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《沥青路面全厚度车辙影响因素的正交试验研究》

来源:华千官网 发表时间2011-12-06 19:56:03 点击:

   沥青路面全厚度车辙影响因素的正交试验研究 技术电话:15810721980

  《沥青路面全厚度车辙影响因素的正交试验研究》  

  摘 要:考虑温度、荷载和厚度三个因素,并选取相应的因素水是平.对武汉市三环线武黄高速公路共线段采用的沥打加铺结构层进行全厚度车辙试验。利用正交试验分析方法得出对车辙试验中动稳定度DS、车辙深度RD影响程度为:荷载>温度>厚度;当上面层、中面层采用改性沥青时,可适当减小整个沥青结中勾层的厚度;进行车辙试验时,应同时考虑DS与RD两个指标技术电话:15810721980

  关键词:沥青路面 全厚度 车辙影响因素 正交试验 研究 技术电话:15810721980

  随着我国高等级公路的大量修建,沥青路面发展迅速。但是,在夏季炎热地区,很多高等级公路沥青路面都出现了泛油、车辙等高温稳定性不够的问题,严重影响沥青路面平整度与行车安全。

  沥青混合料是一种典型的热流变材料,在夏季高温季节,材料表现为弹、黏一塑性体或黏一塑性体。在荷载作用下,混合料会产生较大的塑性变形,特别是在高速公路和城市道路中,由于渠化交通的作用,荷载及荷载重复次数的增加,塑性变形的累积,最后导致车辙现象严重。技术电话:15810721980

  根据车辙形成机理,可分为磨耗型车辙、结构型车辙和失稳型车辙三类。在路面车辙中,一般以失稳型车辙为主。它是由于沥青混合料高温稳定性不足,路面结构层在车轮荷载作用下内部材料的横向流动引起位移而形成的。

  有关文献表明,目前沥青路面结构层厚度通常都在10 cm以上,有的已达20 cm。沥青路面车辙主要来源于沥青结构层[1],并且路面车辙与全厚度沥青结构层(包括上面层、中面层和下面层)有关。

  本文以武汉市建委科研计划项目[武建[2005]94号(3)]为研究背景,针对武汉市三环线武黄高速公路共线段的沥青加铺结构,采用正交试验原理进行全厚度车辙试验,对沥青路面全厚度车辙影响因素进行研究。

  1 正交试验 技术电话:15810721980

  1.1 试验设备

  沥青混合料车辙试验方法最早由英国道路研究所(TRRL)确立。它能较好地反映沥青混凝土路面在车轮重复荷载作用下发生塑性流动变形(车辙)所致永久变形的积累过程。现已在不少国家得到应用。

  据有关文献介绍,全厚度车辙试验测得的结果比一般的标准层车辙试验更能充分模拟沥青混凝土路面上车轮行驶的实际情况,与实际路面车辙有极好的相关性[2]。所以本次试验利用华中科技大学道路实验室改进的ZCZ一7型自动车辙试验仪,针对拟定沥青结构层进行全厚度车辙试验,试验时间为4 h。技术电话:15810721980

  1.2 路面结构

  主要路面结构层厚13.5 cm,其中SMA-13型上面层为4 cm(灰绿岩)、AC-25型中面层为7 cm(石灰岩)、AC-10I调平层为2.5 cm。由于AC—10I调平层2.5 cm的厚度比较薄,为了更清楚地分析沥青路面厚度变化对动稳定度DS(Dynamic Stability)和车辙深度RD(Rut Depth)的影响,在制件时将调平层的厚度增加至4 cm。

  1.3 影响因素及水平的选择 技术电话:15810721980

  影响沥青路面车辙产生的原因很多,归纳起来可分为3大类:内因主要反映在材料本身的质量上,如沥青类型、沥青用量、集料的表面状况和级配等;外因则主要包括气候条件和交通条件;其他因素则是指路面基层、路面结构组成及施工质量对路面车辙的影响。技术电话:15810721980

  武汉地区属夏季炎热地区,夏季气温高达42 ℃(路面温度高达68℃),且高温持续时间长。另外,武黄高速公路交通量大,超载现象比较严重。针对以上情况,本次试验研究主要考虑温度、荷载和厚度这3个影响因素对DS和RD的影响。

  对于温度,选取的3个水平是:60℃、65 ℃、70℃。对于荷载,根据武黄高速公路超载情况,选取的3个水平为:0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa。对于厚度,结合武黄高速公路共线段采用的沥青加铺结构层,选取的3个水平分别为:4 cm [SBS改性SMA-13沥青混凝土(纤维掺量2.25 kg/t)]、11 cm(4 cm SBS改性SMA-13沥青混凝土+7 cm改性AC-25粗粒式沥青混凝土)、15 cm(4 cmSBS改性SMA-13沥青混凝土+7 cm改性AC-25粗粒式沥青混凝土+4 cmAC-10I调平层)。

  1.4 考核指标的选择 技术电话:15810721980

  车辙试验是评价沥青混合料在规定温度条件下抵抗塑性流动变形的方法,一般用DS来表征试验结果,而做过较多车辙试验的技术人员都发现:两种沥青混合料的DS相同时,它们的永久变形(车辙深度RD)有明显的差别[3] 。因此,本文选取DS和RD这2个指标进行考核。

  1.5 正交表的选择 技术电话:15810721980

  本正交试验选用的影响因素为3个,各因素的水平均取3个,故选用L9(34)正交表,按此正交设计的因素水平表见表1。

  表1 因素水平表

  

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  2 试验结果与分析

  2.1 正交试验结果

  按表1进行正交试验,得到的试验结果见表2。

  表2 L9(34)正交试验结果

  

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  注:1)DS为同一沥青混合料,在相同温度、荷载和厚度的条件下平行试验3个试件,且变异系数小于20%,,取其平均值作为试验结果。

  2)考虑到沥青混合料进一步压密而造成的车辙变形,RD没有考虑试验前3min的车辙值,为第3min~4 h时间段内、平行试验3个试件的平均值:

  2.2 试验结果直观分析 技术电话:15810721980

  将试验结果按照正交试验的直观分析法进行分析,结果见表3。

  表3 正交试验结果直观分析

  

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  注:Ki(i=1,2,3)表示某一因素水平为i时某一考核指标的值的总和:

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(i=1,2,3)表示某一因素水平为朋寸某一考核指标值总和的平均值;R表示极差,为某一因素时3种水平下考核指标均值之差绝对值的最大值。这个值越大,说明该因素的影响越大。

 

  可以得出以下结论。 技术电话:15810721980

  1)在因素的水平范围内变化时,对于DS,各因素的影响力顺序为:荷载>温度>厚度;对于RD,各因素的影响力顺序仍然为:荷载>温度>厚度。

  2)荷载是影响DS和RD最重要的影响因素。当荷载从0.7 MPa变化到0.9 MPa时,DS下降了34.5%,RD增加了65.3%;当荷载从0.9 MPa变化到1.1 MPa时,DS又下降了40.3%,RD又增加了45.2%。

  3)温度是影响DS和RD的次重要影响因素。当温度从60℃变化到65 ℃时,D5下降了36.4%,RD增加了26.9%;当温度从65℃变化到70℃时,DS又下降了29.0%,RD又增加了64.1%。

  2.3 方差分析

  为了判断因素水平对考察指标影响的显著性,用F检验法对正交试验的结果进行显著性检验。常用的有α=0.01,0.05,0.10,0.25等F分布表。α取值视具体情况而定,当精度很差时,α取值可大些;当精度较高时,α取值小些。通常,按α=0.01,0.05,0.10,0.25定出四个显著性水平,从F分布表上查出F0.01、F0.05、F0.10、F0.25等数值,用样本计算得出的F值与其进行比较,通常有以下几种情况[4]:

  1)F>F0.01(f1,f2)时,试验因素水平的改变对指标的影响特别显著,称“这个因素高度显著”,记作,“**”;

  2)f0.01(f1,f2)≥F>F0.05(f1,f2)时,试验因素水平的改变对指标的影响显著,称“这个因素显著”,记作,“*”;

  3)F0.05(f1,f2)≥F>F0.10(f1,f2)时,试验因素水平的改变对指标的影响比较显著,称“这个因素较显著”,记作,“(*)”;

  4)F0.10(f1,f2)≥F>F0.25(f1,f2)时,试验因素水平的改变对指标的影响较小,称“这个因素不显著但有影响”,记作,“[*]”;

  5)F≤F0.25(f1,f2)时,试验因素水平的改变对指标无影响,称“这个因素无影响”,不作记号。

  以上各式中f1称第一自由度(分子自由度),f2称第二自由度(分母自由度)。方差分析的结果见表4。

  表4方差分析

  

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  注:查F分布表,得F0.25(2,2)=3,F0.10(2,2)=9,F0.05(2,2)=19,F0.01(2,2)=99。

  方差分析结果表明:

  1)荷载和温度的变化对DS有影响但不显著,对RD的影响显著。

  2)据有关文献介绍,采用重交沥青时,沥青层厚度对DS的影响明显[5]。本次试验上面层和中面层均采用了改性沥青,试验结果显示厚度对DS和RD的影响不大。

  3)荷载、温度及厚度这3个因素对DS和RD影响的显著性不一致。

  3结语

  通过本次全厚度车辙正交试验研究,可以得出如下几点结论。

  1)温度、荷载和厚度对DS和RD的影响顺序为:荷载>温度>厚度。

  2)路面结构,当上面层采用SMA改性沥青混凝土、中面层也采用改性沥青后,导致厚度对DS和RD的影响不太显著,与有关研究结论[2,3]不一致。这从另一方面说明上面层和中面层采用改性沥青,可以显著提高沥青混凝土的DS和RD。因此,当采用改性沥青时,可适当减小整个沥青结构层的厚度。

  3)荷载、温度及厚度对DS和RD影响的显著性不一致,进行车辙试验时,应同时考虑DS和RD这两个指标,才能比较客观地评价沥青混合料的高温稳定性。

  由此建议:

  1)相对于温度和厚度,荷载是车辙试验DS和RD的最重要的影响因素,所以应该严格控制重载车的荷载及通行数量,特别是夏季高温时段内特别需要加强对重载车辆通行的管理,以提高沥青路面的使用寿命。

  2)当上面层和中面层同时采用改性沥青时,可适当减小整个沥青路面结构层的厚度。具体减小幅度,有待进一步研究。

  参考文献

  [1]李申惠,李向东,廖卫东,等.超载、超高温条件下全厚式路面车辙试验研究[J].武汉理工大学学报.2003(12):13一16.

  [2]李娜,朱文琪,李向东,等.全厚度与标准厚度车辙试验的对比分析[J].武汉理工大学学报.2003(12):66—68.

  [3]沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京:人民交通出版社,2001.

  [4]吴贵生.试验设计与数据处理[M].北京:冶金工业出版社,1997.

  [5]徐世法,季节.沥青铺装层病害防治与典型实例[M].北京:人民交通出版社.2005.

  吴瑞麟,石立万,余海洋,马光华

  (华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉430074)

 
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