基于浸水汉堡车辙试验的沥青路面水损坏性能评价

胡晓宇, 单建飞， 姜正晖

(1.浙江数智交院科技股份有限公司， 浙江 杭州 310012； 2.浙江青田县交通发展投资有限公司， 浙江 丽水 323900)

沥青路面水损坏发展速度快，严重影响行车运营安全，是高速公路沥青路面的一种主要早期病害类型[1]。一般认为，基于车-水耦合作用下的持续动水压力冲刷导致沥青膜与集料间的剥落是形成沥青路面水损坏的主要原因。沥青路面水损坏的已有研究主要集中在以实验室内配制的沥青混合料为载体的机理研究方面，包括以室内动水压力模拟试验为基础的水损坏特性研究[2-3]、通过改性剂改善沥青与集料间的界面黏结以提高沥青混合料的水稳定性等[4-6]。作为一种非均匀材料，沥青混合料集料颗粒组成的变异性，以及混合料拌和、摊铺、压实等诸多环节均会导致混合料的不均匀性。沥青路面的早期水损坏往往与这些因素引起的不均匀性有关，但目前的研究不能充分反映这些不均匀性的影响。基于浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验的沥青混合料水稳定性评价方法无法充分体现沥青路面水损坏的发展过程，也与运营后沥青路面水损坏的演化行为关联度不高。在实际工程中发现部分路段，即使沥青混合料配合比设计时水稳定试验结果符合要求，但运营后路面仍然出现较多的早期水损坏病害。此外，浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验只能表征沥青混合料自身抗水损坏的相对强弱程度，难以进行不同沥青混合料之间水稳定性的定量比较。对于南方多雨地区，水稳定性是沥青路面设计的一项关键技术指标，而现有试验方法尚不能为沥青路面类型比选设计提供足够的技术支撑。

汉堡车辙试验(HWTT)可以利用现场芯样进行试验，能够涵盖施工过程在内的不均匀性影响因素，故与沥青路面的现场性能关联度更好，在运营沥青路面的性能评价与预测方面得到了越来越多的应用。但目前汉堡车辙试验主要通过非浸水试验研究沥青混合料的高温性能和车辙预估[7-8]，少见用于水稳定性能评价和沥青路面早期水损坏预测方面的研究。为此，本文以某在役高速公路沥青路面发生大面积早期水损坏为背景，以典型病害路段所取芯样为对象，通过浸水汉堡车辙试验研究运营环境下在役沥青路面早期水损坏的发展规律，探索基于汉堡车辙试验的沥青路面早期水损坏评价方法，为高速公路沥青路面的早期水损坏防治、构建沥青混合料水稳定性的多元评价方法提供参考。

1 工程背景

某运营双向六车道高速公路，位于浙江省北部。该地区雨热同季，降水充沛，梅雨季节月均降雨量在150mm以上。该路于2019年9月完成改扩建路面施工，原沥青路面上面层、中面层整体铣刨后，回铺4cm改性沥青SMA-13上面层+6 cm改性沥青Sup-20下面层。经过2020年6月梅雨季节降水高峰后，已完工沥青路面集中爆发了大面积的连片坑洞等早期水损坏病害。病害发生后，对典型路段进行了现场取样，在此基础上通过系列试验，分别对原材料、生产、铺筑等工序中影响路面水稳定性的主要控制因素进行了定向溯源分析。

2 试验方案

2.1 现场取芯方案

在现场病害调查和统计分析的基础上，选取病害集中、具有代表性的3处典型路段进行现场取芯，如表1所示。每个路段分5个断面取芯，为准确反映路面施工后初始压实度、空隙率等指标水平，排除运营期间行车荷载压密作用的外部因素影响，每个断面取芯位置均位于靠近病害处的同断面硬路肩位置，将该处的压实度、空隙率等指标试验结果视为该路段施工后的初始指标。每个断面取5个芯样，共75组芯样。芯样直径为150 mm，每组芯样包含SMA-13上面层和Sup-20下面层。

表1 典型水损坏路段Table 1 Typical water-damaged sections路段名称路段编号病害规模/mK2199段A370K2203段B250K2266段C600

2.2 水损坏定向溯源分析

由于在原材料、配合比设计、施工铺筑等环节中均存在影响沥青混合料水稳定性的潜在因素，为准确确定本次早期水损坏原因，对上述各工序的主要控制因素分别进行水损坏定向溯源分析，主要通过芯样毛体积相对密度和理论最大相对密度试验，计算分析压实度和空隙率指标；通过抽提和筛分试验确定沥青含量和矿料级配组成；对回收沥青和集料的黏附性进行试验检测等。根据定向溯源结果，以压实度和空隙率作为表征各路段同层位水损坏病害程度的代表参数，用于与后续水稳定性试验中各项指标的关联度与适用性分析。

2.3 水稳定性分析试验

在定向溯源分析研究的基础上，对典型路段同位置上、下面层芯样进行标准条件下的浸水汉堡车辙试验，并同步进行了浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。

3 结果与讨论

3.1 混合料集料级配和油石比

典型路段SMA-13上面层和Sup-20下面层芯样的集料级配曲线如图1、图2所示。总体上看，混合料级配曲线走向与生产配合比级配曲线一致，各控制筛孔通过百分率基本符合规范质量要求。对于SMA-13上面层混合料，各筛孔通过率偏高于生产配合比的通过率，部分路段2.36～9.5mm筛孔通过率超出设计范围，级配总体偏细。对于Sup-20下面层混合料，各筛孔通过率总体处于设计范围内。对于SMA-13上面层，生产配合比设计油石比为6%，抽提试验结果为A路段油石比5.8%、B路段5.8%、C路段5.9%。对于Sup-20下面层，生产配合比设计油石比为4.4%，试验结果为A路段油石比4.3%、B路段4.2%、C路段4.2%。上、下面层油石比均处于规范允许偏差范围内，但均偏低于生产配合比。

图1 上面层SMA-13集料级配曲线

图2 下面层Sup-20集料级配曲线

3.2 回收沥青和集料性质

3处典型路段采用相同来源的沥青和集料，上面层集料为玄武岩，下面层集料为石灰岩，沥青均为SBS改性沥青。对典型路段上、下面层的回收沥青与集料进行基本指标检测，结果均符合规范规定的技术要求。重新选择在建高速公路项目使用的新玄武岩集料、新石灰岩集料和新SBS改性沥青，分别进行新沥青与回收集料、回收沥青与新集料、回收沥青与回收集料的黏附性试验，全部结果均达到5级。

3.3 压实度和空隙率

3处典型路段共75组芯样的压实度K和空隙率VV试验结果见图3和图4，相应的统计分析结果如表2所示。对于A路段和C路段，上面层和下面层压实度代表值达到设计要求，但单点不合格率较高，上、下面层分别达到了16%和24%，说明压实度控制变异性较大。对于B路段，上、下面层压实度代表值均不符合设计要求，单点不合格率很高。压实度不足必然导致空隙率偏大，压实愈不均匀，则空隙率偏大的位置愈多。A路段上、下面层空隙率位于敏感区间的比例分别为16%和36%，C路段相应比例分别为16%和52%，B路段则分别达到了72%和88%。

图3 上面层SMA-13压实度和空隙率

图4 下面层Sup-20压实度和空隙率

一般认为，6%～14%的空隙率范围是易发生水损害的敏感范围[9]，在此范围内，水分易进难出，长时间积滞于沥青层中，为动水压力的产生创造了条件。定向溯源分析试验结果表明，研究路段压实度不足、变异性大是路面产生大面积早期水损坏的主要原因。

表2 典型路段压实度和空隙率统计分析结果Table 2 Statistical analysis of degree of compactionan dvoidcontent for typical sections路段层位压实度K /%空隙率VV/%代表值变异系数不合格率代表值变异系数敏感区间比率A上面层94.70.8164.814.916下面层94.82.9243.366.136B上面层92.91.2686.316.972下面层91.41.7727.519.788C上面层95.01.4164.129.016下面层93.41.2245.817.552

3.4 浸水马歇尔试验残留稳定度和冻融劈裂试验残留强度比

典型路段SMA-13上面层和Sup-20下面层芯样浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果如图5和图6所示。对于SMA-13上面层，除B路段芯样浸水残留稳定度MS0不满足85%要求外，其余路段芯样的浸水残留稳定度MS0和冻融劈裂试验强度比TSR均符合要求。对于Sup-20下面层，3个路段芯样的浸水残留稳定度MS0均不满足大于85%的要求，但A、B路段芯样的冻融劈裂试验强度比TSR满足大于80%的要求。以MS0作为控制指标，3个路段下面层芯样水稳定性均不满足要求。以TSR作为控制指标，A、B路段下面层芯样水稳定性满足要求。

图5 SMA-13浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果

图6 Sup-20浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果

总体看来，SMA-13上面层芯样的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果总体符合性较好，但对于Sup-20下面层，2种试验方法出现了相反的结果，特别是水损坏病害最严重、压实度控制最差的B路段，上、下面层芯样冻融劈裂试验强度比TSR却满足要求。由此可见，对于实际路面所取芯样，常规浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果明显不同。考虑实际路面的施工变异性与室内制备混合料试件的差异，常规浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果难以充分反映实际路面的水损坏特性。

3.5 浸水汉堡车辙试验蠕变速率和拐点

浸水汉堡车辙试验得到的车辙深度-荷载作用次数曲线可分为压密、蠕变和剥落3个阶段。对蠕变和剥落阶段分别进行线性拟合，由此得到2条拟合直线的交点，即曲线拐点(SIP)通常用作评价沥青混合料水稳定性的指标，如图7所示。

图7 汉堡车辙试验SIP计算示意图

3处典型路段上面层和下面层浸水汉堡车辙试验变形曲线如图8～图10所示，相应的蠕变速率和剥落拐点SIP作用次数结果汇总于表3。

图8 A路段汉堡车辙试验变形曲线

图9 B路段汉堡车辙试验变形曲线

图10 C路段汉堡车辙试验变形曲线

表3 汉堡车辙试验结果Table 3 Hamburg rutting test results路段层位蠕变速率(每次)/mmSIP作用次数/次A上面层1.61×10-4—下面层5.55×10-411 894B上面层4.19×10-416 792下面层7.81×10-411 488C上面层1.21×10-4—下面层6.69×10-411 639

在标准条件下，3处路段下面层芯样SIP值相差不大，均在未达到20000次加载时提前发生了水损害破坏，变形曲线呈现出典型的三阶段剥落破坏特征，经历了初始压密和蠕变变形阶段后，剥落拐点出现在11600次左右，进入剥落破坏阶段后迅速发生破坏。A、C路段上面层试样在20000次加载时仍处于蠕变变形阶段，未发生水损害破坏。B路段上面层试样的水稳定性相对较差，在16792次加载时发生剥落破坏，但仍远大于同位置Sup-20下面层的11488次。SMA-13上面层芯样水稳定性均优于Sup-20下面层，表明可以通过浸水汉堡车辙试验进行不同沥青混合料之间水稳定性的定量比较。

分析各路段上、下面层芯样SIP值与空隙率指标的关联度发现，B路段的空隙率和敏感区间比率要远高于其他路段，其SIP值也最低，两者呈明显的相关性，表明浸水汉堡车辙试验结果与实际沥青路面的水损坏特性关联度较好。浸水汉堡车辙试验的试验过程综合了荷载-水-温的耦合作用，与路面的实际运营状况较为一致，故其荷载变形曲线能够反映路面水损坏的发展演化规律，这应是沥青路面水损坏性能评价中，浸水汉堡车辙试验优于常规浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验的主要原因。

基于上述分析，浸水汉堡车辙试验作为沥青路面早期水损坏评价方法是可行的，也可以作为一种后评价方法，用于沥青路面早期水损坏的预测与评估。在沥青路面大规模施工前，可通过对试验路段取芯进行浸水汉堡车辙试验，以20000次加载周期内荷载变形曲线是否出现剥落拐点作为早期水损坏发生的预测指标，对沥青混合料生产配合比和施工工艺进行优化调整，降低沥青路面早期水损坏的发生概率。对于我国南方多雨地区，可以通过试样浸水汉堡车辙试验的蠕变速率和SIP值，进行不同沥青混合料抗水损坏能力的比选，指导沥青路面的比选设计。

4 结论

a.由于实际路面的施工变异性与室内制备混合料试件的差异，常规浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果难以充分反映实际路面的水损坏特性。

b.浸水汉堡车辙试验结果与沥青路面的实际水损坏特性关联度良好，能够表征沥青路面水损坏的发展演化行为，可作为一种后评价方法，对沥青路面早期水损坏进行预测与评估，也可用于不同类型沥青路面抗水损坏能力的分析比选。