基于现场芯样的在役高速公路沥青路面性能试验研究

张栋，高荣根，孙强，张晓萌

1.山东建筑大学 交通工程学院，山东 济南 250000；2.安庆市公路管理局，安徽 安庆 246001；3.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031

0 引言

随着交通量的增加和时间的推移，路面在行车荷载以及自然因素的共同反复作用下，路用性能逐渐降低［1］，如果不及时进行养护处理，将会影响路面的使用寿命和行车安全，因此高速公路的养护管理已经成为公路建设中最为核心的部分。文献［2］规定，养护设计应根据路面技术状况数据及专项检测数据进行病害原因诊断及养护对策的选择。对在役路面进行性能试验研究可以更好掌握路面运行的实际状况，有针对性的处理路面病害，延长路面使用寿命。有关研究人员进行了大量关于沥青路面性能的研究［3-7］，但目前对高速公路现场大规模取芯进行相关性能研究［8］的试验相对较少。本文通过对路面现场芯样进行性能试验分析，寻找可以有效评价路面技术状况的试验方法，以期为其他在役高速公路的路面状况评定和养护设计提供参考。

1 工程概况和试验方案

1.1 工程概况

试验试样取自某地具有代表性的在役高速公路沥青路面（旧路以及铣刨修复路面），该地区夏热冬冷，年平均温度为14～17℃，年降水量为700～1800 mm，降雨主要集中在夏季。所选高速公路为双向四车道，设计车速为120 km/h，荷载等级为汽-超20、挂-120。路面面层混合料为密级配沥青混合料（asphalt concretemixture，AC），面层结构为4 cmAC-13+6 cmAC-20+6 cmAC-20。沥青混合料所用沥青均为加入改性剂苯乙烯丁二烯嵌段共聚物（synthesis-butadiene-styrene block copolymer，SBS）的改性沥青，其中上面层石料为玄武岩，中、下面层石料为石灰岩。

1.2 试验方案

1）单轴贯入试验

单轴贯入试验试件受力状态与路面实际状况相似，且操作简单，数据离散性小，可作为评价沥青路面材料路用性能的一种可靠方法。该方法能够有效评价沥青混合料的抗剪性能［9-11］。同时，相关研究表明［12-13］：单轴贯入试验指标和沥青混合料的高温性能有较好的对应关系，可以用来评价沥青混合料的高温稳定性。本次采用单轴贯入试验评价沥青混合料的高温性能和抗剪强度，试件由现场芯样取芯并切割成为Φ100 mm，长100 mm柱体，60℃保温4～6 h，采用万能试验机（universal testingmachine，UTM）在加载频率为1 mm/min条件下进行试验。

2）汉堡车辙试验

汉堡车辙试验用于测定沥青混合料的水稳定性及抗车辙性能［14-16］。该试验是目前测试沥青混合料水敏感性和抗车辙性能试验条件最苛刻的试验之一，本次汉堡车辙试验按照ASHTO T324［17］和美国得克萨斯州Tex-242-F的试验方法进行，将原始芯样切割成Φ150mm，长62.5mm的试样，试验温度为50℃（浸水），碾压2万次时停止试验。

3）动态模量试验

动态模量反映了沥青路面在车辆荷载作用下的动态响应，能够更加准确地反映沥青路面的实际受力状况，是沥青路面结构和材料设计的主要参数。按照文献［18］要求采用简单性能试验机在20℃、10 Hz条件下进行动态模量试验，应变范围控制在（75～125）×10-6。参考国内外文献［19-23］，将原始芯样切割为上面层Φ38 mm、中面层Φ50 mm的圆柱体，再将圆柱体上下表面切除，保留平整的切割面以便粘贴传感器，最终形成芯样为上面层Φ38 mm、长110 mm，中面层Φ50 mm、长110 mm的芯样。

2 试验结果与分析

试验分别在10余条高速公路旧路的路肩、行车道位置以及铣刨修复的行车道位置取芯，共68个芯样，原始芯样直径为150 mm，包含基层及3个面层（基层所取芯样长度不一，面层芯样长度为160 mm）。分析高速公路旧路面（沥青路面）与铣刨修复后的路面的使用性能。

2.1 路用性能

2.1.1 抗剪与高温稳定性

试验路段共68个芯样，从铣刨修复路段和旧路路段取样，每条路的每个位置至少取2个芯样做单轴贯入试验，试验结果取均值，试验结果分析如图1所示。路段编号如表1所示。

图1 不同路段旧路面及修复路面的单轴贯入强度均值

表1 高速公路路段编号一

由图1和表1可知：

1）旧路面的贯入强度为0.6～1.4 MPa，铣刨修复路面的贯入强度为1.1～1.7 MPa，铣刨修复路面贯入强度整体高于旧路面，表明铣刨修复路面的抗剪性能和高温性能较好，沥青混合料不易发生剪切流动变形。

2）部分旧路面贯入强度很高，表明路面的抗剪性能仍能满足路面使用要求；部分旧路面贯入强度偏低，已不能满足路面使用要求，这是因为在长期的环境和行车荷载作用下，沥青混合料的抗剪性能衰退，路面的高温稳定性能下降，路面面层出现功能性破坏，需要及时进行病害处理，必要时铣刨修复。旧路路面中应急车道和路肩比行车道抗剪性能好，原因是行车道位置交通量较大，路面的抗剪性能下降严重，因而贯入强度低。

3）1 号高速旧路贯入强度最小，9号高速铣刨修复路段路面贯入强度最大，说明经过路面维修后路面的高温性能得到了显著提高。

2.1.2 抗车辙与水稳定性

对11条高速公路路段的上、中面层的试样进行浸水汉堡车辙试验，其中包括旧路与铣刨修复路段。路段编号如表2所示，试验结果如图2、3所示。

表2 高速公路路段编号二

图2 不同路段旧路面及修复路面上面层AC-13变形量对比

图3 不同路段旧路面及修复路面中面层AC-20变形量对比

本次检测的上、中面层沥青混合料均采用SBS改性沥青，SBS改性沥青的路用性能分级为PG76。根据德克萨斯州交通部公路施工及维护规范要求最大变形深度不应超过12.7 mm。

由表2和图2、3可知：

1）旧路上面层均满足规范变形量小于12.7 mm的设计要求，表明上面层路面结构强度仍能满足需求。中面层有3个芯样的变形量超过12.7 mm，即部分路段中面层沥青混合料性能衰退严重，抗车辙性能和抗水损害性能较差，易出现车辙松散等路面病害。可能原因为：中面层的空隙率较大，水更容易进入材料内部，使结构破坏；中面层所用石料为石灰岩，石灰岩强度低于上面层的玄武岩。路面在长时间的车辆荷载及外部环境共同作用下，其抗车辙能力和抗水损坏能力已经大大降低。

2）铣刨修复路段芯样均满足设计要求，表明修复路段的抗车辙性能和水稳定性较好，但有部分修复路段的上面层较其他芯样变形量偏大，应加强观测或提前进行预防性养护［24］。

3）旧路面沥青混合料出现了沥青完全剥落的碎石，养护修复路面试件在试验后没有明显的剥落现象，表明路面养护可以有效提高路面抗车辙和抗水损坏的能力。相比冻融劈裂试验，汉堡车辙试验能更好地表述现场试件的抗水损坏能力。

2.2 动态模量与各路用性能指标的关系

对铣刨修复路段芯样进行钻取切割，共成型54个动态模量试件，包括上、中面层，根据试验要求，对铣刨修复路面的上、中面层动态模量进行试验分析。根据文献［25］中动态模量试验要求，设定试验温度为20℃，面层沥青混合料加载频率为10 Hz，将该条件下路面的动态模量与其他路用性能指标进行相关性分析，给出适合该路面的动态模量取值范围。

2.2.1 相关性分析

动态模量与贯入强度的拟合关系曲线如图4所示，相关系数R2=0.776 8，表明动态模量与贯入强度存在一定的线性相关性，随着贯入强度的增大，动态模量呈增大趋势。

动态模量与汉堡车辙的拟合关系曲线如图5所示，上面层AC-13的R2=0.686 5，中面层 AC-20的 R2=0.600 0，表明动态模量与车辙变形量之间存在一定的相关性，动态模量越大，车辙变形量越小，沥青混合料的水稳定性和抗车辙性能越高。上面层AC-13动态模量与车辙变形的相关性优于中面层AC-20。

综上所述，动态模量与单轴贯入强度和汉堡车辙变形的相关性较好，且动态模量作为路面结构设计的重要参数，能反映路面的实际状况，可以作为评定路面状况的参数。

图4 动态模量与贯入强度的拟合关系

图5 动态模量与汉堡车辙的关系

2.2.2 动态模量

20℃，10 Hz条件下铣刨修复路面上、中面层动态模量试验结果如图6所示。

文献［25］中推荐的动态模量参数取值范围较广，不足以满足具体的路面使用要求，动态模量参数应根据路面实际状况确定。根据图6，推荐取样高速公路铣刨路面上面层AC-13动态模量取值范围为5.5～8.5 GPa，中面层AC-20动态模量取值范围为6.5～11.0 GPa。由于试验数据有限和材料本身性能的影响，应视具体情况取值。

图6 20℃、10 Hz铣刨路面动态模量

3 结论

1）单轴贯入试验、汉堡车辙试验和动态模量试验能较准确表述现场芯样路面材料的性能参数，能客观评价路面的技术状况，从而有针对性的处理路面病害，确定最优的养护方案，节约养护成本并有效延长路面使用寿命。

2）取样地区夏季高温多雨，交通量较大，对沥青路面的抗剪强度、高温抗车辙和抗水损坏能力要求较高。性能试验结果表明旧路的高温性能、抗车辙和抗水损坏能力较铣刨修复路面衰退严重。对于没有出现结构性破坏且仍能满足性能使用要求的旧路面，养护重点应放在恢复路面的表面性能和处理路面轻微病害上，部分不能满足设计使用要求的旧路面，应及时进行路面面层的功能性修复。铣刨修复路面整体性能较好，部分路段抗车辙、抗水损的能力不足，应加强观测，对路面现有病害进行处理，提前进行预防性养护。

3）基于动态模量试验结果，取样铣刨路面上面层AC-13改性沥青混合料动态模量取值范围为5.5～8.5 GPa，中面层AC-20改性沥青混合料动态模量取值范为6.5～11.0 GPa。