基于加速加载的SMA沥青道面轮辙特性分析

冉武平， 邹益强， 孔二春

(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室， 上海　201804；　2.新疆大学， 新疆 乌鲁木齐　830047)



基于加速加载的SMA沥青道面轮辙特性分析

冉武平1，2， 邹益强1， 孔二春2

(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室， 上海201804；2.新疆大学， 新疆 乌鲁木齐830047)

对某军用机场试验段两种SMA道面结构在60℃条件下，展开加速加载试验，研究SMA道面轮辙变形特性。通过两种结构道面轮辙变形发展特性对比分析，探究环氧沥青道面结构的轮辙变形值、变形速率、变形面积及隆起变形比例。试验结果表明，由于不同下卧层对沥青面层的应力状态影响，致使两种道面结构轮辙特性及发展规律明显不同；两种道面结构的轮辙发展可分为3个阶段，但SMA复合道面较SMA半刚性基层沥青道面变形发展速度和数值都小。SMA半刚性基层沥青道面车辙凹陷面积始终都大于隆起面积，而SMA复合道面在加载前期，凹陷面积大于隆起面积，但加载到一定次数后隆起面积大于凹陷面积；隆起比例系数与道面结构有关，初期两种道面的隆起比例系数有所波动，但随后基本稳定。SMA半刚性基层沥青道面的隆起比例系数的最终的建议取0.45，而SMA复合道面的隆起比例系数的最终的建议取0.6。

加速加载实验； 道面轮辙； 变形特性； 隆起比例

0　前言

近些年来，随着飞机制造技术的迅猛发展，多轮、重载及其复杂起落架的大型特种飞机普遍投入使用，对机场道面的性能和品质提出了更高的要求。在自然环境和飞机荷载的高强度冲击与剪切作用下，水泥混凝土道面的时常出现边角断裂破碎、表面脱落与磨耗等引起的结构性与功能性病害，且修复较难，对机场的运行都造成重大安全隐患，并严重干扰了正常运营。迫切需要进行道面结构补强或功能恢复，以提高道面使用性能，延长使用寿命。同时实践证明，机场沥青混凝土道面具有平整、抗滑、舒适、减震等良好的使用性能和机械化施工程度高、工期短、养护方便等施工优点。因而柔性道面和复合道面已被国际很多大型民用机场所采用。

然而轮辙作为机场柔性道面结构和复合道面结构的主要损坏类型之一[1]，已引起世界各国学者普遍关注，并进行了广泛的研究。美国SHRP对车辙的预估模型进行了较深入的研究[2]，并在AASHTO 2002年设计指南列入了车辙设计指标[3]。欧洲Shell的设计方法也考虑了车辙预估问题。而在国内，胡萌、黄晓明[4]等以路面不同层位的车辙贡献率为研究切入点，深入分析了车辙特性。孙立军[5]等通过考虑亚层变形叠加效应，通过室内试验进行轮车辙预估。关宏信[6]等通过研制车辙试件温度梯度控制系统，提出了考虑温度梯度的全厚式车辙试验方法并用于沥青面层结构的抗车辙性能检验。还有学者通过室内试验，考虑沥青混凝土粘弹性特性，建立蠕变模型，对沥青路面车辙进行数值模拟分析[7-9]。考虑到车辙研究涉及非线性固体力学理论而成为路面工程研究的难点之一[10，11]。

鉴于此，本研究采用同济大学道路与交通工程教育部重点实验室的APT(加速加载)试验系统MLS66(Mobile Load Simulator 66)，通过现场足尺轮辙试验，对典型SMA半刚性基层沥青道面结构和SMA复合道面结构进行现场道面轮辙试验，从而达到模拟设计重载交通和，分析和评估了沥青道面轮辙发展规律和特性

1　加速加载试验路概况

本次加速加载试验段为华东某军用机场，考虑今后机场建设和大中修的需求，在保持相同施工技术水平、工作环境、养护条件的情况下，试验段道面结构共做2种形式，分别是： ①A结构：4 cmSMA改性沥青混凝土+6 cm AC-20沥青混凝土+28 cm水泥混凝土板 ②B结构：4 cm SMA改性沥青混凝土+6 cm AC-20沥青混凝土8 cm AC-25沥青混凝土+20 cm水泥稳定砂砾(5%水泥剂量)。基层均为25 cm的4.5%水泥剂量的水泥稳定砂砾，底基层均为石灰稳定土，试验段的平面布置见图1。

图1　试验路段平面布置图(单位： m)Figure 1　Test road layout(unit： m)

2　加速加载实验方案

加速加载采用单轮进行加载，具体方案如下：

① 轴载及轮压：考虑到飞机轴载及胎压较大，加速加载的单轮轮压为1.0 MPa，轮载为50 kN。

② 试验温度及加载次数：相关研究者曾提出在40 ～60 ℃范围内，温度每升高5 ℃，其变形将增加2倍[12]。而且在同样的荷载作用下，路面温度增加，沥青路面各结构层的最大剪应力也随之增大，温度越高，增加越快[13]。因此，在充分考虑到机场道面受高温气候环境和飞机尾喷影响，试验温度最终确定为60 ℃，加载次数确定为半刚性基层道面结构加载10万次，复合道面结构加载20万次。

③ 加载区域：加载位置分为两个测试区，半刚性基层道面(和复合道面，如图1所示。

④ 轮辙测量：采用激光平整度仪对试验过程中的轮辙进行测量，前10万次每1万次测量1次，后10万次每2万次测量1次。

⑤ 温度控制及监测：在上面、中面及下面层分别埋入式热电偶自动监测控制各结构层的温度。

3　试验结果分析

3.1轮辙断面变形曲线

有研究表明，混合料的车辙变形包括3个阶段：沥青混合料的压密变形、剪切流动变形以及失稳破坏[14]，如图2所示。加载初期主要荷载产生的压密作用，使得骨架空隙不断减小。当达到一定程度，随着压实度的持续增长，难以继续压密，此时沥青胶浆产生流动，继而骨架结构失稳变形这是剪切流动的最主要原因。

根据实验方案，测试区域一(B道面结构)试验持续加载至10万次结束；测试区域二(A道面结构)试验持续加载至20万次结束。每一断面测试直线两端用来安置车辙断面仪的钢片，对轮辙变形特性进行测量，记录下不同加载次数时轮辙变形曲线，真实地记录了轮辙随加载次数增加而变化的情况。

图2　轮辙形成示意图Figure 2　The sketch map of rut formation

轮辙断面变形曲线，如图3和图4所示，两种结构道面轮辙变形总体趋势基本一致。但由于道面结构类型不同，导致总体变形量和发展规律有所不同，主要表现在：

① 在相同实验加载条件下，B结构道面轮辙无论隆起与凹陷总体都大于A结构道面轮辙。对于半刚性基层或复合道面轮辙一般认为主要是面层引起的，这说明在高温条件下沥青面层的厚度对于轮辙的深度有影响。其次就是沥青面层下卧层结构的强度和刚度影响沥青层的应力状态，轴载作用越大，越显著。下卧层强度和刚度越大，较薄的沥青层内部的应力状态则以受压为主。下卧层强度和刚度越小，沥青层内应力状态越复杂，从而加剧了混合料的变形，这也是复合道面结构轮辙小的原因之一。

图3　A道面结构轮辙断面曲线与加载次数关系Figure 3　A Pavement structure rutting cross section curve relationship with loading times

图4　B道面结构轮辙断面曲线与加载次数关系Figure 4　B Pavement structure rutting cross section curve relationship with loading times

② 从轮辙变形特性来看，B结构道面轮迹带两侧隆起和凹陷变形界面有过渡区域，其变形坡度较为明显且相对平缓；A结构道面轮迹带两侧没有凸凹过渡区，坡度较陡。这说明下卧层强和刚度越大，沥青面层在重载作用下的轮迹带两侧剪切变形越显著，层间相对滑动也越明显。

③ 另外，轮迹处两侧出现了不均匀变形，复合道面的更为显著，原因为：试验路段有路拱横坡，加载设备固定在同一区域，形成典型的渠化交通，而非如实际交通一样移动施压。因而路拱对轮辙发展不利，从而也可推断出在实际相同交通荷载作用下所产生的轮辙变形值小于APT试验轮辙。

3.2轮辙最大变形量及变形速率

在不同的加载次数下，复合道面和半刚性基层道面断面的轮辙变形不尽相同，尤其是轮辙最大变形值发展速度。其在在不同加载次数下的轮辙最大变形值增长特性见图5。

由试验结果可知：

① 在加载过程中，各道面结构断面最大变形量随加载次数增加而变大。

② 从整个曲线变形发展特性来看，而SMA道面断面平均最大轮辙变形量曲线可以分为3个阶段：初期增长阶段(A结构加载次数小于3万次，B结构加载次数小于3万次)；快速发展阶段(A结构加载次数在4万～14万次，B结构加载次数在3万～6万次)；稳定增长阶段(A结构加载次数在14万次以后，B结构加载次数在7万次)。但SMA复合道面结构隆起与凹陷变形增长曲线随加载次数的增加是逐渐增加的过程，没有显著的突变；SMA半刚性基层沥青道面断面轮辙最大变形则在加载3万次后出现突增。这说明SMA半刚性基层沥青道面轮辙变形有显著压密阶段和流变阶段：初期增长阶段是由压密引起的，而快速发展阶段则是属于由压密进入了剪切流变后引起的。SMA复合道面轮辙变形过程中压密阶段和流变阶段是逐渐过渡，这主要是由于面层厚度薄，在初期增长阶段压密过程伴随着轻微的流变变形；而在快速增长阶段，沥青混凝土产生快速流变，且在此过程中伴随着流变后的再次稳定和压密作用，因而其变形没有显著的突变。

③ 从断面最大变形值来看，两种道面结构在初期阶段变形基本一致。而后两个阶段SMA半刚性基层沥青道面的轮辙变形显著大于SMA复合道面。这也说明压密变形主要发生在中面层与上面层，而快速的流变阶段则与面层厚度有关系。

④ 从复合道面变形特性来看，其后期发展速度明显缓于半刚性基层道面，这也说明在满足承载力的条件下，减少沥青混凝土厚度，提高基层强度可以显著减小轮辙。

3.3轮辙变形面积

由于轮辙变形值只能反映出某一点的竖向永久变形的大小，并不能反映出特性和引起变形的原因。因而通过分析轮辙轮廓曲线以及计算变形面积，可以得到轮辙隆起面积、下陷面积、总变形面积，以及隆起比例，进而深入分析轮辙变形特性，评价轮辙变形的程度。

以原道面未加载前表面为基准面，高出原表面为隆起部分，低于原表面为下陷部分。通过计算两种结构道面的隆起、凹陷变形面积并经统计处理后得到轮辙变形面积与加载次数关系，见图5～图7。

由上图和表可以看出：

① 对于SMA半刚性基层沥青道面，在整个加速加载试验过程中，凹陷面积始终都大于隆起面积。加载初期(0～2万次)，凹陷与隆起面积二者相差不大。此后二者的差值逐渐增大。这再次说明了半刚性基层道面加载初期的轮辙变形主要是由于压密变形引起，且此时压密主要是由于上面层和中面层累计，在此阶段凹陷与隆起面积几乎相等。但随后，由于加载次数不断增加，凹陷面积逐渐大于隆起面积，一方面是下面层也开始逐渐出现压密，另一方面是沥青混合料出现在高温条件下重载作用引起的剪切流变从而导致凹陷面积较于隆起面积越来越大。

图5　道面最大变形值与加载次数关系Figure 5　　　　The maximum deformation of pavement and loading times

图6　半刚性基层道面变形面积与加载次数关系Figure 6　　　　Semi-rigid base pavement rut deformation area with the loading times

图7　复合道面变形面积与加载次数关系Figure 7　　　　Composite pavement rut deformation area and loading times

② SMA复合道面在加载初期(0～4万次)隆起面积小于凹陷面积。此后凹陷面积小于隆起面积，而且二者的差距随加载次数增加进一步加大；这主要是在加载初期变形依然主要是由压密变形引起的。而在加载4万次后，由于面层较薄(没有下面层)，此时压密几乎完成，开始逐渐出现混合料的剪切流变现象，因而导致隆起面积逐渐大于凹陷面积。而在加载8万次后，凹陷变形基本稳定，但隆起变形急剧增加，导致二者面积差距越来与大。这主要是在此阶段受较大水平压力作用下逐步在沥青面层与水泥混凝土板之间出现层间滑移，导致隆起面积急剧增加。这也再次说明对于复合道面结构良好的层间粘结能有效减小轮辙。

3.4隆起比例为

沥青层的轮辙变形由表面隆起变形与凹陷变形共同形成。在考虑沥青层轮辙问题时，两种变形在总轮辙变形中所占比例对于轮辙的发展有很大的影响，因而受到人们的关注。沥青面层在不同荷载作用和不同混合料的公称粒径的条件下，某一总轮辙变形所对应的隆起比例是不变的，即隆起变形和凹陷变形占整个轮辙变形总量的比例基本上维持在一个定值，称为隆起比例系数。这个值仅与道面结构组合有关，与路面温度、荷载大小以及混合料公称最大粒径等因素没有关系[15]。因而通过对隆起比例系数的变化规律分析研究，来深入了解不同沥青道面结构组合的轮辙变形特性。通过对本试验段的轮辙隆起比例系数的计算并统计见图8所示。

① 通过图8可以看出：2种道面轮辙隆起比例在加速加载试验前期都出现了显著的波动，而在加载后期隆起比例变化不大。前期的隆起比例系数波动主要是由于前期两种不同轮辙形成机理造成，即由于初始阶段的严密过程和随后的高温剪切作用下，沥青混凝土流变和层间的失稳滑动引起隆起和凹陷不成比例的突然变化所导致，但随着加载次数的增加，失稳后的混合料重新形成基本稳定，道面结构隆起比例系数保持在一个比较稳定的数值。

② 初期两种道面的隆起比例变化规律一致，但半刚性道面的隆起比例系数小于复合道面隆起比例系数。这也再次说明在轮辙形成初期，两者的压密变形规律不同，主要是由于复合道面在初期严密阶段伴有微小的流变，因而其隆起比例系数较大。

图8　隆起比例与加载次数关系Figure 8　Uplift ratio and loading times

③ 从轮辙隆起比例系数总体发展趋势来看，SMA复合道面的隆起比例系数较SMA半刚性基层沥青道面大得多。一方面说明，层间粘结对于轮辙变形，尤其是中后期轮辙变形影响非常显著。另一方面也说明，隆起比例系数正如文献[15]所说与实验条件及混合料集料无关，但与道面结构组合有关。由统计分析可知，SMA半刚性基层沥青道面的隆起比例系数最终值都维持在0.45左右，SMA复合道面的隆起比例系数最终值都维持在0.6左右。因此在目前试验条件下，认为SMA半刚性基层沥青道面的隆起比例系数最终的建议值为0.45，而SMA复合道面的隆起比例系数最终的建议值为0.6。

4　结论

① 从轮辙变形总量来说，SMA复合道面由于其较强的下卧层对混合料在高温下的流变有一定的限制作用，再加之面层较薄，其抗轮辙性能明显优于SMA半刚性基层沥青道面。

② 就轮辙的最大变形值发展特性来看，两种道面结构的轮辙发展都可分为3个阶段，但SMA复合道面较SMA半刚性基层沥青道面变形发展速度和数值都小。

③ SMA半刚性基层沥青道面轮辙凹陷面积在整个加载过程中都大于隆起面积，而SMA复合道面在加载前期，凹陷面积大于隆起面积，但加载到一定次数后隆起面积大于凹陷面积。

④ 不同道面结构隆起比例不同，隆起比例系数与道面结构组合有关。在高温条件下，SMA沥青道面隆起比例系数略有波动，但随后基本稳定，SMA半刚性基层沥青道面的隆起比例系数的最终的建议值为0.45，而SMA复合道面的隆起比例系数的最终的建议值为0.6。

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Analysis of the SMA Asphalt Pavement Rutting Characteristics Based on Accelerated Pavement Testing

RAN Wuping1，2， ZOU Yiqiang1， KONG Erchun2

(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education， Tongji University， Shanghai 201804， China；2.Xinjiang University， Urumchi， Xinjiang 830047， China)

Accelerated loading test was carried outto study SMA pavement rut deformation characteristics under the condition of 60 ℃ at a military airport test section in East China ，which is two kinds of pavement structure.Rut deformation development characteristics of four kinds of pavement structures was contrastedand analyzed to explore the rut deformation value，deformation rate，deformation area and uplift deformation ratio of epoxy asphalt pavement structure.Test results show that rutting characteristics and law of development of two kinds of pavement structure has been caused by the different substratumof SMA pavement.Developing rutof two kinds of pavement structurecan be divided into three stages，but deformation development speed and the value of SMA composite asphalt pavement is small than SMA semi-rigid base asphalt pavement.SMA semi-rigid base asphalt pavement rutting sag area is always greater than uplift area，and SMA composite pavement rut sag area is greater than the uplift area in the early stage of the load，but uplift area is greater than the sag areaafter a certain number of times；For two kinds of pavement，uplift ratio is fluctuant at the beginning of the load and is stable in the subsequent loading.The final uplift ratio of SMA semi-rigid base asphalt pavementis suggestedfor 0.45，while the final uplift ratio of SMA composite asphalt pavementis suggestedfor 0.6.

accelerated pavement testing； pavement rut； deformation characteristics； uplift ratio

2015 — 02 — 10

后勤科研项目(ZH2012013)

冉武平(1977 — )，男，甘肃镇原人，副教授，博士研究生，从事道面结构设计。E-mail：rwpxju@163.com.

U 418.6+8

A

1674 — 0610(2016)04 — 0006 — 06