公路沥青表层多次罩面抗车辙性能评价

刘晨东

(苏交科集团股份有限公司, 南京 210019)

随着我国沥青路面结构质量不断提升，加铺罩面为主的路表功能性养护维修方案已成为重要的养护方式。在进行罩面养护，沥青路面经历若干年整体性能下降后，选择加铺罩面方案还是传统铣刨回铺方案，成为至关重要的问题，尤其是继续加铺罩面带来的车辙风险。

根据我国高速公路沥青路面的实践经验，我国车辙发生形式主要以流动型车辙为主，车辙发展经历了由压密到流变。苏凯等[1]和毛磊等[2]根据有限元模拟软件，发现沥青路面最大剪应力出现在路表下4～6 cm处，在4～12 cm范围内最大剪应力维持较高数值。谭忆等[3]和粟培龙等[4]等结合病害取芯调查结果，指出沥青混合料中面层车辙达到50%以上，层间接触不良时，中面层更容易发生车辙。沥青路面车辙风险层位不随加铺厚度而变化，始终保持在路表下4～10 cm，即中面层，该层混合料性能在很大程度上影响整个面层结构的车辙变形风险。

本文将以浙江某高速公路为依托，选取多次加铺罩面断面为研究对象，采用动态模量评价沥青混合料综合性能，采用汉堡车辙试验，进一步评价不同加铺罩面形式对沥青混合料高温抗车辙性能的影响。

1 试验方案

1.1 材料来源

原材料来源于路面取芯，取芯结构包括直接加铺双层全细粒式罩面，直接加铺双层非全细粒式罩面，铣刨回铺上、中面层路面。取芯断面沥青路面结构如表1所示。

表1 取芯断面沥青路面结构

由表1可知，所取断面路面结构相似、加铺年限相近、交通量等级相同，且结构内部无明显病害。

1.2 试验方案

选取A、B、C 3种结构类型车辙严重断面(分别编号A-1、B-1、C-1)和车辙不明显的正常断面(分别编号A-2、B-2、C-2)，每组断面选取两个芯样进行试验，试验以平均值作为评价依据，分别进行动态模量试验和汉堡车辙试验。

2 动态模量试验

2.1 试验方法

2.1.1 试件尺寸

Witczak和Board[5]在NCHRP-19项目中发现高径比为1.5时，能够确保利用动态模量对混合料性能可以实现正确评估。考虑现有取芯技术能力，本试验采用路面直接钻取直径100 mm、高度150 mm 以上的芯样，最大限度保留上面层，并切割成高度150 mm的试验尺寸。

2.1.2 加载参数选取

动态模量试验采用标准贯入分析仪进行，根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)[6]要求进行不同温度、频率条件下，对试件施加一个半正弦压力荷载，得出在不同温度和荷载频率条件下沥青混合料的动态模量与相位角。试验过程中按照升温和降频的顺序进行，试件在环境箱中保温足够长的时间以确保试件整体温度的一致性。试验温度分别为5 ℃、20 ℃、35 ℃和50 ℃，频率分别为25 Hz、10 Hz、5 Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.1 Hz。

2.1.3 测试目标层位选择

考虑到路面结构内部剪应力主要分布于路表下4～10 cm区域，对加载结构芯样整体进行动态模量加载，将位移传感器贴于中间位置(即路表下第二层、部分第三层)分别进行动态模量测试。

2.2 试验结果

将动态模量试验数据按照时-温置换原理进行非线性最小二乘法拟合，得到参考温度(25 ℃)下的动态模量主曲线，动态模量主曲线如图1所示。

(a) 车辙严重断面处

由图1可知：

(1) 动态模量主曲线在代表高温性能的区间，即在低频范围(10 Hz以下)内表现出较高的区分度，车辙严重位置混合料高温稳定性得到增强，这主要是由于车辙处沥青混合料在行车荷载作用下被进一步压密，混合料抵抗永久变形能力得到增强，其高温稳定性得到进一步提升。

(2) 车辙严重断面处高温性能不稳定，如编号A-1组双层全细粒式加铺试验出现失稳情况，因此，加铺罩面对于车辙严重处混合料高温性能改善作用不确定。

(3) 路面结构混合料的高温性能很大程度上取决于混合料级配，结合混合料级配状况，推荐中面层结构采用较粗级配以提高整体结构高温稳定性。

3 汉堡车辙试验

3.1 试验方法

3.1.1 方法简介

汉堡车辙试验仪是由德国的Helmut-Wind Incorporated of Hamburg研发，用于评估抗车辙和抗剥落性能。通过在宽47 mm的胶轮上施加0.7 kN的力完成对试件的加载，然后胶轮在板块试件上进行往复运动。试件加载直至钢轮达到20 000次的往复运动次数或者直到产生20 mm的变形为止。汉堡车辙试件在加载过程中呈现初期压密、平缓增长和结构失效3个阶段，应变与荷载作用次数关系如图2所示，混合料进入第二阶段变形后可计算不同混合的蠕变速率。

图2 应变与荷载作用次数关系

3.1.2 试验条件

依据LTPP Bind模型，查阅浙江气候温度参数，确定本次车辙试验温度条件为55 ℃、水浴。

3.1.3 评价指标

参考美国科罗拉多州汉堡车辙评价方法[7]，以第二阶段的变形斜率评价发展速率，以20 000次最大车辙深度评价结构整体抗变形能力。汉堡车辙试验评价指标如表2所示。

表2 汉堡车辙试验评价指标

3.2 试验结果

取全细粒式和非全细粒式多层加铺结构作为研究对象，取芯直径150 mm、厚度100 mm，切割拼接后入模置于55 ℃水浴，开始试验后记录结构变形，直至试验停止，汉堡车辙试验结果如表3所示，汉堡车辙试验加载曲线如图3所示。

表3 汉堡车辙试验结果

图3 汉堡车辙试验加载曲线

由表3和图3可知：

(1) 两组试验20 000次加载最大车辙深度均低于8 mm，低于车辙评价方法中的车辙深度最大值10 mm。车辙深度最大值为全细粒式罩面变形量，为7.967 mm，高于相同断面形态下非全细粒式罩面5.207 mm；全细粒式罩面变形斜率平均为3.14 mm/万次，高于非全细粒式罩面1.275 mm/万次，速率接近2倍。

(2) 全细粒式罩面可压缩空间大于非全细粒式罩面。加载前期的曲线拐点对应的深度代表混合料可压缩空间大小，变形主要为混合料颗粒间相对移动。全细粒式罩面经过约1 800次加载曲线出现拐点，非全细粒式罩面经过约650次加载出现拐点，说明全细粒式罩面压缩空间较非全细粒式罩面更大。

(3) 加载中期，试件变形率差异体现了蠕变阶段的混合料内在摩擦力大小。非全细粒式罩面内摩擦力高于全细粒式罩面。由于非全细粒式罩面粗集料含量较高，嵌挤作用更强，内摩擦力也更大，相应的全细粒式罩面的内摩擦力较小。

4 结论

(1) 采用多次全细粒式加铺罩面相比于传统铣刨回铺养护方式车辙风险更高，采用公称最大粒径大、粗集料含量高的混合料类型有助于降低车辙风险。

(2) 汉堡车辙试验结果与旧路动态模量结果呈现一致性，全细粒式双层罩面低频区动态模量均小于非全细粒式罩面，全细粒式罩面变形量与变形速率也均高于非全细粒式罩面，全细粒式罩面加铺罩面相比于非全细粒式罩面车辙风险更高。

(3) 建议双层连续加铺结构，可采用AC-20作为调平层，加铺SMA-13作为表层结构，可改善公路沥青结构层整体抗车辙性能。