大粒径沥青碎石基层路面力学性能试验研究*

周 俊 刘定涛 张义朋 蔡文波 魏朝晖

(武汉市和平至左岭高速公路建设管理部1) 武汉 430000)(武汉市交通基本建设工程质量监督站2) 武汉 430015) (浙江省交通工程建设集团3) 杭州 310051)

我国的高速公路,绝大多数面临着重载车多,超载严重的实际情况.同时为了充分利用地材以降低造价,基本上都采用半刚性材料为基层沥青路面结构,所以在通车后不久路面就会出现明显的车辙和大量的反射裂缝.一些研究资料表明[1-5],采用含大粒径沥青混合料基层的沥青路面结构有望很好地解决这个问题.但这方面的研究还不充分,这种路面结构在实际工程中应用也很少.因此对其进行广泛深入的研究是非常必要的.

基于上述理由,结合武汉至鄂州高速公路的工程建设,修筑了含大粒径沥青稳定碎石ATB-30基层的试验路.其主要目的是想通过准确测量在动、静荷载作用下3种不同结构的路面中沥青稳定碎石基层的应变响应来分析其力学性能,为合理设计含沥青稳定碎石基层的沥青路面作指导.

1 试验路概况

武汉至鄂州高速公路设计车速100 km/h,路基宽26 m,双向 4车道.综合考虑地质、水文、路基高度和填料种类,施工条件等因素、选定在五家湖大桥(中心桩号K19+070)与快活岭分离式立交桥(中心桩号K17+922)之间的右幅路基上铺筑上述试验路面.试验路的具体起讫桩号为K18+711.4～ K18+111.4,全长600 m,分为 A,B,C 3段,各段长度依次为250,50,300 m.各段的路面结构见图1所示.其中,ATB-30结构层的沥青混合料级配如图2所示,油石质量比为3.4%.此段为填方路基,上下路堤为粘土填筑,路床为砾石土.路面施工时,路基竣工已达1年半,路基在其自重作用下的沉降已完成;路基高度2.5 m～3.5 m,变化小,所以路基条件基本一致.

2 光纤光栅传感器及其埋设

研究表明,采用FRP(fiber reinforced polymer)封装的光纤光栅传感器,其应力-应变关系一直到破坏都是线弹性的,且无屈服点,所以线弹性范围大,还具有弹性模量低、疲劳性能好、耐腐蚀和重量轻等优点,可以适应沥青路面结构检测的需要[6].因此本文的试验采用某公司生产的FRP封装光纤光栅2维应变传感器,其产品型号为为CB-FBG-FRP-ME01,可同时测定相互垂直的两个方向的应变.采用同一厂家生产的原型封装FBG-T-01型光纤光栅温度传感器进行温度补偿.用美国Micron Optics公司生产的Sm-125型解调仪读取光纤光栅传感器的波长数据.应变测量范围为 ±5 000×10-6,测量精度为 2～3×10-6.

图1 各路段结构及传感器埋设位置

图2 ATB-30沥青混合料的级配曲线

在施工过程中,分别于A,B,C 3段试验路的中部各选择相距10 m的2个横断面,在外侧行车道的外轮迹带中心线下埋设光纤光栅应变传感器.每段试验路的2个横断面上应变传感器埋设的个数和深度位置是相同的,其中1个断面上的应变传感器作为测量备用.各路段传感器的深度位置分别见图1.此外,在C段的下面层底面和上基层的1/2厚度处各埋设1个温度传感器,作为温度补偿之用.

3 静载试验及结果分析

路面竣工后,将直径30 cm的标准承载板对中置于光纤光栅应变传感器埋置点的正上方,以载重汽车作压重,通过千斤顶分级施加荷载,每级荷载作用下稳定1 min后记录波长,于是可计算出各级荷载作用下的实测应变.各测点的实测纵、横向应变有相似的规律,图3为测得的横向应变曲线,纵向应变曲线规律与横向应变相似.

图3 静载下的横向应-变压应力曲线

由图3可见:

1)在相同的静荷载作用下,A,B,C 3种路面结构中的应变都遵循“上大下小”的规律,亦即面层中的应变随深度的增加而减小.

2)压力-应变都近似呈直线关系.说明在试验荷载范围内,路面结构的变形基本处于弹性变形阶段,没有出现塑性变形.这是保证路面结构使用寿命的必要条件,因为只有路面处于弹性变形阶段,才能经受大量重复的车辆荷载的作用而不产生塑性变形积累.

3)在静载作用下,路面结构A和B中,沥青面层内的水平应变非常接近.因为B结构与A结构相比仅在水泥稳定碎石的半刚性基层顶面多铺了一层玻纤格栅,所以,试验结果说明,在小应变下一层玻纤格栅不会引起路面结构应力应变特性的明显改变.因此,在半刚性基层和沥青碎石基层之间加铺玻纤格栅等材料,其目的不是对路面结构起加筋作用,而是限制半刚性基层不可避免的收缩裂缝在面层中引起的反射裂缝向路表面开展,避免或减少贯穿面层厚度的反射裂缝的出现,降低水损害,延长沥青路面的使用寿命.

4)图3中,C1线在所有曲线之上,而C2线在所有曲线之下,说明较厚的大粒径沥青稳定碎石基层ATB-30对沥青面层的水平应变随深度的分布有较大的影响,它使得沥青面层中深度较小处的水平应变明显增大(与结构A和结构B相比),而较深处(ATB-30结构层内)的水平应变则明显减小.这一方面说明在相同静载压力的作用下,ATB-30柔性基层因为刚度较大的原因可使自身的应变较小外,另一方面也会因此而使得覆于其上的粒径较小的沥青混凝土面层得到较"刚性"的支承而发生较大的水平应变.这说明了以下2个方面的问题:(1)与通常的半刚性基层沥青路面结构在半刚性基层上直接铺筑粒径较小的沥青混凝土面层相比,弹模较大的ATB-30柔性基层与半刚性基层的刚度差相对较小,二者的变形协调性相对较好,可以减少反射裂缝和避免或降低车辙发生的几率.所以在半刚性基层与沥青混凝土面层之间加铺一层厚度较大的大粒径沥青稳定碎石基层是值得推荐的路面结构.(2)铺于大粒径沥青碎石基层之上的中、小粒径沥青混凝土面层的厚度不宜过薄,以免面层发生较大水平变形而造成面层的早期开裂和推挤.

4 动载试验及结果分析

测试车为双后轴载重汽车,装载碎石作为配重,整车质量29 020 kg,双后轴总质量25 110 kg.测试车以不同车速通过检测点,计算机自动测记汽车通过检测点过程中光纤光栅传感器的最大波长变化,然后计算出实测的最大纵、横向水平应变.所测各点的纵、横向水平应变有相似的规律,图4是实测的横向应变-车速曲线.

图4 横向应变-车速曲线

从图4可见:(1)随着车速的提高,路面结构层的水平应变迅速减小;(2)同一车速下,沥青面层中的水平应变遵循“上大下小”的规律.这与静载情况相似;(3)在相同车速下A,B,C 3种路面结构层内的水平应变相差不大.这说明在动载作用下,3种路面结构的应变响应没有本质区别.也许这只是新建路面的表现,待通车后这种规律很可能会随时间而变化,这有待于对试验路的长期观测来检验.

5 结 论

1)较厚的大粒径ATB基层对沥青面层的水平应变随深度的分布有较大的影响,它使得沥青面层中深度较小处的水平应变明显增大,而较深处的ATB层内的水平应变则明显减小.

2)大粒径ATB柔性基层与半刚性基层的刚度差相对较小,二者的变形协调性相对较好,可以减少反射裂缝和避免或降低车辙发生的几率.所以在半刚性基层与沥青混凝土面层之间加铺一层厚度较大的大粒径沥青稳定碎石基层是值得推荐的路面结构.

3)铺于大粒径ATB层之上的中、小粒径沥青混凝土面层的厚度不宜过薄,以免面层发生较大水平变形而造成面层的早期开裂和推挤.

4)在动载作用下,大粒ATB层的厚度对新建路面在动载作用下的结构应变没有明显影响.应该对路面通车后的情况进行长期监测,用长期监测数据来评价大粒径ATB柔性基层对沥青路面力学性能的影响.

[1]冯俊领,查旭东,张起森.大粒径沥青混合料(LSM)车辙试验研究[J].长沙交通学院学报,2005,21(1):43-46.

[2]张 亮.大粒径沥青混合料抗裂性能试验研究[D].长沙:长沙理工大学交通学院,2006.

[3]冯俊领,张起森,高和生,等.大粒径沥青混合料力学性能试验研究[J].公路,2006,(2):157-160.

[4]张起森,冯俊领,查旭东.大粒径沥青混合料路用性能研究[J].长沙交通学院学报:自然科学版,2004(1):8-13.

[5]王国军.大粒径沥青混合料LSM-30型性能的研究[J].公路,2007(4):149-153.

[6]陈凤晨,谭忆秋,董泽蛟,等.基于光纤光栅技术的沥青路面结构应变场分析[J].公路交通科技,2008,25(10):9-12.