公路路面結(jié)構(gòu)壽命研究

Frohmut Wellner，梁乃興

(1.德累斯頓工業(yè)大學 城市與公路研究所，薩克森自由州，德國；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

0 引 言

德國現(xiàn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計是按照由經(jīng)驗形成的路面設(shè)計標準進行路面厚度設(shè)計的，而其它建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計則是基于結(jié)構(gòu)分析計算的。路面材料的質(zhì)量僅通過簡單常用的試驗進行粗略評價，如瀝青通過針入度、軟化點試驗結(jié)果，粗骨料通過顆粒粒徑組成，瀝青混合料通過材料組成及瀝青用量、空隙率等來表征。對應于路面材料性能與路面使用要求之間的試驗幾乎沒有。

隨著人們出行頻率的穩(wěn)定增長，工業(yè)化程度的增加(公路交通是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ))，全球經(jīng)濟貿(mào)易的持續(xù)增長使得公路交通在過去的二三十年間迅猛增加，其增長速度出人意料。如德國公路交通貨運量在1980—2010年間增長了5倍，從1 000億噸增加到5 000億噸。公路交通貨運量預計在未來的50年內(nèi)會持續(xù)增長，可能會有2～3倍的增加。

而全球氣候的變化(氣候變暖)對路面使用壽命有負面影響，資源緊缺導致建筑材料價格增加亦使得公路的建設(shè)投資增加。

因此，在未來公路設(shè)計及建設(shè)中，很有必要以路面結(jié)構(gòu)受荷載力學響應分析為基礎(chǔ)，并考慮交通荷載的增加及氣候環(huán)境的變化，進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料組成設(shè)計，使得路面結(jié)構(gòu)具有抵抗各種影響因素的能力。

1 現(xiàn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法分析

1.1 現(xiàn)行設(shè)計方法

圖1為現(xiàn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計標準圖[1]。

圖1 瀝青路面標準結(jié)構(gòu)Fig. 1 Standard chart of asphalt pavement structure

瀝青面層的瀝青混合料通常需滿足材料組成、礦料級配、瀝青層孔隙率、瀝青層壓實度等標準要求[2]。在滿足瀝青混合料材料通常要求的前提下，路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計有2種方法。

1.1.1 按瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計標準(RStO)[1]設(shè)計

按路面交通荷載、路面所處地區(qū)的氣候狀況、土基承載力進行路面厚度設(shè)計。這種設(shè)計方法并不以路面結(jié)構(gòu)在重復荷載作用下的耐疲勞特性為主要依據(jù)。路面結(jié)構(gòu)層總厚度以路面抗冰凍要求確定。路面結(jié)構(gòu)層標準厚度及路面總厚度是根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)而得出的標準。這種根據(jù)標準結(jié)構(gòu)進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法是目前通用的方法。

1.1.2 按路面結(jié)構(gòu)分析設(shè)計[3-5]

這種設(shè)計方法以路面各結(jié)構(gòu)層滿足疲勞及變形要求為基礎(chǔ)，通過分析計算確定結(jié)構(gòu)厚度，在分析計算中假定材料為線彈性，并考慮材料在不同溫度及不同荷載作用頻率下的性能變化。瀝青混合料的性能以隨溫度變化的勁度模量表示，瀝青混合料的疲勞性能由試驗確定，試驗方法按ALSp-瀝青混合料試驗方法[6]進行。為了得到一年內(nèi)的溫度及荷載譜，將路面作用荷載按0～2、2～4、、>22 t進行分級，共11級，并得出各級荷載的分布頻率。瀝青層的溫度分為13個區(qū)間：-15～-10，-10～-5，-5～0，，>45 ℃，并得出各溫度區(qū)間在一年內(nèi)出現(xiàn)的頻率分布。將荷載與溫度組合共得到143種溫度-荷載作用工況。在路面結(jié)構(gòu)分析中所有的溫度-荷載作用工況均需考慮。單個溫度-荷載作用工況對路面結(jié)構(gòu)耐久性的影響程度按MINER法則進行計算。理論計算結(jié)果與路面結(jié)構(gòu)的實際誤差由一個安全修正系數(shù)進行修正。安全修正系數(shù)由現(xiàn)有路面調(diào)查統(tǒng)計得到實際使用年限與計算年限的差別同積修正而得到。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮的問題

1.2.1 溫度與荷載

按現(xiàn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法設(shè)計的路面[2,7]，是否能夠滿足所期望的路面長期性能，即路面的疲勞耐久性及路面的永久變形性能，是需要進一步研究的課題。筆者所提出的按路面結(jié)構(gòu)疲勞及變形進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法并沒有被明確要求使用。

在瀝青混合料中，瀝青為結(jié)合料而礦料為骨料，因此瀝青混合料受力作用時表現(xiàn)出彈黏塑性。由于瀝青結(jié)合料的黏性隨溫度有很大變化，雖然假設(shè)瀝青混合料為線彈性體并隨溫度及荷載頻率而變化，瀝青混合料結(jié)構(gòu)層在相同荷載作用下、不同溫度時也將產(chǎn)生不同的應力狀態(tài)及變形，實際上表現(xiàn)出非線性性質(zhì)。用各種工況下的疲勞試驗結(jié)果按MINER法則進行多工況共同作用下的結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析仍有爭議，但德累斯頓工業(yè)大學公路研究所的研究結(jié)果指出[8]，用這種方法進行路面結(jié)構(gòu)分析應該是一種正確的方法。

為了提高分析精度改進了分析方法。路面荷載不按前述的11級進行分級，而按1、2、、22 t進行分級，并確定各級荷載的分布頻率。考慮到瀝青面層溫度在一年內(nèi)及在每一天內(nèi)都在變化，將溫度分為200個區(qū)間并確定每個區(qū)間的分布頻率。荷載與溫度組合共有22 × 200=4 400個溫度荷載作用工況，但須滿足實際使用過程中計算時間的要求。

圖1的瀝青面層結(jié)構(gòu)一般是分層鋪筑，下一層完成后再鋪上一層，即“下冷上熱”的結(jié)構(gòu)鋪筑方法，因此各施工層之間存在聯(lián)結(jié)界面。即：瀝青上面層與瀝青聯(lián)結(jié)層之間有界面；瀝青聯(lián)結(jié)層與瀝青基層之間有界面；當瀝青基層厚度大于18 cm時，由于壓實工藝要求會分層鋪筑，也會在基層中存在層間界面。

1.2.2 施 工

在瀝青面層施工時，一般在上層攤鋪前需在已鋪筑完成的下一層上面灑布一層瀝青乳液，以增加層間黏結(jié)力。所灑布的瀝青乳液是流體狀態(tài)并且其黏性隨溫度及荷載頻率有明顯變化。夏天高溫時瀝青路面表面的溫度會達到50～60 ℃，瀝青面層下4 cm處即瀝青聯(lián)結(jié)層表面的溫度與瀝青路面表面溫度差別不大，這時，所灑布的瀝青乳液在層間起黏結(jié)作用還是起潤滑作用？可能更接近于潤滑作用。這對瀝青路面結(jié)構(gòu)層的疲勞性能及永久變形性能有怎樣的影響？德累斯頓工業(yè)大學城市與公路研究所對此進行了研究，筆者將介紹具體研究結(jié)果。

1.2.3 瀝青老化

由于氧化作用引起的瀝青老化對瀝青混合料性能的影響也是廣泛關(guān)注的研究熱點。瀝青老化使得瀝青混合料變脆，這對瀝青混合料的永久變形及應力松弛能力有顯著影響，對寒冷地區(qū)瀝青結(jié)構(gòu)層中的荷載應力也會產(chǎn)生顯著影響。

2 路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析

近10年來，國際上包括德國的研究人員都致力于開發(fā)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的新方法，以期能夠更精確地考慮交通荷載及氣候環(huán)境，從而更準確地預估路面性能的變化。筆者的研究成果已經(jīng)證明：材料性能及路面結(jié)構(gòu)對路面結(jié)構(gòu)層應力及使用壽命存在著顯著的影響。

2.1 瀝青對瀝青路面疲勞壽命的影響

1)瀝青。為了分析同標號不同來源瀝青對路面疲勞壽命的影響，選擇3種不同來源瀝青(同標號)的瀝青混合料路面按進行路面疲勞壽命分析。3種瀝青均為50/70號瀝青，但來自不同的供應商，分別記為A、B、C。

2)礦料。3種瀝青混合料使用的礦料相同并且級配組成也相同。

3)在分析過程中，采用相同的交通荷載、結(jié)構(gòu)層厚度、溫度分布及瀝青混合料組成。

對3種瀝青混合料試樣進行模量-溫度關(guān)系試驗及劈裂疲勞試驗，分別得到其勁度模量隨溫度變化關(guān)系及疲勞壽命關(guān)系方程，按路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析方法計算3種瀝青混合料路面的疲勞使用壽命，如圖2，圖中，疲勞壽命指數(shù)按MINER法則計算，100%表示正好達到預期的疲勞壽命，大于100%則小于預期的疲勞壽命。

圖2 按路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命法計算得到的瀝青路面使用壽命Fig. 2 Service life of asphalt pavement calculated by fatigue lifemethod of pavement structure

由圖2可見，在所有條件均相同的情況下，僅瀝青來源不同(盡管瀝青標號相同)，瀝青路面的使用壽命變化范圍為10～30年，使用壽命差別巨大。這一結(jié)果表明，僅按瀝青標號要求選擇瀝青而不對瀝青混合料性能進行試驗驗證是不可能使瀝青路面達到預期使用壽命的，而且，僅按經(jīng)驗法設(shè)計瀝青路面也不可能達到預期的目的。

2.2 瀝青混合料對瀝青路面疲勞壽命的影響

為了分析瀝青混合料材料組成對瀝青路面長期性能即瀝青路面疲勞耐久性的影響，德雷斯頓工業(yè)大學城市與公路研究所對此進行了研究[9]。通過對不同材料組成的瀝青混合料進行模量-溫度關(guān)系試驗及劈裂疲勞試驗，分別得到其勁度模量隨溫度變化關(guān)系及疲勞壽命關(guān)系方程，按路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析方法計算各種瀝青混合料路面的疲勞使用壽命。

在本研究中，筆者共選擇了18種組成不同的AC-22瀝青混合料(滿足規(guī)范要求的重交通基層瀝青混合料組成)，采用了不同的礦料級配組成、不同的瀝青用量、不同的瀝青標號、不同的瀝青來源。

1)礦料級配。為了分析礦料級配組成(粗、細)的影響，在級配組成中0.063、2.0、16.0 mm篩孔通過率均在級配范圍的中值時，瀝青混合料稱為中級配瀝青混合料(記為mKGV)，3個篩孔通過率在級配范圍下限時，瀝青混合料稱為粗級配瀝青混合料(記為gKGV)，3個篩孔通過率在級配范圍上限時，瀝青混合料稱為細級配瀝青混合料(記為fKGV)。

2)瀝青。最低的瀝青用量為3.5%，然后按0.5%或1.0%增加瀝青用量，最大瀝青用量6.5%。試驗中使用2種標號的瀝青，50/70號瀝青及30/45號瀝青。來源分別為A及B。

所有試驗的瀝青混合料參數(shù)見表1。某種瀝青混合料，如mKGV3.5%50/70-A，表示中級配混合料，瀝青用量3.5%，瀝青標號50/70，供應商家A。其它依次類推。

表1 瀝青混合料的參數(shù)Table 1 Parameters of asphalt mixture

各種組成的瀝青混合料勁度模量與溫度關(guān)系試驗結(jié)果見圖3[9]，疲勞壽命試驗結(jié)果及疲勞壽命回歸方程見圖4[9]。

圖3 瀝青混合料勁度模量與溫度關(guān)系試驗結(jié)果Fig. 3 Test results of relationship between strength modulus and temperature of asphalt mixtures

由圖3可見，瀝青混合料勁度模量隨溫度變化明顯，不同瀝青混合料的勁度模量也有明顯差別。如較軟的瀝青混合料在10 ℃時的勁度模量為7 500 MPa，而硬的瀝青混合料在同樣溫度時的勁度模量有軟瀝青混合料的2倍，約為15 000 MPa。

圖4 瀝青混合料疲勞試驗結(jié)果及疲勞曲線Fig. 4 Fatigue test results and fatigue curves of asphalt mixtures

由圖4可見，不同瀝青混合料的疲勞壽命有巨大的差距。疲勞壽命最短的瀝青混合料在初始0.100‰拉應變下，疲勞荷載為2 000次時就發(fā)生疲勞破壞；而疲勞壽命最長的瀝青混合料在同樣試驗條件下的疲勞壽命為12 000次，為前者的6倍。

圖5為在圖1的路面結(jié)構(gòu)下，要滿足路面結(jié)構(gòu)設(shè)計疲勞壽命(為30年)時，根據(jù)瀝青混合料疲勞方程計算得到的不同瀝青混合料組成的基層厚度。圖中同時給出了不同級配組成的瀝青混合料滿足設(shè)計疲勞壽命時基層厚度與瀝青用量的回歸關(guān)系曲線及回歸關(guān)系方程。計算結(jié)果顯示：對于fKGV30/45-A 瀝青混合料，當瀝青用量超過5%時已不需要基層，即基層厚度小于0。

圖5 各種瀝青混合料滿足設(shè)計疲勞壽命時基層厚度與瀝青用量的關(guān)系曲線Fig. 5 Relationship curves between base thickness and bitumendosage when various kinds of asphalt mixtures meet thedesigned fatigue life

由圖5可得出以下2條重要結(jié)論：

1)瀝青用量、混合料級配組成及瀝青黏度發(fā)生很小的變化，都對瀝青結(jié)構(gòu)層的疲勞壽命產(chǎn)生顯著的影響。按照本文方法，根據(jù)所用的瀝青黏度及混合料組成可得到對應于疲勞性能最好的最佳瀝青用量。

2)按疲勞壽命要求得到的基層厚度有顯著差別。該結(jié)果表明：現(xiàn)行經(jīng)驗法的路面厚度設(shè)計中，以瀝青混合料空隙率為主要控制指標來確定瀝青混合料組成及結(jié)構(gòu)層厚度的方法不能滿足路面結(jié)構(gòu)層的疲勞壽命要求。要評價瀝青混合料性能是否滿足結(jié)構(gòu)要求須在更大荷載及更高荷載作用頻率下來分析瀝青混合料的路用性能。

2.3 層間聯(lián)結(jié)強度對瀝青路面疲勞壽命的影響

一般瀝青結(jié)構(gòu)層有上面層、聯(lián)結(jié)層、承重層(基層)等3層結(jié)構(gòu)。層間聯(lián)結(jié)由層之間骨料顆粒的嚙合作用及與基層建立起的黏結(jié)作用所構(gòu)成，傳遞層間的剪切應力及壓應力。

理想情況下，瀝青結(jié)構(gòu)層之間應能夠完全承擔層間的剪切應力，以保證在荷載作用下層間沒有滑移發(fā)生。層間聯(lián)結(jié)強度減小或缺失使得結(jié)構(gòu)中應力發(fā)生變化而顯著減小結(jié)構(gòu)層的疲勞壽命，從而發(fā)生早期破壞。因此在現(xiàn)行路面結(jié)構(gòu)分析中，每一層均作為一個結(jié)構(gòu)單元，并且層間不允許有任何滑移產(chǎn)生。

德累斯頓工業(yè)大學城市與公路研究所的研究人員進行了層間聯(lián)結(jié)方面的試驗研究[10]，旨在通過分析層間剪切模量與溫度、荷載作用頻率及壓應力之間的關(guān)系，而得到層間聯(lián)結(jié)的實際作用。用有限元方法編程計算可得到層間聯(lián)結(jié)程度對瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。

通過對由兩層聯(lián)結(jié)而成的圓柱體瀝青混合料試件進行循環(huán)加載試驗，試驗分析了溫度、剪切應力、剪切荷載頻率及壓應力對剪切勁度模量的影響，同時也分析了聯(lián)結(jié)層表面的污染程度、聯(lián)結(jié)層之間所用瀝青乳液的種類及用量對聯(lián)結(jié)層剪切模量的影響。試驗結(jié)果表明，對聯(lián)結(jié)剪切模量有顯著影響的因素包括：試驗溫度、剪切荷載頻率及壓應力；對剪切模量影響明顯但不顯著的因素包括：聯(lián)結(jié)層層面表面狀況及層間污染狀況。

首先可以確定的是，作為層間黏結(jié)劑所使用的瀝青乳液具有非常小的聯(lián)結(jié)剪切模量，即使在冬天的溫度下也絕不會大于100 MPa/mm，對層間剪切模量的貢獻很小，不到溫度及剪切荷載頻率作用的1/10～1/100；而在夏天高溫下或壓應力很小接近0時，瀝青乳液的聯(lián)結(jié)剪切模量幾乎為0。

根據(jù)試驗結(jié)果導出的層間聯(lián)結(jié)剪切勁度，將聯(lián)結(jié)剪切勁度差的表示為層間聯(lián)結(jié)程度差(bad case)，將聯(lián)結(jié)剪切勁度好的表示為層間聯(lián)結(jié)程度好(good case)。布倫瑞克工業(yè)大學公路研究所進行的剪切疲勞試驗研究表明，層間由摩擦或嚙合構(gòu)成的黏結(jié)作用的聯(lián)結(jié)破壞主要與層面所受正壓力相關(guān)。根據(jù)試驗結(jié)果得到層間聯(lián)結(jié)與剪切勁度的關(guān)系，可按瀝青路面結(jié)構(gòu)計算分析的方法分析層間聯(lián)結(jié)疲勞過程對圖1所示的瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。

為了分析層間聯(lián)結(jié)程度對瀝青路面疲勞壽命的影響，使用有限元程序按筆者在本文中介紹的瀝青路面結(jié)構(gòu)分析計算方法進行路面結(jié)果疲勞壽命分析，層間(上面層與聯(lián)結(jié)層、聯(lián)結(jié)層與基層)聯(lián)結(jié)程度分為5級：

Ⅰ級——完全聯(lián)結(jié)(上、下層之間理想化地完全聯(lián)結(jié)，實際上達不到)(vollstaendiger verbund)；

Ⅱ級——聯(lián)結(jié)良好(試驗確定的聯(lián)結(jié)程度良好)(good case)；

Ⅲ級——聯(lián)結(jié)較差(試驗確定的聯(lián)結(jié)程度較差)(bad case)；

Ⅳ級——層間聯(lián)結(jié)疲勞破壞(在室內(nèi)疲勞試驗中表現(xiàn)出層間剪切勁度與正壓力、溫度有關(guān))(gestoerter verbund)；

Ⅴ級——層間完全光滑，沒有聯(lián)結(jié)(上、下層之間理想化地完全光滑)(kein verbund)。

根據(jù)層間聯(lián)結(jié)程度按路面結(jié)構(gòu)分析方法計算圖1路面結(jié)構(gòu)的路面疲勞壽命與層間聯(lián)系程度關(guān)系，如圖6。疲勞指數(shù)100%表示達到疲勞壽命終點時的結(jié)果。交通荷載如此選擇，使得良好聯(lián)結(jié)條件下的路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命正好達到30年。

圖6 不同層間聯(lián)結(jié)狀況下路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命Fig. 6 Fatigue life of pavement structure under differentinterlayer connections

圖6的計算結(jié)果得出很有意思的結(jié)論：當層間聯(lián)結(jié)狀況是完全聯(lián)結(jié)，在其它條件均相同時，路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命遠遠超過30年；而在其它3種層間聯(lián)結(jié)狀況下，路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命明顯低于30年。

這一新的結(jié)論指出，路面結(jié)構(gòu)層之間的聯(lián)結(jié)程度對整個路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命有非常顯著的影響，而且可按本文方法根據(jù)結(jié)構(gòu)層之間的聯(lián)結(jié)狀況預測路面的疲勞壽命。依據(jù)此結(jié)果可開發(fā)路面結(jié)構(gòu)分析的新技術(shù)。

3 結(jié) 語

由分析可以看出，材料性能對路面使用壽命具有顯著的影響，因此有必要開發(fā)新方法來分析瀝青混合料性能，從而可較準確地預估瀝青路面結(jié)構(gòu)使用性能。此外，在新方法中也要考慮車輛輪胎及車輛荷載與路面表面的作用對路面結(jié)構(gòu)的影響。