公路瀝青表層多次罩面抗車轍性能評價(jià)

劉晨東

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司, 南京 210019)

隨著我國瀝青路面結(jié)構(gòu)質(zhì)量不斷提升，加鋪罩面為主的路表功能性養(yǎng)護(hù)維修方案已成為重要的養(yǎng)護(hù)方式。在進(jìn)行罩面養(yǎng)護(hù)，瀝青路面經(jīng)歷若干年整體性能下降后，選擇加鋪罩面方案還是傳統(tǒng)銑刨回鋪方案，成為至關(guān)重要的問題，尤其是繼續(xù)加鋪罩面帶來的車轍風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)我國高速公路瀝青路面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我國車轍發(fā)生形式主要以流動型車轍為主，車轍發(fā)展經(jīng)歷了由壓密到流變。蘇凱等[1]和毛磊等[2]根據(jù)有限元模擬軟件，發(fā)現(xiàn)瀝青路面最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在路表下4～6 cm處，在4～12 cm范圍內(nèi)最大剪應(yīng)力維持較高數(shù)值。譚憶等[3]和粟培龍等[4]等結(jié)合病害取芯調(diào)查結(jié)果，指出瀝青混合料中面層車轍達(dá)到50%以上，層間接觸不良時(shí)，中面層更容易發(fā)生車轍。瀝青路面車轍風(fēng)險(xiǎn)層位不隨加鋪厚度而變化，始終保持在路表下4～10 cm，即中面層，該層混合料性能在很大程度上影響整個(gè)面層結(jié)構(gòu)的車轍變形風(fēng)險(xiǎn)。

本文將以浙江某高速公路為依托，選取多次加鋪罩面斷面為研究對象，采用動態(tài)模量評價(jià)瀝青混合料綜合性能，采用漢堡車轍試驗(yàn)，進(jìn)一步評價(jià)不同加鋪罩面形式對瀝青混合料高溫抗車轍性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 材料來源

原材料來源于路面取芯，取芯結(jié)構(gòu)包括直接加鋪雙層全細(xì)粒式罩面，直接加鋪雙層非全細(xì)粒式罩面，銑刨回鋪上、中面層路面。取芯斷面瀝青路面結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 取芯斷面瀝青路面結(jié)構(gòu)

由表1可知，所取斷面路面結(jié)構(gòu)相似、加鋪年限相近、交通量等級相同，且結(jié)構(gòu)內(nèi)部無明顯病害。

1.2 試驗(yàn)方案

選取A、B、C 3種結(jié)構(gòu)類型車轍嚴(yán)重?cái)嗝?分別編號A-1、B-1、C-1)和車轍不明顯的正常斷面(分別編號A-2、B-2、C-2)，每組斷面選取兩個(gè)芯樣進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)以平均值作為評價(jià)依據(jù)，分別進(jìn)行動態(tài)模量試驗(yàn)和漢堡車轍試驗(yàn)。

2 動態(tài)模量試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

2.1.1 試件尺寸

Witczak和Board[5]在NCHRP-19項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)高徑比為1.5時(shí)，能夠確保利用動態(tài)模量對混合料性能可以實(shí)現(xiàn)正確評估?？紤]現(xiàn)有取芯技術(shù)能力，本試驗(yàn)采用路面直接鉆取直徑100 mm、高度150 mm 以上的芯樣，最大限度保留上面層，并切割成高度150 mm的試驗(yàn)尺寸。

2.1.2 加載參數(shù)選取

動態(tài)模量試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入分析儀進(jìn)行，根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)[6]要求進(jìn)行不同溫度、頻率條件下，對試件施加一個(gè)半正弦壓力荷載，得出在不同溫度和荷載頻率條件下瀝青混合料的動態(tài)模量與相位角。試驗(yàn)過程中按照升溫和降頻的順序進(jìn)行，試件在環(huán)境箱中保溫足夠長的時(shí)間以確保試件整體溫度的一致性。試驗(yàn)溫度分別為5 ℃、20 ℃、35 ℃和50 ℃，頻率分別為25 Hz、10 Hz、5 Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.1 Hz。

2.1.3 測試目標(biāo)層位選擇

考慮到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部剪應(yīng)力主要分布于路表下4～10 cm區(qū)域，對加載結(jié)構(gòu)芯樣整體進(jìn)行動態(tài)模量加載，將位移傳感器貼于中間位置(即路表下第二層、部分第三層)分別進(jìn)行動態(tài)模量測試。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

將動態(tài)模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照時(shí)-溫置換原理進(jìn)行非線性最小二乘法擬合，得到參考溫度(25 ℃)下的動態(tài)模量主曲線，動態(tài)模量主曲線如圖1所示。

(a) 車轍嚴(yán)重?cái)嗝嫣?/p>

由圖1可知：

(1) 動態(tài)模量主曲線在代表高溫性能的區(qū)間，即在低頻范圍(10 Hz以下)內(nèi)表現(xiàn)出較高的區(qū)分度，車轍嚴(yán)重位置混合料高溫穩(wěn)定性得到增強(qiáng)，這主要是由于車轍處瀝青混合料在行車荷載作用下被進(jìn)一步壓密，混合料抵抗永久變形能力得到增強(qiáng)，其高溫穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提升。

(2) 車轍嚴(yán)重?cái)嗝嫣幐邷匦阅懿环€(wěn)定，如編號A-1組雙層全細(xì)粒式加鋪試驗(yàn)出現(xiàn)失穩(wěn)情況，因此，加鋪罩面對于車轍嚴(yán)重處混合料高溫性能改善作用不確定。

(3) 路面結(jié)構(gòu)混合料的高溫性能很大程度上取決于混合料級配，結(jié)合混合料級配狀況，推薦中面層結(jié)構(gòu)采用較粗級配以提高整體結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)定性。

3 漢堡車轍試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

3.1.1 方法簡介

漢堡車轍試驗(yàn)儀是由德國的Helmut-Wind Incorporated of Hamburg研發(fā)，用于評估抗車轍和抗剝落性能。通過在寬47 mm的膠輪上施加0.7 kN的力完成對試件的加載，然后膠輪在板塊試件上進(jìn)行往復(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。漢堡車轍試件在加載過程中呈現(xiàn)初期壓密、平緩增長和結(jié)構(gòu)失效3個(gè)階段，應(yīng)變與荷載作用次數(shù)關(guān)系如圖2所示，混合料進(jìn)入第二階段變形后可計(jì)算不同混合的蠕變速率。

圖2 應(yīng)變與荷載作用次數(shù)關(guān)系

3.1.2 試驗(yàn)條件

依據(jù)LTPP Bind模型，查閱浙江氣候溫度參數(shù)，確定本次車轍試驗(yàn)溫度條件為55 ℃、水浴。

3.1.3 評價(jià)指標(biāo)

參考美國科羅拉多州漢堡車轍評價(jià)方法[7]，以第二階段的變形斜率評價(jià)發(fā)展速率，以20 000次最大車轍深度評價(jià)結(jié)構(gòu)整體抗變形能力。漢堡車轍試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)如表2所示。

表2 漢堡車轍試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

取全細(xì)粒式和非全細(xì)粒式多層加鋪結(jié)構(gòu)作為研究對象，取芯直徑150 mm、厚度100 mm，切割拼接后入模置于55 ℃水浴，開始試驗(yàn)后記錄結(jié)構(gòu)變形，直至試驗(yàn)停止，漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，漢堡車轍試驗(yàn)加載曲線如圖3所示。

表3 漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果

圖3 漢堡車轍試驗(yàn)加載曲線

由表3和圖3可知：

(1) 兩組試驗(yàn)20 000次加載最大車轍深度均低于8 mm，低于車轍評價(jià)方法中的車轍深度最大值10 mm。車轍深度最大值為全細(xì)粒式罩面變形量，為7.967 mm，高于相同斷面形態(tài)下非全細(xì)粒式罩面5.207 mm；全細(xì)粒式罩面變形斜率平均為3.14 mm/萬次，高于非全細(xì)粒式罩面1.275 mm/萬次，速率接近2倍。

(2) 全細(xì)粒式罩面可壓縮空間大于非全細(xì)粒式罩面。加載前期的曲線拐點(diǎn)對應(yīng)的深度代表混合料可壓縮空間大小，變形主要為混合料顆粒間相對移動。全細(xì)粒式罩面經(jīng)過約1 800次加載曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，非全細(xì)粒式罩面經(jīng)過約650次加載出現(xiàn)拐點(diǎn)，說明全細(xì)粒式罩面壓縮空間較非全細(xì)粒式罩面更大。

(3) 加載中期，試件變形率差異體現(xiàn)了蠕變階段的混合料內(nèi)在摩擦力大小。非全細(xì)粒式罩面內(nèi)摩擦力高于全細(xì)粒式罩面。由于非全細(xì)粒式罩面粗集料含量較高，嵌擠作用更強(qiáng)，內(nèi)摩擦力也更大，相應(yīng)的全細(xì)粒式罩面的內(nèi)摩擦力較小。

4 結(jié)論

(1) 采用多次全細(xì)粒式加鋪罩面相比于傳統(tǒng)銑刨回鋪養(yǎng)護(hù)方式車轍風(fēng)險(xiǎn)更高，采用公稱最大粒徑大、粗集料含量高的混合料類型有助于降低車轍風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果與舊路動態(tài)模量結(jié)果呈現(xiàn)一致性，全細(xì)粒式雙層罩面低頻區(qū)動態(tài)模量均小于非全細(xì)粒式罩面，全細(xì)粒式罩面變形量與變形速率也均高于非全細(xì)粒式罩面，全細(xì)粒式罩面加鋪罩面相比于非全細(xì)粒式罩面車轍風(fēng)險(xiǎn)更高。

(3) 建議雙層連續(xù)加鋪結(jié)構(gòu)，可采用AC-20作為調(diào)平層，加鋪SMA-13作為表層結(jié)構(gòu)，可改善公路瀝青結(jié)構(gòu)層整體抗車轍性能。