基于MMLS3试验的混合料...沥青路面长期高温性能的影响 申爱琴.pdf

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第卷第期中国公路学报
25 3
年月
20125China Journal of Highway and TransportMay 2012
文章编号
:1001-7372(2012)03-0080-07
基于试验的混合料离析对沥青路面
MMLS3
长期高温性能的影响
申爱琴郭寅川车飞殷伟李耀龙
,, , ,
长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室陕西西安
(, 710064)
摘要利用小型加速加载设备分别对吉珲高速沥青路面上面层和中面层
:(MMLS3)(SMA-16)(AC-
进行加速加载试验研究在分析判断中上面层沥青混合料沿横断方向的离析程度的基础上通
20),、,
过室内加速加载万次试验研究不同施工空隙率离析及不同重复荷载作用次数对中上面层长
20,、
期高温车辙的影响规律。研究结果表明:施工空隙率离析对沥青路面长期高温性能影响显著;上面
层和中面层对应重复加载次数下的车辙深度随离析程度的增加而增大,其中对中面层的影响更为
显著累积加载达到万次后路面结构材料内部出现了应力疲劳重度离析试件的车辙发展出现
;10,,
突变万次时车辙变化率要高出无离析试件
,20276%。
关键词:道路工程;沥青路面;加速加载试验;混合料离析;路面长期性能
中图分类号文献标志码
: :A
Influence of Asphalt Mixture Segregation on Long-term High
Temperature Performance of Asphalt Pavement Based on MMLS3Test
SHEN Ai-qin,GUO Yin-chuan,CHE Fei,YIN Wei,LI Yao-long
(Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education,Changan University,
Xian 710064,Shaanxi,China)
Abstract:Using MMLS3,the authors studied the first-layer of SMA-16and the mid-layer of AC-
20of Jilin-Hunchun segregation degree of the mid-layer and first-layer
pavement along the cross-sectional direction was accelerated test to analyze the
two pavement materialslong-term rut changing role under different segregation degrees and
different times of repeated result shows that segregation degree has significant
influence on long-term high temperature performance of asphalt the same
repeated load times,the rut depth of the first-layer and mid-layer increases with the segregation
degree influence on the mid-layer is more the cumulative load
reaches 100thousand,stress fatigue appears in the pavement material and the rut trend of the
heavy segregation sample the cumulative load reaches 200thousand,the change
rate of rut is 276%higher than that of no-segregation sample.
Key words:road engineering;asphalt pavement;speed up loading test;mixture segregation;
long-term pavement performance
收稿日期
:2011-06-05
基金项目吉林省交通建设科技项目
:(2007-6-14)
作者简介申爱琴女四川绵阳人教授博士研究生导师工学博士
:(1957-),,,,,,E-mail:******@。
第期申爱琴等基于试验的混合料离析对沥青路面长期高温性能的影响
3 ,:MMLS318
燥环境对路面的影响最大限度满足操作者需求
引言,。
0 这套系统包括荷载模拟器表面光度仪
:MMLS3、、
沥青混合料施工离析不仅引起沥青路面发生各环境控制室(箱)、加热(冷却)室(箱)、湿路面加热器
类早期损害,而且对路面长期使用性能也有重要影振动辊及框架。
响[]路面长期使用性能是反映路面在整个寿命期设备室内试验可分为路面结构模拟装
1。MMLS3
内的行驶状况包括行驶的舒适性高质量的车辆运置和试验槽装置图大类路面结构模拟装置
,、(1)2。
营条件行车安全和最小的环境影响等[]各国对可以在室内模拟实际路面结构利用小型加速加载
、2-4。,
路面长期使用性能开展了广泛的研究,其中以美国设备对模拟的路面结构进行加速加载,从而间接评
的研究价出实际路面的优劣试验槽设备所用的试件为实
LTPP(Long Term Pavement Performance)。
计划最具影响力收集大量弯沉车辙深度验室制备或者由路面直接取芯的大马歇尔试件加工
。LTPP、、
以及气候等数据资料来研究这些因素对路面而成试验时试验槽可以控制干湿状态以及温度通
FWD,,
长期性能的影响[]各国学者基于路面长期性能过对试件进行加速加载试验来评价试样的性能
5-6。。
研究,提出了很多评价沥青路面长期性能的指标,如
弯沉、车辙和疲劳开裂等,限于篇幅,本文中仅以车
辙作为路面长期性能的评价指标进行研究。
各国对沥青混合料离析已有大量的研究,通常
将离析分为级配离析温度离析和碾压离析类[]
、37。
大量实践表明这类离析均会导致沥青路面内部
,3
空隙率发生变化,而且同一横断面的沥青混合料空
隙率的变化在某种程度上反映了路面施工离析的严
重程度,也表征了沥青路面施工质量的优劣,因此,
本文中主要以现场空隙率作为路面施工离析的判别
标准。由于各国就施工离析对沥青路面长期性能影
响方面的研究开展甚少,本文中利用由南非引进的
小型加速加载设备对不同离析状态下
(MMLS3),
的沥青路面板车辙的变化规律进行研究,以揭示沥
青混合料施工离析对沥青路面长期性能的影响。
简介
1MMLS3
各国对路面长期性能的研究方法主要有以下图试验槽设备及试件
21
种修筑试验路或对实际路面的各项指标进行长
:① Tank and Specimen
期跟踪观测采用加速加载试验方法加
;②(APT)。沥青路面施工离析评价
速加载试验方法能够在较短时间内得到路面的长期2
依托吉林省吉珲高速公路针对路线所处自然
性能指标的变化情况,这种试验方法是目前各国研,
环境从沥青混合料设计原材料生产与管理沥青
究路面长期性能的常用方法。,、、
各国常用的足尺加速加载设备有澳大利亚设计混合料拌和、运输、摊铺、碾压等不同阶段,对导致多
生产的南非研发的以及南非与美国联种类型沥青混合料产生中集料离析温度离析碾压
ALF、HVS,、、
合开发的重载车辆模拟试验车等此外南离析和集料沥青离析的多因素进行了系统研究
(MLS)。,-。
非还开发了具有与性能相似的采用钻取芯样和无损检测方法利用无核密度
MLSMMLS3。,PQI
设备属于最新一代的加速加载设备其具仪等先进设备通过大量室内和现场试验数据分析
MMLS3,,,
有体积小加载速度快移动方便等优点针对季冻区环境及沥青路面施工特点提出了基于
、、。MMLS3,
只有足尺加速加载设备大小的可用于实验室空隙率变化油石比差值级配偏差构造深度比等
1/3,,、、、
也可用于路面现场用于现场测试的路面多指标的离析判别及评价标准利用红外热像仪
。MMLS3。、
厚度达可测试各种温度状态下潮湿及干金属探针式温度计和无核密度仪分析了温度
125mm,,PQI,
中国公路学报年
28 2012
离析对沥青路面密度及空隙率的影响,提出了温度
离析的判别及控制要求。限于篇幅,这里仅给出了
已铺筑的中、上面层混合料施工离析及判别标准,具
体的评价指标及标准见表
1,2。
表离析程度判别标准
1SMA-16
Degree Criterion of SMA-16
离析空隙率构造抽提试验所得级配与抽提油石比与生产
程度变化深度比生产设计级配偏差设计油石比差值
/%/%
筛孔偏差
-3%~
~~其余筛孔偏差
析3%;-~

-3%~3%
筛孔偏差小于等于

~~其余筛孔至少有个
离析-3%;2-~-

-4%
筛孔偏差小于等于

其余筛孔至少有个
离析>>-4%;2<-
筛孔偏差小于等于
-5%
表离析程度判别标准
2AC-20图沿路面横断面钻取芯样现场
2
Degree Criterion of AC-20
Panel Being Cut Along the
离析空隙率构造抽提试验所测级配与抽提油石比与生产
Cross-sectional Direction for Core BoringSampling
程度变化深度比生产设计级配偏差设计油石比差值
/%/%试验方法

筛孔偏差
无离≤-3%~购进的试验槽装置设备图每次能
~~其余筛孔偏差MMLS3(1)
析3%;-~
,根据设备的特
-5%~5%9
点分别对实体工程上中面层取组共个试件
筛孔偏差小于等于,、218

~~其余筛孔至少有个。
离析-3%;1-~-

-6%3,3
加速加载试验进而得到不同施工空隙率离析状态
筛孔偏差小于等于,

重度其余筛孔至少有个下的路面材料长期性能的变化规律
-5%;2。
离析>><-
-6%,()。
或有个筛孔偏差小于
1-8%试验过程通过试槽底部的加热系统控温,仪器的系
统加热温度为试件温度为为了较好
试验方案设计60℃,45℃。
3模拟行车荷载对路面结构的作用,特别是重车的作
试件选取用加载速率统一采用次-1加
,6 000·h。MMLS3
为了分析实体工程中路面施工离析对于其长期速加载设备可测试并记录不同加载次数
(2 500,
性能的影响特别是沿道路横断方向的施工空隙率
,5 000,10 000,20 000,50 000,100 000,150 000,
离析对路面抗车辙性能的影响笔者分别在吉珲高时各现场试件的车辙深度进而得到各试
,200 000),
速施工现场某标段厚上面层与件车辙深度随轴载次数的变化规律最终得到加速
5cm(SMA-16),
厚中面层沿路面全幅横断方向切板并加载达万次时路面的抗变形能力
7cm(AC-20)20。
钻取大马歇尔芯样若干图并测试芯样试件的
(2),试验结果分析
空隙率及相关指标。按照上、中面层沥青混合料离4
析判别标准表将沿道路全横断方向所取试上面层试验结果分析
(1,2),(SMA-16)
件分为无离析轻度离析和重度离析类重度离由于原材料及施工控制等多种原因吉珲高速
、3。,
析的芯样主要出现在横断面摊铺边缘中度离析芯上面层沿横断方向存在不同程度的施工
,(SMA-16)
样出现在同一横断面上台摊铺机接缝处离析主要表现为沿横断面的空隙率发生离析特别
2。,,
第期申爱琴等基于试验的混合料离析对沥青路面长期高温性能的影响
3 ,:MMLS338
是横幅摊铺边缘以及台摊铺机接缝处为了考察
2。
上面层施工空隙率离析对路面长期性能的影响,对
路面板进行加速加载试验时,在同一横断面上选取
种不同离析状态无离析轻度离析重度离析的
3(、、)
试样各个表为个芯样试件的空隙率测试
3,39
结果。
表上面层芯样试件空隙率
3(SMA-16)
Boring Sampling Porosity of the
First-layer(SMA-16)
离析程度无离析轻度离析重度离析
试件编号
S1S2S3S4S5S6S7S8S9
空隙率
/%
图为上面层同一横断面种不同离析
3~5()3
程度的试件在加速加载作用下车辙深度随
MMLS,
轴载次数的横断面变化由图可以看出无论
。3~5,
是车辙发展速度,还是相同荷载下的车辙深度,重度
离析试件要明显大于轻度离析和无离析的试件。为
了直观对比不同离析状态下的车辙发展随加速加载
次数的变化规律,对上面层不同离析状态的试件在
不同加载次数作用下的平均车辙深度进行研究
图
(6)。
中引入了车辙变化率的概念,即加载每万次的车辙
深度变化表为上面层各试件加载万次时的
。420
车辙变化率。
表上面层试件加载万次时车辙变化率
4(SMA-16)20
Change Rate when the First-layer(SMA-16)
Specimen Loaded 200 000Times
离析程度无离析轻度离析重度离析
试件编号
S1S2S3S4S5S6S7S8S9
车辙变化率/

(mm·-1)
平均变化率/

(mm·-1)
由试验结果可知
:
在加速加载试验中车辙变形沿试件横断方
(1),
向的分布有所差异,无离析状态的试件车辙深度基
本属于对称分布呈现出字型轮载正下方变形
,“W”,
最大,两边变形向上隆起。轻度离析及重度离析试
件的车辙深度沿试件横断面并未出现对称状态,轻
度离析试件中部变形最大,右侧隆起大于左侧。重
度离析试件最大变形并未出现在轮载正下方,可能
由于严重离析,材料颗粒出现了较大推移。虽然上
面层组试件离析程度不同但其车辙深度都随着
3,
为了方便比较各个试件车辙产生的速度,本文
荷载次数的增加而逐渐变大,但增加的幅度与离析
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48 2012
程度有关离析越严重车辙增速越大施工离析特别是施工空隙率离析对路面长期车
,,。20),
种施工空隙率离析状态的试件在万次辙的影响从施工现场全幅横断面切板并钻取芯样
(2)320,,
荷载加载过程中其变形主要分为个阶段加载选取不同离析状态无离析轻度离析重度离析的
,3:①(、、)
次之间此阶段变形发展较快类离析试试件进行加速加载试验所取的各试件编号及空隙
0~2 500,,3,
件变形随荷载次数的变化规律基本相同说明该阶率测试结果见表中面层的加速加载试验方法和
,5。
段以压密型车辙为主加载次之上面层相同
;②2 500~100 000。
间此阶段车辙深度变化不太稳定主要是在荷载作表中面层试件空隙率
,,5(AC-20)
用下试件内部材料颗粒发生了相对移动移动的程
,, of the Mid-layer(AC-20)Specimen
度取决于材料内部的孔隙结构,属于材料内部结构离析程度无离析轻度离析重度离析
重新组织阶段此时路面结构属于介稳状态加载试件编号
,;③X1X2X3X4X5X6X7X8X9
空隙率
万次万次之间从图可以看出该阶段/%
10~20,3~5,
图为中面层种不同离析程度的试件车
车辙深度几乎与荷载加载次数成线性关系,荷载次 7~93
辙深度随加载次数的横断面变形为了直观对比不
数越大,车辙增速越大。这也表明,当路面累计荷载。
达到万次后路面结构材料内部出现了一定程度同离析程度的中面层芯样试件车辙变形随荷载作用
10,
次数的增加趋势对中面层不同离析程度对应于不
的应力疲劳,导致车辙发展速度加快,可见加速加载,
同加载次数的平均车辙深度进行研究图同
试验测得的车辙深度随荷载的发展趋势在一定程度(10)。
样引入加载万次时的车辙变化率表
上可以表征沥青路面的长期性能。对比发现,重度,20(6)。
离析试件的车辙深度要大于轻度离析和无离析试
件,且车辙变形随荷载作用次数的增幅更大。由此
可知,路面在荷载作用下,初期车辙发生较快,无论
是哪种离析状态加载次数超过万次后变形均
,10,
逐渐加大,且离析越严重,车辙变化的幅度也越大。
加速加载试验过程中车辙深度随荷载次数
(3),
的增加出现了波动个别试件当荷载次数达
,2 500
次时其车辙深度要大于荷载次时的车辙深
,5 000
度加载次时又比次时的车辙深度
。50 00020 000
稍小。出现这种现象可能是因为沥青混合料属粘弹
性材料,在加载过程中,不仅存在变形滞后,而且存
在着弹性恢复。但随着加载次数的继续增加,材料
整体结构趋于稳定,随后其车辙深度随荷载次数而
持续稳定增加。
当加载万次时车辙深度变化
(4)20,SMA-16
率随离析程度的不同而有较大差异,无离析试件为
万次轻度离析为万次
·-1、·-1、
重度离析为万次重度离析的车辙
·-1。
变化速率是无离析状态试件的倍轻度离析的
,
车辙变化速率是无离析状态试件倍可见重度
,
离析对于长期车辙的影响非常大。
中面层试验结果分析
(AC-20)
已有研究表明,中面层对抵抗车辙的形成具有
重要的作用但如果施工出现离析在同一断面上重由试验结果可知
,, :
度离析部位将削弱抗车辙的能力同上面层一样中面层的车辙深度与加载次数的关系与上
。,(1)
中面层摊铺时在横断面摊铺边缘以及台摊铺机接面层类似即随着加载次数的增加车辙深度不断增
2,,
缝处存在不同程度的离析为了研究中面层大但车辙深度沿试件横断方向的分布不同于上面
,(AC-,
第期申爱琴等基于试验的混合料离析对沥青路面长期高温性能的影响
3 ,:MMLS358
件的车辙深度变化比较平稳,车辙深度波动不大,说
明材料颗粒的相对位移不大,材料内部结构趋于暂
时稳定属于一种介稳状态万次万次之
,;③10~20
间,此时施工重度离析的沥青路面车辙深度发生突
增至加载万次时车辙深度平均增加了
,20,7mm,
而轻度离析车辙深度仅增加了无离析增加
1mm,
不到显然不同的离析状态对短期荷载
。,
作用不敏感,但当荷载作用次数累积到一定程度时,
离析严重的路面车辙深度形成速率突增,致使路面
变形加速,此时轻度离析和无离析的试件已经基本
稳定。可见,施工空隙率离析对路面车辙的影响主
要体现在长期加载方面,荷载作用次数累积到一定
程度将会影响沥青混合料结构的稳定性,使得沥青
混合料的长期路用性能加速衰减。
当中面层加速加载万次时无离析试件
(3)20,
的车辙深度变化率为万次轻度离析
·-1、
为万次重度离析为万
·-1、·
次-1。重度离析的车辙变化速率为无离析状态试件
的倍轻度离析的车辙变化速率为无离析状态
,
试件倍可见中面层重度离析对于车辙的变化
,
率影响极大。
对比上面层和中面层的加速加载试验结果
(4)
可知,加速加载次数对中面层的影响远大于上面层,
表中面层试件加速加载万次的车辙变化率当加载万次时同样是重度离析中面层的车辙
62020,,
深度约为上面层的近倍
Change Rate when the Mid-layer1。
Specimen Loaded 200 000Times结语
离析程度无离析轻度离析重度离析5
试件编号施工离析对中上面层沥青混合料的长期车
X1X2X3X4X5X6X7X8X9(1)、
车辙变化率辙变形有重要影响但离析状态不相同影响程度也
/,,

(mm·-1)不同。沥青混合料施工离析越严重,随着荷载作用
平均变化率
/次数的增加,不但车辙发展越快,而且深度也越大。

(mm·-1)当加载万次时上面层车辙深度变化率
(2)20,
层基本没有发生两侧隆起现象而且重度离析时
,,,随施工离析程度的不同而有所差异,重度离析的车
轮载正下方的变形最大另外施工空隙率离析程辙变化速率是无离析状态的倍轻度离析的车
。,,
度对车辙深度的影响规律也不同于上面层重度离辙变化速率是无离析状态的倍对于中面层
,。,
析条件下无论荷载作用次数为多少相应的车辙深重度离析车辙变化速率是无离析状态的倍轻
,,,
度远远大于轻度离析和无离析试件的车辙深度在度离析的车辙变化速率是无离析状态的倍
。。
同样的荷载次数作用下其车辙深度与试件离析状
,由此可见,重度离析对于沥青混合料的抗车辙性能
态关系密切可见控制沥青路面中面层的施工离析
,,影响非常大,尤其对中面层的影响更为显著。
特别是空隙率离析对提高路面抗车辙能力至关加速加载试验结果表明无论是上面层还是
,(3),
重要
。中面层,车辙变形随着荷载作用次数的增加可分为
中面层在加速加载过程中其车辙变化过程个阶段第阶段车辙发展最快主要为压密型车
(2),3:1,
可分为个阶段次之间这时车辙发生辙第阶段车辙发展平缓由于沥青混合料变形滞
3:①0~2 500,;2,
最快加载万次之间种离析状态试后或弹性回复致使变形有些波动当初期压密过
;②2 500~10,3,,
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后此时的路面结构属于介稳状态第阶段为加载
,;3HAO Da-li,WANG Bing- on Long-
至万次后由于荷载的长期作用导致沥青混合
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