑动因子,表示土工合成材料与沥青混合料之间的相对滑动状态,其大小为0到1之间,当λ=1时,其不产生相对滑动,土工合成材料的变形完全等价于沥青层内部的变形,当λ=0时,土工合成材料与沥青混合料之间完全滑动,其失去加筋作用。根据力的相互作用原理,土工合成材料承受的应力应当与其施加于沥青层中的应力大小相等、方向相反,并将式(7)带入式(6)中,可得沥青层加筋边界处的变形与作用于沥青层内部的侧向与竖向约束应力Sr′和q′之间的关系如式(8)。

(8)

2 加筋方案与车辙试验

2.1 加筋方案

由式(8)可知,作用于沥青层内部的侧向与竖向约束力的主要影响因素有土工合成材料的弹性模量、厚度、泊松比,土工合成材料与沥青混合料之间的相对滑动因子,以及加筋边界处沥青混合料的侧向与竖向变形。这些影响因素大致可以分为三大类,第一类为土工合成材料自身的物理特性,第二类为土工合成材料与沥青混合料的边界特性,第三类为加筋边界处沥青混合料自身的变形特性。第一类因素主要受土工合成材料种类的影响,为了综合考虑土工合成材料种类的影响,选择应用较多的土工格栅与土工格室分别代表二维与三维加筋结构应用于沥青路面当中,性能见表1。

表1 土工合成材料性能参数

第二类因素主要受土工合成材料与沥青混合料间的黏结剂影响,因此选择黏性较好的SBS改性沥青与相容性较好的环氧改性沥青作为2种不同的黏结剂应用于加筋结构当中,其主要技术指标见表2。

表2 黏结剂主要技术指标检测结果

针对其自身的变形特性,在加筋方案设计时方便调控的自变量为加筋层的深度H,而铺筑时位于沥青面层且上面层的厚度不适合土工合成材料加筋,所以在加筋方案设计时选择的加筋位置为中层和下层。综上所述,最终设计出12种不同的加筋方案见图3。

图3 土工合成材料的加筋方案

通过比较无加筋与方案1～12,12种加筋结构可知不同加筋条件下的加筋效果,比较方案1、2、3、4、5、6和7、8、9、10、11、12可得不同加筋条件下二维土工格栅和三维土工格室加筋的区别,通过比较方案4、5、6、10、11、12和1、2、3、7、8、9可得不同加筋条件下加筋位置的影响,而比较方案1、4、7、10,2、5、8、11和3、6、9、12则可知不同加筋条件下黏结剂在加筋过程中所体现的作用。

2.2 车辙试验

为了得到最优的土工合成材料加筋方案,分别进行上述不同加筋方案下的车辙试验。考虑沥青混合料在上述加筋方案下的抗永久变形性、并基于上述性能对抗车辙性能进行量化评估。由于现有研究对土工合成材料加筋沥青混合料的力学性能测试暂无标准可循,因此本文中采用的测试方法仅部分参考沥青混合料试验章程。考虑到室内试验中土工合成材料的网格尺寸较小,所以同样选择粒径偏小的AC-13型沥青混合料,试验方案见表3。

表3 车辙试验方案

车辙板试件通过轮碾法成型,其尺寸为0.3 m×0.3 m×0.05 m,见图4a)。车辙试验前将试件放入环境箱中在目标温度下养护6 h,进行试验时的轮压与标准轴载下的轮压相同,为0.7 MPa,车辙试验加载装置见图4b)。

图4 车辙试件与车辙试验加载装置

3 结果与分析

根据表3中的试验方案分别进行上述12种加筋方案下的车辙试验以评估各加筋方案的永久变形性能,从而比较12种加筋方案的抗车辙效果。试验中监测得到上述12种加筋方案下累积竖向永久变形与轮碾周次关系曲线如图5所示。由图5可知,与未加筋时相比,同等条件下土工合成材料加筋沥青混合料的竖向永久变形均有不同程度的减小,根据JTG E20-2011 《沥青混合料试验规范》,采用动稳定度评价沥青混合料的抗车辙性能,动稳定度的计算方法如式(9)。

(9)

图5 车辙试验结果

式中:N为试验轮往返碾压速度。根据表3,往返轮碾速度N为42 次/min,因而45和60 min时的车辙变形与循环轮碾周次为1 890次和2 520次时的车辙变形相同,所以可以通过图5读取各个加筋方案在上述轮碾周次下的变形值,计算得到的动稳定度,见表4。

表4 不同加筋方案下的动稳定度

由表4可知,与未加筋相比,加筋后的动稳定度有不同程度的增长,比较加筋方案1、7,2、8,3、9,4、10,5、11和6、12可知,同等条件下土工格室加筋后的动稳定度均小于土工格栅加筋,结果表明土工格室加筋的抗车辙性能要优于土工格栅。这是由于与土工格栅的摩擦和互锁相比,土工格室加筋可以直接通过侧壁对沥青混合料进行约束。

由加筋方案4、1,5、2,6、3,10、7,11、8和12、9可知,同等条件下中层加筋时动稳定度小于下层加筋,这是因为车辙主要是沥青混合料在循环轮碾下向两侧的流动变形,中层加筋位置离流动变形区域更近,因此该位置有更强的抗车辙性能。

根据加筋方案1、2、3,4、5、6,7、8、9和10、11、12可知,加筋时在加筋边界处设置黏结层有利于提升动稳定度,且SBS改性沥青黏结层的效果优于环氧改性沥青黏结层。这是由于黏结层的主要作用是提升土工合成材料与沥青混合料间的黏附力,而SBS改性沥青的黏附效果优于环氧改性沥青。为了评估不同加筋方案下沥青混合料动稳定度以未加筋沥青混合料为基准,计算加筋后上述3项指标的变化,方法如式(10)所示。

(10)

式中:IR为上述各种方案加筋后的指标,IU为未加筋时的指标;CI为该指标的变化幅度。根据表4采用式(10)计算可得上述12种土工合成材料加筋方案下沥青混合料的动稳定度和疲劳寿命的增大幅度及弯曲蠕变速率的减小幅度,见图5b)。根据图5b)可知,对动稳定度提升幅度最大的为加筋方案8,其达到103%。这表明加筋方案8的抗车辙性能最佳,即(土工合成材料)土工格室+(加筋位置)中层+(黏结层)SBS改性沥青黏结层。

4 结语

本文基于弹性力学平衡原理、变形协调原理以及边界条件,推导土工合成材料对沥青混合料的加筋作用力,并基于加筋作用力的影响因素设计12种加筋方案,最后通过车辙试验评估抗车辙性能最优的加筋方案,研究结论如下。

1) 从土工合成材料的种类来看,土工格室加筋后的抗车辙性能远高于土工格栅;从加筋边界条件来看,设置SBS改性沥青黏结层略优于设置环氧改性沥青黏结层且均优于未设黏结层;从加筋层的位置来看,中层加筋时的抗车辙性能优于下层加筋。

2) 土工合成材料加筋沥青混合料能够抑制车辙试验中循环轮碾下沥青混合料的竖向永久变形,提升动稳定度。加筋方案8对动稳定度的提升幅度最大,为103%,因此,抗车辙性能最佳的为加筋方案8。