刚柔复合式路面沥青面层动态应变试验研究

刘志胜，赵娟娟

(1.山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室, 山西 太原 030006；2.北京城建设计发展集团股份有限公司 深圳分公司,广东 深圳 518000)

刚柔复合式路面沥青面层动态应变试验研究

刘志胜1，赵娟娟2

(1.山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室, 山西 太原 030006；2.北京城建设计发展集团股份有限公司 深圳分公司,广东 深圳 518000)

为深入研究刚柔复合式路面沥青面层车辙病害机理，采用复合路面结构车辙试验模拟路面荷载动态作用，借助光纤光栅应变检测技术测试不同方向、不同荷载、不同类型混合料和不同温度下沥青混合料的动态应变，从荷载大小、混合料类型和温度3个方面分析复合式路面沥青面层车辙变形特征。结果表明：动态荷载作用下刚柔复合式路面沥青面层的横向应变小于纵向应变，荷载消除后横向应变可恢复60%，而纵向应变仅可恢复20%；一定范围内沥青混合料动态应变与荷载大小成正线性关系，应变的恢复能力与荷载大小成反向线性关系；SMA的应变比AC小12%，而变形恢复能力高出约60%；高温环境下，荷载间接作用也会引起沥青混合料的应变，SMA的抗变形能力明显高于AC沥青混合料。

道路工程；复合式路面；沥青面层；动态应变；光纤测试技术

0 引 言

沥青混凝土路面具有初期造价低、噪声低、路面平整度好、行车舒适性好等优点，故在世界范围内应用颇多。在我国重载交通路段，沥青路面车辙、水损害等问题频频出现，早期损害严重[1]。水泥混凝土路面具有较高的承载能力，多在重载地区道路使用，其行车噪音大、舒适性差等问题很大程度上影响其推广应用[2]。综合两种路面结构的优点，连续配筋混凝土与沥青混凝土或钢筋混混凝土与沥青混凝土复合式路面被提出[3-5]，现有研究结论表明复合式路面具有结构整体强度高、行驶舒适性好、使用寿命长、维修费用小等优点，是重载交通高速公路长寿命沥青路面结构的发展方向[6-7]。然而水泥混凝土与沥青混凝土两种材料有明显的差别，尤其是弹性模量相差甚远，致使沥青混合料层在荷载作用下将承受更大的剪应力，对沥青混合料变形产生较大的影响[8-9]。现有沥青混合料抗剪性能评价手段主要包括轴剪切试验、单轴贯入试验、旋转剪切试验等[10]。同济大学孙立军教授提出回弹模量可间接地评价材料的抗剪性能，而与回弹模量相对应材料抗剪性能的影响最终体现在材料所产生的应力、应变大小[11-12]。应变是材料与结构的重要物理特性，最能反映结构局部特性，是材料和工程结构健康监测最为重要的参数。关于复合式路面的沥青混合料在荷载下的动态应变，相关文献都未见相关报道[13]。

路面结构动力学的出现为更准确地进行路面受力、变形等分析提供了条件。常用的无损检测设备作用于路表的力都是动态的，因此采用动态荷载分析路面的应变更为合适[14]。笔者借助光纤光栅在工程中的应变测试技术，采用复合路面结构的车辙试验模拟路面的荷载动态作用，深入分析了不同方向、不同荷载、不同类型混合料和不同温度对沥青混合料的动态应变的影响规律，明确了刚柔复合式路面沥青混合料层车辙变形机理。研究结果可对复合式路面沥青混合料层设计提供指导。

1 试验材料与方法

1.1 试验原材料

所有试验中沥青采用SBS I-C改性沥青，按照JTG E 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的规定对SBS I-C改性沥青进行基本性能测试，测试结果如表1。结果显示，SBS I-C改性沥青的基本性能，均符合JTG F 40—2004 《公路沥青路面施工技术规范》中规定的要求。

所有试验中，所用的粗集料为辉绿岩，细集料为石灰岩，矿粉为石灰岩磨制，各种集料、矿粉的密度及筛分结果如表2，表3。

表2 集料密度参数Table 2 Parameters of aggregate density

表3 各种矿料和矿粉的筛分结果Table 3 Screening results of various types of mineral aggregates and mineral powder /%

1.2 试验方法

1.2.1 测试设备

笔者采用水泥板加铺沥青混合料成型试件模拟，并借助车辙试验仪对试件施加荷载，模拟研究复合式路面在行车荷载作用下的应变状况。采用光纤光栅埋入式应变计测试路面内的应变状态，光纤光栅埋入式应变计可以自我补偿温度变化对波长的影响[15]，其主要技术参数如表4。

表4 应变计主要技术参数Table 4 Main technical parameters of strain gauge

采用光纤光栅解调仪测试复合式路面沥青混凝土面层结构动态应变，其主要技术参数如表5。

表5 光纤光栅解调仪主要技术参数Table 5 Main technical parameters of fiber bragg grating demodulation device

1.2.2 测试方法

刚柔复合式路面一般为水泥混凝土层上加铺沥青混凝土做上面层，因此在试验过程中采用双层车辙板模拟研究复合式路面，下层水泥混凝土板厚度为5 cm，上层沥青混凝土厚度为5 cm。两只光纤光栅埋入式应变计横向、纵向布设于沥青混凝土层底部，分别测试荷载作用下沥青混凝土的横向和纵向应变，如图1。

采用车辙仪作用于试件的中心，沿着纵向应变计的方向行走模拟动态荷载对复合式路面沥青层混凝土的作用。

2 实验数据处理

动态荷载作用下，光纤光栅解调仪测得的反射波长是一个比较动态变化的曲线，会引起光栅应变计的周期和折射率的变化。在考虑温度影响的情况下，光纤光栅解调仪测试的不同荷载作用下，不同类型沥青混凝土的动态应变计算公式为：

ε=k×(λ2-λ0)-b×(λ3-λ1)

式中：k为应变系数；b为温度修正系数；λ0为初始中心波长；λ1为光栅温补参照波长；λ2为动态中心波长；λ3为动态温补波长。

3 结果及讨论

为全面地研究荷载作用下沥青混合料变形规律，从沥青混合料类型、荷载大小、试验温度3方面进行动态应变试验研究，分析影响沥青混合料动态应变的影响规律。

3.1 荷载作用下不同方向应变分析

图2为在荷载作用下刚柔复合式路面沥青混合料层在平行(纵向)和垂直(横向)与行车方向的动态应变规律。从图2可以看出，随着行车荷载的动态作用，刚柔复合式路面沥青混合料层在平行和垂直于荷载移动方向的动态应变表现出同样的规律，横向和纵向应变随荷载作用而立即增大，荷载远离测试点后表现出明显的变形恢复。

图2 沥青混合料不同方向动态应变规律Fig.2 Law of asphalt mixture’s dynamic strain in directions

从图2可以看出，0.1～0.5 s阶段，行车荷载逐渐接近应变计测试点，沥青混合料层横向和纵向变形均迅速增加并达到最大值；0.5～0.9 s阶段，行车荷载逐渐远离应变计测试点，沥青混合料层横向和纵向变形均逐步减小。动态荷载作用下刚柔复合式路面沥青混合料层纵向应变明显大于横向应变，沥青混合料更多地向荷载移动的作用的方向发生变形，而向垂直于行车方向的横向变形相对较小。理论状态下，荷载作用沥青混合料的各项变形大致相同，而本研究试验中，纵向应变较大的原因是荷载对沥青混合料起到了推挤作用，沥青混合料受到推挤作用而纵向应变增加。荷载逐渐远离测试点之后，沥青混合料的横向表现出明显的伸展性，即沥青混合料在受到纵向推挤后，在横向具有回填的效果，横向应变恢复能力可达到60 %，而纵向应变仅可恢复20 %左右。在经过荷载的固定作用次数后，沥青混凝土的横向应变在很大程度上可以恢复，而纵向应变恢复不明显。

因此，刚柔复合式路面沥青混合料层在荷载作用下的塑性变形在很大程度是由于沥青混合料的纵向变形而引起的。在后续研究中只分析沥青混合料在纵向的动态应变，分析各因素对动态因素的影响。

3.2 荷载大小对沥青混合料应变的影响

在我国规范JTG E 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中，采用轮压0.7 MPa为标准荷载进行沥青混合料的车辙试验。笔者也采用轮压0.7 MPa为标准荷载，并采用0.5，1.0 MPa模拟轻交通和重交通荷载进行试验，研究不同荷载作用下的刚柔复合式路面沥青面层材料的动态应变规律。图3表示在不同荷载作用下的刚柔复合式路面沥青层动态应变规律。

图3 不同荷载对纵向应变的影响规律Fig.3 Longitudinal strain of asphalt mixture under different loads

由图3可以看出：不同的荷载作用下沥青混合料层的纵向应变随荷载作用表现出相同的变化规律。随着荷载的增加，沥青混合料的纵向应变逐渐增大，充分表明荷载作用是沥青混合料的塑性变形的直接原因。轮载1.0 MPa引起的纵向应变对于0.7 MPa增加19 %，而0.5 MPa引起的纵向应变对于0.7 MPa减小20 %，由此可见在一定范围内荷载大小与沥青混合料的纵向应变基本呈线性关系。此外，随着荷载的增加，荷载作用后纵向应变的恢复程度逐渐减小，这进一步说明了荷载对沥青混合料层变形的影响。从另一种角度阐释了沥青混合料作为弹塑性材料，当变形增大时，其塑性表现更为明显。

3.3 沥青混合料类型对沥青混合料应变的影响

沥青混合料的类型有多种，常用于刚柔复合式路面的沥青混合料类型主要包括密级配沥青混凝土和具有功能特性的SMA降噪磨耗层，为此笔者选择AC-13和SMA-13两种类型的混凝土在常温轮载0.7 MPa工况下进行应变性能测试，以确定荷载作用下沥青混合料种类对其应变的影响规律。采用马歇尔试验方法进行AC-13和SMA-13两种沥青混合料的配合比，目标配合比如表6。沥青混合料AC-13和SMA-13在动态荷载的作用下的应变规律见图4。

表6 不同类型沥青混合料合成级配Table 6 Gradation of asphalt mixtures of different types

注：SMA-13级配中选用棒状木质素纤维，其中纤维用量为集料质量0.4 %；AC-13的沥青用量为4.9 %，SMA-13沥青用量为5.7 %。

图4 沥青混合料类型对纵向应变的影响规律Fig.4 Longitudinal strain of asphalt mixture of different types

由图4可以直观看出，两种类型沥青混合料具有相同的规律。随着荷载靠近测试点，沥青混合料的动态应变逐渐增加并达到最大值；随着荷载的远离，沥青混合料的动态应变逐渐减小，并具有一定的应变恢复能。荷载作用下，SMA-13沥青混合料的动态应变小于SMA-13沥青混合料，相对于AC-13沥青混合料抗变形能力高出12 %；同时，在荷载作用后SMA-13沥青混合料的应变恢复能力大于AC-13沥青混合料，相对于AC-13沥青混合料变形恢复能力可增加60 %。上述试验现象也验证了沥青混合料弹性模量提高后，抗变形能力和变形恢复性能增加。刚柔复合式路面沥青混合料面层和水泥混凝土板的模量相差较大，荷载作用造成的沥青混合料层的剪应力增加，不同类型混合料的变形能力具有明显的区别。

3.4 温度对沥青混合料应变的影响

沥青混合料的变形不仅与荷载大小、沥青混合料类型相关，而且与环境温度具有直接关系。高温环境下，沥青混合料塑性表现的更加突出，车辙等病变更为明显，为此采用标准轮载0.7 MPa针对高温环境(60 ℃)的刚柔复合式路面的沥青混合料层进行试验，以研究高温状态下刚柔复合式路面的沥青混合料层的动态应变规律。试验结果如图5。

图5 沥青混合料类型对纵向应变的影响规律Fig.5 Dynamic strain of asphalt mixture in high temperature

由图5可见：高温状态下，荷载作用对刚柔复合式路面的沥青混合料层应变的影响规律。可以看出高温状态下，AC-13和SMA-13两种混合料的动态应变规律大致相同，SMA-13的动态应变略小于AC-13；常温下的沥青混合料层应变的周期在1.4 s左右，相比之下高温下沥青混合料的应变变化更加明显，周期内出现的一个较大的应变峰和一个中间的应变峰，这说明高温状态下，荷载的间接作用也会引起沥青混合料的应变，并且AC-13的中间应变峰远大于SMA-13的中间应变峰值。这表明高温状态下，SMA-13的抗变形能力明显高于AC-13沥青混合料。

此外，高温状态下沥青混合料的动态应变均为正数，表明在高温状态下，沥青混合料的应变恢复几乎为0，或沥青混合料的应变不足以引起应变计的反应。这充分揭示了高温状态下沥青混合料产生车辙病害的机理，因此提高沥青混合料的抗变形能力对沥青混合料面层的抗车辙性能具有直接作用。

4 结 论

1)动态荷载作用下刚柔复合式路面沥青层的横向应变小于纵向应变，在荷载消除后横向应变可恢复60 %左右。

2)沥青混合料的应变随着荷载的增大而增大，而应变恢复性能随着荷载的增大而降低。

3)骨架密实性沥青混合料的动态应变小于悬浮密实性沥青混合料。

4)高温环境下，沥青混合料的应变增加，并受间接作用影响增加，对于悬浮密实性沥青混合料表现更加明显。

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Experimental Study on Dynamic Strain of Asphalt Surface Course of Rigid-flexible Composite Pavement Structure

LIU Zhisheng1，ZHAO Juanjuan2

(1. Key Lab of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region Ministry of Transport, Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006,Shanxi, P. R. China; 2. Shenzhen branch, Beijing Urban Construction Design & Development Group Limited, Shenzhen 518000,Guangdong, P. R. China)

For further research into rut disease mechanism of asphalt surface course of rigid-flexible composite pavement, wheel rutting test was used to simulate dynamic load on pavement. The dynamic strain of asphalt mixture of different types under different temperature, under different loads in sizes and directions were measured by use of optical fiber testing technology to analyze the characters of wheel rutting deformation of asphalt surface course in composite pavement from the three aspects of load size, mixture types and the temperature. The result showed that under dynamic loading, the cross strain of the asphalt surface course of the rigid-flexible composite pavement is less than the longitudinal strain. After removal of load, the cross strain can recover by 60% while the longitudinal strain can recover only by 20%. Within given range there exists a positive linear relationship between the dynamic strain of asphalt mixture and load size while a reverse directional linear relationship between strain recovering ability and load size. SMA is of 12% less dynamic strain than AC and of 60% higher recovering ability. In the surroundings of high temperarture, indirect loading may also cause strain of asphalt mixture and SMA has a notably higher resistance against deformation than AC.

road engineering；composite pavement；asphalt surface course；dynamic strain；optical fiber measurement technology

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.08

2015-01-27；

2015-03-26

山西省青年基金项目(2013011027-1)

刘志胜(1989—)，男，山西朔城人，助理工程师，硕士，主要从事路面结构与材料方面的研究。E-mail:huazhuangchun@163.com。

U 416.21

A

1674-0696(2016)02-031-04