基于現(xiàn)場芯樣的在役高速公路瀝青路面性能試驗研究

張棟，高榮根，孫強，張曉萌

1.山東建筑大學 交通工程學院，山東 濟南 250000；2.安慶市公路管理局，安徽 安慶 246001；3.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031

0 引言

隨著交通量的增加和時間的推移，路面在行車荷載以及自然因素的共同反復作用下，路用性能逐漸降低［1］，如果不及時進行養(yǎng)護處理，將會影響路面的使用壽命和行車安全，因此高速公路的養(yǎng)護管理已經(jīng)成為公路建設中最為核心的部分。文獻［2］規(guī)定，養(yǎng)護設計應根據(jù)路面技術狀況數(shù)據(jù)及專項檢測數(shù)據(jù)進行病害原因診斷及養(yǎng)護對策的選擇。對在役路面進行性能試驗研究可以更好掌握路面運行的實際狀況，有針對性的處理路面病害，延長路面使用壽命。有關研究人員進行了大量關于瀝青路面性能的研究［3-7］，但目前對高速公路現(xiàn)場大規(guī)模取芯進行相關性能研究［8］的試驗相對較少。本文通過對路面現(xiàn)場芯樣進行性能試驗分析，尋找可以有效評價路面技術狀況的試驗方法，以期為其他在役高速公路的路面狀況評定和養(yǎng)護設計提供參考。

1 工程概況和試驗方案

1.1 工程概況

試驗試樣取自某地具有代表性的在役高速公路瀝青路面（舊路以及銑刨修復路面），該地區(qū)夏熱冬冷，年平均溫度為14～17℃，年降水量為700～1800 mm，降雨主要集中在夏季。所選高速公路為雙向四車道，設計車速為120 km/h，荷載等級為汽-超20、掛-120。路面面層混合料為密級配瀝青混合料（asphalt concretemixture，AC），面層結(jié)構(gòu)為4 cmAC-13+6 cmAC-20+6 cmAC-20。瀝青混合料所用瀝青均為加入改性劑苯乙烯丁二烯嵌段共聚物（synthesis-butadiene-styrene block copolymer，SBS）的改性瀝青，其中上面層石料為玄武巖，中、下面層石料為石灰?guī)r。

1.2 試驗方案

1）單軸貫入試驗

單軸貫入試驗試件受力狀態(tài)與路面實際狀況相似，且操作簡單，數(shù)據(jù)離散性小，可作為評價瀝青路面材料路用性能的一種可靠方法。該方法能夠有效評價瀝青混合料的抗剪性能［9-11］。同時，相關研究表明［12-13］：單軸貫入試驗指標和瀝青混合料的高溫性能有較好的對應關系，可以用來評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。本次采用單軸貫入試驗評價瀝青混合料的高溫性能和抗剪強度，試件由現(xiàn)場芯樣取芯并切割成為Φ100 mm，長100 mm柱體，60℃保溫4～6 h，采用萬能試驗機（universal testingmachine，UTM）在加載頻率為1 mm/min條件下進行試驗。

2）漢堡車轍試驗

漢堡車轍試驗用于測定瀝青混合料的水穩(wěn)定性及抗車轍性能［14-16］。該試驗是目前測試瀝青混合料水敏感性和抗車轍性能試驗條件最苛刻的試驗之一，本次漢堡車轍試驗按照ASHTO T324［17］和美國得克薩斯州Tex-242-F的試驗方法進行，將原始芯樣切割成Φ150mm，長62.5mm的試樣，試驗溫度為50℃（浸水），碾壓2萬次時停止試驗。

3）動態(tài)模量試驗

動態(tài)模量反映了瀝青路面在車輛荷載作用下的動態(tài)響應，能夠更加準確地反映瀝青路面的實際受力狀況，是瀝青路面結(jié)構(gòu)和材料設計的主要參數(shù)。按照文獻［18］要求采用簡單性能試驗機在20℃、10 Hz條件下進行動態(tài)模量試驗，應變范圍控制在（75～125）×10-6。參考國內(nèi)外文獻［19-23］，將原始芯樣切割為上面層Φ38 mm、中面層Φ50 mm的圓柱體，再將圓柱體上下表面切除，保留平整的切割面以便粘貼傳感器，最終形成芯樣為上面層Φ38 mm、長110 mm，中面層Φ50 mm、長110 mm的芯樣。

2 試驗結(jié)果與分析

試驗分別在10余條高速公路舊路的路肩、行車道位置以及銑刨修復的行車道位置取芯，共68個芯樣，原始芯樣直徑為150 mm，包含基層及3個面層（基層所取芯樣長度不一，面層芯樣長度為160 mm）。分析高速公路舊路面（瀝青路面）與銑刨修復后的路面的使用性能。

2.1 路用性能

2.1.1 抗剪與高溫穩(wěn)定性

試驗路段共68個芯樣，從銑刨修復路段和舊路路段取樣，每條路的每個位置至少取2個芯樣做單軸貫入試驗，試驗結(jié)果取均值，試驗結(jié)果分析如圖1所示。路段編號如表1所示。

圖1 不同路段舊路面及修復路面的單軸貫入強度均值

表1 高速公路路段編號一

由圖1和表1可知：

1）舊路面的貫入強度為0.6～1.4 MPa，銑刨修復路面的貫入強度為1.1～1.7 MPa，銑刨修復路面貫入強度整體高于舊路面，表明銑刨修復路面的抗剪性能和高溫性能較好，瀝青混合料不易發(fā)生剪切流動變形。

2）部分舊路面貫入強度很高，表明路面的抗剪性能仍能滿足路面使用要求；部分舊路面貫入強度偏低，已不能滿足路面使用要求，這是因為在長期的環(huán)境和行車荷載作用下，瀝青混合料的抗剪性能衰退，路面的高溫穩(wěn)定性能下降，路面面層出現(xiàn)功能性破壞，需要及時進行病害處理，必要時銑刨修復。舊路路面中應急車道和路肩比行車道抗剪性能好，原因是行車道位置交通量較大，路面的抗剪性能下降嚴重，因而貫入強度低。

3）1 號高速舊路貫入強度最小，9號高速銑刨修復路段路面貫入強度最大，說明經(jīng)過路面維修后路面的高溫性能得到了顯著提高。

2.1.2 抗車轍與水穩(wěn)定性

對11條高速公路路段的上、中面層的試樣進行浸水漢堡車轍試驗，其中包括舊路與銑刨修復路段。路段編號如表2所示，試驗結(jié)果如圖2、3所示。

表2 高速公路路段編號二

圖2 不同路段舊路面及修復路面上面層AC-13變形量對比

圖3 不同路段舊路面及修復路面中面層AC-20變形量對比

本次檢測的上、中面層瀝青混合料均采用SBS改性瀝青，SBS改性瀝青的路用性能分級為PG76。根據(jù)德克薩斯州交通部公路施工及維護規(guī)范要求最大變形深度不應超過12.7 mm。

由表2和圖2、3可知：

1）舊路上面層均滿足規(guī)范變形量小于12.7 mm的設計要求，表明上面層路面結(jié)構(gòu)強度仍能滿足需求。中面層有3個芯樣的變形量超過12.7 mm，即部分路段中面層瀝青混合料性能衰退嚴重，抗車轍性能和抗水損害性能較差，易出現(xiàn)車轍松散等路面病害?？赡茉驗椋褐忻鎸拥目障堵瘦^大，水更容易進入材料內(nèi)部，使結(jié)構(gòu)破壞；中面層所用石料為石灰?guī)r，石灰?guī)r強度低于上面層的玄武巖。路面在長時間的車輛荷載及外部環(huán)境共同作用下，其抗車轍能力和抗水損壞能力已經(jīng)大大降低。

2）銑刨修復路段芯樣均滿足設計要求，表明修復路段的抗車轍性能和水穩(wěn)定性較好，但有部分修復路段的上面層較其他芯樣變形量偏大，應加強觀測或提前進行預防性養(yǎng)護［24］。

3）舊路面瀝青混合料出現(xiàn)了瀝青完全剝落的碎石，養(yǎng)護修復路面試件在試驗后沒有明顯的剝落現(xiàn)象，表明路面養(yǎng)護可以有效提高路面抗車轍和抗水損壞的能力。相比凍融劈裂試驗，漢堡車轍試驗能更好地表述現(xiàn)場試件的抗水損壞能力。

2.2 動態(tài)模量與各路用性能指標的關系

對銑刨修復路段芯樣進行鉆取切割，共成型54個動態(tài)模量試件，包括上、中面層，根據(jù)試驗要求，對銑刨修復路面的上、中面層動態(tài)模量進行試驗分析。根據(jù)文獻［25］中動態(tài)模量試驗要求，設定試驗溫度為20℃，面層瀝青混合料加載頻率為10 Hz，將該條件下路面的動態(tài)模量與其他路用性能指標進行相關性分析，給出適合該路面的動態(tài)模量取值范圍。

2.2.1 相關性分析

動態(tài)模量與貫入強度的擬合關系曲線如圖4所示，相關系數(shù)R2=0.776 8，表明動態(tài)模量與貫入強度存在一定的線性相關性，隨著貫入強度的增大，動態(tài)模量呈增大趨勢。

動態(tài)模量與漢堡車轍的擬合關系曲線如圖5所示，上面層AC-13的R2=0.686 5，中面層 AC-20的 R2=0.600 0，表明動態(tài)模量與車轍變形量之間存在一定的相關性，動態(tài)模量越大，車轍變形量越小，瀝青混合料的水穩(wěn)定性和抗車轍性能越高。上面層AC-13動態(tài)模量與車轍變形的相關性優(yōu)于中面層AC-20。

綜上所述，動態(tài)模量與單軸貫入強度和漢堡車轍變形的相關性較好，且動態(tài)模量作為路面結(jié)構(gòu)設計的重要參數(shù)，能反映路面的實際狀況，可以作為評定路面狀況的參數(shù)。

圖4 動態(tài)模量與貫入強度的擬合關系

圖5 動態(tài)模量與漢堡車轍的關系

2.2.2 動態(tài)模量

20℃，10 Hz條件下銑刨修復路面上、中面層動態(tài)模量試驗結(jié)果如圖6所示。

文獻［25］中推薦的動態(tài)模量參數(shù)取值范圍較廣，不足以滿足具體的路面使用要求，動態(tài)模量參數(shù)應根據(jù)路面實際狀況確定。根據(jù)圖6，推薦取樣高速公路銑刨路面上面層AC-13動態(tài)模量取值范圍為5.5～8.5 GPa，中面層AC-20動態(tài)模量取值范圍為6.5～11.0 GPa。由于試驗數(shù)據(jù)有限和材料本身性能的影響，應視具體情況取值。

圖6 20℃、10 Hz銑刨路面動態(tài)模量

3 結(jié)論

1）單軸貫入試驗、漢堡車轍試驗和動態(tài)模量試驗能較準確表述現(xiàn)場芯樣路面材料的性能參數(shù)，能客觀評價路面的技術狀況，從而有針對性的處理路面病害，確定最優(yōu)的養(yǎng)護方案，節(jié)約養(yǎng)護成本并有效延長路面使用壽命。

2）取樣地區(qū)夏季高溫多雨，交通量較大，對瀝青路面的抗剪強度、高溫抗車轍和抗水損壞能力要求較高。性能試驗結(jié)果表明舊路的高溫性能、抗車轍和抗水損壞能力較銑刨修復路面衰退嚴重。對于沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞且仍能滿足性能使用要求的舊路面，養(yǎng)護重點應放在恢復路面的表面性能和處理路面輕微病害上，部分不能滿足設計使用要求的舊路面，應及時進行路面面層的功能性修復。銑刨修復路面整體性能較好，部分路段抗車轍、抗水損的能力不足，應加強觀測，對路面現(xiàn)有病害進行處理，提前進行預防性養(yǎng)護。

3）基于動態(tài)模量試驗結(jié)果，取樣銑刨路面上面層AC-13改性瀝青混合料動態(tài)模量取值范圍為5.5～8.5 GPa，中面層AC-20改性瀝青混合料動態(tài)模量取值范為6.5～11.0 GPa。