甘肅省夏熱冬寒區(qū)車轍試驗(yàn)方案設(shè)計研究

楊艷華

（甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000）

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甘肅省夏熱冬寒區(qū)車轍試驗(yàn)方案設(shè)計研究

楊艷華

（甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000）

摘要：甘肅省夏熱冬寒區(qū)氣候條件惡劣，其2010年1月前竣工的部分高速公路車轍病害嚴(yán)重，僅依靠改變?yōu)r青路面結(jié)構(gòu)或?yàn)r青混合料性能無法達(dá)到預(yù)期的路面需求，需對甘肅省夏熱冬寒區(qū)車轍試驗(yàn)方案作進(jìn)一步研究，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上推薦適用于夏熱冬寒地區(qū)的瀝青混合料車轍試驗(yàn)條件，以達(dá)到減少路面車轍病害的目的。

關(guān)鍵詞：公路；夏熱冬寒區(qū)；車轍；路面結(jié)構(gòu)；瀝青混合料

中國瀝青混合料車轍試驗(yàn)規(guī)程中規(guī)定車轍試驗(yàn)條件為溫度60℃、輪壓0.7 MPa、時間60 min，JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定車轍試驗(yàn)必須在規(guī)定的試驗(yàn)條件下（T0719）進(jìn)行。而美國科羅拉多州的研究結(jié)論為確定車轍試驗(yàn)測試溫度時應(yīng)考慮混合料使用地的氣候條件。中國國土遼闊、氣候區(qū)域性顯著，將溫度和時間等設(shè)為定值并不合理。

根據(jù)瀝青路用性能氣候分區(qū)原則，甘肅省甘南、祁連山等地區(qū)為夏熱冬寒區(qū)。該區(qū)氣候條件較惡劣，有冬季漫長的嚴(yán)寒，最低氣溫可達(dá)-30℃以下，又有夏季的高溫，且日照強(qiáng)烈，極端高溫時路表溫度可達(dá)到60℃以上。而且隨著甘肅省經(jīng)濟(jì)的快速增長，瀝青路面重載車輛越來越多。在如此嚴(yán)酷的氣候條件及交通荷載條件下采用標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)條件得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)有一定差別，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)條件在溫度、試件厚度等方面與實(shí)際瀝青路面有很大差距。

很多學(xué)者對改善瀝青路面的抗車轍性作了研究，一般從瀝青混合料高溫性能的評價方法、影響因素、評價指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)等方面研究如何提高瀝青混合料的抗車轍性能。據(jù)調(diào)查，甘肅省夏熱冬寒地區(qū)2010年1月以前竣工驗(yàn)收的部分高速公路瀝青砼路面的車轍深度為2.0～6.0 cm，個別達(dá)到10.0 cm，多為中～重度車轍，路面整個結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞，對行車安全及舒適性造成較大影響。尤其是經(jīng)過夏季高溫季節(jié)的行車碾壓，車轍深度會進(jìn)一步加劇。面對如此嚴(yán)重的車轍，僅依靠改變?yōu)r青路面結(jié)構(gòu)或?yàn)r青混合料性能無法達(dá)到預(yù)期的路面需求，需針對甘肅省夏熱冬寒區(qū)特殊的氣候特點(diǎn)，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上推薦適用于夏熱冬寒地區(qū)的瀝青混合料車轍試驗(yàn)條件，減少路面車轍病害。

1　問題的提出

車轍試驗(yàn)是模擬瀝青混合料在低勁度模量的情況下長期承受重復(fù)荷載、永久變形不斷累積的一項試驗(yàn)。隨著溫度的改變，瀝青膠結(jié)料的勁度發(fā)生變化，溫度升高時車轍深度增大，可以認(rèn)為試驗(yàn)溫度是影響車轍試驗(yàn)的重要控制因素。各類車轍儀的測試溫度一般為40～65℃，其中：漢堡車轍試驗(yàn)儀（HWTD）因?yàn)槭褂媒撦喖虞d，試驗(yàn)溫度通常定為40或50℃；多功能加載輪測試儀（APA）和加載輪測試儀（GLWT）的測試溫度多使用瀝青的PG等級溫度或稍高于PG等級溫度。目前APA和GLWT在美國東南部的測試溫度在64℃左右；PRT針對不同混合料設(shè)定試驗(yàn)溫度，如表面層混合料設(shè)定為60℃，基層聯(lián)結(jié)層混合料設(shè)定為50℃；MMLS3在潮濕環(huán)境下設(shè)定為30℃，干燥環(huán)境設(shè)定為50或60℃。而中國規(guī)范規(guī)定試驗(yàn)溫度統(tǒng)一設(shè)定為60℃。

與溫度情況類似，荷載增大時車轍深度也增加。美國通過大量研究建立了GLWT溫度效應(yīng)模型，將測試溫度、加載次數(shù)、車轍深度三者聯(lián)系起來。研究表明：當(dāng)荷載增幅較小時，APA車轍深度變化不明顯；當(dāng)荷載增幅足夠大時，其測試結(jié)果顯著增大。由于加載輪大小、接地面積不同，各類車轍儀的荷載水平有所差異，但都遵循一個基本原則即盡量模擬實(shí)際汽車荷載作用，故各類車轍儀的加載輪與試件的接觸壓強(qiáng)都為0.6～0.9 MPa，這個壓強(qiáng)代表單軸雙輪汽車的一個輪胎的接地壓強(qiáng)。中國規(guī)范規(guī)定車轍試驗(yàn)輪胎接地壓強(qiáng)為0.7 MPa，但相關(guān)軸載調(diào)查顯示重載情況較為突出。

根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求，瀝青混合料車轍試件厚度為5 cm。但在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，瀝青混合料集料的公稱最大粒徑與結(jié)構(gòu)層厚度存在相關(guān)關(guān)系，瀝青路面設(shè)計規(guī)范建議路面結(jié)構(gòu)層厚度與瀝青混合料集料公稱最大粒徑比值為大于2.5倍，對于公稱粒徑為26.5 mm的瀝青混合料而言，5 cm的厚度明顯太薄。

該文針對甘肅省夏熱冬寒區(qū)特殊的氣候條件，對同一級配的瀝青混合料分別以45、60、70℃進(jìn)行車轍試驗(yàn)，計算不同溫度條件下混合料的動穩(wěn)定度，對比研究溫度對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響；對同一級配的瀝青混合料分別以0.7、1.0、1.4 MPa進(jìn)行車轍試驗(yàn)，分析荷載大小對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響；并分別取5、6、7、8 cm厚度進(jìn)行車轍試驗(yàn)，對比研究板厚對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響。

2　不同試驗(yàn)條件下的車轍試驗(yàn)

選取高性能瀝青混合料Superpave-20為試驗(yàn)研究對象，經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)確定礦料的比例為碎石（10 ～20 mm）∶碎石（5～10 mm）∶碎石（3～5 mm）∶石屑∶礦粉=43∶19∶7∶28∶3，最佳瀝青含量為4.22%。在不同溫度、不同荷載、不同板厚條件下進(jìn)行Superpave-20車轍試驗(yàn)，探討瀝青混合料在不同試驗(yàn)條件下的抗車轍能力，試驗(yàn)方案見表1。

表1　車轍試驗(yàn)方案

2.1不同溫度、荷載作用下的車轍試驗(yàn)

在溫度、荷載雙重作用下對瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，結(jié)果見表2、圖1～2。

表2　不同試驗(yàn)條件下的車轍深度對比

圖1　不同輪壓、溫度與車轍深度的關(guān)系曲線

圖2　不同溫度、輪壓與動穩(wěn)定度的關(guān)系

從圖1可以看出：

（1）在45℃條件下，1.0、1.4 MPa條件下的車轍深度均大于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的車轍深度，說明在中溫條件下，重載因素的影響會使瀝青混合料抗車轍能力不足。

（2）輪壓對車轍深度的影響隨著溫度的升高而增大，70℃下車轍深度的增幅最大，45℃下車轍深度的增幅較小。

從圖2可以看出：

（1）在相同輪壓條件下，動穩(wěn)定度隨著溫度的升高而大幅降低。

（2）在相同溫度條件下，動穩(wěn)定度隨著輪壓的增大而大幅降低。

（3）在45℃條件下，1.0、1.4 MPa條件下的動穩(wěn)定度均小于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的動穩(wěn)定度，說明在較低溫度條件下，重載因素的影響會使瀝青混合料的抗車轍能力不足。這與前述車轍深度得出的結(jié)論一致。

2.2不同板厚條件下的車轍試驗(yàn)

在60℃、0.7 MPa條件下進(jìn)行不同車轍板厚的車轍試驗(yàn)，結(jié)果見表3、圖3～5。

表3　不同試件厚度車轍試驗(yàn)結(jié)果

圖3　車轍試件厚度與動穩(wěn)定度的關(guān)系曲線

圖4　車轍試件厚度與變形量的關(guān)系曲線

圖5　車轍試件厚度與相對變形率的關(guān)系曲線

由圖3可見：動穩(wěn)定度隨車轍板厚度的增加而下降。按照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求，如果以5 cm厚的車轍板為動穩(wěn)定度比較基準(zhǔn)，當(dāng)車轍板厚為4、6、7 cm時，各車轍試件動穩(wěn)定度分別是5 cm厚車轍試件動穩(wěn)定度的1.22、1.08、0.92倍。

為控制車轍永久變形量為最小值，存在最佳路面厚度的問題。從圖4可看出：瀝青混合料3～4倍公稱最大粒徑左右厚度的路面永久變形量最小。對某一層瀝青混合料而言，抗車轍能力最好的最佳路面厚度為公稱最大粒徑的3倍左右。從圖5可看出：從相對變形率的角度來看，抗車轍能力較好的最佳路面厚度為最大公稱粒徑的4倍左右。永久變形量、相對變形率的試驗(yàn)結(jié)果說明瀝青層的合理厚度為公稱最大粒徑的3～4倍。

3　結(jié)論

JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》推薦寒冷地區(qū)瀝青混合料車轍試驗(yàn)溫度為45℃。該文研究表明，在45℃試驗(yàn)條件下，試驗(yàn)用Superpave-20抗車轍能力低于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)下的抗車轍能力。因此，如果寒冷地區(qū)瀝青混合料車轍試驗(yàn)采用45℃、0.7 MPa、42次/min的試驗(yàn)條件來進(jìn)行，其實(shí)質(zhì)是放低了對瀝青混合料抗車轍性能的要求，客觀上容易導(dǎo)致寒冷區(qū)公路車轍問題的產(chǎn)生。寒冷地區(qū)瀝青混合料的抗車轍性能檢驗(yàn)中如果將試驗(yàn)溫度定為45℃，就應(yīng)根據(jù)所建項目的交通量、軸載情況考慮是否需要進(jìn)行重載的車轍試驗(yàn)，這樣才能達(dá)到控制車轍病害發(fā)生的目的。對于夏熱冬寒地區(qū)車轍試驗(yàn)車轍板厚度，建議遵循公稱最大粒徑的3～4倍并結(jié)合瀝青路面實(shí)際厚度進(jìn)行取值。

參考文獻(xiàn)：

［1］ JTG E20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［2］ 陳永雄，彭東黎，王偉.基于約束和溫度條件改善的雙層改性瀝青車轍試驗(yàn)研究［J］.公路工程，2011，36（2）.

［3］ 申愛琴，王娜，李明國，等.高速公路SMA混合料高溫穩(wěn)定性及影響因素［J］.長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，26（1）.

［4］ 陳忠達(dá)，袁萬杰，薛航，等.瀝青混合料高溫性能評價指標(biāo)［J］.長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，26（5）.

［5］ Hrdlicka G M，Tandon V，Nazarian S，et al.Estimation of hot mix asphalt concrete rutting potential from repeated creep binder tests［R］.Department of Civil Engineering，2007.

［6］ 陳建軍，曹林濤，潘欣.瀝青路面車轍調(diào)查方案分析［J］.公路與汽運(yùn)，2009（6）.

中圖分類號：U416.217

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0103-03

收稿日期：2015-10-28