路面結(jié)構(gòu)與材料對雙層一次攤鋪路面 疲勞性能的影響

蔣應(yīng)軍，李啟龍，上官宇浩

(長安大學(xué)，特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，西安 710064)

0 引 言

路面結(jié)構(gòu)與材料類型對瀝青路面疲勞性能影響顯著[1]。中國高等級公路典型瀝青路面結(jié)構(gòu)為表面層4 cm AC(連續(xù)式密級配瀝青混合料)-13+中面層6 cm AC-20+下面層8～12 cm AC-25或ATB(密級配穩(wěn)定碎石)-25或ATB-30，干線公路典型結(jié)構(gòu)為表面層4 cm AC-13+下面層6 cm AC-20或者上面層5 cm AC-13+下面層7 cm AC-20[2]。施工時通常采用分層攤鋪，逐層壓實的施工工藝，認(rèn)為結(jié)構(gòu)層之間的黏層油可以保證層間結(jié)合。但由于分層攤鋪時下層已經(jīng)冷卻硬結(jié)，混合料具有了一定強度，上層熱鋪混合料與下層嵌擠作用小，不能充分粘結(jié)，層間結(jié)合作用弱，因此層間不能達(dá)到最佳的結(jié)合效果。此外，瀝青路面?zhèn)鹘y(tǒng)分層攤鋪技術(shù)存在層間接觸狀態(tài)不佳、溫度散失快、層間處置費用高及施工周期長等問題，影響路面工程質(zhì)量和工程造價[3]。瀝青路面雙層一次攤鋪技術(shù)是將雙層瀝青混合料分一次攤鋪碾壓完成的新型施工技術(shù)，屬于“熱+熱”施工工藝。與傳統(tǒng)分層攤鋪技術(shù)相比，雙層一次攤鋪技術(shù)可以減少施工過程中瀝青混合料的熱量散失，且在碾壓過程中，各瀝青結(jié)構(gòu)層集料相互擠壓并嵌鎖聯(lián)結(jié)，增大了瀝青路面層間結(jié)合力，有效避免了粗集料被壓碎，從而提高瀝青路面結(jié)構(gòu)整體性[4]。近年來，隨著雙層一次攤鋪機械的開發(fā)與應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列與雙層一次攤鋪路面相關(guān)的研究。國外，Mueller[5]介紹雙層一次攤鋪技術(shù)的優(yōu)缺點，認(rèn)為該技術(shù)易于壓實路面，可以增強層間的粘結(jié)力，因此無須灑布粘層油，并研究了雙層一次攤鋪技術(shù)的基本原理及其質(zhì)量控制措施；Morgan等[6]進(jìn)行傳統(tǒng)攤鋪工藝與雙層一次攤鋪技術(shù)在大空隙瀝青混凝土路面中的性能對比，探討兩者在層間粘結(jié)性能、路面壓實度及經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)缺點；Gharabaghy[7]研究攤鋪工藝對瀝青路面層間粘結(jié)性能及高溫性能的影響，驗證了雙層一次攤鋪技術(shù)的優(yōu)越性。國內(nèi)，朱夢良等[8]研究瀝青混合料雙層一次攤鋪的路用性能，并對其施工工藝進(jìn)行了介紹；王朝暉等[9]通過室內(nèi)試驗及理論分析研究了攤鋪工藝對瀝青路面熱量散失規(guī)律的影響，并提出根據(jù)不同環(huán)境溫度下瀝青路面的有效碾壓時間；李愛國等[10-11]通過室內(nèi)非標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗研究溫度、厚度對混合料壓實度的影響程度，建立相同壓實功瀝青路面雙層一次攤鋪與傳統(tǒng)分層攤鋪厚度等效轉(zhuǎn)換關(guān)系，并通過室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗段，基于雙層一次攤鋪技術(shù)研究瀝青路面層間粘結(jié)強度、平整度及壓實度等性能。以上雙層一次攤鋪技術(shù)研究主要集中在雙層一次攤鋪設(shè)備開發(fā)、雙層一次攤鋪工藝施工組織設(shè)計、層間結(jié)合效果、平整度控制及高溫性能等方面，而關(guān)于結(jié)構(gòu)層厚度與混合料類型對雙層一次攤鋪路面疲勞性能的影響研究較少。因此，本文以路面結(jié)構(gòu)總厚度10 cm為研究對象，總結(jié)雙層結(jié)構(gòu)下不同厚度和混合料類型對路面疲勞性能影響規(guī)律，并推薦了基于雙層一次攤鋪技術(shù)的瀝青混合料類型與路面結(jié)構(gòu)層厚度。

1 實 驗

1.1 原材料

(1)瀝青

上、下面層瀝青均采用新加坡EssoA-70號道路石油瀝青，技術(shù)性質(zhì)見表1。

表1 新加坡EssoA-70號瀝青技術(shù)性質(zhì)Table 1 Technical properties of Singapore EssoA-70 asphalt

(2)粘層油

粘層油采用SBR改性乳化瀝青，技術(shù)性質(zhì)見表2。

表2 SBR改性乳化瀝青技術(shù)性質(zhì)Table 2 Technical properties of SBR modified emulsified asphalt

(3)粗集料

上面層粗集料采用浙江省金華市八詠采石場生產(chǎn)的斜長角閃巖集料，技術(shù)性質(zhì)見表3。

表3 上面層粗集料技術(shù)性質(zhì)Table 3 Technical properties of upper coarse aggregate

下面層粗集料采用浙江省金華市八詠采石場生產(chǎn)的石灰?guī)r集料，技術(shù)性質(zhì)見表4。

表4 下面層粗集料技術(shù)性質(zhì)Table 4 Technical properties of under coarse aggregate

(4)細(xì)集料及礦粉

上、下面層細(xì)集料均采用浙江省金華市八詠采石場生產(chǎn)加工的集料；礦粉采用浙江省金華市八詠采石場生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石自行加工生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉。

1.2 試驗方案

(1)混合料類型

研究混合料類型對雙層一次攤鋪路面疲勞性能的影響。上面層擬采用AC-13或AC-16，下面層擬采用AC-20或AC-25。各類型混合料礦料級配見表5。

表5 不同混合料級配Table 5 Gradation of different mixtures

各類型最佳油石質(zhì)量比下的馬歇爾試驗結(jié)果見表6。

表6 最佳油石比下的馬歇爾試驗結(jié)果Table 6 Marshall test results under optimum oil-stone ratio

(2)結(jié)構(gòu)層厚度

研究路面結(jié)構(gòu)層厚度對雙層一次攤鋪路面疲勞性能的影響。雙層路面結(jié)構(gòu)總厚度為10 cm，上面層和下面層結(jié)構(gòu)層厚度擬采用上面層3 cm+下面層7 cm(簡寫為3 cm+7 cm，下同)和4 cm+6 cm兩種組合類型。

(3)攤鋪工藝

研究雙層路面結(jié)構(gòu)分層攤鋪碾壓工藝(傳統(tǒng)攤鋪)和雙層路面結(jié)構(gòu)一次攤鋪碾壓工藝(雙層攤鋪)對路面疲勞性能的不同影響。

1.3 試驗方法

(1)小梁疲勞試驗

采用美國MTS810萬能試驗機，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTGE 20—2011)進(jìn)行小梁疲勞試驗。小梁試件保溫4 h，試驗溫度(15±0.5) ℃。為使加載一直處于受壓一側(cè)，采用半正矢正弦波，以應(yīng)力控制模式加載,加載頻率10 Hz，循環(huán)特征值0.1，試驗時一般最小荷載為最大荷載的2%[12]。

(2)試件制備

小梁試件尺寸為250 mm×100 mm×100 mm棱柱形，是由尺寸為300 mm×300 mm×100 mm的車轍板試件切割而成。由于室內(nèi)試驗無法成型與現(xiàn)場同等大小的瀝青混合料試件，且難以將現(xiàn)場瀝青路面切割成上述尺寸的小梁，因此參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTGE 20—2011)，確定傳統(tǒng)分層攤鋪車轍板試件和雙層一次攤鋪車轍板試件的制作方法。

傳統(tǒng)分層攤鋪碾壓車轍板試件(尺寸為300 mm×300 mm×100 mm)制備工藝如下：

①下層板制作：根據(jù)試件下層混合料密度、高度和試模截面積確定瀝青混合料質(zhì)量，拌合下面層混合料，裝入對應(yīng)高度的單層車轍板試模并充分搗實，然后用輪碾儀在試模表面往返輪碾成型，直至試件下層厚度達(dá)到預(yù)定高度后，停止輪碾，下面層混合料車轍板試件制作完成。

②粘層油灑布：將下面層混合料試件冷卻至少24 h后脫模放入尺寸為300 mm×300 mm×100 mm的雙層車轍板試模，然后灑布密度為0.45 kg/m2的粘層油，養(yǎng)護(hù)至少2 h。

③上層板制作：根據(jù)試件上層混合料密度、高度和試模截面積確定瀝青混合料質(zhì)量，拌合上面層混合料，放入已裝有下面層混合料的雙層車轍板試模并充分搗實，然后用輪碾儀在試模表面往返輪碾成型，當(dāng)輪碾上、下面層總厚度達(dá)到10 cm后，停止輪碾，傳統(tǒng)攤鋪車轍板試件制作完成。

雙層一次攤鋪碾壓車轍板試件(尺寸為300 mm×300 mm×100 mm)，上面層和下面層結(jié)構(gòu)層厚度擬采用3 cm+7 cm和4 cm+6 cm組合。制備工藝如下：

①下層攤鋪：根據(jù)下層試件密度、高度和試模截面積確定瀝青混合料質(zhì)量，拌合下面層混合料，裝入尺寸為300 mm×300 mm×100 mm的雙層車轍板試模并充分搗實，進(jìn)行人工預(yù)壓，初平后放入165 ℃烘箱中保溫。

②上層攤鋪：根據(jù)上層試件密度、高度和試模截面積確定瀝青混合料質(zhì)量，拌合上面層混合料，取出烘箱中裝有下面層混合料的雙層車轍板試模，然后裝入拌合好的上面層混合料并充分搗實，然后用輪碾儀在試模表面往返輪碾成型，當(dāng)輪碾上、下面層總厚度達(dá)到10 cm后，停止輪碾，雙層攤鋪車轍板試件制作完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 疲勞試驗結(jié)果

不同攤鋪工藝、路面結(jié)構(gòu)厚度及混合料類型的雙層路面疲勞試驗結(jié)果分別見表7、表8。

表7 傳統(tǒng)分層攤鋪瀝青混合料小梁試件疲勞試驗結(jié)果Table 7 Fatigue test results of trabecular specimens of traditional layered paving asphalt mixture

表8 雙層一次攤鋪瀝青混合料小梁試件疲勞試驗結(jié)果Table 8 Fatigue test results of double-deck one-time paving asphalt mixture trabecular specimens

2.2 疲勞試驗結(jié)果分析

由2.1節(jié)可知，室內(nèi)疲勞試驗數(shù)據(jù)離散性較大，因此采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法進(jìn)一步分析研究瀝青混合料的疲勞壽命規(guī)律。

(1)

(2)

β=αlnu

(3)

式中：α、β為形狀參數(shù)；u為尺度參數(shù)；n為隨機變量N的特征值。

表10 雙層一次攤鋪Weibull分布檢驗結(jié)果Table 10 Testing results of Weibull distribution for double-deck one-time paving

表11 傳統(tǒng)分層攤鋪不同失效概率下的等效疲勞壽命Table 11 Equivalent fatigue life of traditional layered paving under different failure probabilities

表12 雙層一次攤鋪不同失效概率下的等效疲勞壽命Table 12 Equivalent fatigue Life of double-deck one-time paving under different failure probabilities

采用式(4)對表11、表12數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，求得不同失效概率下的疲勞方程回歸系數(shù)和相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表13和表14，其中R2為相關(guān)系數(shù)。

表14 雙層一次攤鋪疲勞方程回歸系數(shù)及相關(guān)系數(shù)Table 14 Regression coefficient and correlation coefficient of fatigue equation for double-deck one-time paving

表13 傳統(tǒng)分層攤鋪疲勞方程回歸系數(shù)及相關(guān)系數(shù)Table 13 Regression coefficient and relevant coefficient of fatigue equation for traditional layered paving

(4)

瀝青混合料疲勞方程式(4)中的回歸系數(shù)a越大，表明應(yīng)力作用下材料疲勞性能越好；回歸系數(shù)b越小，表明材料對應(yīng)力變化越不敏感，材料的疲勞性能越好[13]。

根據(jù)表13、表14繪制不同攤鋪工藝下，路面結(jié)構(gòu)厚度及混合料類型的雙層路面，在5%和50%失效概率下的疲勞特性曲線，如圖1、圖2所示。

結(jié)合表13、表14，由圖1、圖2可知,不同攤鋪工藝、路面結(jié)構(gòu)厚度及混合料類型的雙層路面疲勞性能，在不同失效概率下，lgN隨lgσ均呈線性變化趨勢，相關(guān)性系數(shù)R2均大于0.90，且攤鋪工藝、路面結(jié)構(gòu)厚度及混合料類型對瀝青混合料的疲勞性能影響顯著。對于不同結(jié)構(gòu)厚度組合，與傳統(tǒng)分層攤鋪工藝相比，雙層一次攤鋪工藝b值相差不大，a值明顯大于傳統(tǒng)分層攤鋪工藝，因此雙層一次攤鋪工藝瀝青路面的疲勞性能較優(yōu)；上面層3 cm+下面層7 cm厚度組合中，與AC-16+AC-20組合相比，AC-13+AC-20組合a值較大，b值較小，因此其疲勞壽命較高且對應(yīng)力水平的敏感程度較低；在AC-13+AC-20組合中，3 cm+7 cm組合較4 cm+6 cm組合疲勞方程a值較大，b值較小，因此3 cm+7 cm組合具有較好的疲勞性能。

圖2 雙層一次攤鋪工藝混合料疲勞特性曲線Fig.2 Fatigue characteristic curves of mixture in double-deck one-time paving technology

圖1 傳統(tǒng)攤鋪工藝混合料疲勞特性曲線Fig.1 Fatigue characteristic curves of mixture in traditional paving technology

(1)攤鋪工藝的影響

以傳統(tǒng)分層攤鋪4 cm AC-13+6 cm AC-20路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平為0.45對應(yīng)的荷載為基準(zhǔn)，荷載應(yīng)力σ=0.45×2.77 MPa=1.246 MPa，采用相同應(yīng)力σ對比不同材料的疲勞壽命。在同一應(yīng)力下不同攤鋪工藝路面疲勞壽命分析結(jié)果見表15。

表15 不同攤鋪工藝瀝青混合料疲勞壽命Table 15 Fatigue life of asphalt mixture with different paving technologies

雙層一次攤鋪工藝和傳統(tǒng)分層攤鋪工藝的疲勞壽命及比值NS/NC結(jié)果見表16。

表16 不同攤鋪工藝瀝青混合料疲勞壽命比值Table 16 Fatigue life ratio of asphalt mixture with different paving techniques

由表15及表16可知，在同一應(yīng)力σ=1.246 MPa條件下，與傳統(tǒng)分層攤鋪工藝相比，5%失效概率和50%失效概率雙層一次攤鋪工藝疲勞壽命分別至少可提高54%和35%。這是因為雙層一次攤鋪工藝是“熱+熱”的施工工藝，上面層和下面層間集料的嵌鎖聯(lián)結(jié)，避免上下面層間的不連續(xù)性，消除了層間污染，使路面結(jié)構(gòu)的整體性更好，減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象，有效提高了瀝青路面的疲勞性能。

(2)混合料類型和結(jié)構(gòu)層厚度的影響

在同一應(yīng)力下，與傳統(tǒng)分層攤鋪4 cm AC-13+6 cm AC-20路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命ND相比，不同組合在傳統(tǒng)分層攤鋪工藝和雙層一次攤鋪工藝下疲勞壽命比值NC/ND、NS/ND對比結(jié)果見表17、表18。

表17 傳統(tǒng)分層攤鋪路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命對比Table 17 Comparison of fatigue life of traditional layered paving pavement structure

表18 雙層一次攤鋪路面結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)分層攤鋪典型路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命對比Table 18 Comparison of fatigue life of double-deck one-time paving pavement structure and traditional layered paving pavement structure

由表17和表18可知,與傳統(tǒng)分層攤鋪典型路面結(jié)構(gòu)相比，傳統(tǒng)分層攤鋪3 cm AC-13+7 cm AC-20組合疲勞壽命可提高7%，其他傳統(tǒng)分層攤鋪路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命均有明顯降低。雙層一次攤鋪路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命均有顯著提高，雙層一次攤鋪工藝3 cm AC-13+7 cm AC-20組合疲勞壽命最高，可提高113%。在雙層一次攤鋪工藝下，AC-13+AC-20組合的疲勞壽命高于AC-16+AC-20組合和AC-16+AC-25組合。這是因為AC-13和AC-16較細(xì)級配，其細(xì)集料和瀝青砂漿較多，在荷載作用下，有效阻礙裂縫擴展，延長了裂縫延伸的距離，且較細(xì)級配瀝青混合料內(nèi)部顆粒的分布較為均勻，在同樣荷載作用下，更不易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，有效提高了疲勞壽命。對于AC-20和AC-25而言，細(xì)集料和瀝青砂漿的含量較少，級配較粗，空隙較大，裂縫的擴展較為容易，且由于混合料內(nèi)部粗顆粒較多，顆粒分布不均勻，在同樣荷載作用下，容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，大大降低了瀝青混合料的疲勞壽命。因此AC-13+AC-20組合內(nèi)部集料的分布較為均勻，整體空隙率小，應(yīng)力集中現(xiàn)象較少，整體性更好，裂縫更不容易擴展。在雙層一次攤鋪工藝下，3 cm+7 cm組合的疲勞壽命高于4 cm+6 cm組合。這是因為對于雙層攤鋪路面，上面層的厚度和模量主要影響路面的水穩(wěn)、抗滑及低溫開裂性能，下面層的厚度和模量主要影響路面的抗高溫車轍和抗疲勞開裂性能，因此當(dāng)瀝青混合料類型一致條件下，增加下面層厚度可有效提高雙層路面的疲勞性能。綜上所述，雙層一次攤鋪上面層3 cm AC-13+下面層7 cm AC-20結(jié)構(gòu)組合的疲勞性能較優(yōu)。

3 工程應(yīng)用效果

為驗證雙層一次攤鋪工藝下的路面平整度和壓實度是否滿足規(guī)范要求，依托浙江省金華市婺城區(qū)西二環(huán)公路養(yǎng)護(hù)大中修工程開展施工技術(shù)研究，并鋪筑了雙層一次攤鋪試驗路，評價其應(yīng)用效果。

(1)壓實度

不同攤鋪工藝現(xiàn)場芯樣密度和壓實度檢測結(jié)果見表19。

表19 不同試驗段芯樣密度和壓實度Table 19 Core density and compactness of different test sections

由表19可知,兩種攤鋪工藝試驗路段壓實度均不低于98%，均滿足規(guī)范要求。與傳統(tǒng)分層攤鋪工藝相比，采用雙層一次攤鋪工藝在減少壓實遍數(shù)的條件下仍可達(dá)到規(guī)范要求且略高于傳統(tǒng)分層攤鋪路段壓實度。

(2)平整度

采用激光平整度儀檢測試驗段平整度，兩種攤鋪工藝試驗5段檢測結(jié)果見表20。

表20 不同試驗段平整度Table 20 Flatness of different test sections

由表20可知，采用雙層一次攤鋪工藝施工的試驗段平整度相比于傳統(tǒng)分層攤鋪施工試驗段略差，但滿足規(guī)范要求。平整度傳遞主要指路面下層不平整性向上映射的過程及規(guī)律，在路面結(jié)構(gòu)中，底層平整度優(yōu)劣直接影響上一層平整度好壞。雖然雙層一次攤鋪路面的平整度不經(jīng)中面層傳遞，直接從下面層傳遞至上面層，攤鋪厚度增大，平整度會受到一定影響，但通過控制土基的平整度，雙層一次攤鋪路面的平整度仍能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

(1)雙層一次攤鋪瀝青混合料疲勞壽命服從雙參數(shù)Weibull分布，不同攤鋪工藝下建立的混合料疲勞方程能夠較為準(zhǔn)確地反映瀝青混合料疲勞壽命。

(2)研究了攤鋪工藝、混合料類型及結(jié)構(gòu)層厚度對雙層瀝青路面疲勞性能的影響。與傳統(tǒng)攤鋪工藝瀝青路面相比，同一應(yīng)力下雙層一次攤鋪路面疲勞壽命至少可提高54%，雙層一次攤鋪上面層3 cm AC-13+下面層7 cm AC-20結(jié)構(gòu)組合疲勞壽命最優(yōu)，與傳統(tǒng)分層攤鋪典型路面相比，疲勞壽命可提高113%。

(3)依托實體工程，鋪筑了雙層一次攤鋪試驗路，結(jié)果表明，雙層一次攤鋪工藝下的路面平整度和壓實度滿足規(guī)范要求。

(4)通過對雙層一次攤鋪路面疲勞性能室內(nèi)試驗及實體工程研究，為有效提高雙層瀝青路面的疲勞性能，建議采用雙層一次攤鋪工藝施工，并采用上面層3 cm AC-13+下層面7 cm AC-20路面結(jié)構(gòu)組合。