組合式基層瀝青路面使用性能分析研究

包文靜

（江西贛粵高速公路股份有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

半剛性基層是我國瀝青路面主要采用的基層結構，半剛性基層強度高、剛度大且穩定性好，能夠提高瀝青面層抵抗行車荷載疲勞破壞能力，因此整體上使用狀況良好[1-3]。隨著使用年限的增長，半剛性基層瀝青路面暴露出容易出現早期損壞病害的問題，主要由于半剛性基層自身的干縮及溫縮特點，其抗裂性能一般，瀝青路面易出現裂縫病害，裂縫病害的不斷發展對路面的使用壽命產生了負面影響[4-6]。縱觀國外瀝青路面結構多采用組合式基層、柔性基層和全厚式基層，采用半剛性基層的很少，如美國、日本[7-8]。實際使用過程中，其路面并沒有出現車轍大、疲勞開裂的問題，路面性能表現十分優異。因此為了提高瀝青路面的使用性能，從路面結構入手，旨在突破傳統路面結構組合在受力狀態、材料物理力學性能方面的局限性，達到延長路面結構壽命的目的。本研究以典型半剛性基層路面高速公路為依托工程，從常規檢測性能、結構內部狀態和結構層材料特性三個維度評價該路段半剛性基層結構和3種組合式基層結構路面使用性能，對我國路面結構的優化提供實驗數據和使用經驗。

1 路面信息

1.1 項目背景

所選典型高速為某高速G15段。某高速公路是沿江開發江北交通主骨架的重要組成部分，于2004年10月建成通車，至今已近20年。依據路網交通量的斷面劃分，統計某高速G15段自2008年以來的歷年日均交通量及年增長率，沿線各樞紐之間交通量差異較小，如圖1所示。

圖1 某G15段歷年日均交通量

1.2 路面結構

某高速G15段從結構形式上劃分為半剛性基層路段及組合式基層路段，主流采用18cm瀝青面層+36cm水泥穩定碎石基層+16cm二灰碎石底基層結構，建設期為了探索組合式基層的使用性能，為長壽命路面積累工程經驗，因此部分路段采用了組合式基層路面結構。路面結構差異導致不同路段的衰減狀況不同，對此進行深入對比分析十分必要。典型高速公路路面結構信息見表1所示。

表1 典型高速公路路面結構信息

2 常規檢測性能分析

2.1 不同結構瀝青路面性能的現狀分析

（1）破損

不同結構組合PCI見圖2所示，不同結構組合裂縫間距見圖3所示。半剛性基層、組合式基層1、組合式基層2、組合式基層3四種路面結構的PCI值分別為96.01、97.21、96.81、97.37，表明組合式基層3 和1 路面的破損狀況較好，其次是組合式基層2，最差的為半剛性基層路面；由裂縫間距指標來看，組合式基層1 路面的裂縫間距最大，超過了100m，其次是組合式基層3和2，最差的為半剛性基層路面，表明組合式基層1路面的抗裂性能較好。

圖2 不同結構組合PCI

圖3 不同結構組合裂縫間距

（2）車轍

不同結構組合車轍見圖4所示。半剛性基層、組合式基層1、組合式基層2、組合式基層3四種路面結構的RDI值分別為94.20、94.30、93.42、93.91，即車轍性能最好的為組合式基層1，其次為半剛性基層和組合式基層3，相對較差的是組合式基層2。

圖4 不同結構組合車轍

2.2 不同結構瀝青路面性能歷年發展規律

（1）瀝青路面破損狀況發展規律分析

不同路面結構形式PCI隨時間變化見圖5所示。由圖5可以看出，從2011年～2018年，四種結構路面的PCI逐漸降低，整體表現為半剛性基層＜組合式基層1＜組合式基層3＜組合式基層2。

圖5 不同路面結構形式PCI隨時間變化

不同路面結構形式每公里裂縫條數隨時間變化見圖6所示。由圖6可以看出，從2010年～2018年，四種結構路面的裂縫條數逐漸增加，在2014年后，增加的幅度較大，其中半剛性基層路面的裂縫條數增長幅度明顯大于組合式基層路面。裂縫狀況整體表現為半剛性基層＜組合式基層1＜組合式基層3＜組合式基層2。

圖6 不同路面結構形式每公里裂縫條數隨時間變化

（2）瀝青路面車轍發展規律分析

不同路面結構形式RDI隨時間變化見圖7所示。由圖7可以看出，從2011年～2018年，四種結構路面的RDI值基本表現為先下降后上升的趨勢，車轍狀況整體表現為組合式基層2＜組合式基層3＜組合式基層1＜半剛性基層。

圖7 不同路面結構形式RDI隨時間變化

（3）瀝青路面平整度發展規律分析

不同路面結構形式RQI隨時間變化見圖8所示。由圖8可以看出，從2011年～2018年，四種結構路面的RQI值基本無明顯變化，即四種結構路面的平整度性能基本相當。

圖8 不同路面結構形式RQI隨時間變化

（4）瀝青路面抗滑性能發展規律分析

不同路面結構形式SRI隨時間變化見圖9所示。由圖9可以看出，從2011年～2018年，四種結構路面的SRI值呈現逐漸減小的趨勢，2011～2016年四種路面的抗滑性能減小的幅度基本一致，2016年后，四種結構路面的抗滑性能降低的速率不一，表現為組合式基層2路面的抗滑性能下降幅度明顯大于半剛性基層，組合式基層3路面抗滑性能下降幅度與半剛性基層一致，組合式基層1路面抗滑性能下降幅度小于半剛性基層路面。

圖9 不同路面結構形式SRI隨時間變化

3 結構內部狀態研究

3.1 探地雷達

探地雷達利用高頻電磁波（主頻為數十兆赫至數百兆赫以至千兆赫）以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過發射天線T送入地下，經地下地層或目的體反射后返回地面，為地面接收天線R所接收，通過對接收波場的成像分析，獲取地下目標的探測圖像[9]。

路面結構完整性采用高動態探地雷達進行檢測，天線頻率為750MHz，檢測速度為80km∕h，數據輸出形式為連續輸出，檢測車道及位置為車道右輪跡。路面結構內部病害識別采用人工識別結合軟件輔助的方法，記錄的結構內部病害主要包括：不密實、層間不良、松散，記錄的層位包括：面層、上基層、下基層及各層層間。

3.2 病害類型

通過路面結構內部病害分類統計見圖10。

圖10 病害類型統計

（1）半剛性基層路面結構內部的層間不良為60.06%，不密實為36.90%，層間松散為2.88%，結構松散為0.16%；組合式基層1路面結構內部的層間不良占比為55.32%，不密實為44.46%，層間松散為0.22%，結構松散為0.00%；組合式基層2路面結構內部的層間不良占比為59.21%，不密實為40.35%，層間松散為0.44%，結構松散為0.00%；組合式基層3路面結構內部的層間不良占比為67.21%，不密實為32.39%，層間松散為0.30%，結構松散為0。

（2）半剛性基層路面結構內部病害較嚴重，出現了結構松散病害，組合式基層均沒有出現結構松散病害；且半剛性基層路面結構內部的層間松散病害也多于三種組合式基層路面。

3.3 病害層位

對不同路面結構內部病害發展層位進行統計分析見圖11。

圖11 不同路面結構內部病害發展層位統計分析

（1）半剛性基層路面結構內部的層間不良病害主要發生在面層與基層之間，占比為22.85%，其次為基層與底基層之間有30.70%，不密實病害主要發生在上基層，占比31.33%，層間松散病害占比2.26%；

（2）組合式基層1路面結構內部的層間不良病害主要發生在基層與底基層之間，占比為35.06%，其次為基層與基層之間有18.06%，不密實病害主要發生在下基層，占比39.38%；

（3）組合式基層2路面結構內部的層間不良病害主要發生在基層與底基層之間，占比為47.09%，其次為基層與基層之間有17.10%，不密實病害主要發生在下基層，占比34.08%；

（4）組合式基層3路面結構內部的層間不良病害主要發生在基層與底基層之間，占比為32.34%，其次為基層與基層之間有31.05%，不密實病害主要發生在下基層，占比35.87%；

綜上所述，半剛性基層路面結構的層間不良出現在面層和基層之間，而組合式基層路面結構的面層和基層間的層間粘結良好，其基層與基層間的層間不良偏多；對于不密實病害，半剛性基層路面主要出現在上基層，而組合式基層出現在下基層；對于松散病害，半剛性基層路面結構的松散病害明顯多于組合式基層，且半剛性基層路面出現了結構松散病害，而組合式基層路面結構中并未出現。

4 材料性能研究

4.1 半圓彎拉試驗

試驗中，試件尺寸為直徑150mm，高度40mm，試驗溫度為25℃，加載速率為0.5mm∕min。試驗場景如圖12所示。用斷裂能指標對其抗疲勞性能進行評價[10]。

圖12 半圓彎拉試驗

對不同基層類型路面芯樣上面層斷裂能進行對比（見圖13所示）可知，半剛性基層和組合式基層瀝青路面裂縫旁和完好處兩個斷面的上面層半圓彎拉試驗結果顯示，組合式基層瀝青路面完好處斷面的上面層斷裂能略低于半剛性基層，降低4%，而其裂縫旁斷面的上面層斷裂能較半剛性基層有所提高，約提高30%；無論是半剛性基層還是組合式基層，其上面層斷裂能均表現為完好處＞裂縫旁，其中半剛性基層瀝青路面完好處上面層的斷裂能較裂縫旁提高36%，較組合式提高0.7%，表明組合式基層瀝青路面裂縫的產生對其相鄰斷面的疲勞性能影響不大，其疲勞性能較好。

圖13 不同基層類型路面芯樣上面層斷裂能對比

對不同基層類型路面芯樣上面層斷裂能進行對比（見圖14所示）可知，半剛性基層瀝青路面芯樣上面層的斷裂能為1779.918J·m-2，組合式基層瀝青路面芯樣上面層的斷裂能為1972.214J·m-2，組合式基層較半剛性基層瀝青路面上面層的斷裂能提高11%，表明其抗疲勞性能明顯優于半剛性基層。

圖14 不同基層類型路面芯樣上面層斷裂能對比

4.2 同軸直剪試驗

由前文可知，各斷面車轍大小情況為組合式基層斷面一＜半剛性基層斷面一＜組合式基層斷面二。車轍處各芯樣中面層剪切強度對比見圖15。由圖15可知，三個斷面中車轍處的中面層剪切強度均大于路肩處，顯示不同結構車轍均處在壓密穩定階段，且分別提高了55%、94%、8%，表明半剛性基層瀝青路面中面層的剪切強度受高溫影響較大，其抵抗車轍的能力較差；三個斷面車轍處的中面剪切強度大小表現為組合式基層斷面一＞半剛性基層斷面一＞組合式基層斷面二，其中半剛性基層斷面一車轍處的中面層剪切強度為0.68MPa，而組合式基層斷面二車轍處的中面層剪切強度為0.65MPa，兩者差異很小，表明組合式基層瀝青路面發生很大車轍后其中面層的剪切強度下降慢，抵抗車轍能力更強[11]。

圖15 車轍處各芯樣中面層剪切強度對比

4.3 劈裂試驗

不同位置處路面芯樣基層劈裂強度對比見圖16，由圖16可知，對于半剛性基層瀝青路面，其基層劈裂強度大小表現為裂縫旁＞完好處，其面層劈裂強度大小表現為裂縫旁＜完好處，對于組合式基層瀝青路面，其基層劈裂強度大小表現為裂縫旁＜完好處，其面層劈裂強度大小表現為裂縫旁＞完好處。

圖16 不同位置處路面芯樣基層劈裂強度對比

不同基層類型路面芯樣劈裂強度對比見圖17，由圖17可知，半剛性基層和組合式基層的基層劈裂強度分別為1.5669MPa和1.7425MPa，組合式基層較半剛性基層提高了11%；半剛性基層和組合式基層的上面層劈裂強度分別為1.1854MPa和1.2667MPa，組合式基層較半剛性基層提高了7%。表明組合式基層的修建，使其瀝青路面承受長期荷載作用后，其基層和面層的低溫抗裂性能都較同時期修建半剛性基層優異。

圖17 不同基層類型路面芯樣劈裂強度對比

5 結束語

（1）從不同結構路面長期性能發展規律來看，四種結構路面的PCI逐漸降低，整體表現為半剛性基層＜組合式基層1＜組合式基層3＜組合式基層2；其RDI值基本表現為先下降后上升的趨勢，車轍狀況整體表現為組合式基層2＜組合式基層3＜組合式基層1＜半剛性基層。

（2）RQI值基本無明顯變化，即四種結構路面的平整度性能基本相當；SRI值呈現逐漸減小的趨勢，2011～2016年四種路面的抗滑性能減小的幅度基本一致，2016年后，四種結構路面的抗滑性能降低的速率不一。

（3）無論是半剛性基層還是組合式基層，其結構內部病害主要為層間不良和不密實，占比分別為60.45%、38.53%；半剛性基層路面結構內部的層間松散病害占比2.88%，多于三種組合式基層路面的0.32%，半剛性基層路面結構內部甚至出現了0.16%的結構松散病害，組合式基層均沒有，表明半剛性基層路面結構的內部完整性較差。

（4）半剛性基層路面和組合式基層路面的基層與底基層間的層間不良均較多，占比分別為30.70%、38.16%，半剛性基層路面結構的層間不良出現在面層與基層間，占比為22.85%，而組合式基層路面結構的面層與基層間的層間粘結良好，病害出現比例僅為0.80%，其基層與基層間層間不良偏多，占比為22.25%。

（5）對于不密實病害，半剛性基層路面主要出現在上基層，占比為31.11%，而組合式基層出現在下基層，占比為36.44%；對于松散病害，半剛性基層路面結構的松散病害明顯多于組合式基層，且半剛性基層路面出現了結構松散病害，而組合式基層路面結構中并未出現。

（6）車轍發生后的中面層剪切強度普遍提高了，車轍越大提高的程度越小；而且車轍較大處的組合式基層瀝青路面與比其車轍小的半剛性基層瀝青路面的中面層剪切強度基本一致，表明組合式基層瀝青路面的中面層抗車轍能力更強。

（7）組合式基層路面上面層和基層的劈裂強度較半剛性基層分別提高7%和11%，其上面層的斷裂能較半剛性基層瀝青路面提高11%，表明其低溫抗裂性能和抗疲勞性能明顯優于半剛性基層。