基于抗裂面层的路面结构研究

黄雪峰，吴晨悦，吴 刚，王 芳，成 燕

(无锡市政设计研究院有限公司，江苏 无锡 214072)

十三五期间，我国公路行业取得了突破性的进展，但对于已建成的高等级公路，沥青路面出现了严重的早期损坏，达到设计年限的沥青路面并不多见，均表现出耐久性不足的问题[1-2]。特别近年来交通大流量、车辆大型化、重载及渠化交通等逐渐成为十四五期间公路交通的主要特点与趋势。为了提高沥青路面的耐久性，研究者采用的改性沥青、高质量集料、沥青玛蹄脂等多种措施[3-5]。通过调查国内外路面结构成功案例，结合我国当前实际情况，研究者们提出基层材料应采用粒料类或半刚性类材料，沥青面层厚度不低于24 cm[6]。平树江等人通过计算分析提出了沥青路面耐久性结构设计原则，研究了沥青面层和无机结合料稳定类基层厚度变化对路面耐久性的影响，发现增加基层厚度可有效提高其疲劳寿命，增加面层厚度不但可减小环境对基层的影响从而减小材料的温度收缩和干缩，且可降低面层层底和基层层底拉应力[7-8]。李仕华等人基于有限元分析了沥青路面在荷载作用下的动态响应规律，研究了无机结合料稳定类基层厚度、模量与沥青面层厚度、模量变化对路面结构应力的影响规律，推荐了沥青面层和无机结合料稳定类基层的厚度及模量[9]。现有研究重点主要在基层的组合方式、材料的选择和厚度的确定上，对沥青面层结构组合形式研究较少。以上措施对提高道路质量有一定作用，而早期路面损坏的进展往往超出预期。在此背景下，开展沥青路面耐久结构组合理论及路面耐久性研究很有必要。鉴于此，依托春申路(运河东路至兴源路)大修工程开裂面层开展倒置路面结构的研究。

1 抗裂型面层性质

1.1 原材料

抗裂型AC-13采用壳牌高弹性模量改性沥青，技术指标见表1。AC-20与AC-25采用70号道路石油沥青，粗集料均为石灰岩碎石，细集料为石灰岩机制砂，矿粉为石灰岩矿粉，技术指标符合规范要求。

1.2 级配

为了与传统面层形成对比，同时采用AC-13级配中值进行对比，抗裂型AC-13、AC-13中、AC-20与AC-25沥青混合料矿料级配见表2。

各结构层混合料的马歇尔试验结果见表3。

1.3 基本路用性能

抗裂型AC-13与AC-13中级配的路用性能测试结果见表4。

表1 高弹性模量改性沥青技术指标

表2 不同类型沥青混合料矿料级配

表3 不同沥青混合料马歇尔设计结果

表4 路用性能测试

2 基于抗裂面层的倒置路面结构理论验证

根据清华大学与东南大学的研究发现，半刚性基层沥青路面最大剪应力并非出现在表面层或底层，而是出现在路面结构的中面层，因此路面结构中面层应具有足够的抗剪强度。在传统的密级配沥青混合料中，研究者通过大量的试验验证了中、下面层结构中，AC-25沥青混合料的高温性能与抗剪强度高于AC-20沥青混合料[10]，根据我国典型半刚性沥青路面结构拟定基于抗裂面层的倒置路面结构，见表5。

表5 沥青路面结构

表5拟定的路面结构通过BISAR 3.0软件进行验算，拟定路面结构应力取值计算参数见表6。

表6 各路面结构层计算参数

将路面结构视为线弹性层状体系，层间接触为完全连续状态。采用BISAR 3.0软件进行应力计算。各结构层的最大剪应力软件计算结果见表7。

表7 各路面结构面层最大剪应力计算结果

由表7可知，与传统沥青路面结构相比，仅将AC-13沥青混合料换为抗裂型AC-13并不能带来剪应力的减小，与高温性能中单轴贯入试验结果一致，抗裂型AC-13的抗剪强度实际低于AC-13沥青混合料，因此仅仅简单的替换并不带来整体路面结构性能的提升。而将中、下面层进行倒置后，最大剪应力有明显减小。在理论与软件验算验证有效的基础上，有必要开展室内试验进一步验证抗裂倒置路面结构的性能。

3 路面结构性能研究

3.1 车辙试验

随着车辙试验研究的深入，不再局限于规范中10 cm以下的厚度，按文献[11]的试验方法，对大厚度车辙试验进行路面结构性能的评价。

(1)大厚度车辙板制作方法

采用可调厚度的车辙板模具进行试件的成型，各面层厚度符合表5要求，各结构层制作方法按以下步骤进行。

①成型300 mm×300 mm、符合表5要求的下面层车辙板，冷却至常温后按规范要求喷洒涂刷粘层油。

②在喷洒粘层油的下面层车辙板上制作中面层车辙板，厚度符合表5要求的，并冷却至常温后按规范要求喷洒涂刷粘层油。

③在喷洒粘层油的中面层车辙板上制作上面层车辙板，厚度符合表5要求，并冷却至常温，即完成制作。

(2)试验准备

现行试验规程规定试验前需将车辙板置于与车辙试验温度相同的恒温箱中保温一定的时间，通常4～10 cm车辙板厚度保温时间为5～12 h，以确保车辙板内部温度达到车辙试验温度要求。为了保证本试验的可靠性以及制作完成的大厚度车辙板温度分布均匀，在此进行大厚度车辙板保温时间研究，测试步骤如下。

①车辙板制作完成并放至常温后，从上至下钻穿整个车辙板，共计5个测温孔，钻取的孔径为5 cm。

②其中最中心钻取1个孔，其他孔位边距离侧边8 cm，其他共计钻取4个孔。

③钻取的孔芯中部打孔，沾取沥青插入孔内，保证孔芯能顺利取出。

④将车辙板连同钻取的孔芯一同放入轮碾仪中进行保温，自第5个小时起，每隔30 min采用非接触式红外测温仪进行一次测温，测得的温度以每个孔位中部深度以圆、每隔90°的4个温度均值来计。

图1 车辙板测温孔钻取示意图

温度测试结果如表8所示。

表8 不同路面结构不同保温时间的孔芯温度

表8(续)

由表8可知，内部温度变化与路面结构关系较小，与保温时间相关。各路面结构车辙板在保温时间7.5～8 h均达到60 ℃，为了保证试验的可靠性，大厚度车辙板成型后至少保温8 h。

(3)试验结果

车辙试验时，轮载拟采用0.7 MPa，试验温度恒定为60 ℃。不同路面结构车辙试验结果见表9。

表9 不同路面结构车辙试验结果

由表9可知，仅将表面层换成抗裂型AC-13并不能带来抗车辙性能的提高，AC-13沥青混合料的高温性能要强于抗裂型AC-13，仅替换反而降低了6.4%的性能。而将中、下面层倒置后却能带来11.7%性能提升，验证了将下面层AC-25沥青混合料置于中面层能带来路面结构抗永久变形能力提升的理论。

3.2 疲劳试验

(1)疲劳试验试件制作

采用上节大厚度车辙板进行切割得到疲劳试件小梁，考虑到整体路面结构的评价影响，故截面面积采用180 mm×180 mm。

(2)试验方法

仪器为MTS-810伺服仪器，试验温度为15 ℃，加载频率为10 Hz，加载波形为正弦波，应力比取0.45。小梁尺寸为40 mm×40 mm×250 mm。加载方式采用试件跨中施加集中荷载，直至试件破坏。荷载作用频率选取10 Hz，试验温度选取10 ℃。

(3)试验结果

根据对数处理后的试验结果见表10。

表10 不同失效概率下疲劳方程回归系数

根据疲劳方程系数规律，a越大，b越小表示材料的抗疲劳性能越优，通过对比可知，抗裂倒置路面结构的疲劳性能较优。按表10得到的回归方程，采用量化的方法评价抗裂倒置路面结构相对于传统沥青路面结构性能的提升，则计算不同路面结构、3种荷载作用下，当失效概率为50%时的疲劳寿命，结果见表11。

由表11可知，随着作用荷载的增加，两种路面结构均呈现出疲劳寿命的减少，但明显抗裂倒置路面结构的疲劳寿命要高于传统沥青路面结构，疲劳寿命至少可提升34%。

表11 不同荷载作用下不同路面结构的疲劳寿命

4 结 语

(1)拟定了基于抗裂面层的路面结构，通过路面结构理论验证与BISAR 3.0软件进行验算，从理论上验证了可行性。

(2)研究了大厚度车辙板试验准备的保温时间。结果表明：不同路面结构内部温度变化规律一致，均在保温时间为7.5～8 h达到60 ℃，为了保证试验的可靠性，大厚度车辙板成型后应至少保温8 h。

(3)仅将表面层换成抗裂型AC-13并不能带来抗车辙性能的提高，抵抗永久变形能力相比传统路面结构降低了6.4%。而将中、下面层倒置后可带来11.7%性能提升，说明将下面层AC-25沥青混合料置于中面层能带来路面结构抗永久变形能力的提升。

(4)通过疲劳试验建立了疲劳方程，通过与传统沥青路面结构对比，抗裂倒置路面结构的疲劳性能较优。随着作用荷载的增加，两种路面结构均呈现出疲劳寿命的减少，抗裂倒置路面结构的疲劳寿命要高于传统沥青路面结构，疲劳寿命至少可提升34%