基于加速加载试验的改扩建工程旧路材料性能衰变规律研究.pdf

犇 犗 犐：基于加速加载试验的改扩建工程旧路材料性能衰变规律研究江臣，杨洋，马永磊，郑炳锋，吕正龙，吴威伟，（江苏省交通工程建设局，江苏 南京 ；苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 ；新型道路材料国家工程研究中心，江苏 南京 ；东南大学，江苏 南京 ）摘要：针对高速公路改扩建工程旧路材料，在加速加载足尺试验 万次的条件下，对旧路沥青面层芯样进行重复荷载蠕变试验和半圆弯曲试验，对旧路基层芯样进行回弹模量试验、无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验。结果表明，随着加载次数的增加，相对于加载前，旧路沥青面层的蠕变次数呈下降趋势，蠕变次数指数则有增有减；在相同加载次数下对加铺层、上面层、中面层、下面层分别取芯，同一结构层芯样的半圆弯曲试验应变能释放速率波动明显。随着加载次数的增加，旧路上基层的回弹模量总体呈现上升趋势，下基层的回弹模量总体处于稳定状态；旧路基层的无侧限抗压强度出现一定波动，加载 万次时无侧限抗压强度达到最高，万次时出现下降；旧路基层的劈裂强度出现一定波动。经过 万次的加速加载足尺试验，该高速公路改扩建工程旧路沥青面层的高温性能与抗裂性能及基层的力学性能总体处于稳定状态，扩建后的试验车道在低荷载情况下满足路用性能要求。关键词：公路；改扩建工程；沥青面层；半刚性基层；加速加载试验；材料性能中图分类号：文献标志码：文章编号：（）基金项目：江苏省交通运输科技项目（）高速公路改扩建中，通常采用对老路进行局部病害处置后加铺沥青面层的方案，旧路结构的剩余寿命评价很重要。加速加载足尺试验通过可控制的较重轴载在短时间内对足尺路面进行加速加载，模拟较长时间内实际交通荷载对路面结构的破坏作用，比室内试验更真实、更接近自然环境条件，数据更可靠，是研究路面结构与材料全寿命周期服役行为及演化规律的有效手段。本文采用加速加载足尺试验对高速公路改扩建工程旧路沥青面层和基层材料性能开展研究，在不同加载次数下对旧路沥青面层进行重复荷载蠕变试验和半圆弯曲试验，对旧路基层进行回弹模量试验、无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验，分析旧路材料性能的衰变规律，以指导高速公路改扩建工程旧路维修与施工。工程概况京沪（北京上海）高速公路淮江（淮安江都）段路面结构为 改性沥青 道路石油沥青 道路石油沥青 二灰碎石基层 二灰土底基层。年对该路段进行改扩建，病害修补完成后进行罩面处理，罩面结构为 改性沥青 。改扩建前后路面结构见图。图京沪高速公路淮江段改扩建前后路面结构加速加载试验方案加速加载设备加速加载设备采用 ，其最大加载频率为 次，相当于 的行车速度；轴载调整范围为 ，且连续可调，可模拟单轴 的轴载；加载段长度为，其中有效加载段长度为（见表）。公路与汽运犎 犻 犵 犺 狑 犪 狔 狊犃 狌 狋 狅 犿 狅 狋 犻 狏 犲犃 狆 狆 犾 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀 狊总第 期表犕犔 犛 的主要技术参数参数名称参数范围说明有效加载段长度轮载恒定情况下加载轮与路面接触的距离模拟荷载单轴双轮或单轴单轮加载轮为半轴轴载 可从 连续调整至 轮胎压力 胎压可连续调整加载运行速度（）加载频率（次）最大加载频率时对应 的行车速度最大横向移动距离 加载方案 年 月，对京沪高速公路淮江段改扩建工程 路段开展现场加速加载试验，采用标准轴载和自然温度的加载方式，累计完成 万次加载。分别对、万次、万次、万次的加载段落钻取芯样，对沥青面层材料进行重复荷载蠕变试验和半圆弯曲试验，对基层材料进行回弹模量试验、无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验。试验方法旧路沥青面层材料试验重复荷载蠕变试验重复荷载蠕变试验在规定温度（路面设计高温）条件下进行。对试件施加轴向正弦波荷载，荷载周期为（加载，间歇），加载至试件破坏。试件尺寸为 ，最大加载次数为 次，通常情况下不设置围压，由仪器自动得出试件破坏点，记录相应应变，评价指标为应变速率达到最低点时的加载次数即蠕变次数（见图）和蠕变次数指数（蠕变应变和蠕变次数的比值）。图循环加载试验过程中试件永久变形的演变规律半圆弯曲试验半圆弯曲试验用于评价反射裂缝和疲劳裂缝。试验采用三点加载模式，试件直径为 ，厚度为 ，开 口 深 度 分 别 为 、。试验加载模式及试件形状见图。试验温度为，加载速率为 。荷载位移曲线见图。图半圆弯曲试验图荷载位移曲线试验评价指标为临界应变能释放速率犑，其计算公式如下：犑犫犝犪（）（）式中：犑为临界应变能释放速率（）；犫为试件厚度（）；犝为试件破坏时的累积能量（），即荷载跨中挠度曲线下的面积，按式（）计算；犪为开口深度（）；犝犪为不同开口深度下破坏时的累积能量变化（）。犝狀犻（狓犻 狓犻）狔犻（狓犻 狓犻）（狔犻 狔犻）（）年 第期江臣，等：基于加速加载试验的改扩建工程旧路材料性能衰变规律研究式中：狓犻为第犻点的竖向位移（）；狓犻为犻点的竖向位移（）；狔犻为犻点的荷载（）；狔犻为犻点的荷载（）。旧路半刚性基层材料试验回弹模量试验单轴压缩模量试验按 公路沥青路面设计规范 进行，采用中间段法测量压缩应变，刚性环通过螺栓固定在圆柱体试件侧面，个位移传感器固定在其中一个刚性环上。试件直径高度分别为 、。压力机以 的加载速度连续均匀施加荷载，直至试件破坏。记录每隔 的荷载和试件轴向变形，取个位移传感器所测试件变形的平均值作为试验结果。图为荷载应变曲线。犉为最大荷载（）；为加载达到犉时试件纵向压应变图单轴压缩模量荷载应变曲线根 据 荷 载应 变 曲 线 得 到 最 大 荷 载犉和犉时压应变，按下式计算试件的弹性模量：犈犉犇（）式中：犈为弹性模量（）；犇为试件直径（）。无侧限抗压强度试验无侧限抗压强度试验参照 公路工程无机结合料稳定材料试 验规 程 进 行，采用压 力 机 进 行 测 试。将 基 层 芯 样 切 割 为 直 径 、高 的标准试件，试件两顶面不平时用快凝水泥砂浆抹平。试验过程中保持加载速率为 ，记录试件破坏时的最大压力犘，按下式计算试件的无侧限抗压强度：犚犘犃（）式中：犚为试件的无侧限抗压强度（）；犃为试件的截面积（）。劈裂强度试验劈裂强度按照 公路工程无机结合料稳定材料试验规程 进 行，试件 直径为 ，加载速率为 。记录试件破坏时的最大压力犘，按下式计算试件的间接抗拉强度：犚 犘犺（）式中：犚犻为试件的间接抗拉强度（）；犺为浸水后试件高度（）。试验结果与分析旧路沥青面层材料试验重复荷载蠕变试验钻取旧路经不同足尺加速加载次数后的芯样，测量不同加载次数芯样的蠕变次数和蠕变应变，计算其蠕变次数指数，结果见表、图。从表和图可以看出：随着加载次数的增加，相对于加载前，沥青面层芯样的蠕变次数呈下降趋势，蠕变次数指数则有增有减，不同加载次数下两指标的变化见表。表沥青面层芯样的重复荷载蠕变试验结果加载次数万次试验编号蠕变次数次蠕变应变蠕变次数指数（次）图沥青面层芯样的重复荷载蠕变试验结果公路与汽运 年月表不同加载次数下沥青面层蠕变次数和蠕变次数指数相对于加载前的变化加载次数万次蠕变次数变化量次变化率蠕变次数指数变化量（次）变化率 半圆弯曲试验各结构层半圆弯曲试验结果见表、图。从表和图可以看出：在相同加载次数下对加铺层、上面层、中面层、下面层分别取芯，同一结构层芯样的半圆弯曲试验应变能释放速率波动明显。旧路基层材料试验回弹模量试验旧路基层芯样回弹模量试验结果见表、图。从表和图可以看出：随着加载次数的增加，旧路表各结构层半圆弯曲试验结果结构层加载次数万次试验编号不同开口深度下断裂能 应变能释放速率（）结构层加载次数万次试验编号不同开口深度下断裂能 应变能释放速率（）加铺层 上面层 中面层 下面层 图各结构层半圆弯曲试验应变能释放速率 年 第期江臣，等：基于加速加载试验的改扩建工程旧路材料性能衰变规律研究上基层的回弹模量总体呈现上升趋势，下基层的回弹模量总体处于稳定状态。表旧路基层芯样回弹模量试验结果加载次数万次试验编号回弹模量 上基层下基层 图旧路基层芯样的回弹模量无侧限抗压强度试验旧路基 层 芯 样 无 侧 限 抗 压 强 度 试 验 结 果 见表、图。从表和图可看出：加载 万次后旧路基层芯样的无侧限抗压强度达到最高，万次时出现下降，随着加载次数的增加，无侧限抗压强度出现一定波动。表旧路基层芯样无侧限抗压强度试验结果加载次数万次试验编号抗压强度 上基层试验值平均值下基层试验值平均值 图旧路基层芯样的无侧限抗压强度劈裂强度试验旧路基层芯样劈裂强度试验结果见表、图。从表和图 可以看出：随着加载次数的增加，旧路基层芯样的劈裂强度出现一定波动。表旧路基层芯样劈裂强度试验结果加载次数万次试验编号劈裂强度 上基层试验值平均值下基层试验值平均值 图 旧路基层芯样的劈裂强度公路与汽运 年月结论在加速加载足尺试验 万次的条件下，对京沪高速公路淮江段改扩建工程旧路芯样的沥青面层进行重复荷载蠕变试验和半圆弯曲试验，对芯样的基层进行回弹模量试验、无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验，得到以下结论：（）随加载次数的增加，相对于加载前，旧路沥青面层材料的蠕变次数呈现下降趋势，蠕变次数指数则有增有减。相同加载次数下对加铺层、上面层、中面层、下面层分别取芯，同一结构层的半圆弯曲试验应变能释放速率波动明显。（）随着加载次数的增加，旧路上基层的回弹模量总体呈现上升趋势，下基层的回弹模量总体处于稳定状态；旧路基层的无侧限抗压强度出现一定波动，加载 万次时无侧限抗压强度达到最高，万次时出现下降；旧路基层的劈裂强度出现一定波动。（）经过 万次的加速加载足尺试验，该高速公路改扩建工程旧路沥青面层的高温性能与抗裂性能及基层的力学性能总体处于稳定状态，扩建后的试验车道在低荷载情况下能满足路用性能要求。参考文献：廖朝华，王家强多车道高速公路改扩建工程路面分车道设计探讨中外公路，（）：雷春鸣湖南省高速公路改扩建工程初探公路与汽运，（）：刘鹏举基于高速公路沥青加铺层结构设计方案的研究科技资讯，（）：蔡宏亮足尺沥青路面加速加载试验数据的采集与分析北方交通，（）：黄民伟基于路面加速加载系统的冷再生混合料生产配合比研究公路与汽运，（）：田泽峰 足尺沥青路面加速加载试验北京：人民交通出版社股份有限公司，陈少幸，张肖宁，孟书涛，等基于 加速加载试验的沥青层疲劳损伤公路交通科技，（）：田泽峰高速公路沥青路面典型结构加速加载试验研究北方交通，（）：周丹，马泽欣，刘黎萍，等基于足尺加速加载试验的现役沥青路面疲劳特性研究公路交通科技，（）：吕松涛，陈杰基于加速加载试验的沥青混合料刚度衰变规律研究公路交通科技，（）：赵永成高抗剪强度级配碎石基层沥青路面加速加载试验研 究公 路 交 通 科 技（应 用 技 术 版），（）：中交路桥技术有限公司公路沥青路面 设 计规 范：北京：人民交通出版社股份有限公司，交通部公路科学研究院公路工程无机结合料稳定材料试验规程：北京：人民交通出版社，收稿日期：櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙櫙（上接第 页）：，：王岚，王子豪，李超基于黏弹性理论的多聚磷酸改性沥青低温性能复合材料学报，（）：邢明亮，孙岳，谢超，等基于灰熵法的 混合料级配组成范围研究公路，（）：，（），（）：收稿日期：年 第期江臣，等：基于加速加载试验的改扩建工程旧路材料性能衰变规律研究