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路面材料设计参数的变化与试验方法
发布时间:2020-05-26

 

01

 

力学-经验设计法应用推广

我国的新版公路沥青路面设计规范,自2017年9月起正式实施。这本规范的发布标志着我国的沥青路面设计方法正式进入多指标体系的力学-经验法设计实践阶段。

与2006年版设计规范相比,2017版规范带来了这些变化:

  • 路面损坏由单一指标控制向多指标控制转变;
  • 路面结构由单一结构组合向多元化结构组合转变;
  • 路面材料参数由静态参数向动态参数转变;
  • 设计参数输入由单一水平向多水平转变;
  • 设计理念由仅考虑建设期向全生命期经济技术分析转变。

 

02

 

路面设计的流程

 

03

 

路面材料设计参数的变化

沥青面层的设计参数:

静态单轴抗压回弹模量单轴压缩动态模量

无机结合料稳定类基层的设计参数:

单轴压缩弹性模量(顶面位移中段位移)

粒料类材料底基层/路基的设计参数:

查表三轴压缩回弹模量

 

01 沥青混合料动态模量

 

加载波形:半正弦波轴向加载

试验频率:0.1-25Hz

试验温度:-10℃, 5℃, 20℃, 35℃, 50℃

位移测量:3个LVDT测量中段变形

试验仪器:UTM | AMPT | AST

试验规范:JTG E20 T0738/AASHTO T378

 

 

02 无机结合料弹性模量

 

加载波形:1mm/min轴向加载至破坏

试验频率:/

试验温度:正常室温/未特殊要求

位移测量:3个LVDT测量中段变形

试验仪器:600kN压力试验机

试验规范:JTG D50-2017 附录E

 

 

03 粒料类材料回弹模量

 

加载波形:半正弦波轴向加载,径向阶梯围压

试验频率:0.1s加载,0.9s卸载

试验温度:正常室温/未特殊要求

位移测量:2个LVDT测量顶面变形/侧面变形

试验仪器:UTM | 土三轴仪

试验规范:JTG D50-2017 附录D

 

 

 

04

 

沥青混合料试验的配套辅助工具

完成沥青混合料的动态模量试验的一个重要前提条件是制备形状规则,密度分布均匀的试件,从而在加载过程中可以使得试件可以均匀受力,得到理想的试验结果。

旋转压实仪

01

马歇尔试件与旋转压实试件对比

试件类型

马歇尔试件

旋转压实试件

级配类型

AC-13C

AC-13C

面空隙率最大值%

12.60

12.19

面空隙率最小值%

1.98

2.85

面空隙率平均值%

4.53

4.42

标准差%

1.72

1.46

变异系数

0.38

0.33

 

取芯机

02

核心应用:从旋转压实成型试件中钻取标准动态模量芯样

扩展应用:从路面芯样中钻取小直径(直径38/50mm)动态模量和疲劳试件

切割锯

03

AASHTO TP131间接拉伸动态模量

EN 12697-24E IDT 间接拉伸疲劳

EN 12697-26C IDT 间接拉伸模量

ASTM D8044 SCB路易斯安那

AASHTO TP105 SCB明尼苏达

AASHTO TP124 SCB伊利诺伊

EN 12697-44 SCB

AASHTO T342

AASHTO T378

JTG E20 T0738-2011

EN 12697-25A&B

公路沥青路面设计规范附录F 单轴贯入

EN 12697-24D/ASTM D7460

AASHTO T321/EN 12697-26B

JTG E20 T0739-2011 4PT

JTG E20 T0715-2011 3PT

JTG E20 T0728-2011 Bending Creep

Tex-248-F Overlay

ASTM WK26816 Overlay

EN 12697-24A & 26A 2PT 法国标准

 

05

 

沥青面层疲劳验算

在众多的疲劳试验方法中,我国的规范选择的是棱柱体四点小梁弯曲的试验方法,试验方法为JTG E20-T0739。

疲劳方程:

 
 
 
 
 
 

试验结果示例(模量下降50%)

 
 

 

方案

四点小梁弯曲疲劳试验

 
 

方案一

 

独立式四点小梁系统+温控箱| UTM

外接空压机动力

5kN-底部加载

 

方案二

 

四点弯曲夹具+ASTQube

电动作动器加载

15kN-底部加载

 

方案三

 

四点弯曲夹具+UTM30 | UTM130

液压作动器加载

30kN/100kN-顶部加载

 

 

06

 

无机结合料稳定层疲劳验算

无机结合料稳定层的疲劳试验与沥青混合料层的方法类似,都是使用三分点加载的四点梁弯曲疲劳试验方法,参考的规范是JTG E51-T0856标准。

疲劳方程:

 

实验方案

 

通用四点弯曲夹具+UTM30 | UTM130

液压作动器加载

30kN/100kN-顶部动态加载

 

 

07

 

永久变形验算

考虑到试验需要简单易用,与现场长期观测指标相关性好以及设备易于推广的前提,新规范仍然选用车辙试验动稳定度指标作为标准试验方法。

 

沥青混合料层永久变形量验算公式:

 

基层类型

沥青混合料层容许永久变形量

高速

一级公路

二级

三级公路

无机结合料稳定类基层

水泥混凝土基层

底基层为无机结合料稳定类材料的沥青混合料基层

15mm

20mm

其他基层

10mm

15mm

 

 
 

 

08

 

沥青面层低温开裂指数验算

采用经验法,对沥青混合料层的开裂状况调查,并对沥青的性质(劲度模量),路面结构(沥青混合料层厚度)和路基土类型进行了测试。

沥青面层低温开裂指数:

St为在路面低温设计温度加10℃试验温度条件下,表面层沥青弯曲梁流变试验加载180秒时的蠕变劲度(MPa),因此为了进行沥青面层的低温开裂指数验算,我们必须要增加低温弯曲梁流变试验,依据标准JTG E20-T0627。

BBR弯曲梁流变仪测量低温时沥青的弯曲蠕变劲度用于开裂指数计算

 

公路等级

高速

一级公路

二级公路

三级

四级公路

低温开裂指数CI,不大于

3

5

7

 

09

 

沥青混合料性能

除了以上的验算要求外,还需要对沥青混合料的性能进行一些性能检测。

 

高温性能

 

单轴压缩贯入强度试验

初始荷载:0.05kN

加载速率:1mm/min,至应力值降为应力极值点90%时停止

试验温度:+60℃(标准)

试验仪器:UTM | 各种材料试验机

计算指标:贯入强度

试验规范:JTG D50-2017 附录F

 

低温性能

 

三点弯曲试验

加载速率:50mm/min,直至试件破坏

试验温度:-10℃±0.5℃

试验仪器:UTM | 各种材料试验机

计算指标:抗弯拉强度,破坏时的梁底最大弯拉应变和破坏时的弯曲劲度模量

试验规范:JTG E20-2011 T0715

 

抗水损害

 

劈裂试验

加载速率:50mm/min,直至试件破坏

试验温度:25℃

试验仪器:马歇尔试验机 | 各种材料试验机

计算指标:冻融劈裂抗拉强度比TSR

试验规范:JTG E20-2011 T0729

 

 

10

 

沥青性能

直接拉伸仪DT

 

 

当BBR试验结果不通过时,通过DT直接拉伸试验共同确定低温临界开裂温度。

 

 

动态剪切流变仪DSR

 

 

测量剪切模量用于动态模量计算:

 

压力老化仪PAV

 

 

对沥青进行高温高压老化,模拟几年的路用老化。

 

 

 

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