[分享]基于现场芯样的沥青路面高温性能评价

发表于2020-05-18     38人浏览     1人跟帖     总热度:125  

基于现场芯样的沥青路面高温性能评价


摘 要
为了分析江苏省高速公路沥青路面车辙的成因及处治对策,选择几条典型路面结构组合高速公路现场取芯后进行室内试验,对轮迹带和非轮迹带的面层芯样分层测试其厚度、密度参数,并通过动态蠕变试验评价其高温稳定性,研究结果表明:各条高速公路的永久变形主要是各结构层的压密变形,上面层最显著,压密后的轮迹带芯样较非轮迹带的芯样高温稳定性更优,改性沥青混凝土芯样更显著,说明现状路面的高温稳定性较好,对车辙病害的养护维修可优先考虑整形的措施。
关键词
道路工程 | 沥青路面 | 高温性能 | 现场芯样
车辙是我国沥青路面的典型病害之一,当前对车辙的成因基本达成了共识,可分为组成材料的内因和使用环境的外因2个方面,并针对性地开展了大量的室内试验研究,包括影响因素、评价方法等,但室内成型条件与现场施工毕竟有一定的差异性,而且室内试验方法也不能完全模拟实际的使用条件,为此,本研究基于现场芯样的室内试验与分析,结合实际使用的车辙深度对沥青路面的高温性能进行评价。

研究过程中基于江苏省高速公路典型路面结构,选择有代表性了4条高速公路的典型路段进行取芯分析,4条高速公路所取路段的信息如下表所示:
基于现场芯样的沥青路面高温性能评价_1
从表1中可知,研究样本选择时基于江苏省典型的SMA-13+SUP20+SUP25路面结构组合,分别考虑了单层改性沥青混凝土和双层改性沥青混凝土的沥青材料组成,此外还考虑了不同的交通量。
取芯方案
取芯过程中,为了选择代表性芯样,首先通过检测数据掌握某公里范围内的平均车辙深度,然后在现场通过3m直尺选出车辙接近该平均车辙深度的横断面进行取芯,取芯时钻取该横断面的轮迹带和非轮迹带2个点的芯样,以便考虑荷载作用对路面高温稳定性的影响。
芯样室内试验分析
为了基于现场芯样评价沥青路面的高温稳定性,研究过程中首先对所取回的芯样进行分层切割,为了防止切割引起高度测量误差,切割前先测量各层芯样的高度,接着采用水中重法测试各试件的毛体积密度,然后采用动态蠕变试验评价各芯样的高温稳定性。
体积参数试验分析
不同高速公路路段A-路段D各面层芯样高度、密度的体积参数测试结果如图1~图4所示:
基于现场芯样的沥青路面高温性能评价_2
基于现场芯样的沥青路面高温性能评价_3
从上述各芯样体积参数对比图可知:
(1) 各路段轮迹带的上面层芯样厚度均较非轮迹带上面层芯样小,而密度更大,说明沥青路面使用过程中上面层出现了较明显的压密变形;

(2) 与上面层芯样相对比,轮迹带和非轮迹带中面层芯样体积参数的差异明显更小,特别是对于双层改性的沥青路面而言,轮迹带和非轮迹带中面层芯样的体积参数相差不大;

(3) 不同交通量下的不同材料组成的路面结构均存在轮迹带芯样密度大,厚度薄的压密现象,下面层厚度并不完全呈现这种现象,可能是基层平整度较差,导致下面层施工时的厚度就有较大的差别所致。
动态蠕变试验
为了评价各芯样的高温稳定性,研究过程中参照NCHRP(National Cooperative Highway Research Program)推荐的Simple Performance Test中的重复加载永久变形试验进行动态蠕变试验,该试验方法已经在国内外得到广泛应用,试验的加载周期为1s,其中包括0.1s的半正弦压力荷载和0.9s的间隔。试验终止条件为荷载作用次数达到10000次或位移传感器(LVDT)超过了量程范围,试验破坏的条件,变形的斜率开始迅速增加。
基于现场芯样的沥青路面高温性能评价_4
动态蠕变试验一般会经历3个阶段,图5为典型的永久应变与重复荷载作用次数关系图。在该图中永久应变曲线由初始阶段、第二阶段和第三阶段组成。

(1)第一阶段(迁移期):永久应变累积迅速,但累积率逐渐降低;

(2) 第二阶段(稳定期):应变稳定增长,应变速率基本保持稳定;

(3) 第三阶段(破坏期):应变和应变率均急剧增大,出现剪切流变,直至破坏。

本研究试验条件确定时考虑了实际沥青路面的温度场状况,试验温度上面层为60℃、中面层为55℃、下面层为50℃,荷载均采用0.7MPa,试件为现场芯样分层切割后的芯样试件,试验过程中未施加围压。基于动态蠕变试验的三阶段模型和相关研究成果,本研究提出采用4个参数评价各芯样的高温稳定性,分别为

①第一临界点次数:第一阶段和第二阶段的临界点的作用次数;②第一阶段累积应变:第一阶段和第二阶段的临界点处的累积应变;③第二临界点次数:第二阶段和第三阶段的临界点的作用次数;④第二阶段斜率:第二阶段荷载作用次数与应变线形回归的斜率。各芯样四个参数试验结果如下图所示:
基于现场芯样的沥青路面高温性能评价_5
从上述各图的试验结果对比可知:
(1)改性沥青混凝土的芯样高温性能明显优于普通沥青混凝土的芯样,同是改性沥青的上面层芯样较中面层芯样高温性能差,同是普通沥青的中面层芯样较下面层芯样高温性能差,可能是各面层的试验温度更高、加载荷载更大所致,说明在模拟路面实际温度、荷载条件下上层沥青混凝土需要更好的高温性能。

(2)无论何种交通荷载和路面材料组成,轮迹带上面层芯样的第一临界点次数、第一阶段累积应变、第二阶段累积应变均小于非轮迹带芯样,且第二阶段斜率更小,由此可见,在车轮荷载的作用下,轮迹带上面层芯样表现出更好的高温稳定性。

(3)改性沥青混凝土的中面层轮迹带芯样也较非轮迹带芯样表现出更好的高温稳定性,而普通沥青混凝土中面层芯样以及下面层芯样却没有完全一致的规律,可能是下层沥青混凝土压密程度没有上层严重,而且使用过程中压密对普通沥青混凝土高温性能影响较小所致。

总而言之,轮迹带的改性沥青混凝土芯样在车轮荷载的作用后表现出更好的高温稳定性。
结论
通过对江苏省几条典型路面结构高速公路沥青路面面层芯样的室内体积参数和高温性能的评价,主要得到如下两点结论:

(1)江苏省高速公路典型沥青路面材料与结构组合下,其高温变形主要是各结构层的压密变形,建设过程可以通过适当提高压实度的措施减少后期使用过程中的压密变形。

(2)总体而言,压密后的轮迹带芯样较非轮迹带的芯样高温稳定性更优,说明现状路面的高温稳定性较好,对车辙病害的养护维修仅需整形即可,车辙病害处治时可以优先考虑保留原有路面结构的处治方案,如车辙填补、薄层罩面等。
基于现场芯样的沥青路面高温性能评价_6

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Ustinian7

中国  | 路桥市政

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