蔣應軍，李啟龍，上官宇浩

(長安大學，特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，西安 710064)

0 引 言

路面結構與材料類型對瀝青路面疲勞性能影響顯著[1]。中國高等級公路典型瀝青路面結構為表面層4 cm AC(連續(xù)式密級配瀝青混合料)-13+中面層6 cm AC-20+下面層8～12 cm AC-25或ATB(密級配穩(wěn)定碎石)-25或ATB-30，干線公路典型結構為表面層4 cm AC-13+下面層6 cm AC-20或者上面層5 cm AC-13+下面層7 cm AC-20[2]。施工時通常采用分層攤鋪，逐層壓實的施工工藝，認為結構層之間的黏層油可以保證層間結合。但由于分層攤鋪時下層已經冷卻硬結，混合料具有了一定強度，上層熱鋪混合料與下層嵌擠作用小，不能充分粘結，層間結合作用弱，因此層間不能達到最佳的結合效果。此外，瀝青路面?zhèn)鹘y(tǒng)分層攤鋪技術存在層間接觸狀態(tài)不佳、溫度散失快、層間處置費用高及施工周期長等問題，影響路面工程質量和工程造價[3]。瀝青路面雙層一次攤鋪技術是將雙層瀝青混合料分一次攤鋪碾壓完成的新型施工技術，屬于“熱+熱”施工工藝。與傳統(tǒng)分層攤鋪技術相比，雙層一次攤鋪技術可以減少施工過程中瀝青混合料的熱量散失，且在碾壓過程中，各瀝青結構層集料相互擠壓并嵌鎖聯結，增大了瀝青路面層間結合力，有效避免了粗集料被壓碎，從而提高瀝青路面結構整體性[4]。近年來，隨著雙層一次攤鋪機械的開發(fā)與應用，國內外學者開展了一系列與雙層一次攤鋪路面相關的研究。國外，Mueller[5]介紹雙層一次攤鋪技術的優(yōu)缺點，認為該技術易于壓實路面，可以增強層間的粘結力，因此無須灑布粘層油，并研究了雙層一次攤鋪技術的基本原理及其質量控制措施；Morgan等[6]進行傳統(tǒng)攤鋪工藝與雙層一次攤鋪技術在大空隙瀝青混凝土路面中的性能對比，探討兩者在層間粘結性能、路面壓實度及經濟性等方面的優(yōu)缺點；Gharabaghy[7]研究攤鋪工藝對瀝青路面層間粘結性能及高溫性能的影響，驗證了雙層一次攤鋪技術的優(yōu)越性。國內，朱夢良等[8]研究瀝青混合料雙層一次攤鋪的路用性能，并對其施工工藝進行了介紹；王朝暉等[9]通過室內試驗及理論分析研究了攤鋪工藝對瀝青路面熱量散失規(guī)律的影響，并提出根據不同環(huán)境溫度下瀝青路面的有效碾壓時間；李愛國等[10-11]通過室內非標準馬歇爾試驗研究溫度、厚度對混合料壓實度的影響程度，建立相同壓實功瀝青路面雙層一次攤鋪與傳統(tǒng)分層攤鋪厚度等效轉換關系，并通過室內試驗及現場試驗段，基于雙層一次攤鋪技術研究瀝青路面層間粘結強度、平整度及壓實度等性能。以上雙層一次攤鋪技術研究主要集中在雙層一次攤鋪設備開發(fā)、雙層一次攤鋪工藝施工組織設計、層間結合效果、平整度控制及高溫性能等方面，而關于結構層厚度與混合料類型對雙層一次攤鋪路面疲勞性能的影響研究較少。因此，本文以路面結構總厚度10 cm為研究對象，總結雙層結構下不同厚度和混合料類型對路面疲勞性能影響規(guī)律，并推薦了基于雙層一次攤鋪技術的瀝青混合料類型與路面結構層厚度。

1 實 驗

1.1 原材料

(1)瀝青

上、下面層瀝青均采用新加坡EssoA-70號道路石油瀝青，技術性質見表1。

表1 新加坡EssoA-70號瀝青技術性質Table 1 Technical properties of Singapore EssoA-70 asphalt

(2)粘層油

粘層油采用SBR改性乳化瀝青，技術性質見表2。

表2 SBR改性乳化瀝青技術性質Table 2 Technical properties of SBR modified emulsified asphalt

(3)粗集料

上面層粗集料采用浙江省金華市八詠采石場生產的斜長角閃巖集料，技術性質見表3。

表3 上面層粗集料技術性質Table 3 Technical properties of upper coarse aggregate

下面層粗集料采用浙江省金華市八詠采石場生產的石灰?guī)r集料，技術性質見表4。

表4 下面層粗集料技術性質Table 4 Technical properties of under coarse aggregate

(4)細集料及礦粉

上、下面層細集料均采用浙江省金華市八詠采石場生產加工的集料；礦粉采用浙江省金華市八詠采石場生產的石灰?guī)r碎石自行加工生產的石灰?guī)r礦粉。

1.2 試驗方案

(1)混合料類型

研究混合料類型對雙層一次攤鋪路面疲勞性能的影響。上面層擬采用AC-13或AC-16，下面層擬采用AC-20或AC-25。各類型混合料礦料級配見表5。

表5 不同混合料級配Table 5 Gradation of different mixtures

各類型最佳油石質量比下的馬歇爾試驗結果見表6。

表6 最佳油石比下的馬歇爾試驗結果Table 6 Marshall test results under optimum oil-stone ratio

(2)結構層厚度

研究路面結構層厚度對雙層一次攤鋪路面疲勞性能的影響。雙層路面結構總厚度為10 cm，上面層和下面層結構層厚度擬采用上面層3 cm+下面層7 cm(簡寫為3 cm+7 cm，下同)和4 cm+6 cm兩種組合類型。

(3)攤鋪工藝

研究雙層路面結構分層攤鋪碾壓工藝(傳統(tǒng)攤鋪)和雙層路面結構一次攤鋪碾壓工藝(雙層攤鋪)對路面疲勞性能的不同影響。

1.3 試驗方法

(1)小梁疲勞試驗

采用美國MTS810萬能試驗機，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTGE 20—2011)進行小梁疲勞試驗。小梁試件保溫4 h，試驗溫度(15±0.5) ℃。為使加載一直處于受壓一側，采用半正矢正弦波，以應力控制模式加載,加載頻率10 Hz，循環(huán)特征值0.1，試驗時一般最小荷載為最大荷載的2%[12]。

(2)試件制備

小梁試件尺寸為250 mm×100 mm×100 mm棱柱形，是由尺寸為300 mm×300 mm×100 mm的車轍板試件切割而成。由于室內試驗無法成型與現場同等大小的瀝青混合料試件，且難以將現場瀝青路面切割成上述尺寸的小梁，因此參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTGE 20—2011)，確定傳統(tǒng)分層攤鋪車轍板試件和雙層一次攤鋪車轍板試件的制作方法。

傳統(tǒng)分層攤鋪碾壓車轍板試件(尺寸為300 mm×300 mm×100 mm)制備工藝如下：

①下層板制作：根據試件下層混合料密度、高度和試模截面積確定瀝青混合料質量，拌合下面層混合料，裝入對應高度的單層車轍板試模并充分搗實，然后用輪碾儀在試模表面往返輪碾成型，直至試件下層厚度達到預定高度后，停止輪碾，下面層混合料車轍板試件制作完成。

②粘層油灑布：將下面層混合料試件冷卻至少24 h后脫模放入尺寸為300 mm×300 mm×100 mm的雙層車轍板試模，然后灑布密度為0.45 kg/m2的粘層油，養(yǎng)護至少2 h。

③上層板制作：根據試件上層混合料密度、高度和試模截面積確定瀝青混合料質量，拌合上面層混合料，放入已裝有下面層混合料的雙層車轍板試模并充分搗實，然后用輪碾儀在試模表面往返輪碾成型，當輪碾上、下面層總厚度達到10 cm后，停止輪碾，傳統(tǒng)攤鋪車轍板試件制作完成。

雙層一次攤鋪碾壓車轍板試件(尺寸為300 mm×300 mm×100 mm)，上面層和下面層結構層厚度擬采用3 cm+7 cm和4 cm+6 cm組合。制備工藝如下：

①下層攤鋪：根據下層試件密度、高度和試模截面積確定瀝青混合料質量，拌合下面層混合料，裝入尺寸為300 mm×300 mm×100 mm的雙層車轍板試模并充分搗實，進行人工預壓，初平后放入165 ℃烘箱中保溫。

②上層攤鋪：根據上層試件密度、高度和試模截面積確定瀝青混合料質量，拌合上面層混合料，取出烘箱中裝有下面層混合料的雙層車轍板試模，然后裝入拌合好的上面層混合料并充分搗實，然后用輪碾儀在試模表面往返輪碾成型，當輪碾上、下面層總厚度達到10 cm后，停止輪碾，雙層攤鋪車轍板試件制作完成。

2 結果與討論

2.1 疲勞試驗結果

不同攤鋪工藝、路面結構厚度及混合料類型的雙層路面疲勞試驗結果分別見表7、表8。

表7 傳統(tǒng)分層攤鋪瀝青混合料小梁試件疲勞試驗結果Table 7 Fatigue test results of trabecular specimens of traditional layered paving asphalt mixture

表8 雙層一次攤鋪瀝青混合料小梁試件疲勞試驗結果Table 8 Fatigue test results of double-deck one-time paving asphalt mixture trabecular specimens

2.2 疲勞試驗結果分析

由2.1節(jié)可知，室內疲勞試驗數據離散性較大，因此采用數據統(tǒng)計方法進一步分析研究瀝青混合料的疲勞壽命規(guī)律。

(1)

(2)

β=αlnu

(3)

式中：α、β為形狀參數；u為尺度參數；n為隨機變量N的特征值。

表10 雙層一次攤鋪Weibull分布檢驗結果Table 10 Testing results of Weibull distribution for double-deck one-time paving

表11 傳統(tǒng)分層攤鋪不同失效概率下的等效疲勞壽命Table 11 Equivalent fatigue life of traditional layered paving under different failure probabilities

表12 雙層一次攤鋪不同失效概率下的等效疲勞壽命Table 12 Equivalent fatigue Life of double-deck one-time paving under different failure probabilities

采用式(4)對表11、表12數據進行回歸分析，求得不同失效概率下的疲勞方程回歸系數和相關系數，結果見表13和表14，其中R2為相關系數。

表14 雙層一次攤鋪疲勞方程回歸系數及相關系數Table 14 Regression coefficient and correlation coefficient of fatigue equation for double-deck one-time paving

表13 傳統(tǒng)分層攤鋪疲勞方程回歸系數及相關系數Table 13 Regression coefficient and relevant coefficient of fatigue equation for traditional layered paving

(4)

瀝青混合料疲勞方程式(4)中的回歸系數a越大，表明應力作用下材料疲勞性能越好；回歸系數b越小，表明材料對應力變化越不敏感，材料的疲勞性能越好[13]。

根據表13、表14繪制不同攤鋪工藝下，路面結構厚度及混合料類型的雙層路面，在5%和50%失效概率下的疲勞特性曲線，如圖1、圖2所示。

結合表13、表14，由圖1、圖2可知,不同攤鋪工藝、路面結構厚度及混合料類型的雙層路面疲勞性能，在不同失效概率下，lgN隨lgσ均呈線性變化趨勢，相關性系數R2均大于0.90，且攤鋪工藝、路面結構厚度及混合料類型對瀝青混合料的疲勞性能影響顯著。對于不同結構厚度組合，與傳統(tǒng)分層攤鋪工藝相比，雙層一次攤鋪工藝b值相差不大，a值明顯大于傳統(tǒng)分層攤鋪工藝，因此雙層一次攤鋪工藝瀝青路面的疲勞性能較優(yōu)；上面層3 cm+下面層7 cm厚度組合中，與AC-16+AC-20組合相比，AC-13+AC-20組合a值較大，b值較小，因此其疲勞壽命較高且對應力水平的敏感程度較低；在AC-13+AC-20組合中，3 cm+7 cm組合較4 cm+6 cm組合疲勞方程a值較大，b值較小，因此3 cm+7 cm組合具有較好的疲勞性能。

圖2 雙層一次攤鋪工藝混合料疲勞特性曲線Fig.2 Fatigue characteristic curves of mixture in double-deck one-time paving technology

圖1 傳統(tǒng)攤鋪工藝混合料疲勞特性曲線Fig.1 Fatigue characteristic curves of mixture in traditional paving technology

(1)攤鋪工藝的影響

以傳統(tǒng)分層攤鋪4 cm AC-13+6 cm AC-20路面結構應力水平為0.45對應的荷載為基準，荷載應力σ=0.45×2.77 MPa=1.246 MPa，采用相同應力σ對比不同材料的疲勞壽命。在同一應力下不同攤鋪工藝路面疲勞壽命分析結果見表15。

表15 不同攤鋪工藝瀝青混合料疲勞壽命Table 15 Fatigue life of asphalt mixture with different paving technologies

雙層一次攤鋪工藝和傳統(tǒng)分層攤鋪工藝的疲勞壽命及比值NS/NC結果見表16。

表16 不同攤鋪工藝瀝青混合料疲勞壽命比值Table 16 Fatigue life ratio of asphalt mixture with different paving techniques

由表15及表16可知，在同一應力σ=1.246 MPa條件下，與傳統(tǒng)分層攤鋪工藝相比，5%失效概率和50%失效概率雙層一次攤鋪工藝疲勞壽命分別至少可提高54%和35%。這是因為雙層一次攤鋪工藝是“熱+熱”的施工工藝，上面層和下面層間集料的嵌鎖聯結，避免上下面層間的不連續(xù)性，消除了層間污染，使路面結構的整體性更好，減少了應力集中現象，有效提高了瀝青路面的疲勞性能。

(2)混合料類型和結構層厚度的影響

在同一應力下，與傳統(tǒng)分層攤鋪4 cm AC-13+6 cm AC-20路面結構疲勞壽命ND相比，不同組合在傳統(tǒng)分層攤鋪工藝和雙層一次攤鋪工藝下疲勞壽命比值NC/ND、NS/ND對比結果見表17、表18。

表17 傳統(tǒng)分層攤鋪路面結構疲勞壽命對比Table 17 Comparison of fatigue life of traditional layered paving pavement structure

表18 雙層一次攤鋪路面結構與傳統(tǒng)分層攤鋪典型路面結構疲勞壽命對比Table 18 Comparison of fatigue life of double-deck one-time paving pavement structure and traditional layered paving pavement structure

由表17和表18可知,與傳統(tǒng)分層攤鋪典型路面結構相比，傳統(tǒng)分層攤鋪3 cm AC-13+7 cm AC-20組合疲勞壽命可提高7%，其他傳統(tǒng)分層攤鋪路面結構的疲勞壽命均有明顯降低。雙層一次攤鋪路面結構的疲勞壽命均有顯著提高，雙層一次攤鋪工藝3 cm AC-13+7 cm AC-20組合疲勞壽命最高，可提高113%。在雙層一次攤鋪工藝下，AC-13+AC-20組合的疲勞壽命高于AC-16+AC-20組合和AC-16+AC-25組合。這是因為AC-13和AC-16較細級配，其細集料和瀝青砂漿較多，在荷載作用下，有效阻礙裂縫擴展，延長了裂縫延伸的距離，且較細級配瀝青混合料內部顆粒的分布較為均勻，在同樣荷載作用下，更不易產生應力集中現象，有效提高了疲勞壽命。對于AC-20和AC-25而言，細集料和瀝青砂漿的含量較少，級配較粗，空隙較大，裂縫的擴展較為容易，且由于混合料內部粗顆粒較多，顆粒分布不均勻，在同樣荷載作用下，容易發(fā)生應力集中現象，大大降低了瀝青混合料的疲勞壽命。因此AC-13+AC-20組合內部集料的分布較為均勻，整體空隙率小，應力集中現象較少，整體性更好，裂縫更不容易擴展。在雙層一次攤鋪工藝下，3 cm+7 cm組合的疲勞壽命高于4 cm+6 cm組合。這是因為對于雙層攤鋪路面，上面層的厚度和模量主要影響路面的水穩(wěn)、抗滑及低溫開裂性能，下面層的厚度和模量主要影響路面的抗高溫車轍和抗疲勞開裂性能，因此當瀝青混合料類型一致條件下，增加下面層厚度可有效提高雙層路面的疲勞性能。綜上所述，雙層一次攤鋪上面層3 cm AC-13+下面層7 cm AC-20結構組合的疲勞性能較優(yōu)。

3 工程應用效果

為驗證雙層一次攤鋪工藝下的路面平整度和壓實度是否滿足規(guī)范要求，依托浙江省金華市婺城區(qū)西二環(huán)公路養(yǎng)護大中修工程開展施工技術研究，并鋪筑了雙層一次攤鋪試驗路，評價其應用效果。

(1)壓實度

不同攤鋪工藝現場芯樣密度和壓實度檢測結果見表19。

表19 不同試驗段芯樣密度和壓實度Table 19 Core density and compactness of different test sections

由表19可知,兩種攤鋪工藝試驗路段壓實度均不低于98%，均滿足規(guī)范要求。與傳統(tǒng)分層攤鋪工藝相比，采用雙層一次攤鋪工藝在減少壓實遍數的條件下仍可達到規(guī)范要求且略高于傳統(tǒng)分層攤鋪路段壓實度。

(2)平整度

采用激光平整度儀檢測試驗段平整度，兩種攤鋪工藝試驗5段檢測結果見表20。

表20 不同試驗段平整度Table 20 Flatness of different test sections

由表20可知，采用雙層一次攤鋪工藝施工的試驗段平整度相比于傳統(tǒng)分層攤鋪施工試驗段略差，但滿足規(guī)范要求。平整度傳遞主要指路面下層不平整性向上映射的過程及規(guī)律，在路面結構中，底層平整度優(yōu)劣直接影響上一層平整度好壞。雖然雙層一次攤鋪路面的平整度不經中面層傳遞，直接從下面層傳遞至上面層，攤鋪厚度增大，平整度會受到一定影響，但通過控制土基的平整度，雙層一次攤鋪路面的平整度仍能滿足規(guī)范要求。

4 結 論

(1)雙層一次攤鋪瀝青混合料疲勞壽命服從雙參數Weibull分布，不同攤鋪工藝下建立的混合料疲勞方程能夠較為準確地反映瀝青混合料疲勞壽命。

(2)研究了攤鋪工藝、混合料類型及結構層厚度對雙層瀝青路面疲勞性能的影響。與傳統(tǒng)攤鋪工藝瀝青路面相比，同一應力下雙層一次攤鋪路面疲勞壽命至少可提高54%，雙層一次攤鋪上面層3 cm AC-13+下面層7 cm AC-20結構組合疲勞壽命最優(yōu)，與傳統(tǒng)分層攤鋪典型路面相比，疲勞壽命可提高113%。

(3)依托實體工程，鋪筑了雙層一次攤鋪試驗路，結果表明，雙層一次攤鋪工藝下的路面平整度和壓實度滿足規(guī)范要求。

(4)通過對雙層一次攤鋪路面疲勞性能室內試驗及實體工程研究，為有效提高雙層瀝青路面的疲勞性能，建議采用雙層一次攤鋪工藝施工，并采用上面層3 cm AC-13+下層面7 cm AC-20路面結構組合。