基于漢堡車轍試驗(yàn)的在役高速公路瀝青路面高溫性能研究

盧勇, 劉愛華, 張文浩, 張永辰

(1.新型道路材料國家工程實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 211112； 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司; 3.江蘇寧滬高速公路股份有限公司)

截至2019年底，江蘇省高速公路路網(wǎng)中存在77%的瀝青路面路齡超過10年，其中39%的瀝青路面路齡超過15年。依據(jù)JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的高速公路15年設(shè)計(jì)使用年限，“十三五”期間，江蘇省高速公路路網(wǎng)中，將有大量路段的路齡接近或超過設(shè)計(jì)年限，這也是中國高速公路首次全面面臨這一問題。車轍病害是目前江蘇省高速公路瀝青路面最為突出的病害之一，也是“十三五”期間江蘇省瀝青路面面臨的主要問題。對于常規(guī)3層瀝青面層結(jié)構(gòu)的高速公路，一般認(rèn)為，中下面層是車轍貢獻(xiàn)率最大的層位。然而，江蘇省高速公路瀝青路面在實(shí)際養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)過程中對于不大于13 mm的車轍病害，一般采用銑刨重鋪上面層的處治方案。

總之，江蘇省高速公路瀝青路面在“十三五”期間面臨大量車轍病害處治問題，針對不同程度的車轍病害，如何科學(xué)合理地判斷處治層位，分析評估中下面層瀝青混合料的高溫性能非常必要。

傳統(tǒng)的規(guī)范車轍法對樣品試件要求較高，需要在300 mm×300 mm的車轍板上開展試驗(yàn)，在實(shí)際操作過程中對于路面結(jié)構(gòu)的損壞較嚴(yán)重，相對而言，漢堡車轍試驗(yàn)通過對現(xiàn)場取回芯樣直接開展抗車轍試驗(yàn)，相較傳統(tǒng)規(guī)范車轍試驗(yàn)更能準(zhǔn)確反映路面的實(shí)際抗車轍性能。漢堡車轍試驗(yàn)儀是由德國研發(fā)，目前已納入德國規(guī)范中，用于一些交通量大的行車道路，以評估抗車轍和抗剝落性能。國內(nèi)外研究表明：漢堡車轍儀可以進(jìn)行不同溫度的干式和浸水、板式和圓柱試件的試驗(yàn),是瀝青路面車轍成因分析和瀝青混合料高溫性能評價(jià)的有效工具,通過漢堡車轍試驗(yàn)法獲得路面結(jié)構(gòu)車轍深度指標(biāo)用以評價(jià)路面結(jié)構(gòu)抗車轍性能具有較高的可靠性。該文采用漢堡車轍試驗(yàn)對在役某高速公路某段瀝青路面的高溫性能進(jìn)行評價(jià)，通過研究不同面層的交通等級、交通量和基層結(jié)構(gòu)與車轍深度、蠕變速率的關(guān)系，進(jìn)一步分析路表車轍深度與中下面層瀝青混合料高溫性能之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)條件

使用漢堡車轍試驗(yàn)儀，通過在47 mm寬的膠輪上施加0.7 MPa的力完成對試件的加載，然后膠輪在板塊試件上做往復(fù)運(yùn)動。試件加載直至鋼輪達(dá)到20 000次的往復(fù)運(yùn)動次數(shù)或者直到產(chǎn)生20 mm的變形為止。

根據(jù)各結(jié)構(gòu)層厚度以及漢堡車轍試驗(yàn)試件厚度,確定試驗(yàn)條件為60 ℃水浴。

1.2 評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)瀝青路面高溫穩(wěn)定性評價(jià)需求，采用車轍深度和蠕變斜率兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行表征。

(1) 車轍深度

采用特定作用次數(shù)下的車轍深度表征，一般分別采用5 000、10 000、15 000和20 000次作用次數(shù)下的車轍深度(mm)。其值越大，高溫抗車轍性能越差。

(2) 蠕變斜率

以試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線中直線段相對較長的一段曲線，對車轍深度與加載次數(shù)的關(guān)系進(jìn)行直線回歸，得到：

H=a+bN

(1)

式中：H為車轍深度(mm)；N為加載次數(shù)(次)；b為蠕變斜率(mm/次)。

蠕變斜率表示蠕變階段曲線的斜率，反映在水熱和荷載組合條件下，瀝青混合料在蠕變階段的變形速率，其值越小表明變形速率越慢，高溫穩(wěn)定性也越好。由于蠕變斜率結(jié)果較小，因此，采用蠕變斜率的倒數(shù)，即蠕變速率指標(biāo)(次/mm)表示，該指標(biāo)與動穩(wěn)定度在本質(zhì)上是一致的。

2 試驗(yàn)條件

為評價(jià)通車運(yùn)營時(shí)間超過10年的高速公路瀝青路面各層瀝青混合料高溫性能，以及分析不同交通量與高溫性能之間的關(guān)系，該文通過對某高速公路瀝青路面典型斷面進(jìn)行取芯，該高速不同斷面瀝青種類和級配設(shè)計(jì)統(tǒng)一，此次車轍病害取芯芯樣根據(jù)車轍程度，即車轍病害10 mm以上(深車轍)和10 mm以下(正常較好路段)，考慮不同車道、不同基層類型(A水泥穩(wěn)定碎石、B二灰碎石、C柔性基層)對車轍深度的影響和不同受力分布條件下對中面層材料性能的影響。

所取芯樣分布交通等級為極重、特重、輕等級，中面層芯樣為改性瀝青SUP-20，下面層芯樣包括通車運(yùn)營時(shí)間12年的SUP-25和通車運(yùn)營時(shí)間22年的AC-25。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 中下面層芯樣高溫性能

表1、圖1、2為中、下面層漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果。從表1可以看出：芯樣車轍深度整體均較小，中面層芯樣60 ℃條件下漢堡車轍深度為1～3.5 mm；下面層車轍深度為3.5～8 mm，整體車轍深度較中面層大。表明漢堡車轍試驗(yàn)?zāi)軌蝻@著區(qū)分不同類型瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

圖1 中面層漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)漢堡車轍變形曲線對應(yīng)的初期壓密階段、穩(wěn)定發(fā)展階段和最后的破壞階段3階段分析，由圖2可知：所測芯樣均未出現(xiàn)最后破壞階段，初步判斷該高速公路中面層瀝青混合料整體處于穩(wěn)定發(fā)展階段。

從圖2可知：所測下面層芯樣均未出現(xiàn)最后破壞階段，整體處于穩(wěn)定發(fā)展階段；極重交通路段漢堡試驗(yàn)車轍深度超過6 mm，且其相應(yīng)斷面的路面車轍深度達(dá)到10 mm左右。

3.2 交通等級對中下面層瀝青混合料高溫性能的影響

通過路面性能與不同影響因素的敏感性分析可知：交通量是影響路面車轍性能的敏感因素，因此，對于芯樣漢堡車轍性能，進(jìn)一步考慮不同交通量條件下中面層瀝青混合料抗車轍能力的差異，根據(jù)交通量狀況，將上述不同斷面劃分為極重、特重、輕3種交通等級。選取蠕變速率作為評價(jià)指標(biāo)如表1所示。

圖2 下面層漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果

從表1可知：極重交通等級下，平均蠕變速率為18 366.8次/mm、特重為30 138.4次/mm、輕為22 515.7次/mm。結(jié)合芯樣路段空隙率，初步分析原因?yàn)樘刂亟煌ê奢d下路面經(jīng)歷壓密階段整體抗車轍性能較高，極重交通和輕交通分別處于流變和壓密階段高溫性能低于特重交通。

進(jìn)一步分析不同交通量條件下中面層瀝青混合料漢堡車轍試驗(yàn)后車轍深度數(shù)據(jù)。

從表2可知：在同樣20 000次作用下，輕交通條件下的中面層芯樣車轍深度最大，平均達(dá)到2.2 mm；其次為極重交通，平均達(dá)到2.3 mm；特重交通條件下車轍深度最小，平均達(dá)到1.5 mm。

由表2為交通量與下面層芯樣漢堡車轍蠕變速率的關(guān)系可知：特重交通蠕變速率最高，平均值達(dá)到14 872.3次/mm；極重和輕交通分別為10 318.3、10 030.9次/mm，差別不明顯。初步表明：對于下面層瀝青混合料漢堡車轍的蠕變速度，交通量對其影響不明顯。

通過與中面層芯樣比較可知：輕交通條件下芯樣抗車轍性能要優(yōu)于極重交通，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，輕交通條件下，取芯芯樣中斷面3、4和8處下面層為改擴(kuò)建時(shí)期保留的AC-25瀝青混合料，其蠕變速度分別為8 130.1、10 638.3和10 147.9次/mm，AC-25車轍蠕變速率平均值為9 638.7次/mm，SUP-25車轍蠕變速率平均值為11 721.6次/mm，性能降低約17.8%。初步表明：相同交通等級和基層結(jié)構(gòu)條件下SUP-25抗車轍性能優(yōu)于AC-25。

3.3 基層結(jié)構(gòu)類型對中下面層瀝青混合料高溫性能的影響

一般認(rèn)為半剛性基層和柔性基層路段抵抗車轍的能力有區(qū)別，因此，在不同交通量條件下進(jìn)一步考慮不同基層結(jié)構(gòu)，對瀝青混合料變溫性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖3、4。

圖3 中面層不同基層、不同交通等級漢堡車轍平均蠕變速率

從圖3可知：水穩(wěn)基層路面在特重交通時(shí)蠕變速率顯著高于極重交通蠕變速率，特重交通時(shí)達(dá)到30 138.4次/mm，極重交通為20 129.3次/mm；二灰基層和柔性基層在輕交通時(shí)蠕變速率接近，略優(yōu)于極重交通；水穩(wěn)基層和柔性基層在極重交通時(shí)蠕變速率相差不明顯?？傊?，水穩(wěn)基層路面在特重交通條件下中面層漢堡車轍蠕變速率最好，表明抗車轍性能最優(yōu)；基層類型對中面層高溫抗車轍性能影響不大。

圖4 下面層不同基層、不同交通等級漢堡車轍平均蠕變速率對比

從圖4可知：極重交通條件下，水穩(wěn)基層路段與柔性基層路段相比，芯樣蠕變速度基本相當(dāng)，而輕交通條件下，二灰基層下面層芯樣蠕變速度顯著高于柔性基層路段下面層芯樣，可能與上述二灰基層下面層芯樣半數(shù)為AC-25瀝青混合料有關(guān)。通過上述分析可知：不同基層類型路段下面層芯樣蠕變速度不存在明顯相關(guān)性。表明基層類型與芯樣高溫性能無顯著關(guān)系。

3.4 芯樣高溫性能與路面車轍指標(biāo)之間的關(guān)系

芯樣漢堡車轍深度與路面車轍指標(biāo)RD之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 芯樣漢堡車轍深度與路面車轍指標(biāo)RD之間的關(guān)系

從圖5可知：對于中面層、下面層芯樣漢堡車轍深度，材料性能試驗(yàn)結(jié)果與路面車轍指標(biāo)的關(guān)系不顯著。

進(jìn)一步分析不同交通等級下，芯樣漢堡車轍深度與路面車轍指標(biāo)RD之間的關(guān)系，結(jié)果見圖6～8。

從圖6～8可知：極重交通下芯樣漢堡車轍深度與路面車轍深度關(guān)系明顯，且下面層芯樣車轍深度與路面車轍深度相關(guān)性更加顯著。特重交通、輕交通條件下漢堡車轍深度與路面車轍深度指標(biāo)相關(guān)性不顯著。

圖6 極重交通條件下芯樣漢堡車轍深度與路面車轍指標(biāo)RD之間的關(guān)系

圖7 特重交通條件下芯樣漢堡車轍深度與路面車轍指標(biāo)RD之間的關(guān)系

圖8 輕交通條件下芯樣漢堡車轍深度與路面車轍指標(biāo)RD之間的關(guān)系

4 結(jié)論

(1) 基于漢堡車轍試驗(yàn)評價(jià)芯樣高溫性能，研究發(fā)現(xiàn)漢堡車轍試驗(yàn)?zāi)軌蝻@著區(qū)分不同類型瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，60 ℃條件下中面層改性瀝青SUP-20芯樣車轍深度為1～3.5 mm，下面層普通瀝青SUP-25芯樣車轍深度為3.5～8 mm。

(2) 交通量對芯樣漢堡車轍高溫性能具有顯著的影響。根據(jù)漢堡車轍變形曲線、蠕變速率和車轍深度進(jìn)行分析，對于下面層芯樣，不同交通狀況下芯樣高溫性能均處于穩(wěn)定發(fā)展階段；對于中面層芯樣，輕交通和特重交通條件下，芯樣高溫性能處于穩(wěn)定發(fā)展階段。

(3) 相同交通等級和基層結(jié)構(gòu)條件下SUP-25抗車轍性能優(yōu)于AC-25。水穩(wěn)基層路面特重交通條件下中面層漢堡車轍蠕變速率最好，表明抗車轍性能最優(yōu)；基層類型對中面層高溫抗車轍性能影響不大。

(4) 不同基層類型路段下面層芯樣蠕變速度不存在明顯相關(guān)性。表明基層類型與芯樣高溫性能無顯著關(guān)系。極重交通下芯樣漢堡車轍深度與路面車轍深度關(guān)系明顯。特重交通、輕交通條件下漢堡車轍深度與路面車轍深度指標(biāo)相關(guān)性不顯著。