多层排水沥青路面交通荷载适用性研究

王晓威,胡馨予,陈 博

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；3.咸阳市规划设计研究院，陕西 咸阳 712000)

0 引言

多孔沥青混合料(PAC)的空隙率为18%～22%，用于道路可消除水漂、水雾和路表径流，同时具有提高行车安全和降低行车噪音的作用[1-3]。近年来，国家提出“海绵城市”的建设理念，以实现城市雨水的“渗、滞、蓄、净、用、排”，道路铺装面积占城市总铺装面积的比例可达29%～45%[4]，因此，建设海绵型道路是实现“海绵城市”的重要途径，将PAC用于海绵型道路，能够实现雨水的渗透和控制。沥青路面面层一般由2～3层组成，若上、中面层或整个面层均采用PAC，则称之为多层排水沥青路面。仅上面层采用PAC的单层排水沥青路面在我国应用最为广泛，具有较好的功能和路用性能[5-6]。然而，由于单层排水沥青路面中PAC的厚度较小，无法满足较大降雨强度下海绵型道路的要求。因此，建设多层排水沥青路面具有广阔的应用前景。

1987年，荷兰首次提出了双层排水沥青路面，上层采用2.0～2.5 cm的小粒径PAC，下层采用4～5 cm的大粒径PAC，并提出了Hot-on-Hot的施工方法，可大幅提高路面的降噪和抗堵塞的能力[7]。解金龙等[8]对比了PAC-10、PAC-13单层排水沥青路面和PAC-10+PAC-13双层排水沥青路面的渗透性能和降噪性能，双层排水沥青路面均表现出更优异的性能。为了解决城市特长隧道内行车噪音高的问题，沈剑等[9]设计了PAC-13+PAC-20的双层排水沥青路面。荷兰夏季温度低，超载少，且交通量小，在排水路面设计中不考虑高温承载力的要求。然而，我国夏季高温和超载现象均远远比欧美国家严重，由于PAC空隙率大、集料间接触面积小，其强度和高温稳定性弱于传统密级配沥青混合料[10]，因此，在多层排水沥青路面结构设计中，除了考虑路面结构的功能性，路面结构的高温承载力对结构稳定性和耐久性具有非常重要的影响。

对于多层排水沥青路面结构高温承载力评价，现行规范《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)以沥青混合料层永久变形量为高温承载力的控制指标，可计算得到不同交通等级下的结构层厚度。唐国奇[11]对3.5 cm PAC-10+6.5 cm PAC-16的双层排水沥青路面进行结构验算，满足规范的设计要求。此外，通过评价PAC的高温性能可用于表征路面结构的高温承载力[12]，然而，多层排水沥青路面由多层PAC组成，单层PAC的高温性能并不能与路面结构的高温承载力建立直接的联系，多层排水沥青路面的高温承载力及交通荷载下的适用性尚不清楚。本文设计了单层排水沥青路面、双层排水沥青路面及三层排水沥青路面，采用理论计算对多层排水沥青路面进行结构验算，并采用局部三轴多级加载试验，评价多层排水沥青路面的高温承载力，得到多层排水沥青路面在不同交通荷载等级下的适用性。

1 多层排水沥青路面结构设计

1.1 路面结构类型

我国典型高等级沥青路面结构一般是4 cm上面层+6 cm中面层+8 cm下面层+36 cm水泥稳定碎石(CTB)基层+20 cm低剂量水泥稳定碎石(或二灰土)底基层，面层采用传统密级配沥青混合料，如图1(a)所示。采用PAC替代不同结构层的密级配沥青混合料，从而形成单层、双层和三层排水沥青路面，分别如图1(b)～图1(d)所示。图1中，AC-13、SUP-20、SUP-25分别为最大公称粒径为13.2、19、26.5 mm的密级配沥青混合料，空隙率分别为3.0%、2.9%、3.0%，最佳油石比分别为4.9%、4.1%、3.8%。PAC-13、PAC-20、LAPM-25分别为最大公称粒径为13.2、19、26.5 mm的PAC，空隙率分别为20.4%、19.3%和18.2%，最佳油石比分别为4.8%、4.5%和4.0%，几种沥青混合料的级配如图2所示。

图1 路面结构

图2 沥青混合料的级配组成

1.2 交通等级

根据标准轴载(BZZ-100 kN)的当量轴载累计作用次数，将交通等级划分为极重交通、特重交通、重交通、中等交通、轻交通，本文选定的标准轴载作用次数如表1所示。

表1 标准轴载作用次数

1.3 设计参数

路面结构的材料设计参数包括动态压缩模量、泊松比、无机结合料类弯拉强度、车辙试验永久变形量，以及路基回弹模量等。根据规范规定的标准试验方法，获得路面结构的材料设计参数如表2、表3所示。

表2 路面结构的材料设计参数

表3 路基回弹模量

1.4 设计标准

以沥青混合料疲劳开裂、无机结合料稳定层疲劳开裂、沥青混合料层永久变形、路基顶面竖向压应变以及季节性冻土地区的路面低温开裂为设计验算指标，对图中的4种路面结构进行验算，以水泥稳定碎石基层为设计层，计算满足各验算设计指标的最小基层厚度，如表4所示。从表4中可以看出，4种路面结构均满足不同交通等级下的最小基层厚度要求，说明4种路面结构均可用于不同交通等级的道路。密级配沥青路面和单层排水沥青路面能够满足极重或特重交通下的要求，这已得到验证[5]。然而，双层排水沥青路面和三层排水沥青路面应用较少，缺乏相应的结构评价和验证。因此，本文进一步采用室内试验对4种路面结构的高温承载力进行评价。

表4 不同交通等级下的最小计算基层厚度

2 局部三轴多级加载试验

沥青混合料高温性能评价方法中，试件的围压、温度分布和加载形式决定着试验结果是否和实际状态保持一致，并最终影响评价结果的可靠性。然而，目前的试验方法采用恒定的围压、均匀的温度分布、单一荷载水平和单层的试件，显然与路面实际的状况不相符[13]。GU等[14]提出了局部三轴试验，采用直径为80.6 mm的压头作用于直径为150 mm的试件，并采用隔温涂料和岩棉管包裹试件的侧面和底面，可模拟路面结构实际状态下的温度场和围压。然而，局部三轴试验采用的是单一应力水平，路面实际荷载是多应力组合的轴载作用。为了更进一步模拟路面的实际状态，JIANG等[15]在局部三轴试验的基础上，提出了局部三轴多级加载试验，施加荷载与现场车辆荷载大小和组成比例保持一致，实现了实际路面温度场、应力场和围压的模拟。本文采用局部三轴多级加载试验，评价单层、双层和三层排水沥青路面的高温性能。

2.1 试件的制备

本文采用的试件是与实际路面结构面层相同的全厚式面层试件，并与图1中的4种路面的面层完全相同，包括单层、双层和三层排水沥青面层结构，密级配沥青面层结构作为对比试件，其组成如表5所示。采用旋转压实仪分别成型不同高度的上面层、中面层和下面层试件，直径为150 mm。面层之间采用改性乳化沥青作为黏结层，密级配面层之间的改性乳化沥青用量为0.5 kg/m2，密级配沥青面层与PAC，以及PAC之间的改性乳化沥青用量为0.8 kg/m2。上、中、下面层黏结在一起后，施加100 N的静荷载持续5 s，使3个面层形成一个整体，如图3(a)所示。然后将试件放入30 ℃的恒温箱中保温5 h，提高层间的黏结性，如图3(b)所示。实际路面仅由路表吸收热量，为模拟实际路面结构的温度场，本文采用导热系数为0.03 W/m·K的隔温涂料包裹试件的侧面和底面，如图3(c)所示。待隔温涂料完全风干后,在试件外围包裹一层岩棉管,增强隔温效果,如图3(d)所示。

表5 全厚式面层结构组成

2.2 试件的温度场

本文选择对三层排水沥青面层结构内部的温度场进行测试和验证，在试件表面下2、4、7、10、14 cm处钻孔，并在试件中心处埋设温度传感器，如图4(a)所示。采用温度记录仪自动采集不同深度处的温度，采集间隔为5 min。对比包裹隔温材料的试件和没有隔温措施的试件的温度场，分别将两个试件同时置于60 ℃的恒温箱中，得到试件内部不同深度处的温度随时间的变化过程如图4(b)和图4(c)所示。从图4可以看出，没有采用隔温措施的试件内部很快达到均匀的温度分布，包裹隔温材料的试件不同高度处的温度差异明显，240 min时，试件2 cm处和14 cm深度处的温差为4.2 ℃。两个试件在14 cm深度处的温差达到11.6 ℃，说明采用隔温材料使试件仅从表面吸收热量，在试件内部形成了温度梯度，与路面结构实际状态更加一致。

(a)传感器的分布

2.3 加载方式

实际路面经受包含重载车辆在内的多种交通荷载，图5(a)为某条高速的轴载组成，车辆荷载主要集中在20～160 kN(2～16 t)，虽然20～60 kN(2～6 t)荷载的比例很大，由于其荷载小，对路面的损伤可以忽略不计，因此本文主要考虑60～160 kN的荷载对路面的影响。将60～160 kN的荷载划分为60～80 kN、80～100 kN、100～120 kN和120～160 kN这4个区间，并取其中值(70、90、110、140 kN)作为代表值。根据式(1)计算得到70、90、110、140 kN对应的荷载应力分别为555、654、745、871 kPa。

图5 加载方式

(1)

式中：σi为轮胎接地应力，kPa；qi为轴载，kN；σs为标准轮胎接地应力，取值700 kPa；qs为标准轴载，取值100 kN。

由图5(b)可以得到，555、654、745、871 kPa在荷载作用次数中所占的比例分别为28.4%、40.0%、18.2%和13.4%。为了模拟路面受到的实际车辆荷载，室内试验一个加载循环中各应力作用次数所占的比例应与实际相同，以1 000次为一个加载循环，则每一个加载循环中555、654、745、871 kPa的作用次数分别为284次、400次、182次和134次，加载方式如图5(b)所示。

2.4 试验条件

局部三轴多级加载试验采用UTM-25施加动态荷载，试验温度为60 ℃，荷载周期为1 s(加载0.1 s，卸载0.9 s)，荷载峰值分别为555、654、745、871 kPa。为了模拟实际的路面结构，本文在试件下放置一个水泥稳定碎石试件，高度为200 mm，以模拟基层对面层结构的影响，如图6所示。

图6 局部三轴多级加载试验

3 结果

3.1 不同路面结构的高温性能

根据ZHOU等[16]提出的蠕变曲线三阶段模型，采用流值(MFN)评价多层排水沥青路面的高温性能，MFN越大，高温承载力越大。图7(a)为不同面层结构的累计永久变形随加载次数的变化曲线，计算得到不同路面结构的MFN如图7(b)所示。密级配沥青面层在荷载作用下表现出最好的高温承载力，密级配沥青路面、单层、双层和三层排水沥青面层的MFN分别为19 530、15 805、8 455和6 630。由于PAC的强度弱于密级配沥青混合料，随着多层排水沥青路面中PAC厚度的增加，路面结构的高温承载力逐渐减小。相比于密级配路面，单层、双层和三层排水沥青路面的MFN分布减小了19.1%、56.7%和66.0%。理论计算中，各路面结构均满足不同交通等级下的性能要求，但从室内试验的结果来看，双层和三层排水沥青面层的高温承载力却有大幅度的降低。

(a)累计永久变形曲线

3.2 不同路面结构的交通荷载适用性

局部三轴多级加载试验能够很好地模拟路面的实际服役条件，从而能够较真实地评价面层结构的高温承载能力。实践证明，与本文密级配沥青路面结构相同的某条高速于2001年建成通车，2011年由于车辙和裂缝严重而铣刨重铺。截止到2011年底，该条高速经受的标准轴载累计作用次数为3 038.2万次，属于特重交通等级。本文以密级配沥青路面的交通荷载适用性为参考，根据局部三轴多级加载试验的结果确定排水沥青路面的交通适用性，根据式(2)预测多层排水沥青路面可承受的标准轴载累计作用次数。

(2)

式中：N为被预测面层结构在10 a内可承受的标准轴载累计作用次数；N′为密级配沥青路面经受的标准轴载累计作用次数，取值为3.038 2×107次；MFN为被预测面层结构的流值；MFN′为密级配沥青面层结构的流值。

计算得到单层、双层和三层排水沥青路面在10 a内可承受的标准轴载累计作用次数如图8所示。单层、双层和三层排水沥青路面在10 a内可承受的标准轴载累计作用次数分别为2.457 9×107次、1.315 5×107次和1.033×107次，说明单层排水沥青面层可用于特重交通道路，双层和三层排水沥青面层可用于重交通道路。实践表明，单层排水沥青路面在特重交通等级下表现出良好的路用性能，表明预测结果具有一定的可靠性。然而，目前国内缺乏双层和三层排水沥青路面的实际工程应用和长期性能观测，需要进一步开展实际工程对双层和三层排水沥青面层的结构承载能力和交通适用性进行验证。

4 结论

a.本文分别从理论计算和室内试验评价了多层排水沥青面层结构的交通适用性和承载力，基于规范的设计指标，对典型密级配沥青路面结构、单层、双层及三层排水沥青路面结构进行结构设计验算，计算结果表明：单层、双层和三层排水沥青路面可用于任何交通等级下的道路。

b.通过局部三轴多级加载试验，以最接近实际路面状态的试验条件评价不同路面结构的高温承载能力，试验结果表明密级配沥青面层结构具有最好的高温承载力，排水沥青面层随着PAC层厚度的增加，路面结构的高温承载力逐渐降低。

c.基于本文的试验结果，单层排水沥青面层可用于特重交通道路，双层和三层排水沥青路面可用于重交通及以下道路，为多层排水沥青路面的设计和应用提供了参考依据。