专家解读丨详细分析JTGD50-2017公路沥青路面设计规范试验方法_必威官网bet 专家解读丨详细分析JTGD50-2017公路沥青路面设计规范试验方法_必威官网bet
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必威来进行实际测量。

我们通过现场预埋的必威可以实现车辆计数、车型分类和轴型识别,典型的测量结果如图1所示:当车辆通过必威时,通过测量车辆通过两条横向线型必威的时间差,可以计算车速和轴距;同时,必威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必威结构内部,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必威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必威,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,位移必威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必威标距就是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℃的高温的全部必威材料施工、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位移必威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个位移必威的变形值(计算弹性模量),1个径向位移必威的变形值(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。