基于抗裂面層的路面結構研究

黃雪峰，吳晨悅，吳 剛，王 芳，成 燕

(無錫市政設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214072)

十三五期間，我國公路行業取得了突破性的進展，但對于已建成的高等級公路，瀝青路面出現了嚴重的早期損壞，達到設計年限的瀝青路面并不多見，均表現出耐久性不足的問題[1-2]。特別近年來交通大流量、車輛大型化、重載及渠化交通等逐漸成為十四五期間公路交通的主要特點與趨勢。為了提高瀝青路面的耐久性，研究者采用的改性瀝青、高質量集料、瀝青瑪蹄脂等多種措施[3-5]。通過調查國內外路面結構成功案例，結合我國當前實際情況，研究者們提出基層材料應采用粒料類或半剛性類材料，瀝青面層厚度不低于24 cm[6]。平樹江等人通過計算分析提出了瀝青路面耐久性結構設計原則，研究了瀝青面層和無機結合料穩定類基層厚度變化對路面耐久性的影響，發現增加基層厚度可有效提高其疲勞壽命，增加面層厚度不但可減小環境對基層的影響從而減小材料的溫度收縮和干縮，且可降低面層層底和基層層底拉應力[7-8]。李仕華等人基于有限元分析了瀝青路面在荷載作用下的動態響應規律，研究了無機結合料穩定類基層厚度、模量與瀝青面層厚度、模量變化對路面結構應力的影響規律，推薦了瀝青面層和無機結合料穩定類基層的厚度及模量[9]。現有研究重點主要在基層的組合方式、材料的選擇和厚度的確定上，對瀝青面層結構組合形式研究較少。以上措施對提高道路質量有一定作用，而早期路面損壞的進展往往超出預期。在此背景下，開展瀝青路面耐久結構組合理論及路面耐久性研究很有必要。鑒于此，依托春申路(運河東路至興源路)大修工程開裂面層開展倒置路面結構的研究。

1 抗裂型面層性質

1.1 原材料

抗裂型AC-13采用殼牌高彈性模量改性瀝青，技術指標見表1。AC-20與AC-25采用70號道路石油瀝青，粗集料均為石灰巖碎石，細集料為石灰巖機制砂，礦粉為石灰巖礦粉，技術指標符合規范要求。

1.2 級配

為了與傳統面層形成對比，同時采用AC-13級配中值進行對比，抗裂型AC-13、AC-13中、AC-20與AC-25瀝青混合料礦料級配見表2。

各結構層混合料的馬歇爾試驗結果見表3。

1.3 基本路用性能

抗裂型AC-13與AC-13中級配的路用性能測試結果見表4。

表1 高彈性模量改性瀝青技術指標

表2 不同類型瀝青混合料礦料級配

表3 不同瀝青混合料馬歇爾設計結果

表4 路用性能測試

2 基于抗裂面層的倒置路面結構理論驗證

根據清華大學與東南大學的研究發現，半剛性基層瀝青路面最大剪應力并非出現在表面層或底層，而是出現在路面結構的中面層，因此路面結構中面層應具有足夠的抗剪強度。在傳統的密級配瀝青混合料中，研究者通過大量的試驗驗證了中、下面層結構中，AC-25瀝青混合料的高溫性能與抗剪強度高于AC-20瀝青混合料[10]，根據我國典型半剛性瀝青路面結構擬定基于抗裂面層的倒置路面結構，見表5。

表5 瀝青路面結構

表5擬定的路面結構通過BISAR 3.0軟件進行驗算，擬定路面結構應力取值計算參數見表6。

表6 各路面結構層計算參數

將路面結構視為線彈性層狀體系，層間接觸為完全連續狀態。采用BISAR 3.0軟件進行應力計算。各結構層的最大剪應力軟件計算結果見表7。

表7 各路面結構面層最大剪應力計算結果

由表7可知，與傳統瀝青路面結構相比，僅將AC-13瀝青混合料換為抗裂型AC-13并不能帶來剪應力的減小，與高溫性能中單軸貫入試驗結果一致，抗裂型AC-13的抗剪強度實際低于AC-13瀝青混合料，因此僅僅簡單的替換并不帶來整體路面結構性能的提升。而將中、下面層進行倒置后，最大剪應力有明顯減小。在理論與軟件驗算驗證有效的基礎上，有必要開展室內試驗進一步驗證抗裂倒置路面結構的性能。

3 路面結構性能研究

3.1 車轍試驗

隨著車轍試驗研究的深入，不再局限于規范中10 cm以下的厚度，按文獻[11]的試驗方法，對大厚度車轍試驗進行路面結構性能的評價。

(1)大厚度車轍板制作方法

采用可調厚度的車轍板模具進行試件的成型，各面層厚度符合表5要求，各結構層制作方法按以下步驟進行。

①成型300 mm×300 mm、符合表5要求的下面層車轍板，冷卻至常溫后按規范要求噴灑涂刷粘層油。

②在噴灑粘層油的下面層車轍板上制作中面層車轍板，厚度符合表5要求的，并冷卻至常溫后按規范要求噴灑涂刷粘層油。

③在噴灑粘層油的中面層車轍板上制作上面層車轍板，厚度符合表5要求，并冷卻至常溫，即完成制作。

(2)試驗準備

現行試驗規程規定試驗前需將車轍板置于與車轍試驗溫度相同的恒溫箱中保溫一定的時間，通常4～10 cm車轍板厚度保溫時間為5～12 h，以確保車轍板內部溫度達到車轍試驗溫度要求。為了保證本試驗的可靠性以及制作完成的大厚度車轍板溫度分布均勻，在此進行大厚度車轍板保溫時間研究，測試步驟如下。

①車轍板制作完成并放至常溫后，從上至下鉆穿整個車轍板，共計5個測溫孔，鉆取的孔徑為5 cm。

②其中最中心鉆取1個孔，其他孔位邊距離側邊8 cm，其他共計鉆取4個孔。

③鉆取的孔芯中部打孔，沾取瀝青插入孔內，保證孔芯能順利取出。

④將車轍板連同鉆取的孔芯一同放入輪碾儀中進行保溫，自第5個小時起，每隔30 min采用非接觸式紅外測溫儀進行一次測溫，測得的溫度以每個孔位中部深度以圓、每隔90°的4個溫度均值來計。

圖1 車轍板測溫孔鉆取示意圖

溫度測試結果如表8所示。

表8 不同路面結構不同保溫時間的孔芯溫度

表8(續)

由表8可知，內部溫度變化與路面結構關系較小，與保溫時間相關。各路面結構車轍板在保溫時間7.5～8 h均達到60 ℃，為了保證試驗的可靠性，大厚度車轍板成型后至少保溫8 h。

(3)試驗結果

車轍試驗時，輪載擬采用0.7 MPa，試驗溫度恒定為60 ℃。不同路面結構車轍試驗結果見表9。

表9 不同路面結構車轍試驗結果

由表9可知，僅將表面層換成抗裂型AC-13并不能帶來抗車轍性能的提高，AC-13瀝青混合料的高溫性能要強于抗裂型AC-13，僅替換反而降低了6.4%的性能。而將中、下面層倒置后卻能帶來11.7%性能提升，驗證了將下面層AC-25瀝青混合料置于中面層能帶來路面結構抗永久變形能力提升的理論。

3.2 疲勞試驗

(1)疲勞試驗試件制作

采用上節大厚度車轍板進行切割得到疲勞試件小梁，考慮到整體路面結構的評價影響，故截面面積采用180 mm×180 mm。

(2)試驗方法

儀器為MTS-810伺服儀器，試驗溫度為15 ℃，加載頻率為10 Hz，加載波形為正弦波，應力比取0.45。小梁尺寸為40 mm×40 mm×250 mm。加載方式采用試件跨中施加集中荷載，直至試件破壞。荷載作用頻率選取10 Hz，試驗溫度選取10 ℃。

(3)試驗結果

根據對數處理后的試驗結果見表10。

表10 不同失效概率下疲勞方程回歸系數

根據疲勞方程系數規律，a越大，b越小表示材料的抗疲勞性能越優，通過對比可知，抗裂倒置路面結構的疲勞性能較優。按表10得到的回歸方程，采用量化的方法評價抗裂倒置路面結構相對于傳統瀝青路面結構性能的提升，則計算不同路面結構、3種荷載作用下，當失效概率為50%時的疲勞壽命，結果見表11。

由表11可知，隨著作用荷載的增加，兩種路面結構均呈現出疲勞壽命的減少，但明顯抗裂倒置路面結構的疲勞壽命要高于傳統瀝青路面結構，疲勞壽命至少可提升34%。

表11 不同荷載作用下不同路面結構的疲勞壽命

4 結 語

(1)擬定了基于抗裂面層的路面結構，通過路面結構理論驗證與BISAR 3.0軟件進行驗算，從理論上驗證了可行性。

(2)研究了大厚度車轍板試驗準備的保溫時間。結果表明：不同路面結構內部溫度變化規律一致，均在保溫時間為7.5～8 h達到60 ℃，為了保證試驗的可靠性，大厚度車轍板成型后應至少保溫8 h。

(3)僅將表面層換成抗裂型AC-13并不能帶來抗車轍性能的提高，抵抗永久變形能力相比傳統路面結構降低了6.4%。而將中、下面層倒置后可帶來11.7%性能提升，說明將下面層AC-25瀝青混合料置于中面層能帶來路面結構抗永久變形能力的提升。

(4)通過疲勞試驗建立了疲勞方程，通過與傳統瀝青路面結構對比，抗裂倒置路面結構的疲勞性能較優。隨著作用荷載的增加，兩種路面結構均呈現出疲勞壽命的減少，抗裂倒置路面結構的疲勞壽命要高于傳統瀝青路面結構，疲勞壽命至少可提升34%