基于浸水漢堡車轍試驗(yàn)的瀝青路面水損壞性能評(píng)價(jià)

胡曉宇, 單建飛， 姜正暉

(1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司， 浙江 杭州 310012； 2.浙江青田縣交通發(fā)展投資有限公司， 浙江 麗水 323900)

瀝青路面水損壞發(fā)展速度快，嚴(yán)重影響行車運(yùn)營(yíng)安全，是高速公路瀝青路面的一種主要早期病害類型[1]。一般認(rèn)為，基于車-水耦合作用下的持續(xù)動(dòng)水壓力沖刷導(dǎo)致瀝青膜與集料間的剝落是形成瀝青路面水損壞的主要原因。瀝青路面水損壞的已有研究主要集中在以實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配制的瀝青混合料為載體的機(jī)理研究方面，包括以室內(nèi)動(dòng)水壓力模擬試驗(yàn)為基礎(chǔ)的水損壞特性研究[2-3]、通過(guò)改性劑改善瀝青與集料間的界面黏結(jié)以提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性等[4-6]。作為一種非均勻材料，瀝青混合料集料顆粒組成的變異性，以及混合料拌和、攤鋪、壓實(shí)等諸多環(huán)節(jié)均會(huì)導(dǎo)致混合料的不均勻性。瀝青路面的早期水損壞往往與這些因素引起的不均勻性有關(guān)，但目前的研究不能充分反映這些不均勻性的影響?；诮R歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)的瀝青混合料水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法無(wú)法充分體現(xiàn)瀝青路面水損壞的發(fā)展過(guò)程，也與運(yùn)營(yíng)后瀝青路面水損壞的演化行為關(guān)聯(lián)度不高。在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)部分路段，即使瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)水穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果符合要求，但運(yùn)營(yíng)后路面仍然出現(xiàn)較多的早期水損壞病害。此外，浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)只能表征瀝青混合料自身抗水損壞的相對(duì)強(qiáng)弱程度，難以進(jìn)行不同瀝青混合料之間水穩(wěn)定性的定量比較。對(duì)于南方多雨地區(qū)，水穩(wěn)定性是瀝青路面設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，而現(xiàn)有試驗(yàn)方法尚不能為瀝青路面類型比選設(shè)計(jì)提供足夠的技術(shù)支撐。

漢堡車轍試驗(yàn)(HWTT)可以利用現(xiàn)場(chǎng)芯樣進(jìn)行試驗(yàn)，能夠涵蓋施工過(guò)程在內(nèi)的不均勻性影響因素，故與瀝青路面的現(xiàn)場(chǎng)性能關(guān)聯(lián)度更好，在運(yùn)營(yíng)瀝青路面的性能評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)方面得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。但目前漢堡車轍試驗(yàn)主要通過(guò)非浸水試驗(yàn)研究瀝青混合料的高溫性能和車轍預(yù)估[7-8]，少見(jiàn)用于水穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)和瀝青路面早期水損壞預(yù)測(cè)方面的研究。為此，本文以某在役高速公路瀝青路面發(fā)生大面積早期水損壞為背景，以典型病害路段所取芯樣為對(duì)象，通過(guò)浸水漢堡車轍試驗(yàn)研究運(yùn)營(yíng)環(huán)境下在役瀝青路面早期水損壞的發(fā)展規(guī)律，探索基于漢堡車轍試驗(yàn)的瀝青路面早期水損壞評(píng)價(jià)方法，為高速公路瀝青路面的早期水損壞防治、構(gòu)建瀝青混合料水穩(wěn)定性的多元評(píng)價(jià)方法提供參考。

1 工程背景

某運(yùn)營(yíng)雙向六車道高速公路，位于浙江省北部。該地區(qū)雨熱同季，降水充沛，梅雨季節(jié)月均降雨量在150mm以上。該路于2019年9月完成改擴(kuò)建路面施工，原瀝青路面上面層、中面層整體銑刨后，回鋪4cm改性瀝青SMA-13上面層+6 cm改性瀝青Sup-20下面層。經(jīng)過(guò)2020年6月梅雨季節(jié)降水高峰后，已完工瀝青路面集中爆發(fā)了大面積的連片坑洞等早期水損壞病害。病害發(fā)生后，對(duì)典型路段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣，在此基礎(chǔ)上通過(guò)系列試驗(yàn)，分別對(duì)原材料、生產(chǎn)、鋪筑等工序中影響路面水穩(wěn)定性的主要控制因素進(jìn)行了定向溯源分析。

2 試驗(yàn)方案

2.1 現(xiàn)場(chǎng)取芯方案

在現(xiàn)場(chǎng)病害調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，選取病害集中、具有代表性的3處典型路段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取芯，如表1所示。每個(gè)路段分5個(gè)斷面取芯，為準(zhǔn)確反映路面施工后初始?jí)簩?shí)度、空隙率等指標(biāo)水平，排除運(yùn)營(yíng)期間行車荷載壓密作用的外部因素影響，每個(gè)斷面取芯位置均位于靠近病害處的同斷面硬路肩位置，將該處的壓實(shí)度、空隙率等指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果視為該路段施工后的初始指標(biāo)。每個(gè)斷面取5個(gè)芯樣，共75組芯樣。芯樣直徑為150 mm，每組芯樣包含SMA-13上面層和Sup-20下面層。

表1 典型水損壞路段Table 1 Typical water-damaged sections路段名稱路段編號(hào)病害規(guī)模/mK2199段A370K2203段B250K2266段C600

2.2 水損壞定向溯源分析

由于在原材料、配合比設(shè)計(jì)、施工鋪筑等環(huán)節(jié)中均存在影響瀝青混合料水穩(wěn)定性的潛在因素，為準(zhǔn)確確定本次早期水損壞原因，對(duì)上述各工序的主要控制因素分別進(jìn)行水損壞定向溯源分析，主要通過(guò)芯樣毛體積相對(duì)密度和理論最大相對(duì)密度試驗(yàn)，計(jì)算分析壓實(shí)度和空隙率指標(biāo)；通過(guò)抽提和篩分試驗(yàn)確定瀝青含量和礦料級(jí)配組成；對(duì)回收瀝青和集料的黏附性進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)等。根據(jù)定向溯源結(jié)果，以壓實(shí)度和空隙率作為表征各路段同層位水損壞病害程度的代表參數(shù)，用于與后續(xù)水穩(wěn)定性試驗(yàn)中各項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度與適用性分析。

2.3 水穩(wěn)定性分析試驗(yàn)

在定向溯源分析研究的基礎(chǔ)上，對(duì)典型路段同位置上、下面層芯樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)條件下的浸水漢堡車轍試驗(yàn)，并同步進(jìn)行了浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 混合料集料級(jí)配和油石比

典型路段SMA-13上面層和Sup-20下面層芯樣的集料級(jí)配曲線如圖1、圖2所示?？傮w上看，混合料級(jí)配曲線走向與生產(chǎn)配合比級(jí)配曲線一致，各控制篩孔通過(guò)百分率基本符合規(guī)范質(zhì)量要求。對(duì)于SMA-13上面層混合料，各篩孔通過(guò)率偏高于生產(chǎn)配合比的通過(guò)率，部分路段2.36～9.5mm篩孔通過(guò)率超出設(shè)計(jì)范圍，級(jí)配總體偏細(xì)。對(duì)于Sup-20下面層混合料，各篩孔通過(guò)率總體處于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。對(duì)于SMA-13上面層，生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)油石比為6%，抽提試驗(yàn)結(jié)果為A路段油石比5.8%、B路段5.8%、C路段5.9%。對(duì)于Sup-20下面層，生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)油石比為4.4%，試驗(yàn)結(jié)果為A路段油石比4.3%、B路段4.2%、C路段4.2%。上、下面層油石比均處于規(guī)范允許偏差范圍內(nèi)，但均偏低于生產(chǎn)配合比。

圖1 上面層SMA-13集料級(jí)配曲線

圖2 下面層Sup-20集料級(jí)配曲線

3.2 回收瀝青和集料性質(zhì)

3處典型路段采用相同來(lái)源的瀝青和集料，上面層集料為玄武巖，下面層集料為石灰?guī)r，瀝青均為SBS改性瀝青。對(duì)典型路段上、下面層的回收瀝青與集料進(jìn)行基本指標(biāo)檢測(cè)，結(jié)果均符合規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求。重新選擇在建高速公路項(xiàng)目使用的新玄武巖集料、新石灰?guī)r集料和新SBS改性瀝青，分別進(jìn)行新瀝青與回收集料、回收瀝青與新集料、回收瀝青與回收集料的黏附性試驗(yàn)，全部結(jié)果均達(dá)到5級(jí)。

3.3 壓實(shí)度和空隙率

3處典型路段共75組芯樣的壓實(shí)度K和空隙率VV試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4，相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表2所示。對(duì)于A路段和C路段，上面層和下面層壓實(shí)度代表值達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但單點(diǎn)不合格率較高，上、下面層分別達(dá)到了16%和24%，說(shuō)明壓實(shí)度控制變異性較大。對(duì)于B路段，上、下面層壓實(shí)度代表值均不符合設(shè)計(jì)要求，單點(diǎn)不合格率很高。壓實(shí)度不足必然導(dǎo)致空隙率偏大，壓實(shí)愈不均勻，則空隙率偏大的位置愈多。A路段上、下面層空隙率位于敏感區(qū)間的比例分別為16%和36%，C路段相應(yīng)比例分別為16%和52%，B路段則分別達(dá)到了72%和88%。

圖3 上面層SMA-13壓實(shí)度和空隙率

圖4 下面層Sup-20壓實(shí)度和空隙率

一般認(rèn)為，6%～14%的空隙率范圍是易發(fā)生水損害的敏感范圍[9]，在此范圍內(nèi)，水分易進(jìn)難出，長(zhǎng)時(shí)間積滯于瀝青層中，為動(dòng)水壓力的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。定向溯源分析試驗(yàn)結(jié)果表明，研究路段壓實(shí)度不足、變異性大是路面產(chǎn)生大面積早期水損壞的主要原因。

表2 典型路段壓實(shí)度和空隙率統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 2 Statistical analysis of degree of compactionan dvoidcontent for typical sections路段層位壓實(shí)度K /%空隙率VV/%代表值變異系數(shù)不合格率代表值變異系數(shù)敏感區(qū)間比率A上面層94.70.8164.814.916下面層94.82.9243.366.136B上面層92.91.2686.316.972下面層91.41.7727.519.788C上面層95.01.4164.129.016下面層93.41.2245.817.552

3.4 浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比

典型路段SMA-13上面層和Sup-20下面層芯樣浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。對(duì)于SMA-13上面層，除B路段芯樣浸水殘留穩(wěn)定度MS0不滿足85%要求外，其余路段芯樣的浸水殘留穩(wěn)定度MS0和凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比TSR均符合要求。對(duì)于Sup-20下面層，3個(gè)路段芯樣的浸水殘留穩(wěn)定度MS0均不滿足大于85%的要求，但A、B路段芯樣的凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比TSR滿足大于80%的要求。以MS0作為控制指標(biāo)，3個(gè)路段下面層芯樣水穩(wěn)定性均不滿足要求。以TSR作為控制指標(biāo)，A、B路段下面層芯樣水穩(wěn)定性滿足要求。

圖5 SMA-13浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖6 Sup-20浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

總體看來(lái)，SMA-13上面層芯樣的浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果總體符合性較好，但對(duì)于Sup-20下面層，2種試驗(yàn)方法出現(xiàn)了相反的結(jié)果，特別是水損壞病害最嚴(yán)重、壓實(shí)度控制最差的B路段，上、下面層芯樣凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比TSR卻滿足要求。由此可見(jiàn)，對(duì)于實(shí)際路面所取芯樣，常規(guī)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果明顯不同。考慮實(shí)際路面的施工變異性與室內(nèi)制備混合料試件的差異，常規(guī)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果難以充分反映實(shí)際路面的水損壞特性。

3.5 浸水漢堡車轍試驗(yàn)蠕變速率和拐點(diǎn)

浸水漢堡車轍試驗(yàn)得到的車轍深度-荷載作用次數(shù)曲線可分為壓密、蠕變和剝落3個(gè)階段。對(duì)蠕變和剝落階段分別進(jìn)行線性擬合，由此得到2條擬合直線的交點(diǎn)，即曲線拐點(diǎn)(SIP)通常用作評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的指標(biāo)，如圖7所示。

圖7 漢堡車轍試驗(yàn)SIP計(jì)算示意圖

3處典型路段上面層和下面層浸水漢堡車轍試驗(yàn)變形曲線如圖8～圖10所示，相應(yīng)的蠕變速率和剝落拐點(diǎn)SIP作用次數(shù)結(jié)果匯總于表3。

圖8 A路段漢堡車轍試驗(yàn)變形曲線

圖9 B路段漢堡車轍試驗(yàn)變形曲線

圖10 C路段漢堡車轍試驗(yàn)變形曲線

表3 漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Hamburg rutting test results路段層位蠕變速率(每次)/mmSIP作用次數(shù)/次A上面層1.61×10-4—下面層5.55×10-411 894B上面層4.19×10-416 792下面層7.81×10-411 488C上面層1.21×10-4—下面層6.69×10-411 639

在標(biāo)準(zhǔn)條件下，3處路段下面層芯樣SIP值相差不大，均在未達(dá)到20000次加載時(shí)提前發(fā)生了水損害破壞，變形曲線呈現(xiàn)出典型的三階段剝落破壞特征，經(jīng)歷了初始?jí)好芎腿渥冏冃坞A段后，剝落拐點(diǎn)出現(xiàn)在11600次左右，進(jìn)入剝落破壞階段后迅速發(fā)生破壞。A、C路段上面層試樣在20000次加載時(shí)仍處于蠕變變形階段，未發(fā)生水損害破壞。B路段上面層試樣的水穩(wěn)定性相對(duì)較差，在16792次加載時(shí)發(fā)生剝落破壞，但仍遠(yuǎn)大于同位置Sup-20下面層的11488次。SMA-13上面層芯樣水穩(wěn)定性均優(yōu)于Sup-20下面層，表明可以通過(guò)浸水漢堡車轍試驗(yàn)進(jìn)行不同瀝青混合料之間水穩(wěn)定性的定量比較。

分析各路段上、下面層芯樣SIP值與空隙率指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度發(fā)現(xiàn)，B路段的空隙率和敏感區(qū)間比率要遠(yuǎn)高于其他路段，其SIP值也最低，兩者呈明顯的相關(guān)性，表明浸水漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際瀝青路面的水損壞特性關(guān)聯(lián)度較好。浸水漢堡車轍試驗(yàn)的試驗(yàn)過(guò)程綜合了荷載-水-溫的耦合作用，與路面的實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況較為一致，故其荷載變形曲線能夠反映路面水損壞的發(fā)展演化規(guī)律，這應(yīng)是瀝青路面水損壞性能評(píng)價(jià)中，浸水漢堡車轍試驗(yàn)優(yōu)于常規(guī)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)的主要原因。

基于上述分析，浸水漢堡車轍試驗(yàn)作為瀝青路面早期水損壞評(píng)價(jià)方法是可行的，也可以作為一種后評(píng)價(jià)方法，用于瀝青路面早期水損壞的預(yù)測(cè)與評(píng)估。在瀝青路面大規(guī)模施工前，可通過(guò)對(duì)試驗(yàn)路段取芯進(jìn)行浸水漢堡車轍試驗(yàn)，以20000次加載周期內(nèi)荷載變形曲線是否出現(xiàn)剝落拐點(diǎn)作為早期水損壞發(fā)生的預(yù)測(cè)指標(biāo)，對(duì)瀝青混合料生產(chǎn)配合比和施工工藝進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，降低瀝青路面早期水損壞的發(fā)生概率。對(duì)于我國(guó)南方多雨地區(qū)，可以通過(guò)試樣浸水漢堡車轍試驗(yàn)的蠕變速率和SIP值，進(jìn)行不同瀝青混合料抗水損壞能力的比選，指導(dǎo)瀝青路面的比選設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

a.由于實(shí)際路面的施工變異性與室內(nèi)制備混合料試件的差異，常規(guī)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果難以充分反映實(shí)際路面的水損壞特性。

b.浸水漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果與瀝青路面的實(shí)際水損壞特性關(guān)聯(lián)度良好，能夠表征瀝青路面水損壞的發(fā)展演化行為，可作為一種后評(píng)價(jià)方法，對(duì)瀝青路面早期水損壞進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)估，也可用于不同類型瀝青路面抗水損壞能力的分析比選。