沥青路面加速加载试验研究_徐全亮

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关键词： 沥青路面； 加速加载试验； 使用性能
中图分类号： U416. 2
文献标识码： B
1 加速加载试验介绍
1. 1 加速加载试验设备 加速加载试验设备 （ Accelerated Loading Facility
简称 ALF） 是一套大型的、可移动式的、能够在工程 现场模拟实际交通情况的野外足尺路面综合加速加载 试验设备。它能够在工程现场模拟实际交通情况，通 过可控制轴载在短时间内对足尺路面进行加速加载， 从而模拟较长时间内实际交通荷载对路面结构的破坏 作用。设备由加速加载系统和数据采集系统组成，所 加荷载相当于轴载从 80 ～ 200kN 以 20kN 为一等级任 意选定，加载速度为 20km / h，加载带的长度为 12m， 每天可向路面施加约 9000 次单向选定轮载。设备可 以自动模拟实际交通荷载的横向分布，分布方式有宽 分布和窄分布两种，均为标准正态分布。数据采集系 统可对路面结构的各种参数和状态进行及时的测定， 内容包括路表弯沉、路面结构内的层间位移、路表变 形 （ 车辙） 、路面结构内内各结构层的应力和应 变等。 1. 2 试验方法
使用 ALF 设备对柔性路面和半刚性路面进行加 速加载试验，对比两种结构形式沥青路面的抗车辙能 力、承载力水平和对水的稳定性，从而对柔性基层沥 青路面的使用性能进行评价。 1. 3 试验路情况
试验路段位于某高速服务区，结构形式分为 6 种，主要是选用了不同的材料设计类型和结构组合设 计类型。其中试验段 A，B，C 全部为半刚性结构， 采用了不同的面层组合形式和设计方法，A 为目前国 内常用的结构，表面层改性，B 为双层改性，C 为采
图 2 试验期间温度变化曲线
随着试验的进行，沥青层压实的更加致密并且没 有裂缝的产生，外界的水很难进入到结构内部，为了 对比几种结构对水的稳定性，加载试验进行到 9 月 30 日加载次数累计 775000 次的时候在从加载开始段 算起分别距离 2. 4m （ E 段） ，4. 45m （ F 段） ，7. 65m （ D 段） 和 10. 4m （ C 段） 的 位 置 处 切 割 了 深 度 为 12cm，12cm，10cm 和 10cm 的横向裂缝，并且在每 条裂缝中部对称位置进行了钻孔，每条裂缝都打了两 个深度直到基层，孔径 38mm 的圆孔。然后每天定时 多次向圆孔和裂缝处加水，使水进入到路面结构内 部，从而模拟路面进水的破坏形式。
我国是以路表弯沉为设计指标来控制和反应路面 强度的，路表弯沉的变化反应的是路面结构强度的疲 劳变化和路用材料的强度变化情况。因此建立路表最 大弯沉和加载次数的关系可以反应不同结构形式在长 期荷载作用下强度性能和疲劳寿命。
同样是选取 12m 加载带上的 11 个断面 （ 每 1m1 个） 上路表的最大弯沉数值，然后按照每种结构选 取对应断面的算术平均值，形成各个结构的平均路表 最大弯沉和加载次数的关系曲线。
道路工程
图 1 试验路结构和加载位置示意图
表 2 面层材料设计及参数
始全天 24h 每隔一个小时对环境温度进行记录。试验
最佳油 动稳定度 / 级配类型 使用层次 设计方法 沥青类型
石比 / % 次·mm － 1
期间最高温度 39℃ ，最低温度零下 2℃ ，平均气温 19. 5℃ ，温度曲线变化如图 2 所示。
表 1 各层材料参数
位置
材料
最佳含 最大干 水量 w /% 密度 ρ
压实 7 天抗压 度 / % 强度 / MPa
土基
素土
12. 0 2. 01g / cm3 97. 4
垫层
沙砾
4. 8 2. 226g / cm4ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
石灰水泥稳定土 14. 2 底基层
水泥稳定碎石 5. 2
1. 85g / cm5 2. 32g / cm6
ALF 的试验路采用了当地常规的施工机械按标准 的施工工艺进行修建，筑路材料也都选用了当地高速 公路建设所使用的各种材料，这些都用以保证试验路 与实际的路面结构相同或接近，同时对原材料性能和 材料配比也做了相关试验，其中原材料指标为： 土为 粉质土，塑性指数 IP 为 8. 1； 石灰等级 1 级，有效钙 镁含量 72. 05% ； 水泥为 32. 5#矿渣水泥，细度 5% ， MgO 含量 2% ，初凝时间 225min，终凝时间 355min， 安定实验合格。级配碎石除了采用规范级配之外，还 根据国内的研究成果采用断级配和连续级配。上面层 和中面层沥青碎石基层沥青混凝土采用了 GTM 方法 和马歇尔试验方法研究确定。
1943
1. 4 试验条件 试验所选用的轴载为 160kN，轮胎压力 0. 8MPa。
试验选用的横向分布形式为先进行均匀分布以提高路 面压实程度，然后采用窄分布的横向分布形式进行 加载。
试验段 A、B、C 的加载试验主要是对比不同材 料设计类型的半刚性结构的抗车辙性能，为了增快车 辙的发展速度，试验时对路面进行加热，通过加热装 置和温度传感器控制试验段中心 5cm 位置的温度保 持为 50℃ 。试验段 C、D、F、E 的加载试验在常温 下进行，试验的时间选在车辙发生较快的 5 ～ 11 月， 对比研究半刚性结构和柔性结构的抗车辙性能和疲劳 寿命。在试验期间对温度进行监测和记录，从试验开
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2 试验结果
加速加载试验为对路面加热条件下的控温试验和 在自然常温条件下的疲劳破坏试验，对 A、B、C 的 控温加热加载试验主要是对比不同材料设计类型的半 刚性结构的抗车辙性能，累计加载 52000 次。对结构 C、D、F、E 的加载试验主要为了对比柔性基层和半 刚性基层沥青路面的疲劳寿命和相关使用性能，试验 从 5 月到 11 月初完成，累计加载 1002450 次。 2. 1 车辙试验
参考文献：
［1］ 沙庆林． 高速公路沥青路面早期破坏现象及预防． 北京： 人民交通 出版社，2001．
［2］ 交通运输部公路科学研究院． 半刚性基层沥青路面典型结构加速 加载试验研究．“八五”国家重点科技项目，1995．
［3］ 孟书涛． 半刚性基层沥青路面性能的加速加载试验研究． 公路交 通科技，1997（ 3） ．
沥青路面加速加载试验研究
徐全亮
（ 交通运输部公路科学研究院，北京 100088）
摘 要： 半刚性基层路面暴露出一些缺陷和不足成为公路路面结构的早期破坏原因之一，文章根据不同基层类型沥青
路面结构的野外加速加载试验结果，对比分析不同沥青路面结构的车辙、承载能力和对水的适应性，从而对不同基层
结构形式的沥青路面结构使用性能进行评价。
AC16 上面层 马歇尔 改性沥青 4. 9
4523
AC16
上面层
GTM 改性沥青 4. 9
SMA16 上面层 马歇尔 改性沥青 6. 2
5024
AC20 中面层 马歇尔 改性沥青 4. 6
2795
AC20
中面层
GTM 改性沥青 4. 6
SMA20 中面层 马歇尔 改性沥青 5. 9
4809
ATB25 柔性基层 马歇尔 普通沥青 3. 6
（ 2） 从车辙的试验结果来看整体增长较慢，从
上边的分析我们可以看出，面层沥青混合料的材料和 设计方法的选取对车辙影响很大，尤其是混合料的油 石比。而柔性结构虽然加大了面层厚度，但是和半刚 性结构比较在抗车辙的性能上并不用担心。
（ 3） 从试验后期的打孔注水试验结果来看，对 于进入到结构层内部的水，柔性结构可以从基层缓慢 渗出，而半刚性结构则存在层间无法排出。从以上现 象和分析结果我们可以明显看出级配碎石层能起到排 水从而防治结构水损害的作用，柔性基层结构在对水 的稳定性上好于半刚性基层结构。
96. 0 97. 3
0. 94 4. 41
规范级配 5. 5 2. 343g / cm7
级配
基层
断级配
碎石
5. 0 2. 386g / cm8 100. 1
连续级配 5. 8 2. 331g / cm9
作者简介： 徐全亮 （ 1980 － ） ，男，河北迁安人，助理研究员，从事路面结构性能研究。
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用 GTM 设计的双层感性沥青半刚性结构； D、E、F 为柔性基层沥青路面结构，其中 D 为法国重交通道 路典型结 构，在 半 刚 性 基 层 上 加 铺 12cm 碎 石 排 水 层，作为半刚性基层的过渡层，这种结构在我国应用 的也很多； E 为我们推荐的柔性结构，沥青稳定碎石 基层沥青路面，沥青层总厚度 24m； F 为双 层 SMA 路面的柔性结构 （ 见图 1） 。
车辙是沥青路面的主要病害形式，产生车辙的原 因从内部因素上主要是由于结构设计不合理或者是沥 青混合料由于不同原因造成的性能不足所引起的压 密，力学形变或者是剪切流变，从外部环境影响方面 来说主要是温度和降水。
在试验路段选取 12m 加载带上的 23 个断面 （ 每 0. 5m1 个） 上的最大车辙数值，然后按照每种结构选 取对应断面的算术平均值，形成各个结构的平均最大 车辙深度和加载次数的关系曲线。
控温加热试验各段平均最大车辙深度和加载次数 的关系曲线如图 3，产生的最大车辙为 79mm。
看出车辙的规律是 F 段最大，C 段最小，D 段和 E 段 相差不多都比 F 段略小。我们再对比半刚性基层的 C 结构和柔性基层的 F、E 结构，C 结构的车辙最小， 但是从加热控温的加载试验中我们可以知道，由于 C 段为半刚性基层中采用了双层感性沥青的面层结构， 采用了 GTM 的方法设计，油石比相对偏低，因此抗 车辙性能明显好于普通的半刚性基层路面，从图 3 中 可以看出，在同等条件下，C 结构的车辙仅仅为普通 A，B 型半刚性结构的 30% ～ 50% 左右，并且仅仅从 面层的竖向变形的角度来看，从试件的分析结构来 看，4 种结构也是相差不多的，因此对于柔性结构加 厚面层所产生的在抗车辙方面的担忧是不必要的。 2. 2 弯沉试验
常温试验平均路表最大弯沉和加载次数的关系曲 线如图 5，最大值弯沉 0. 9738mm。
图 3 加热控温试验平均最大车辙和加载次数的关系
常温试验各段平均最大车辙深度和加载次数的关 系曲线如图 4 （ 由于试验位置 0m，0. 5m 和 1m 处加 载不完全，9m 位置在加载试验进行一段时间后迅速 发生破坏，因此去处此 4 处数据整理所得） ，产生的 最大车辙为 43. 16mm。
从疲劳试验的车辙情况来看，几种结构比较可以
图 4 常温疲劳试验平均最大车辙和加载次数的关系
图 5 常温疲劳试验平均最大弯沉和加载次数的关系
从弯沉的测试结构来看，各个结构所经历的都是 一个先减小，再逐步增大的过程，这和实际情况中的 情况也是一致的，反映了道路一个先经过车辆荷载作 用逐渐压密，然后在荷载的作用下逐步发生破坏的过 程。除了在 C、D 结构的结合部 9m 位置附近出现了 弯沉快速增长之外，其余试验路段弯沉数值较小，变 化也不显著。在对路面结构层进行打孔注水之后，所 有结构的弯沉值都先迅速变小，然后开始快速增长， 但是从增长的速率来看，可以明显看出，对于 C 段的 半刚性基层结构，在注水之后，弯沉增长很快，大于 3 种柔性结构的增长速度，并且在注水几天之后，我 们在半刚性结构 C 的打孔处发现了翻浆的现象，而其
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道路工程
余的 3 种柔性基层结构则没有发现这种现象。
3 结论
（ 1） 本次加速加载试验设备的加载轮重选用为 160kN 的荷载，疲劳试验加载累计 100 多万次，相当 于施加标准轴载 （ 100kN） 770 万以上，试验结果表 明，各种结构除了在 C、D 结构的结合部 9m 位置附 近出现了弯沉和车辙的快速增长之外，其余试验路段 车辙弯沉变化都较小，属于缓慢变化的趋势，最大车 辙为 21. 82cm，最大弯沉值只有 0. 35mm； 整个试验 路段没有出现如裂缝、坑槽、积浆等结构破坏形式。 说明在进行了相当于道路 15 年设计使用寿命的交通 荷载作用下，几种结构从使用上和结构上都没有出现 严重的破坏。从试验结果看出无论是柔性基层还是半 刚性基层沥青路面，在设计年限内结构承载力足够， 没有将要出现结构破坏的趋势。