盧勇, 劉愛華, 張文浩, 張永辰

(1.新型道路材料國家工程實驗室, 江蘇 南京 211112； 2.蘇交科集團股份有限公司; 3.江蘇寧滬高速公路股份有限公司)

截至2019年底，江蘇省高速公路路網(wǎng)中存在77%的瀝青路面路齡超過10年，其中39%的瀝青路面路齡超過15年。依據(jù)JTG D50-2017《公路瀝青路面設計規(guī)范》中規(guī)定的高速公路15年設計使用年限，“十三五”期間，江蘇省高速公路路網(wǎng)中，將有大量路段的路齡接近或超過設計年限，這也是中國高速公路首次全面面臨這一問題。車轍病害是目前江蘇省高速公路瀝青路面最為突出的病害之一，也是“十三五”期間江蘇省瀝青路面面臨的主要問題。對于常規(guī)3層瀝青面層結構的高速公路，一般認為，中下面層是車轍貢獻率最大的層位。然而，江蘇省高速公路瀝青路面在實際養(yǎng)護設計過程中對于不大于13 mm的車轍病害，一般采用銑刨重鋪上面層的處治方案。

總之，江蘇省高速公路瀝青路面在“十三五”期間面臨大量車轍病害處治問題，針對不同程度的車轍病害，如何科學合理地判斷處治層位，分析評估中下面層瀝青混合料的高溫性能非常必要。

傳統(tǒng)的規(guī)范車轍法對樣品試件要求較高，需要在300 mm×300 mm的車轍板上開展試驗，在實際操作過程中對于路面結構的損壞較嚴重，相對而言，漢堡車轍試驗通過對現(xiàn)場取回芯樣直接開展抗車轍試驗，相較傳統(tǒng)規(guī)范車轍試驗更能準確反映路面的實際抗車轍性能。漢堡車轍試驗儀是由德國研發(fā)，目前已納入德國規(guī)范中，用于一些交通量大的行車道路，以評估抗車轍和抗剝落性能。國內(nèi)外研究表明：漢堡車轍儀可以進行不同溫度的干式和浸水、板式和圓柱試件的試驗,是瀝青路面車轍成因分析和瀝青混合料高溫性能評價的有效工具,通過漢堡車轍試驗法獲得路面結構車轍深度指標用以評價路面結構抗車轍性能具有較高的可靠性。該文采用漢堡車轍試驗對在役某高速公路某段瀝青路面的高溫性能進行評價，通過研究不同面層的交通等級、交通量和基層結構與車轍深度、蠕變速率的關系，進一步分析路表車轍深度與中下面層瀝青混合料高溫性能之間的關系。

1 試驗方案

1.1 試驗條件

使用漢堡車轍試驗儀，通過在47 mm寬的膠輪上施加0.7 MPa的力完成對試件的加載，然后膠輪在板塊試件上做往復運動。試件加載直至鋼輪達到20 000次的往復運動次數(shù)或者直到產(chǎn)生20 mm的變形為止。

根據(jù)各結構層厚度以及漢堡車轍試驗試件厚度,確定試驗條件為60 ℃水浴。

1.2 評價指標

根據(jù)瀝青路面高溫穩(wěn)定性評價需求，采用車轍深度和蠕變斜率兩個指標進行表征。

(1) 車轍深度

采用特定作用次數(shù)下的車轍深度表征，一般分別采用5 000、10 000、15 000和20 000次作用次數(shù)下的車轍深度(mm)。其值越大，高溫抗車轍性能越差。

(2) 蠕變斜率

以試驗數(shù)據(jù)曲線中直線段相對較長的一段曲線，對車轍深度與加載次數(shù)的關系進行直線回歸，得到：

H=a+bN

(1)

式中：H為車轍深度(mm)；N為加載次數(shù)(次)；b為蠕變斜率(mm/次)。

蠕變斜率表示蠕變階段曲線的斜率，反映在水熱和荷載組合條件下，瀝青混合料在蠕變階段的變形速率，其值越小表明變形速率越慢，高溫穩(wěn)定性也越好。由于蠕變斜率結果較小，因此，采用蠕變斜率的倒數(shù)，即蠕變速率指標(次/mm)表示，該指標與動穩(wěn)定度在本質上是一致的。

2 試驗條件

為評價通車運營時間超過10年的高速公路瀝青路面各層瀝青混合料高溫性能，以及分析不同交通量與高溫性能之間的關系，該文通過對某高速公路瀝青路面典型斷面進行取芯，該高速不同斷面瀝青種類和級配設計統(tǒng)一，此次車轍病害取芯芯樣根據(jù)車轍程度，即車轍病害10 mm以上(深車轍)和10 mm以下(正常較好路段)，考慮不同車道、不同基層類型(A水泥穩(wěn)定碎石、B二灰碎石、C柔性基層)對車轍深度的影響和不同受力分布條件下對中面層材料性能的影響。

所取芯樣分布交通等級為極重、特重、輕等級，中面層芯樣為改性瀝青SUP-20，下面層芯樣包括通車運營時間12年的SUP-25和通車運營時間22年的AC-25。

3 試驗結果與分析

3.1 中下面層芯樣高溫性能

表1、圖1、2為中、下面層漢堡車轍試驗結果。從表1可以看出：芯樣車轍深度整體均較小，中面層芯樣60 ℃條件下漢堡車轍深度為1～3.5 mm；下面層車轍深度為3.5～8 mm，整體車轍深度較中面層大。表明漢堡車轍試驗能夠顯著區(qū)分不同類型瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

圖1 中面層漢堡車轍試驗結果

根據(jù)漢堡車轍變形曲線對應的初期壓密階段、穩(wěn)定發(fā)展階段和最后的破壞階段3階段分析，由圖2可知：所測芯樣均未出現(xiàn)最后破壞階段，初步判斷該高速公路中面層瀝青混合料整體處于穩(wěn)定發(fā)展階段。

從圖2可知：所測下面層芯樣均未出現(xiàn)最后破壞階段，整體處于穩(wěn)定發(fā)展階段；極重交通路段漢堡試驗車轍深度超過6 mm，且其相應斷面的路面車轍深度達到10 mm左右。

3.2 交通等級對中下面層瀝青混合料高溫性能的影響

通過路面性能與不同影響因素的敏感性分析可知：交通量是影響路面車轍性能的敏感因素，因此，對于芯樣漢堡車轍性能，進一步考慮不同交通量條件下中面層瀝青混合料抗車轍能力的差異，根據(jù)交通量狀況，將上述不同斷面劃分為極重、特重、輕3種交通等級。選取蠕變速率作為評價指標如表1所示。

圖2 下面層漢堡車轍試驗結果

從表1可知：極重交通等級下，平均蠕變速率為18 366.8次/mm、特重為30 138.4次/mm、輕為22 515.7次/mm。結合芯樣路段空隙率，初步分析原因為特重交通荷載下路面經(jīng)歷壓密階段整體抗車轍性能較高，極重交通和輕交通分別處于流變和壓密階段高溫性能低于特重交通。

進一步分析不同交通量條件下中面層瀝青混合料漢堡車轍試驗后車轍深度數(shù)據(jù)。

從表2可知：在同樣20 000次作用下，輕交通條件下的中面層芯樣車轍深度最大，平均達到2.2 mm；其次為極重交通，平均達到2.3 mm；特重交通條件下車轍深度最小，平均達到1.5 mm。

由表2為交通量與下面層芯樣漢堡車轍蠕變速率的關系可知：特重交通蠕變速率最高，平均值達到14 872.3次/mm；極重和輕交通分別為10 318.3、10 030.9次/mm，差別不明顯。初步表明：對于下面層瀝青混合料漢堡車轍的蠕變速度，交通量對其影響不明顯。

通過與中面層芯樣比較可知：輕交通條件下芯樣抗車轍性能要優(yōu)于極重交通，進一步分析發(fā)現(xiàn)，輕交通條件下，取芯芯樣中斷面3、4和8處下面層為改擴建時期保留的AC-25瀝青混合料，其蠕變速度分別為8 130.1、10 638.3和10 147.9次/mm，AC-25車轍蠕變速率平均值為9 638.7次/mm，SUP-25車轍蠕變速率平均值為11 721.6次/mm，性能降低約17.8%。初步表明：相同交通等級和基層結構條件下SUP-25抗車轍性能優(yōu)于AC-25。

3.3 基層結構類型對中下面層瀝青混合料高溫性能的影響

一般認為半剛性基層和柔性基層路段抵抗車轍的能力有區(qū)別，因此，在不同交通量條件下進一步考慮不同基層結構，對瀝青混合料變溫性能的影響，試驗結果見圖3、4。

圖3 中面層不同基層、不同交通等級漢堡車轍平均蠕變速率

從圖3可知：水穩(wěn)基層路面在特重交通時蠕變速率顯著高于極重交通蠕變速率，特重交通時達到30 138.4次/mm，極重交通為20 129.3次/mm；二灰基層和柔性基層在輕交通時蠕變速率接近，略優(yōu)于極重交通；水穩(wěn)基層和柔性基層在極重交通時蠕變速率相差不明顯?？傊?，水穩(wěn)基層路面在特重交通條件下中面層漢堡車轍蠕變速率最好，表明抗車轍性能最優(yōu)；基層類型對中面層高溫抗車轍性能影響不大。

圖4 下面層不同基層、不同交通等級漢堡車轍平均蠕變速率對比

從圖4可知：極重交通條件下，水穩(wěn)基層路段與柔性基層路段相比，芯樣蠕變速度基本相當，而輕交通條件下，二灰基層下面層芯樣蠕變速度顯著高于柔性基層路段下面層芯樣，可能與上述二灰基層下面層芯樣半數(shù)為AC-25瀝青混合料有關。通過上述分析可知：不同基層類型路段下面層芯樣蠕變速度不存在明顯相關性。表明基層類型與芯樣高溫性能無顯著關系。

3.4 芯樣高溫性能與路面車轍指標之間的關系

芯樣漢堡車轍深度與路面車轍指標RD之間的關系如圖5所示。

圖5 芯樣漢堡車轍深度與路面車轍指標RD之間的關系

從圖5可知：對于中面層、下面層芯樣漢堡車轍深度，材料性能試驗結果與路面車轍指標的關系不顯著。

進一步分析不同交通等級下，芯樣漢堡車轍深度與路面車轍指標RD之間的關系，結果見圖6～8。

從圖6～8可知：極重交通下芯樣漢堡車轍深度與路面車轍深度關系明顯，且下面層芯樣車轍深度與路面車轍深度相關性更加顯著。特重交通、輕交通條件下漢堡車轍深度與路面車轍深度指標相關性不顯著。

圖6 極重交通條件下芯樣漢堡車轍深度與路面車轍指標RD之間的關系

圖7 特重交通條件下芯樣漢堡車轍深度與路面車轍指標RD之間的關系

圖8 輕交通條件下芯樣漢堡車轍深度與路面車轍指標RD之間的關系

4 結論

(1) 基于漢堡車轍試驗評價芯樣高溫性能，研究發(fā)現(xiàn)漢堡車轍試驗能夠顯著區(qū)分不同類型瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，60 ℃條件下中面層改性瀝青SUP-20芯樣車轍深度為1～3.5 mm，下面層普通瀝青SUP-25芯樣車轍深度為3.5～8 mm。

(2) 交通量對芯樣漢堡車轍高溫性能具有顯著的影響。根據(jù)漢堡車轍變形曲線、蠕變速率和車轍深度進行分析，對于下面層芯樣，不同交通狀況下芯樣高溫性能均處于穩(wěn)定發(fā)展階段；對于中面層芯樣，輕交通和特重交通條件下，芯樣高溫性能處于穩(wěn)定發(fā)展階段。

(3) 相同交通等級和基層結構條件下SUP-25抗車轍性能優(yōu)于AC-25。水穩(wěn)基層路面特重交通條件下中面層漢堡車轍蠕變速率最好，表明抗車轍性能最優(yōu)；基層類型對中面層高溫抗車轍性能影響不大。

(4) 不同基層類型路段下面層芯樣蠕變速度不存在明顯相關性。表明基層類型與芯樣高溫性能無顯著關系。極重交通下芯樣漢堡車轍深度與路面車轍深度關系明顯。特重交通、輕交通條件下漢堡車轍深度與路面車轍深度指標相關性不顯著。