车辙指标（通用4篇）
车辙指标 篇1
1 概述
本篇文章主要是在充分吸收国外沥青路面设计措施的基础以及相关指标上, 来与我国沥青路面呈现出的实际使用特点、经验等进行了全面详细的分析, 进而深入的分析我国沥青路面设计规范工作中, 对于路基顶面竖向压应变、面层材料剪应力指标增加, 达到抗车辙指标目的的可行性进行了探讨。
2 路基顶面竖向压应变指标
在1962年, 国外就有专业人士, 提出了利用对路基顶面竖向压力、压应变力进行控制的措施, 来达到路基永久性变形控制的目的, 进一步限制路面结构出现永久变形的可能性。该理论成立的根本依据, 就在于:路面结构本身是用以防止路基遭受过量影响的应力因素, 由于后者的影响, 会导致路基无法承受而出现变形, 进而导致路面结构在过大的压力之下, 出现永久性的开裂、变形, 在这一过程中, 材料本身的塑性应变以及弹性应变能力都是完全成正比关系的, 弹性应变在进行限定的过程中, 应当要保证处在规定范围之内, 相关的塑性应变, 也就可以被直接限定;而在对于路基弹性应变水平加以控制之后, 路基以及路面结构这两个部分所呈现出的塑性, 表达出的永久变形量, 也就在这一过程中得到了有效的控制。
2.1 路基顶面竖向容许压应变。
对于路基顶面的容许竖向压应变或压应力值, 可以通过对使用性能已知的路面结构进行路基压应变或压应力反算后确定。利用CBR设计曲线反算得到路基压应力与路基土CBR值的关系曲线。利用AASHO试验路的观测资料, 通过结构反算, 建立了标准轴载 (80k N) 作用次数与路基顶面容许竖向应变的经验关系式:
式中:εz为路基顶面容许竖向压应变;N为荷载重复作用次数;a、b为经验回归系数。
式 (1) 的主要缺点是, 路基顶面容许竖向压应变指标仅同轴载作用次数N有关, 路基土质和环境因素并未得到反映。根据后续的研究, 回归整理出了下述路基竖向压应变、车辙和平整度的经验关系式:
式中:εpz、εz相应为距路表面深度z (mm) 处的路基竖向塑性和弹性压应变;Rz为距路表面深度z (mm) 处的路基竖向压应力, MPa;p为参照应力, 取0.1MPa;N为轴载作用次数;Dp为车辙深度, mm;IRI为国际平整度指数, m/km。
利用上述关系式, 可以更为全面的分析路基竖向压应变与路表车辙等的关系, 进而可以得到合理的容许压应变。
2.2 路表弯沉和路基顶面竖向压应变的关系。
虽然路表面所呈现出的相关弯沉指标, 是无法切实有效对于车辙加以控制的, 但是其本身作为设计指标体系, 实际上已经在我国沥青道路工程中得到了广泛的应用, 并且还经过了大量的实践, 已经具备了充足的经验和实践数据, 并且在相关测试工作上, 还具备简单、快速的优势。建立在路表弯沉、路基顶面竖向压应变之间的相关联系性, 实际上可以直接利用路基的顶面竖向压应变力涉及到的指标准则, 作为路表弯沉测量过程中的相关方便优势, 同时也直接对于路面设计、检测起到了良好的兼顾效果。
计算分析表明, 路表弯沉和路基顶面压应变之间有如下关系[4]:
考虑到路表弯沉和路基顶面竖向压应变之间的关系还要受到路面结构参数的影响, 其关系式为:
式中:w:双圆荷载轮隙中间路表弯沉 (cm) ;εz:双圆荷载轮隙中心线上路基顶面压应变;E1, E2, E3:面层、基层和路基模量;H1, H2) 面层和基层厚度。
3 面层材料的容许剪应力指标
从国内外呈现出的相关研究数据来看, 车辙通常都是在路面温度高温环境下, 受到了荷载剪切影响而呈现出的流动变形结果, 简单来说, 就是由于沥青路面在受到高温影响之后, 应变力、抗剪能力大幅度下降, 进而受到了剪切应力破坏。城市道路本身由于修建过程中涉及到大量的公交港湾、轿车路口, 这部分道路上, 车辆呈现出的制动、加速现象都极为频繁, 直接使得路面的沥青面层长时间承受着剧烈的剪应力影响, 导致车辙、推移的剪切破坏痕迹被永久性的留下来, 这直接促使城市道路在沥青路面设计的过程中, 对于剪切方面的控制, 极为重视。虽然说我国沥青路面设计规范所呈现出的条例和城市道路相关条例有所差别, 但是在实际设计过程中, 不对于路面车辙现象, 也就是抗剪切能力加以考虑, 是一个致命的缺陷。在设计工作中, 必须要最大限度的对于路面剪切特性加以考虑, 进而对于剪应力指标进行一定成都的提高, 达到抗车辙目的。
4 结论
综上所述, 我国沥青道路路面之所以有着较为严重的车辙现象, 其根本原因就是由于弯沉设计指标的不完善, 这方面无法有效的对于车辙问题加以控制。而通过国外沥青路面设计指标的借鉴, 来利用路基顶面竖向压应变力, 达到提升抗车辙指标的目的, 并且从沥青路面呈现出的相关剪应力分布现象来看, 该设计指标有着良好的可行性, 能够为我国沥青道路路面质量提升做出贡献。
摘要：本篇文章主要针对我国当前沥青路面的设计指标进行了全面详细的分析, 明确的指出了弯沉指标本身无法对于路面车辙进行有效的控制, 同时在对国外表现出的沥青路面设计指标基础之上, 来对于我国的沥青路面设计指标添加了抗车辙设计指标, 以期为我国沥青道路施工的完善作出贡献。
关键词：沥青路面指标,弯沉指标,路基顶面压应变,剪应力
参考文献
[1]姚祖康.沥青路面设计指标探讨[A].中国公路学会2012年学术年会论文集[C].3-14.
[2]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社, 2011.
[3]孙立军等.沥青路面结构行为理论[M].北京:人民交通出版社, 2010.
车辙指标 篇2
我国公路沥青混凝土路面设计采用弯沉作为设计指标,采用层底拉应力为验算指标,并没有考虑其抗剪切性能。然而由于抗剪性能不足导致的车辙病害日益突出,沥青混合料抗剪性能愈发引起人们的关注。目前关于抗剪性能的试验方法有三轴试验、轮辙试验等,但三轴试验操作,复杂难以广泛推广,而轮辙试验所需试件为方形,与芯样尺寸不符。另外,由于实验室成型试件与实际摊铺的路面结构在颗粒排列组成、压实性能等方面不同,导致根据试验室成型试件得出的指标值难以控制施工质量及路面的使用性能,而芯样代表着路面的真实性能,通过对其综合评价得出指标值可以对施工过程进行质量控制,并实现对路面性能的评价。本文针对取芯芯样,采用动载的单轴贯入试验方法,确定实验条件并提出评价指标,通过长平高速公路无车辙路段的评价结果初步界定指标值范围。
1 试验原理及可行性分析
贯入试验早在20世纪60年代就被提出,由于当时试验条件和评价方法的缺陷,在沥青混合料应用方面并没有得到很好的发展。林绣贤[1]在文章中曾提出“经理论分析论证和试验结果表明,任何贯入实验都是抗剪强度的反映,单轴贯入试验可以测定沥青混合料的抗剪强度,只是试验的条件需要论证”。近几年,同济大学孙立军教授率先提出采用单轴贯入试验对沥青混合料抗剪性能进行评价[2],哈尔滨工业大学谭忆秋教授在2002年博士后出站报告中对该试验方法进行了深入讨论,目前该试验研究仍在进行中。试验采用静载试验,借助无侧限抗压强度试验,目的是得出真实的抗剪能力τ。本文则是采用动载下的单轴贯入试验方法评价芯样抗剪能力,目的并非进行真实抗剪性能的测试,而是模拟实际车辆荷载条件,通过对大量实际路面芯样的试验结果分析,提出评价指标并界定出能够提供足够抗剪性能的指标值范围,期望通过该指标能够正确地灵敏地评价出不同性能芯样的抗剪能力的区别,从而能够实现对实际路面抗剪性能的评价。
图1为采用ANSYS软件模拟车辆荷载作用下路面所受最大剪应力和单轴贯入试验下芯样所受最大剪应力的比较图,表1为二者的理论计算结果。可以看出二者的分布状态极为相似。当路面和芯样各层材料参数相同,荷载同为0.7 MPa的情况下,最大剪应力差值仅为3%左右。因此,芯样的单轴贯入试验可以模拟路面在实际车辆荷载作用下的剪切受力状态,可以评价沥青混合料高温抗剪切能力。
2 试验条件及控制指标
试验条件及控制指标均通过室内试验多次比较试验,最终确定如下:
试验荷载:试验在材料试验系统(MTS)上进行,采用控制应力式无侧限正弦波重复加载模式,在相邻波形之间不插入间歇时间,试验频率为10 Hz[3,4],荷载大小为3.5 MPa。
试验温度:评价混合料的抗剪能力必须选择高温的不利状态。根据他人研究结果表明[5,6],当温度达到45℃时,可以明显区分不同混合料的抗剪性能。受实验条件限制,选择45℃作为试验温度。
试件尺寸:芯样直径为(100±1) mm。关于芯样高度对最大剪应力的影响,本文采用ANSYS软件进行分析。荷载为0.7 MPa条件下,计算不同厚度、不同模量芯样的最大剪应力,得出最大剪应力随深度变化的趋势图(见图2)。其结论为:不同高度芯样相同高度处的最大剪应力值相接近;芯样内部最大剪应力随着深度的增加而逐渐递减;在深度为3 cm内递减速度非常快,约递减了60%左右;3 cm～5 cm区间内递减速度减慢;大于5 cm区间则最大剪应力值几乎不变。因此,芯样的高度要求大于5 cm。
控制指标:荷载作用1 000次的贯入深度(mm)。
3 长平高速公路芯样试验分析
长平高速公路是京哈高速的长春至四平段[7],交通量大且重车多。1996年竣工后,经过近10年的通车运行,长平高速公路各路段相继出现严重损坏,尤其车辙病害严重,大多数路段车辙深度大于2 cm,局部路段达15 cm以上,严重影响了行车安全。但是桩号K239—K240路段的路况却依然良好,车辙深度仅为1 cm左右,表面没有龟裂损坏,只有少量的横向裂缝。本次试验的取芯原则为在同一交通量的区间内,选择轻度车辙路段的行车道、停车道以及重度车辙路段的停车道,而重度车辙路段的行车道已经损坏,并重新铺筑,已与原路面结构不同,无法进行比较试验。取芯过程中发现,停车道处芯样难以完整,松散情况较多。
典型芯样图片见图3,从外观上可以看出路况好(车辙深度<1.5 cm)的芯样层间联结良好,级配合理且形成骨架结构,无离析现象;而路况差(车辙深度>4 cm)的芯样层间联结差,粗集料较少且分布不均匀,呈悬浮状态。表2为上述三处典型位置芯样动载单轴贯入试验的试验结果。
(表中“>10的含义为:试件在荷载没有达到规定作用次数时就产生完全破坏,瞬间位移值增加很大,导致MTS机器因超限停止工作。“⊥”的含义为:在预压过程中,很小的力就导致试件破坏,试验无法进行。)
图4为动载单轴贯入试验后的破坏形式,破坏后芯样顶面有一明显的压头压入深度,顶面开裂并向下延伸到中面层处,侧面向两边挤开。
抗剪性能排序为:路况好行车道>路况好停车道>路况差停车道,其中行车道处贯入深度均小于3 mm且平行性好,而停车道处二者贯入深度相接近,但试验过程中,路况差停车道处3个芯样中有2个作用次数小于1 000次,说明路况好停车道明显优于路况差停车道。
4 结 论
芯样为多层组合结构,整体抗剪性能受层间结合状态等因素影响,需要结合其他评价结果综合分析,本文由于实际取芯原因,芯样数量有限,芯样种类有限,仅得到初步结论如下:
(1)芯样代表路面内部的真实结构状态,通过对一定样本数量的芯样评价可以实现对整个路面性能的评价,是一种简单、直观、有效的评价方法。
(2)动载单轴贯入试验可以模拟车辆行驶荷载状态,有效评价出不同性能混合料的抗剪能力,试验方法可行。
(3)以长平公路通车运行10年,路况依然良好路段的指标值作为标准,重复荷载作用次数1 000次,贯入深度小于3 mm,则足以提供良好的抗剪能力。
(4)路况好行车道处芯样评价指标值较稳定,平行性好,说明行车碾压作用促进内部结构形成稳定状态。
(5)本试验以长平公路芯样为样本(AC16级配),对于其它类型级配仍需进一步试验验证。
参考文献
[1]林绣贤.关于沥青混凝土路面设计中抗剪指标的建议.公路,2004;(12):67—69
[2]毕玉峰,孙立军.沥青混合料抗剪试验方法研究.同济大学学报(自然科学版),2005;(8):1036—1040
[3]王旭东.沥青路面材料动力特性与动态参数.北京:人民交通出版社,2002
[4]SHRP Team.Strategic Highway Research Program.Technical Brief of C-SHRP.U.S.FHWA.1995
[5]谭忆秋.基于沥青路面应力场分布沥青混合料抗剪特性的研究.同济大学博士后出站报告,2002
[6]解晓光.按材料-结构-工艺一体化原则设计沥青碎石基层的研究.哈尔滨工业大学博士论文,2005
车辙指标 篇3
关键词：沥青路面指标,弯沉指标,路基顶面压应变,剪应力
1 引言
车辙是沥青路面在高温季节、荷载重复作用下产生的塑性永久变形,车辙的出现严重影响了路面的使用性能和服务质量,给路面使用者带来了诸多危害。因此,限制路面结构的车辙是路面结构设计必须考虑的一项基本要求,也是我国力学—经验设计方法中的一种损坏模式。
我国现行《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)中采用路表回弹弯沉值表征路面结构抵抗垂直荷载作用下产生变形的能力,是控制路面结构永久变形量的设计指标。但是,我国沥青路面以半刚性基层为主,半刚性基层结构刚度很大,占据了路面整体刚度的绝大部分,难以用反映整体刚度要求的路表弯沉指标控制结构变形量;而且路表弯沉是一项整体性、综合性和表观性的指标,沥青路面可以选用不同的结构层和材料类型组合而成,采用路表弯沉作为设计指标,无法反映路面结构的多样性,也难以控制路面结构整体或者个别结构层的永久变形量。这就导致了我国沥青路面设计规范中没有有效的设计指标以控制路面车辙。针对现状,有必要在我国的沥青路面设计规范中增加新的抗车辙指标,从而在结构设计时更有效的控制路面结构的车辙。
采用何种设计指标可以更为有效的计算永久变形,控制路面车辙,国内外进行了大量的研究,提出了比较成熟的设计指标。国外一些典型的力学—经验设计法,如SHELL法和AI法,均采用路基顶面竖向压应变为主要设计指标来控制路面结构的永久变形;我国《城市道路设计规范》(CJJ 37-90)中规定:沥青路面结构设计采用路表容许回弹弯沉、容许弯拉应力及容许剪应力三项设计指标,提出用面层材料的容许剪应力指标来控制路面面层出现车辙破坏。
本文在吸收和研究国内外沥青路面设计方法和指标的基础上,结合我国沥青路面的使用特点和经验,分析在我国沥青路面设计规范中增加路基顶面竖向压应变指标和面层材料的容许剪应力指标作为抗车辙指标的可行性。
2 路基顶面竖向压应变指标
1962年,Peddie和Dormon 提出了通过控制路基顶面的竖向压应力或压应变来限制路基土的永久变形,进而限制路面结构永久变形的构想。其理论依据是:路面结构用以防止路基受到过量的应力, 因为后者会使路基产生过量的永久变形, 并使路面结构相应产生过大的永久变形或(和)开裂;材料的塑性应变与弹性应变成正比,弹性应变限定在规定的范围内,塑性应变也就可相应地被限定;而控制住路基的弹性应变水平, 路基以及路面结构的塑性应变以及永久变形量也可相应地得到控制。
2.1 路基顶面竖向容许压应变
对于路基顶面的容许竖向压应变或压应力值,可以通过对使用性能已知的路面结构进行路基压应变或压应力反算后确定。Peddie利用CBR设计曲线反算得到路基压应力与路基土CBR值的关系曲线。Dormon等则利用AASHO试验路的观测资料,通过结构反算,建立了标准轴载(80kN)作用次数与路基顶面容许竖向应变的经验关系式:
式中:εz为路基顶面容许竖向压应变;
N为荷载重复作用次数;
a、b为经验回归系数。
式(1)的主要缺点是,路基顶面容许竖向压应变指标仅同轴载作用次数N有关,路基土质和环境因素并未得到反映。根据后续的研究,回归整理出了下述路基竖向压应变、车辙和平整度的经验关系式[3]:
式中:εpz、εz相应为距路表面深度z(mm)处的路基竖向塑性和弹性压应变;σz为距路表面深度z(mm)处的路基竖向压应力,MPa;p为参照应力,取0.1MPa;N为轴载作用次数;δp为车辙深度,mm;IRI为国际平整度指数,m/km。
利用上述关系式,可以更为全面的分析路基竖向压应变与路表车辙等的关系,进而可以得到合理的容许压应变。
2.2 路表弯沉和路基顶面竖向压应变的关系
虽然路表弯沉指标难以有效的控制车辙,但是作为设计指标在我国路面设计体系中已使用多年,积累了大量的测试数据和使用经验,且具有测试简便快速的优点。建立路表弯沉和路基顶面竖向压应变之间的关系,就可以同时利用路基顶面竖向压应变准则较为合理和路表弯沉测量方便的优势,兼顾路面设计和检测。
计算分析表明,路表弯沉和路基顶面压应变之间有如下关系[4]:
考虑到路表弯沉和路基顶面竖向压应变之间的关系还要受到路面结构参数的影响,其关系式为:
式中:w—双圆荷载轮隙中间路表弯沉(cm);
εz—双圆荷载轮隙中心线上路基顶面压应变;
E1,E2,E3—面层、基层和路基模量;
H1,H2—面层和基层厚度。
根据上述关系式,就可以建立路表弯沉和路基顶面竖向压应变之间的换算关系,保证了路基顶面竖向压应变指标在我国路面设计的推广应用,同时说明路基顶面竖向容许压应变指标作为路面设计的抗车辙指标是可行的。
3 面层材料的容许剪应力指标
国内外的大量研究表明,车辙是路面在高温季节荷载作用下剪切流动变形的结果,早在1962年美国AASHTO试验路研究期间,Hofstra提出的报告认为产生车辙的主要原因是剪切应力。城市道路因为存在大量的交叉口和公交港湾,致使车辆加速、制动较为频繁,路面面层承受较大的剪应力,出现大量的车辙、拥抱、推移等剪切破坏,因此城市道路设计特别重视剪切控制。虽然我国沥青路面设计规范针对的对象有别于城市道路,但是近年来,我国公路路面车辙问题日益严重,在设计中不考虑剪切控制是我国沥青路面设计规范的重要缺陷。在设计中,充分考虑路面剪切特性,增加容许剪应力指标控制车辙,是非常必要的。
3.1 沥青面层内水平剪应力分布情况
图1、图2所示为面层内剪应力随轴重变化的趋势(图线从上到下代表的轴重依次为220kN、160kN、100kN),从图中可以看出:
剪应力在距路表2～8cm范围内都比较大,较易产生剪切破坏,对高温稳定性不利,并且随着轴重的增加,最大剪应力增大,剪应力峰值增加,最大剪应力集中在路面层上部。
由剪应力图1和图2分析可得,在垂直荷载和水平荷载共同作用下,剪应力一般是上面层最大,然后随着深度增大而减小,在上面层范围内较易产生剪切破坏,使路面产生拥抱、推挤、开裂,因而在沥青路面设计中,考虑剪切是必要的。
3.2 容许剪应力指标的应用
参考我国《城市道路设计规范》(CJJ 37-90),在垂直荷载和水平荷载共同作用下,路面表面层上最大剪应力计算点取在行车前进方向的车轮中心后0.9r处(r为荷载当量圆半径),见图3。
作用于路面表面的水平荷载,以车轮垂直荷载乘以车轮与路面之间的摩擦系数表示,即q=f×p,式中f为车轮与路表面的摩擦系数,当车轮缓慢制动时,f=0.2,紧急制时,f=0.5。
各结构层的垂直荷载为标准轴载0.7MPa,水平荷载取紧急制动最不利状态下的摩擦系数0.5,则水平荷载q=0.5×0.7=0.35MPa,KT(0.5)=1.2。根据下述公式(12)和(13)可以求出面层内的抗剪强度:
面层材料参数取沥青混合料的c和φ值,可以通过试验室三轴剪切试验得到。路面结构层的剪应力,由弹性层状分析程序计算得到。最终可以使用容许剪应力指标τR,使τmax≤τR,最终可以在路面设计时控制车辙等剪切病害。
4 结论和建议
(1)我国沥青路面车辙现象严重,本文分析认为很大程度上归因于弯沉设计指标并不能够很好的控制路面车辙问题,路面设计缺乏有效的抗车辙设计指标。
(2)吸收国外沥青路面设计指标,提出采用路基顶面竖向压应变作为抗车辙设计指标,并给出了弯沉和路基顶面竖向压应变之间的换算关系,分析了路基顶面竖向压应变作为抗车辙指标的可行性。
(3)分析了沥青路面面层剪应力分布情况,参考我国《城市道路设计规范》(CJJ 37-90),提出容许剪应力指标也可以作为抗车辙设计指标。
参考文献
[1]JTG D50-2006,公路沥青路面设计规范[S].
[2]CJJ 37-90,城市道路设计规范[S].
[3]姚祖康.对国外沥青路面设计指标的评述[J].公路:2003,4(4):49-56.
[4]孙红燕,王勇,陆剑卿.沥青路面设计指标探讨[J].交通标准化:2006,157(9):155-158.
[5]姚祖康.沥青路面设计指标探讨[C].中国公路学会2005年学术年会论文集:3-14.
[6]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].人民交通出版社,2001.
车辙指标 篇4
沥青混合料的高温稳定性直接影响混合料的路用性能,早在80年代的相关调查就表明,部分地区由于车辙造成的路面损害竟高达80%。车辙问题越来越受到国内、外的关注,普遍采用车辙试验来检验混合料的高温抗变形能力。
我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》采用室内小型往复式车辙试验机来进行沥青混合料抗车辙性能试验,其具体试验规程为《T0719-1993》。虽然该试验方法不需要太精密的设备,操作方法也不太复杂,容易为工程上接受,但是缺点也是明显的,它只能是一种工程试验方法,试验结果是工程指标而不是力学参数,不能用于路面设计,而且其方法本身存在着一些局限性。
2 试验条件的局限性分析
2.1 研究的对象
车辙就其产生机理来看,主要有失稳型车辙、结构型车辙、磨耗型车辙和压密型车辙。但是T0719-93的车辙试验主要的研究对象是失稳型车辙,即沥青路面结构层在车轮荷载的作用下,由于其抗剪强度的不足,内部材料的横向流动而产生。忽视了其它因素对车辙的影响,例如路基强度不足造成的结构型车辙等。
2.2 试件的尺寸
车辙试验规定:T0703轮碾成型采用300mm×300mm×50mm;现场切割采用300mm×150mm×50mm。而我国《公路沥青路面设计规范(JTJ014-97)》推荐的高速公路的沥青层厚度为12～18cm,而我国普遍采用的是4cm、5cm、6cm的结构,这与5cm的试件总厚度有较大的差距。研究表明:车辙深度的91%发生在路面本身,其中32%发生在面层,14%发生在基层,45%发生在底基层;当基层为刚性或半刚性时,车辙总量90%来自于沥青混合料面层本身;即使不考虑基层及以下各层的影响,车辙的深度也随沥青混合料面层厚度的增加而增加。因此只用5cm厚的试件来模拟整个路面的车辙,显然是不合适的。同时,现行规范推荐沥青面层的厚度为混合料最大公称直径的3倍,以此推算,例如最大公称直径为13mm、16mm及20mm混合料的面层合理厚度为40mm、50mm及60mm。
针对不同公称直径混合料的面层实际上应有不同的厚度,但车辙试验将车辙试件成型厚度统一规定为50mm,造成高温稳定性较差的混合料(如AC-25I)可能会因在车辙试件中间的一、二块粗骨料的直接受力而阻碍了试件的变形,从而使得出的动稳定度指标偏高,而一些高温稳定性较好的混合料(如SMA-13)会因车辙试件厚度太厚,无法形成较好的骨架嵌挤,造成动稳定度指标偏低。因此,统一的试件成型厚度使动稳定度指标不能如实反映不同混合料的高温稳定性,该车辙试验的试件尺寸限制了集料的最大公称直径应小于20mm。再者,试件的平面尺寸影响了混合料内部的应力分布和传递,一定程度上限制了混合料的塑性流动,与路面的实际变形过程有差异。
2.3 试件的成型
试验规程采用的是轮碾法,其方法如试验规程《T0703-1993》所介绍。但是这种方法和实际的路面碾压成型相差较远,现在高等级公路普遍都采用多种压路机(钢轮压路机、轮胎压路机和振动压路机)组合碾压,因此单一轮碾成型的试件和实际的路面情况出入较大,而且不同的级配所要求的最佳碾压次数应该是不一样的,但是试验规程并没有考虑这一点,一般采用往返碾压12次视为压实。
2.4 试件空隙率
车辙试件是按马歇尔标准击实试样空隙率±1%成型的,而路面压实度一般控制在98%以上,即实际空隙率一般在马歇尔空隙率+2%～3%之间,从而造成车辙试件的成型空隙率与实际路面的空隙率相差较大,不能反映路面的实际情况,也就不能真正反映混合料的抗车辙性能。此外,采用轮碾法成型车辙试件无法精确控制试件的空隙率,导致车辙试验的试验结果离散性较大。国外相关研究已开始按实际路面的空隙率成型车辙试件,以提高车辙试验与实际路面的相关性,值得我们借鉴。
2.5 试验温度
由于直接测量试件内部的温度不太方便,因此目前较多的是采用量测试件表面的温度来替代试件内部的温度,但是由于材料的非均匀特性,不但试件内外的温度有差别,而且就试件内部的温度也不一样;而温度对稳定度影响很大,日本的研究表明:若温度增加1℃,动稳定度就会降低15%左右;温度降低1℃,动稳定度就升高18%左右。试验规程中容许试件养生的温度误差是±1℃,两个件,在同样符合条件的情况下,光温度造成的误差就能达到30%左右,从而造成试验结果的平行性很差。同时,试验规程规定试件的养生时间为5～24h均可,该范围过于宽泛,沥青材料是一种有记忆的材料,19h的跨度,足以造成稳定度的较大差异;以及考虑到粘弹材料的时温等效原则,养护的时间范围应该缩小,以提高平行性。
2.6 试验荷载
试验规程采用的是标准轴载100kN,即0.7MPa。但是实际调查发现:我国的车辆趋于重型化,各主要路线均存在严重的超载、重载现象,远远超过了0.7MPa,甚至达到了1.2MPa。相关研究表明:当荷载应力从0.7MPa增加到0.8MPa时,可能造成动稳定度减小约41%。可见车辙试验的荷载已经偏小,已不能客观地评价实际轴载造成的车辙情况,因此,试验荷载亟待提高。同时,实验室车辙的加载形式主要是竖向荷载,但是实际路面除了竖向荷载外,还有水平剪力的影响,且研究表明:在路面干燥和清洁的情况下,汽车制动或是换档产生的水平力相当于竖向荷载的0.7～0.8,因此,特别是轴载较大的情况下,水平力是不容忽视的,而室内车辙试验没有考虑水平剪力的影响。
2.7 行走速度
首先实际路面上车辆的行走方向是顺着一个方向的,但是车辙试验是一种往返运动,这与实际的荷载行走方向有区别,有研究表明:往返运动将有利于混合料的高温性能,从而使混合料的稳定度偏于保守;再次,实际路面荷载的作用时间是个瞬态过程,相对于车辙试验(42次/min)要快得多。已有研究表明:荷载的作用时间越长,所产生的高温变形越大,从而使室内车辙试验所得的稳定度偏低。
3 评价指标的局限性分析
3.1 动稳定度的计算
试验规程计算稳定度的公式采用的是最后15min的数据,确切的说是两个点:即45min和60min的变形量。现行计算方法的最大缺点是:一方面容易使理论计算结果和试验结果相背离,甚至出现稳定度无穷大的情况,如图1所示;另一方面在试验时间(1h)内,无法评价某些骨架结构(如SMA13)的高温稳定性,从延长试验时间来看,骨架结构往往其后期(大于1h)变形比较小,能经受荷载的长期作用,而保持较好的高温稳定性。试验规程之所以不用开始阶段的变形,是考虑到开始阶段的变形一般占总变形的比例比较大,测量误差比较大,重现性不好;同时,也是为了消除试件的压密变形。
但是压密变形是车辙的一种形式,否则就不能全面的评价沥青混合料的高温抗变形能力,这一方面可以通过改善室内压实方法来加以改进。
3.2 评价指标
国外的一些车辙试验也各有特点,比如法国中央道路桥梁研究院使用的车辙仪采用相对变形率代表沥青混合料在荷载作用下车辙发展全过程,它能较好地反映沥青混合料在高温下的抗永久变形能力;德国的汉堡车辙试验机与英国的相似,不同之处在于它可以调整试件的厚度,也可以使用圆柱形试件,而且考虑了水、温的交互作用;美国乔治亚州沥青混凝土面层分析仪APA的车辙试验利用8000次的总变形量来评价混合料的高温稳定性,同时能够模拟路面的实际结构。最近又新出现了不但可以用于沥青混合料的设计验证,也可用于生产和施工中热沥青混合料质量控制的快速检测的CPN车辙仪。
4 结 语
以上只是笔者在实际试验过程中对车辙试验的一些看法,试验的本身是要体现与实际情况较好的相关性。虽然不可能完全模拟路面的实际情况,但是《T0719-1993沥青混合料车辙试验》还是存在不少需要改进的地方。
参考文献
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[2]JTJ014-97,公路沥青路面设计规范[S].
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[4]沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].北京:人民交通出版社,1998.