公路瀝青表層多次罩面抗車轍性能評價

劉晨東

(蘇交科集團股份有限公司, 南京 210019)

隨著我國瀝青路面結構質量不斷提升，加鋪罩面為主的路表功能性養護維修方案已成為重要的養護方式。在進行罩面養護，瀝青路面經歷若干年整體性能下降后，選擇加鋪罩面方案還是傳統銑刨回鋪方案，成為至關重要的問題，尤其是繼續加鋪罩面帶來的車轍風險。

根據我國高速公路瀝青路面的實踐經驗，我國車轍發生形式主要以流動型車轍為主，車轍發展經歷了由壓密到流變。蘇凱等[1]和毛磊等[2]根據有限元模擬軟件，發現瀝青路面最大剪應力出現在路表下4～6 cm處，在4～12 cm范圍內最大剪應力維持較高數值。譚憶等[3]和粟培龍等[4]等結合病害取芯調查結果，指出瀝青混合料中面層車轍達到50%以上，層間接觸不良時，中面層更容易發生車轍。瀝青路面車轍風險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面層結構的車轍變形風險。

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，采用動態模量評價瀝青混合料綜合性能，采用漢堡車轍試驗，進一步評價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 試驗方案

1.1 材料來源

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

表1 取芯斷面瀝青路面結構

由表1可知，所取斷面路面結構相似、加鋪年限相近、交通量等級相同，且結構內部無明顯病害。

1.2 試驗方案

選取A、B、C 3種結構類型車轍嚴重斷面(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)，每組斷面選取兩個芯樣進行試驗，試驗以平均值作為評價依據，分別進行動態模量試驗和漢堡車轍試驗。

2 動態模量試驗

2.1 試驗方法

2.1.1 試件尺寸

Witczak和Board[5]在NCHRP-19項目中發現高徑比為1.5時，能夠確保利用動態模量對混合料性能可以實現正確評估。考慮現有取芯技術能力，本試驗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的試驗尺寸。

2.1.2 加載參數選取

動態模量試驗采用標準貫入分析儀進行，根據《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)[6]要求進行不同溫度、頻率條件下，對試件施加一個半正弦壓力荷載，得出在不同溫度和荷載頻率條件下瀝青混合料的動態模量與相位角。試驗過程中按照升溫和降頻的順序進行，試件在環境箱中保溫足夠長的時間以確保試件整體溫度的一致性。試驗溫度分別為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 測試目標層位選擇

考慮到路面結構內部剪應力主要分布于路表下4～10 cm區域，對加載結構芯樣整體進行動態模量加載，將位移傳感器貼于中間位置(即路表下第二層、部分第三層)分別進行動態模量測試。

2.2 試驗結果

將動態模量試驗數據按照時-溫置換原理進行非線性最小二乘法擬合，得到參考溫度(25 ℃)下的動態模量主曲線，動態模量主曲線如圖1所示。

(a) 車轍嚴重斷面處

由圖1可知：

(1) 動態模量主曲線在代表高溫性能的區間，即在低頻范圍(10 Hz以下)內表現出較高的區分度，車轍嚴重位置混合料高溫穩定性得到增強，這主要是由于車轍處瀝青混合料在行車荷載作用下被進一步壓密，混合料抵抗永久變形能力得到增強，其高溫穩定性得到進一步提升。

(2) 車轍嚴重斷面處高溫性能不穩定，如編號A-1組雙層全細粒式加鋪試驗出現失穩情況，因此，加鋪罩面對于車轍嚴重處混合料高溫性能改善作用不確定。

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

3 漢堡車轍試驗

3.1 試驗方法

3.1.1 方法簡介

漢堡車轍試驗儀是由德國的Helmut-Wind Incorporated of Hamburg研發，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行往復運動。試件加載直至鋼輪達到20 000次的往復運動次數或者直到產生20 mm的變形為止。漢堡車轍試件在加載過程中呈現初期壓密、平緩增長和結構失效3個階段，應變與荷載作用次數關系如圖2所示，混合料進入第二階段變形后可計算不同混合的蠕變速率。

圖2 應變與荷載作用次數關系

3.1.2 試驗條件

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

3.1.3 評價指標

參考美國科羅拉多州漢堡車轍評價方法[7]，以第二階段的變形斜率評價發展速率，以20 000次最大車轍深度評價結構整體抗變形能力。漢堡車轍試驗評價指標如表2所示。

表2 漢堡車轍試驗評價指標

3.2 試驗結果

取全細粒式和非全細粒式多層加鋪結構作為研究對象，取芯直徑150 mm、厚度100 mm，切割拼接后入模置于55 ℃水浴，開始試驗后記錄結構變形，直至試驗停止，漢堡車轍試驗結果如表3所示，漢堡車轍試驗加載曲線如圖3所示。

表3 漢堡車轍試驗結果

圖3 漢堡車轍試驗加載曲線

由表3和圖3可知：

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

(2) 全細粒式罩面可壓縮空間大于非全細粒式罩面。加載前期的曲線拐點對應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。全細粒式罩面經過約1 800次加載曲線出現拐點，非全細粒式罩面經過約650次加載出現拐點，說明全細粒式罩面壓縮空間較非全細粒式罩面更大。

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

4 結論

(1) 采用多次全細粒式加鋪罩面相比于傳統銑刨回鋪養護方式車轍風險更高，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險。

(2) 漢堡車轍試驗結果與舊路動態模量結果呈現一致性，全細粒式雙層罩面低頻區動態模量均小于非全細粒式罩面，全細粒式罩面變形量與變形速率也均高于非全細粒式罩面，全細粒式罩面加鋪罩面相比于非全細粒式罩面車轍風險更高。

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