专家解读丨详细分析JTG D50-2017公路沥青路面设计规范试验方法
发布时间:2019-11-11
 

JTG D50-2017 公路沥青路面设计规范

 

自2017年9月1日至今,新版的公路沥青路面设计规范JTG D50-2017已经颁布执行2年的时间,在此期间得到了行业内各级单位的高度重视,为满足新规范对于实测获取设计参数的要求,全国各级设计单位和院校都在陆续开展相关设备的采购工作,确保具备新规范需要的试验能力和教学能力,按照新规范的要求开展设计业务。那么,我们到底需要配备哪些设备来获取新规范要求的设计参数呢?

为了让大家清楚的了解到这些试验检测设备,我们按照新规范宣贯时的分类将其分为4类,分别是:交通荷载参数、环境影响参数、材料性质参数和结构性能分析。下文将按照这4个分类逐一介绍我们需要的检测设备。

 

 

1

-交通荷载参数-

新规范中将车型按照轴型分成7类,按照车辆类型分为11类(规范附录A-交通荷载参数分析)。在三种设计水平中,水平一要求根据现场交通量观测资料统计设计方向不同车道上车辆的数量,确定车道系数。为了获取车辆的轴型和轴载谱,我们需要在现场安装传感器来进行实际测量。

我们通过现场预埋的传感器可以实现车辆计数、车型分类和轴型识别,典型的测量结果如图1所示:当车辆通过传感器时,通过测量车辆通过两条横向线型传感器的时间差,可以计算车速和轴距;同时,传感器也将记录车辆的荷载。整套系统的测量标准依据ASTM E1318-2017 Standard Specification for Highway Weigh-In-Motion(WIM) System with User Requirements and Test Methods的技术规格要求。

 

图1典型的车型分类和轴重测量结果

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图2 软件数据显示示例(按时间轴显示车道-车辆类型-车速和轴重)

整套系统需要预埋在现场道路结构内部,并通过路边的数据采集仪进行数据采集,可以选择增加通讯模块将数据发送至办公室的软件中远程观测,也可以在采集一段时间后,在现场采集仪中下载数据用于数据分析。所有的测量结果可以通过Excel的形式导出,以便于按照我国标准对车型进行分类,并进一步计算当量设计轴载累计作用次数:

 

图3 车型分类和动态称重传感器现场安装方式和原理图

 

2

-环境影响参数-

与2006年版规范相比,在考虑环境条件对路面结构性能的影响时,引入了温度调整系数和等效温度参数(温度指标可以通过规范的附录可以查表进行选取,或通过当地气候观测站的数据确定当地的实际温度)。同时考虑了湿度的影响,粒料层的回弹模量在结构验算时应采用粒料回弹模量乘以湿度调整系数后得到:E0=KSKηMR。新规范中该部分的要求实际上与JTG D30-2015公路路基设计规范的规定是一致的,湿度调整系数可以在JTG D30-2015的附录D中查表获取。

此部分涉及的参数并非强制试验获取,如果需要进行试验实测的,可以选用土水特征曲线压力板仪实测路基土的土水特征曲线来测试土的饱和度;通过冻融循环或干湿循环试验来确定路基土模量折减系数Kη

图4 土水特征曲线压力板仪和土水特征曲线实测结果示例

 

3

-材料性质参数-

新规范中最大的变化就是沥青路面结构设计参数的变化,从以往的静态参数转变为动态参数,水平一(高速公路和一级公路的施工图设计阶段)要求必须通过室内试验实测确定参数。水平二根据经验公式计算获取(部分指标仍需试验),水平三可以查表获得参数。这种新的要求对所有设计单位的试验检测能力提出了特别高的要求。因为我们的路面结构设计方法是通过输入各结构层模量和厚度来进行计算的,我们接下来就按照材料的分类来分别介绍不同材料模量测试方法需要新增的试验设备和方法。

 

3.1 沥青结合料类材料

在2006年版设计规范之前,我们使用的沥青层设计参数是单轴压缩回弹模量,但众所周知,这种受力条件与实际交通状况不符,同时未充分考虑温度条件的影响。因此,新规范的一个核心变化就是使用单轴压缩动态模量来作为设计参数。动态模量试验是通过在沥青混合料圆柱体试件顶端施加半正弦波动态荷载,并测量试件中部的平均位移值来计算动态模量。同时,该试验覆盖了从低温到高温的多个温度等级,通过测量不同温度条件下的模量曲线并合成动态模量主曲线来全面反映沥青混合料在不同温度条件下的动力响应性能。尤其是对于改性沥青混合料来说,不同的改性沥青混合料,其动态模量相差很大,宜通过多温度多频率扫描来实测其动态模量范围值。(有条件的单位还可以进行带围压的拉压试验获取动态模量)

图5 单轴压缩动态模量试验的加载原理和主曲线计算

获取动态模量需要我们配备动态伺服闭环控制能力的力学试验机,在此我们有两种选择:

 

第1种选择

使用美国SHRP计划特别开发的SPT(Simple Performance Tester)简单性能试验仪,后来更名为AMPT(Asphalt Mixture Performance Tester)沥青混合料性能试验仪。AMPT最初专为测试沥青混合料的动态模量和流值试验设计,其简单易用的全自动三轴室和帕尔贴半导体控温元件可以更快速的进行加热/制冷,内置/外置的空压机可以方便的控制围压(对于三轴试验而言),设备高度也非常易于装卸试件,专用接口方便替换位移传感器,是目前最方便的动态模量试验工具。

图6 CONTROLS-IPC的AMPT沥青混合料性能试验仪

 

第2种选择

伺服闭环控制的动态万能材料试验机。与AMPT相比,UTM具有以下如下的优势和劣势。

优势1:试验温度范围更宽:最高可达-50℃到+100℃;AMPT的控温范围是-5℃到+70℃。

优势2:加载能力范围更大:最高为动态100kN,静态130kN;AMPT是动态17kN,静态19kN。

优势3:试验空间更大,可以容纳棱柱体试件进行棱柱体梁/梯形梁弯拉试验,AMPT则不可以。

劣势1:因为环境箱尺寸大,UTM的温度控制速度、精度和均匀性都不如AMPT。

劣势2:UTM的价格一般要高于AMPT,视型号不同差价不同。

图7 CONTROLS-IPC的UTM系列多功能动态万能材料试验机(电动-气动-30kN液压-130kN液压

 

除了仪器本身的差别外,在试验方法上,需要加以注意:动态模量试验最初开发是基于2个标准,其具体差别分析如下:

中国和美国标准动态模量试验方法的区别

*尽管这三种主要标准从实验的角度来看,要求有所差别,拟合动态模量主曲线的方法有所不同,但从实际应用的角度出发却没有多大区别。所以,对于设计单位来讲,无论是使用AMPT还是UTM,无论是依据哪个标准测试动态模量都是没有问题的。

注:*此结论来自于新规范编写组,摘自新规范宣贯文件。

 

完成沥青混合料的动态模量试验还有1个重要的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。为此,规范要求我们必须使用基于搓揉剪切成型原理的旋转压实仪来制作直径150mm,高度170mm的圆柱体试件,经过取芯得到直径100mm,高度170mm的芯样,再通过切割锯切掉顶部和底部各10mm的薄片,最终得到直径100mm,高度150mm的圆柱体芯样进行试验。该过程可以用图8来进行描述,图8中的试验工具因此都是必备的。

图8 动态模量试件制作过程

注:之所以这样进行试件制作,是因为传统的马歇尔击实法制作的圆柱体试件在不同高度的面空隙率变异性较大,也就造成了试件内部的受力不均匀。华南理工大学曾经用工业CT计算机断层扫描仪为此进行过验证,得到的结果如图9所示。

图9 击实成型和旋转搓揉成型试件的面空隙率-高度曲线

从图9可以清晰的看到:马歇尔试件(典型高度63.5mm)的面空隙率随高度的变化曲线类似于拱形,中间段的面空隙率最低,两端最高;旋转压实试件则是在30-105mm左右的中段面空隙率几乎一致,所以我们在试验时,位移传感器就是粘贴在试件的中段测量这部分的变形值并取平均值进行计算。(AMPT的动态模量规范要求的传感器标距就是70mm±2mm)

对于水平2的设计来说,则可以通过公式计算确定沥青混合料的动态压缩模量,公式如下:

其中,G*为沥青在60℃,10rad/s角速度下测量得到的动态剪切复数模量(KPa),测试这个指标,需要使用动态剪切流变仪Dynamic Shear Rheometer(DSR)。对于各设计单位来讲,动态剪切流变仪除了可以获取路面结构设计参数以外,由于其强大的扩展能力,以及适用于基质沥青、改性沥青、环氧沥青、橡胶沥青、沥青胶浆混合料,甚至水泥等材料的通用性测试能力,覆盖从-40℃的低温到+200℃的高温的全部道路材料施工、运营温度范围的测试能力,同样适用于我们进行新材料研发,设计时的材料选择,施工过程中质量控制,再生养护过程中对旧沥青和再生沥青性能进行评价等。可以说是所有单位今后必备的,最重要的试验工具之一。

 
 

图10 DSR动态剪切流变仪和测试原理

 

3.2 无机结合料稳定类材料

无机结合料稳定类材料的模量试验方法与旧规范的差别在于:材料变形的测量同样从顶面法变为中段法,即在圆柱体试件的周围安装3个呈120°角平均分布的LVDT位移传感器测量中间段的变形值用于模量计算。这是因为顶面法测量试件高度的压缩变形由于两端断面的摩阻约束影响,其正确性受到质疑,国外的试验标准中均已经废除这种方法,而采用中间段测量的方法,可以有效消除断面摩阻印象,得到更能反映真实应力-应变关系的压缩弹性模量。

该试验(新规范附录D)可以通过量程不小于300kN的压力试验机来完成,选型时应确保:

  1. 数据采集系统具有足够的通道数量,可以实时记录压力值,3个位移传感器的变形值(计算弹性模量),1个径向位移传感器的变形值(计算泊松比),即采集通道数量至少5个。

  2. 压力试验机的量程尽可能覆盖新规范表5.4.5的弹性模量取值范围,尽可能不小于500kN。

  3. 具备固定试件表面粘贴位移传感器的专用固定夹具

图11 压力试验机及中段法位移测量工具

 

3.3 土基和粒料类材料

土基和粒料材料的回弹模量应按照新规范附录D重复加载三轴试验确定(或JTG D30-2015公路路基设计规范的附录A)。如果用户已经具有了UTM多功能路面材料动态试验机,可以通过在UTM上增加三轴室,配套的位移测量传感器和夹具,以及空气围压供应装置来完成这个试验。有条件的单位也可以直接使用专用的动三轴试验仪来完成该试验。

图12 UTM测试方案和英国GDS专用动三轴仪解决方案

 

 

与无机结合料稳定类材料测试回弹模量的要求不同,在测量土和粒料类材料的回弹模量时,传感器外置式顶面法测量和内置式传感器安装在试件表面的中段位移测量都被规范所允许。如果使用内置式测量方法,需要三轴室底座带有通道环,可以将传感器导线引出三轴室连接数据采集系统。甚至三轴室侧壁具有开孔可以连接径向位移测量传感器。(规范无要求)

图13 土和粒料类材料回弹模量试验的两种变形测量方法

 

4

-结构性能分析和性能参数检验材-

当我们完成所有的设计参数试验并进行试算和初步设计后,需要对设计方案进行结构验算判断使用性能标准是否符合规范要求(图14),并最终完成设计。在此阶段,我们需要对如下的6个方面进行性能验证并考虑其他材料性质指标检测,确保其满足新规范的要求。具体说明如下:

图14 新规范结构验算流程

 

4.1 沥青混合料层疲劳开裂验算

目前,国内外关于沥青混合料疲劳开裂性能的试验方法有很多。美国NCHRP 09-57项目曾经将一些主要的试验方法进行了综合比较,并与现场环道试验的试验结果进行比较。感兴趣的同仁可以查阅相关的论述;在众多的疲劳试验方法中,我国的新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。该试验一般有两种加载模式,通常认为:应变控制模式适用于较薄的沥青混合料层,应力控制模式适用于较厚的沥青混合料层。不同的加载模式具有不同的疲劳性能模型,新规范在考虑模型与设计体系相协调、更广泛适用性等因素下,增加了目标可靠度指标β和环境参数(温度调整系数KT1和季节性冻土地区调整系数Ka),最终得到了模型方程:

疲劳开裂寿命:

最终,我们在验算时应确保疲劳开裂寿命大于使用年限内设计车道的当量设计轴载累计作用次数。否则,应调整路面结构方案,重新验算,直至满足要求。

图15 棱柱体四点小梁弯曲疲劳试验的试验设备和原理图

在进行设备选型时,考虑到疲劳试验周期较长,有条件的情况下,应配备专用的疲劳试验机来开展疲劳试验。以便其他设备可以同时用于路面结构设计参数的测试。这里另外一个值得提醒的问题是:与小梁三点弯曲试验方法不同,小梁四点弯曲疲劳试验方法要求试件长度为380mm,截面积50mm×63.5mm,这也就意味着我们常规的轮碾压实仪无法制作小梁疲劳的试件。(常规轮碾压实仪为制作车辙试验车辙板配套,成型试件尺寸为300×300mm),因此,用户可以考虑采购可以成型400×300mm试件的轮碾压实仪或450mm×150mm棱柱体的剪切压实仪。

图16 轮碾压实仪(左)和剪切压实仪(中)和试件切割(右)

 

4.2 无机结合料稳定层疲劳开裂验算

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。我们可以在UTM多功能路面材料动态试验机上完成这个试验,并同样最终根据疲劳开裂模型方程来确保疲劳开裂寿命大于设计使用年限内设计车道的当量设计轴载累计作用次数,否则,调整路面结构组合或层厚,重新验算直至满足需求。(这种试验夹具同时适用于测试弯拉强度)

疲劳开裂寿命:

图17 无机结合料稳定层材料四点疲劳弯曲试验夹具

 

4.3 沥青混合料层永久变形量验算

国内外关于沥青混合料层永久变形评价试验的方法很多,例如马歇尔试验方法,恒高度重复剪切试验(RSST-CH),静态蠕变试验(流值时间),动态蠕变试验(流值次数),三轴试验,以及全球各种不同标准的车辙试验方法等。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。考虑到这是大家最熟悉的试验之一,在此不再赘述。

图18 多功能汉堡车辙仪(满足欧标小轮-美标汉堡-中国动稳定度标准)

 

4.4 路基顶面竖向压应变验算

路基顶面的容许竖向压应变应按以下公式计算:

而路基顶面竖向压应变应按照以下公式计算:

其中:

路基顶面竖向压应变应小于容许压应变值。否则,调整路面结构组合或层厚,重新验算直至满足需求。此验算环节无需试验。

 

4.4 沥青面层低温开裂指数验算

新规范在编写过程中,采用经验法,对吉林和黑龙江省4条公路的14个路段进行了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。依据所取得的数据,提出了以下的低温开裂经验预估模型:

沥青面层低温开裂指数:

其中,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。

图19 BBR弯曲梁流变仪和试验原理图

 

4.6 防冻厚度验算

季节性冻土地区路基为中湿或潮湿状态时,按公式Zmax=abcZd计算多年最大冻深,其中的a,b,c系数均可通过查表法直接获取,当路面结构层厚度小于规定的最小防冻厚度时,应增设防冻层,使其满足最小防冻厚度的要求。此验算环节无需试验。

 

4.7 其他材料的性能指标要求

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,这些检测方法主要有:

4.7.1 沥青低温性能指标

对于季节性冻土地区高速公路和一级公路表面层沥青低温性能宜满足下面的3条指标要求:

  1. 分析连续10年最低气温平均值,作为路面低温设计温度。路面低温设计温度提高10℃的试验条件下,沥青弯曲梁流变试验蠕变劲度St不宜大于300MPa,蠕变斜率m不宜大于0.30。

  2. 当蠕变劲度St在300~600MPa范围内,且蠕变斜率m>0.30时,增加沥青直接拉伸试验,其断裂应变不宜小于1%。

  3. 以上都不满足时,采用弯曲梁流变试验和直接拉伸试验确定沥青临界开裂温度,临界开裂温度不宜高于路面低温设计温度。

图20 通过BBR试验和DT试验计算沥青的临界开裂温度

此处,涉及到除BBR弯曲梁流变仪外的另一种试验设备——DT沥青直接拉伸试验仪。这里强调一点:经常有人将沥青的直接拉伸试验与沥青混合料的直接拉伸试验混淆。实际上,这是两种完全不同的试验。沥青的直接拉伸试验是Superpave PG分级试验方法中评价沥青胶结料低温性能的一个试验方法,测试对象是沥青,测试环境为低温(-36℃~0℃)的液体浴,通过专用仪器将沥青拉断并测量其破坏应变εf和破坏应力σf来进行评价。而沥青混合料的直接拉伸试验是在动态力学试验机中对棱柱体或圆柱体沥青混合料试件施加轴向的动态拉伸荷载并测量其轴向变形来测量混合料模量或获取混合料疲劳模型为目的。

 

图21 沥青直接拉伸仪及试验原理

 

4.7.2 沥青混合料水稳定性指标

新规范中仍然要求使用浸水马歇尔使用残留稳定度和冻融劈裂试验残留强度比来检验水稳定性。鉴于大家对于浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验都非常熟悉,此处不再赘述。不过这里我们向大家推荐一种已经列入JTG E20新版公路工程沥青及沥青混合料试验规程的试件浸水处理方法——美国M.i.S.T高温动水冲刷法。这种方法使用专用的设备将沥青混合料放在水箱中,施加高温(最高可达72℃)和动水循环冲刷的作用,处理过程4个小时,一般放在24小时热水养生之后,对试件进行如此处理的目的在于可以通过动水冲刷作用破坏沥青内部的内聚力而不仅是集料和沥青之间的粘附力,也更符合道路在夏天雨季时的工况。经过如此处理的试件再进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验,能够更真实的反映材料的水稳定性。

图22 高温动水冲刷法的设备和试验原理(此方法不强制)

4.7.3 沥青混合料单轴贯入强度

此次新规范增加了一种我国原创的单轴贯入试验方法(新规范附录F),该试验可以在UTM多功能路面材料动态试验机上完成,也可以在其他符合要求的材料试验机上完成。

图23 单轴贯入强度试验

4.7.4 沥青混合料低温性能指标

新规范仍然推荐使用JTG E20-T0715的三点弯曲跨中加载试验方法来评价沥青混合料的低温性能,该试验可以在专用的低温试验机上完成,也可以通过专用夹具在UTM多功能路面材料动态试验机上完成,如图24所示。

图24 JTG E20-T0715三点弯曲试验

4.7.5 无机结合料稳定类材料性能要求

无机结合料稳定类材料的性能指标还要求满足集料粒径、水泥剂量、7天无侧限抗压强度、弯拉强度等要求,因为都是大家非常熟悉的试验方法,在此不再赘述。

 

4.7.6 粒料类材料的性能要求

粒料类材料的性能指标还要求满足CBR值,粒径,级配等要求,因为都是大家非常熟悉的试验方法,在此不再赘述。

 

 

FWD落锤弯沉仪

在新规范中,要求使用落锤弯沉仪作为路面结构评价和验收指标。在JTG F80/1-2017公路工程质量检验评定标准中也增加了采用落锤弯沉仪(FWD)的检测方法,在路基交竣工验收和路面交竣工验收时都需要使用锤重50kN的落锤弯沉仪进行质量评定。因此,落锤弯沉仪也可以算作沥青路面设计的工具之一。

 

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图25 拖车式落锤弯沉仪车载式落锤弯沉仪

 

以上,是对2017年版公路沥青路面设计规范所需试验能力和配套设备的介绍。重点在于较2006年版本新增的试验方法和设备。对于大家耳熟能详的试验、设备以及实验室常备的例如烘箱、拌合机等常用工具和设备均未加详述。限于笔者的水平所限,文章中如有纰漏还请大家赐教和指正。大家对于文章中感兴趣及需要的设备请联系欧美大地,我们将很乐于为您提供服务。

 

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