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渠化交通對(duì)瀝青路面力學(xué)性能的影響

發(fā)布日期:
2025-06-19
摘要

依托(南)昌九(江)高速公路改擴(kuò)建工程,對(duì)高速公路橫斷面內(nèi)不同位置路面進(jìn)行取芯,測(cè)試其動(dòng)態(tài)模量、劈裂強(qiáng)度、半圓彎拉強(qiáng)度以及間接拉伸疲勞性能,對(duì)比分析渠化交通條件下瀝青路面力學(xué)性能演變規(guī)律。結(jié)果表明:在渠化交通荷載作用下,瀝青路面動(dòng)態(tài)模量降低,低溫和常溫抗拉伸性能發(fā)生衰減,疲勞壽命縮短。為保證路面的長(zhǎng)期使用性能,應(yīng)嚴(yán)格控制超載車(chē)輛在路面上的行駛行為。

關(guān)鍵詞:渠化交通 | 改擴(kuò)建工程 | 力學(xué)性能 | 間接拉伸疲勞試驗(yàn)

在高速公路中,采用白色標(biāo)線(xiàn)分隔車(chē)道,規(guī)范不同類(lèi)型車(chē)輛分車(chē)道行駛,形成渠化交通,對(duì)于提高道路的通行能力和行車(chē)安全性具有重要作用。然而,由于車(chē)輛沿同一軌跡運(yùn)行,使得車(chē)輛荷載集中分布在瀝青路面輪跡帶處,致使渠化交通條件下高速公路路面輪跡帶處發(fā)生嚴(yán)重的早期病害,造成路面出現(xiàn)不均勻病害分布的現(xiàn)象,大大降低了高速公路的服役質(zhì)量和使用壽命。

渠化交通是造成路面車(chē)轍病害的一個(gè)重要原因。眾多道路工程研究人員通過(guò)對(duì)中國(guó)國(guó)內(nèi)部分高速公路路面使用性能進(jìn)行調(diào)查分析,發(fā)現(xiàn)對(duì)于大型車(chē)和小型車(chē)分車(chē)道行駛的路面,行駛大型車(chē)的行車(chē)道zui先出現(xiàn)車(chē)轍等病害,而行駛小型車(chē)的超車(chē)道及應(yīng)急車(chē)道處病害較少。錢(qián)霞等對(duì)連徐高速公路部分路段路況進(jìn)行調(diào)查分析發(fā)現(xiàn),路面車(chē)轍基本以行車(chē)道中軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布,距離行車(chē)道中軸線(xiàn)兩側(cè)1m處的車(chē)轍深度zui深;為解決由于渠化交通引起的荷載型病害,關(guān)長(zhǎng)祿等提出通過(guò)調(diào)整行車(chē)道寬度的方法緩解瀝青路面車(chē)轍、推移等病害問(wèn)題,延長(zhǎng)路面使用壽命;王志提出車(chē)道標(biāo)線(xiàn)擺移法,通過(guò)定期變換車(chē)道標(biāo)線(xiàn)位置,達(dá)到改變車(chē)輛輪跡帶位置,延長(zhǎng)瀝青路面使用壽命的目的。

已有研究主要對(duì)渠化交通引起的車(chē)轍等病害在高速公路路面橫向分布情況進(jìn)行了調(diào)查分析,無(wú)法反映渠化交通引起的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷情況。因此,該文依托昌九高速公路改擴(kuò)建通遠(yuǎn)試驗(yàn)段建設(shè)工程,通過(guò)在高速公路路面橫斷面不同位置取芯進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)比行車(chē)道輪跡帶處和應(yīng)急車(chē)道處瀝青混合料力學(xué)性能的差異,進(jìn)一步明確渠化交通對(duì)高速公路路面結(jié)構(gòu)損傷的影響規(guī)律,提出緩解渠化交通對(duì)路面使用性能不利影響的措施。


路面結(jié)構(gòu)及組成

南)昌九(江)高速公路通遠(yuǎn)段為雙向四車(chē)道高速公路,設(shè)計(jì)速度100Km/h,設(shè)計(jì)樁號(hào)為K86+240~K96+666,路面結(jié)構(gòu)材料組成為AC-13(SBS改性瀝青)密級(jí)配瀝青混合料(4cm)+AC-20C(SBS改性瀝青)密級(jí)配瀝青混合料(6cm)+AC-20C密級(jí)配瀝青混合料(6cm)+ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石(12cm)+水泥穩(wěn)定碎石(20cm)+級(jí)配碎石(30cm)的組合形式。路面自2007年技改完成后,到改擴(kuò)建工程實(shí)施時(shí)已出現(xiàn)了輕微的車(chē)轍、推移、擁包、網(wǎng)裂等病害。為分析路面材料力學(xué)性能,選取通遠(yuǎn)試驗(yàn)段內(nèi)車(chē)轍病害相對(duì)嚴(yán)重的K90+500~K91+500路段,經(jīng)檢測(cè),該路段車(chē)轍深度平均值為10mm左右,zui大值達(dá)到21.7mm。取芯位置為各車(chē)道輪跡帶處,取樣間隔為10m,取芯位置示意圖如圖1所示。為便于后文表述,將應(yīng)急車(chē)道處、行車(chē)道輪跡帶處和靠近路緣帶輪跡帶處取芯試樣分別以A、B、C進(jìn)行標(biāo)記。

渠化交通對(duì)瀝青路面力學(xué)性能的影響


路面力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試及分析

采取動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)、半圓彎拉試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)及間接拉伸疲勞試驗(yàn)對(duì)取芯試樣的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試,分析高速公路渠化交通對(duì)路面面層瀝青混合料力學(xué)性能的影響。對(duì)取芯試樣按路面上面層、中面層和下面層進(jìn)行切割、磨平處理,采用水中重法對(duì)試樣物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試,得到毛體積密度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

渠化交通對(duì)瀝青路面力學(xué)性能的影響

由表1可以看出:應(yīng)急車(chē)道處瀝青混凝土芯樣密度zui小,行車(chē)道和超車(chē)道輪跡帶處芯樣密度比較接近,比應(yīng)急車(chē)道處芯樣密度大0.1g/cm3左右。由此可知,由于渠化交通的影響,使得瀝青混凝土在服役過(guò)程中被行駛車(chē)輛進(jìn)一步壓實(shí),密度增大。


動(dòng)態(tài)模量

動(dòng)態(tài)模量是目前國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)瀝青混合料力學(xué)性能的主要指標(biāo),可有效反映行車(chē)荷載作用下瀝青混合料的力學(xué)特性。將取芯試樣進(jìn)行切割、打磨,得到尺寸為Φ100mm×150mm的圓柱體試件,采用**伺服液壓多功能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)應(yīng)急車(chē)道處(A)、行車(chē)道輪跡帶處(B)和超車(chē)道輪跡帶處(C)試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為5、20、35和50℃,加載波形為半正弦波,加載頻率為0.1、0.5、1、5、10和25Hz得到不同溫度下試件動(dòng)態(tài)模量隨荷載頻率變化曲線(xiàn)如圖2所示。

渠化交通對(duì)瀝青路面力學(xué)性能的影響

由圖2可知:溫度相同時(shí),瀝青混合料試件的動(dòng)態(tài)模量均隨著加載頻率的升高而增大,且低溫時(shí)動(dòng)態(tài)模量的增長(zhǎng)幅度比高溫時(shí)要小。瀝青混合料是一種典型的黏彈性材料,承受荷載時(shí)應(yīng)變滯后于應(yīng)力。當(dāng)加載頻率較高時(shí),加載過(guò)程較迅速,應(yīng)變滯后效應(yīng)較強(qiáng),加載過(guò)程應(yīng)變較小,模量較大。而當(dāng)加載頻率較低時(shí),應(yīng)變滯后效應(yīng)減弱,模量減小。當(dāng)加載頻率相同時(shí),瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量均隨著溫度的升高而降低。這是由于溫度的升高,瀝青逐漸軟化,使得瀝青混合料逐漸由彈性體狀態(tài)向黏流態(tài)轉(zhuǎn)變。

另外,對(duì)比應(yīng)急車(chē)道處、行車(chē)道輪跡帶處和超車(chē)道輪跡帶處芯樣動(dòng)態(tài)模量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),應(yīng)急車(chē)道處芯樣動(dòng)態(tài)模量zui大,行車(chē)道和超車(chē)道輪跡帶處芯樣動(dòng)態(tài)模量值較為接近,無(wú)明顯差異。當(dāng)加載頻率為10Hz,溫度分別為5、20、35和50℃時(shí),應(yīng)急車(chē)道處瀝青混合料試件的動(dòng)態(tài)模量分別比行車(chē)道輪跡帶處瀝青混合料試件動(dòng)態(tài)模量大9.2%、15.1%、9.3%和14.5%。由于高速公路應(yīng)急車(chē)道基本無(wú)車(chē)輛行駛,可以認(rèn)為該處瀝青混合料試件性能的衰減僅由環(huán)境作用所引起,而行車(chē)道和超車(chē)道處瀝青混合料性能的衰減由環(huán)境和行車(chē)荷載共同引起。因此可以推斷,由于行車(chē)荷載的作用,使得瀝青路面輪跡帶處在夏季高溫階段發(fā)生車(chē)轍病害,此時(shí)輪跡帶下瀝青混合料內(nèi)部集料之間發(fā)生相對(duì)位移,改變了內(nèi)部集料分布狀態(tài),集料骨架嵌擠作用減弱,使得動(dòng)態(tài)模量降低。另外,在行車(chē)荷載和水分的耦合作用下,瀝青混合料內(nèi)部動(dòng)水壓力較大,對(duì)混合料造成的侵蝕作用遠(yuǎn)大于靜水作用,進(jìn)一步造成行車(chē)道輪跡帶下部混合料動(dòng)態(tài)模量的降低。


半圓彎拉試驗(yàn)

半圓彎拉試驗(yàn)(SCB)廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的間接拉伸性能。采用伺服液壓多功能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)路面取芯試樣進(jìn)行低溫半圓彎拉試驗(yàn),以評(píng)價(jià)應(yīng)急車(chē)道處(A)、行車(chē)道輪跡帶處(B)和超車(chē)道輪跡帶處(C)下面層瀝青混合料的低溫抗裂性能,試驗(yàn)溫度為-5℃,加載速率為5mm/min,試件尺寸為Φ100mm×40mm的半圓柱體試件。試驗(yàn)完成后,得到瀝青混合料半圓試件破壞時(shí)荷載大小,采用式(1)計(jì)算得到混合料半圓彎拉破壞強(qiáng)度,結(jié)果如圖3所示。

渠化交通對(duì)瀝青路面力學(xué)性能的影響

渠化交通對(duì)瀝青路面力學(xué)性能的影響

渠化交通對(duì)瀝青路面力學(xué)性能的影響

從圖3可以看出:應(yīng)急車(chē)道處芯樣半圓彎拉強(qiáng)度zui大,超車(chē)道輪跡帶處芯樣彎拉強(qiáng)度次之,行車(chē)道輪跡帶處彎拉強(qiáng)度zui小,但是三者之間差異相對(duì)并不顯著。彎拉強(qiáng)度越大,則瀝青混合料的低溫抗拉能力越強(qiáng),低溫抗裂性能越好。因此,3處瀝青混合料試件的低溫抗裂性能從優(yōu)到劣排序依次為A>C>B。由于行車(chē)荷載的長(zhǎng)期作用,瀝青路面輪跡帶處混合料內(nèi)部集料之間發(fā)生移位,內(nèi)部集料和空隙的分布狀態(tài)發(fā)生變化,顆粒間瀝青膠結(jié)料厚度不均勻,致使瀝青混合料低溫抗裂性能有所降低。而且,由于行車(chē)荷載和水分的耦合作用,瀝青混合料內(nèi)部空隙中動(dòng)水壓力較大,對(duì)瀝青膠結(jié)料和集料產(chǎn)生沖刷,使得瀝青膠結(jié)料與集料之間的黏附力降低,抗彎拉強(qiáng)度減小。


劈裂試驗(yàn)

采用**伺服液壓多功能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)路面取芯試樣進(jìn)行劈裂試驗(yàn),以評(píng)價(jià)應(yīng)急車(chē)道處(A)、行車(chē)道輪跡帶處(B)和超車(chē)道輪跡帶處(C)瀝青混合料的常溫抗拉性能。試驗(yàn)溫度為15℃,加載速率為50mm/min,試件尺寸為Φ100mm×40mm的圓柱體試件。試驗(yàn)完成后,得到瀝青混合料試件破壞荷載大小,采用式(2)計(jì)算得混合料劈裂強(qiáng)度,結(jié)果如圖4所示。

渠化交通對(duì)瀝青路面力學(xué)性能的影響

渠化交通對(duì)瀝青路面力學(xué)性能的影響

從圖4可知:應(yīng)急車(chē)道處芯樣劈裂強(qiáng)度zui大,超車(chē)道輪跡帶處次之,行車(chē)道輪跡帶處zui小,且對(duì)于同一層位瀝青混合料試件強(qiáng)度差異并不明顯。A處與B處的上面層、中面層和下面層試件劈裂強(qiáng)度之差分別為0.515、0.511和0.4MPA,B處試件相對(duì)A處試件的降低幅度相應(yīng)為17.8%、18.5%和15.8%。這與低溫下芯樣試件半圓彎拉試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律類(lèi)似,進(jìn)一步驗(yàn)證了在路面渠化交通荷載的作用下,瀝青混合料的抗拉能力有所降低,抗裂性能發(fā)生衰減。

對(duì)比不同層位瀝青混合料試件的劈裂強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn),在3處均存在著上面層試件強(qiáng)度zui大、中面層次之、下面層zui小的規(guī)律,這與不同層位瀝青混合料級(jí)配組成及瀝青膠結(jié)料的類(lèi)型有關(guān)。路面材料為:上面層為AC-13(改性瀝青)密級(jí)配瀝青混合料,中面層為AC-20C(改性瀝青)密級(jí)配瀝青混合料,下面層為AC-20C密級(jí)配瀝青混合料。由此可知,SBS改性瀝青具有比普通基質(zhì)瀝青優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性及黏結(jié)強(qiáng)度,相應(yīng)的瀝青混合料高溫性能及抗拉性能要強(qiáng)于基質(zhì)瀝青混合料,使得上面層和中面層試件的劈裂強(qiáng)度高于下面層瀝青混合料。


間接拉伸疲勞試驗(yàn)

采用**伺服液壓多功能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)路面取芯試樣進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn),以評(píng)價(jià)應(yīng)急車(chē)道處(A)、行車(chē)道輪跡帶處(B)和超車(chē)道輪跡帶處(C)瀝青混合料的抗疲勞性能,試驗(yàn)溫度為15℃,試件尺寸為Φ100mm×40mm的圓柱體試件。試驗(yàn)過(guò)程采用應(yīng)力控制模式,根據(jù)間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果,分別取應(yīng)力比為0.3、0.5、0.7試驗(yàn)荷載進(jìn)行疲勞試驗(yàn),加載頻率為10Hz,以試件產(chǎn)生裂縫為破壞判斷依據(jù)。圖5為對(duì)數(shù)坐標(biāo)下芯樣試件間接拉伸疲勞壽命隨應(yīng)力比變化關(guān)系。

渠化交通對(duì)瀝青路面力學(xué)性能的影響

由圖5可以看出:

(1)在同一層位中,應(yīng)急車(chē)道處瀝青混合料試件的疲勞壽命zui大,超車(chē)道輪跡帶處次之,行車(chē)道輪跡帶處zui小,且下面層A、B、C試件疲勞壽命的差異相對(duì)更加明顯。這是因?yàn)樵谛熊?chē)荷載的重復(fù)作用下,車(chē)道輪跡帶下瀝青混合料內(nèi)部集料顆粒位置得到重分布,空隙率減小,顆粒間瀝青膠結(jié)料厚度不均勻,致使瀝青混合料抗疲勞性能有所降低,另外,在行車(chē)荷載作用下,動(dòng)水沖刷作用對(duì)瀝青膠結(jié)料造成侵蝕,降低了瀝青膠結(jié)料與集料之間的黏附力,使得混合料抗疲勞性能降低。而且在行車(chē)道上行駛的重型車(chē)輛較多,瀝青混合料疲勞壽命的衰減程度更大,造成其疲勞壽命zui小。

(2)對(duì)比不同層位瀝青混合料試件的疲勞壽命發(fā)現(xiàn),上面層瀝青混合料疲勞壽命zui大,其次為中面層,下面層zui小,而且上面層瀝青混合料試件疲勞壽命和中面層很接近。這與瀝青路面結(jié)構(gòu)在行車(chē)荷載作用下的受力特征有關(guān),在荷載作用下,拉應(yīng)力區(qū)主要集中在下面層,使得下面層瀝青混合料經(jīng)受的重復(fù)拉伸作用更強(qiáng),抗疲勞性能劣化程度更大,而且上面層和中面層瀝青混合料采用改性瀝青,其疲勞性能要優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料。

(3)對(duì)比不同應(yīng)力比條件下瀝青混合料的疲勞壽命可以發(fā)現(xiàn):隨著應(yīng)力比的提高,在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下瀝青混合料的疲勞壽命近似呈線(xiàn)性下降趨勢(shì),瀝青混合料的疲勞壽命隨著應(yīng)力比的增大而急劇下降。以下面層A處瀝青混合料為例,在應(yīng)力比分別為0.3、0.5和0.7時(shí),瀝青混合料的疲勞壽命分別為51601、8521和801次。在高應(yīng)力比下,瀝青路面將會(huì)迅速發(fā)生疲勞破壞。因此,超載車(chē)輛對(duì)瀝青路面的損害要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于允許荷載范圍內(nèi)車(chē)輛對(duì)路面的損害,為保證路面的長(zhǎng)期使用性能,應(yīng)嚴(yán)格控制超載車(chē)輛在路面上的行駛行為。


結(jié)論

該文依托昌九高速公路改擴(kuò)建通遠(yuǎn)試驗(yàn)段建設(shè)工程,分析了渠化交通對(duì)瀝青路面力學(xué)性能的影響,得到如下主要結(jié)論:

(1)在動(dòng)態(tài)荷載作用下,應(yīng)急車(chē)道處芯樣動(dòng)態(tài)模量zui大,行車(chē)道和超車(chē)道輪跡帶處芯樣動(dòng)態(tài)模量值較為接近,無(wú)明顯差異。由于渠化交通荷載的作用,使得瀝青路面動(dòng)態(tài)模量降低。

(2)由低溫半圓彎拉試驗(yàn)和常溫劈裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),應(yīng)急車(chē)道處芯樣抗拉強(qiáng)度zui大,超車(chē)道輪跡帶處次之,行車(chē)道輪跡帶處zui小,但是三者之間差異相對(duì)并不顯著。在路面渠化交通荷載的作用下,瀝青混合料的抗拉能力有所降低,低溫抗裂性能發(fā)生衰減。

(3)通過(guò)間接拉伸疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),應(yīng)急車(chē)道處瀝青混合料試件的疲勞壽命zui大,超車(chē)道輪跡帶處次之,行車(chē)道輪跡帶處zui小,且在下面層試件疲勞壽命的差異相對(duì)更加明顯。渠化交通荷載作用使得瀝青混合料疲勞性能有所降低,而且荷載大小對(duì)瀝青混合料疲勞壽命影響顯著,為保證路面的長(zhǎng)期使用性能,應(yīng)嚴(yán)格控制超載車(chē)輛在路面上的行駛行為。


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全文完 發(fā)布于《中外公路》2019年12月。作者簡(jiǎn)介:劉妍,女,大學(xué)本科,高級(jí)工程師.E-mail:519887257@qq.com

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產(chǎn)品特點(diǎn)

▍緊湊、堅(jiān)固的加載架

▍占地面積?。?0cmx135cm,包括液壓動(dòng)力單元和環(huán)境箱

▍反力架嵌入到環(huán)境箱體中

▍可移動(dòng)式溫控單元

▍全套配置適合于廣泛的測(cè)試應(yīng)用

▍數(shù)字液壓伺服控制

▍標(biāo)準(zhǔn)配置為 4 軸控制和 16 通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(可選用高配 CDAS/CDAS2)

小粒徑瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究

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