路面结构与材料对双层一次摊铺路面 疲劳性能的影响

蒋应军，李启龙，上官宇浩

(长安大学，特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064)

0 引 言

路面结构与材料类型对沥青路面疲劳性能影响显著[1]。中国高等级公路典型沥青路面结构为表面层4 cm AC(连续式密级配沥青混合料)-13+中面层6 cm AC-20+下面层8～12 cm AC-25或ATB(密级配稳定碎石)-25或ATB-30，干线公路典型结构为表面层4 cm AC-13+下面层6 cm AC-20或者上面层5 cm AC-13+下面层7 cm AC-20[2]。施工时通常采用分层摊铺，逐层压实的施工工艺，认为结构层之间的黏层油可以保证层间结合。但由于分层摊铺时下层已经冷却硬结，混合料具有了一定强度，上层热铺混合料与下层嵌挤作用小，不能充分粘结，层间结合作用弱，因此层间不能达到最佳的结合效果。此外，沥青路面传统分层摊铺技术存在层间接触状态不佳、温度散失快、层间处置费用高及施工周期长等问题，影响路面工程质量和工程造价[3]。沥青路面双层一次摊铺技术是将双层沥青混合料分一次摊铺碾压完成的新型施工技术，属于“热+热”施工工艺。与传统分层摊铺技术相比，双层一次摊铺技术可以减少施工过程中沥青混合料的热量散失，且在碾压过程中，各沥青结构层集料相互挤压并嵌锁联结，增大了沥青路面层间结合力，有效避免了粗集料被压碎，从而提高沥青路面结构整体性[4]。近年来，随着双层一次摊铺机械的开发与应用，国内外学者开展了一系列与双层一次摊铺路面相关的研究。国外，Mueller[5]介绍双层一次摊铺技术的优缺点，认为该技术易于压实路面，可以增强层间的粘结力，因此无须洒布粘层油，并研究了双层一次摊铺技术的基本原理及其质量控制措施；Morgan等[6]进行传统摊铺工艺与双层一次摊铺技术在大空隙沥青混凝土路面中的性能对比，探讨两者在层间粘结性能、路面压实度及经济性等方面的优缺点；Gharabaghy[7]研究摊铺工艺对沥青路面层间粘结性能及高温性能的影响，验证了双层一次摊铺技术的优越性。国内，朱梦良等[8]研究沥青混合料双层一次摊铺的路用性能，并对其施工工艺进行了介绍；王朝晖等[9]通过室内试验及理论分析研究了摊铺工艺对沥青路面热量散失规律的影响，并提出根据不同环境温度下沥青路面的有效碾压时间；李爱国等[10-11]通过室内非标准马歇尔试验研究温度、厚度对混合料压实度的影响程度，建立相同压实功沥青路面双层一次摊铺与传统分层摊铺厚度等效转换关系，并通过室内试验及现场试验段，基于双层一次摊铺技术研究沥青路面层间粘结强度、平整度及压实度等性能。以上双层一次摊铺技术研究主要集中在双层一次摊铺设备开发、双层一次摊铺工艺施工组织设计、层间结合效果、平整度控制及高温性能等方面，而关于结构层厚度与混合料类型对双层一次摊铺路面疲劳性能的影响研究较少。因此，本文以路面结构总厚度10 cm为研究对象，总结双层结构下不同厚度和混合料类型对路面疲劳性能影响规律，并推荐了基于双层一次摊铺技术的沥青混合料类型与路面结构层厚度。

1 实 验

1.1 原材料

(1)沥青

上、下面层沥青均采用新加坡EssoA-70号道路石油沥青，技术性质见表1。

表1 新加坡EssoA-70号沥青技术性质Table 1 Technical properties of Singapore EssoA-70 asphalt

(2)粘层油

粘层油采用SBR改性乳化沥青，技术性质见表2。

表2 SBR改性乳化沥青技术性质Table 2 Technical properties of SBR modified emulsified asphalt

(3)粗集料

上面层粗集料采用浙江省金华市八咏采石场生产的斜长角闪岩集料，技术性质见表3。

表3 上面层粗集料技术性质Table 3 Technical properties of upper coarse aggregate

下面层粗集料采用浙江省金华市八咏采石场生产的石灰岩集料，技术性质见表4。

表4 下面层粗集料技术性质Table 4 Technical properties of under coarse aggregate

(4)细集料及矿粉

上、下面层细集料均采用浙江省金华市八咏采石场生产加工的集料；矿粉采用浙江省金华市八咏采石场生产的石灰岩碎石自行加工生产的石灰岩矿粉。

1.2 试验方案

(1)混合料类型

研究混合料类型对双层一次摊铺路面疲劳性能的影响。上面层拟采用AC-13或AC-16，下面层拟采用AC-20或AC-25。各类型混合料矿料级配见表5。

表5 不同混合料级配Table 5 Gradation of different mixtures

各类型最佳油石质量比下的马歇尔试验结果见表6。

表6 最佳油石比下的马歇尔试验结果Table 6 Marshall test results under optimum oil-stone ratio

(2)结构层厚度

研究路面结构层厚度对双层一次摊铺路面疲劳性能的影响。双层路面结构总厚度为10 cm，上面层和下面层结构层厚度拟采用上面层3 cm+下面层7 cm(简写为3 cm+7 cm，下同)和4 cm+6 cm两种组合类型。

(3)摊铺工艺

研究双层路面结构分层摊铺碾压工艺(传统摊铺)和双层路面结构一次摊铺碾压工艺(双层摊铺)对路面疲劳性能的不同影响。

1.3 试验方法

(1)小梁疲劳试验

采用美国MTS810万能试验机，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE 20—2011)进行小梁疲劳试验。小梁试件保温4 h，试验温度(15±0.5) ℃。为使加载一直处于受压一侧，采用半正矢正弦波，以应力控制模式加载,加载频率10 Hz，循环特征值0.1，试验时一般最小荷载为最大荷载的2%[12]。

(2)试件制备

小梁试件尺寸为250 mm×100 mm×100 mm棱柱形，是由尺寸为300 mm×300 mm×100 mm的车辙板试件切割而成。由于室内试验无法成型与现场同等大小的沥青混合料试件，且难以将现场沥青路面切割成上述尺寸的小梁，因此参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE 20—2011)，确定传统分层摊铺车辙板试件和双层一次摊铺车辙板试件的制作方法。

传统分层摊铺碾压车辙板试件(尺寸为300 mm×300 mm×100 mm)制备工艺如下：

①下层板制作：根据试件下层混合料密度、高度和试模截面积确定沥青混合料质量，拌合下面层混合料，装入对应高度的单层车辙板试模并充分捣实，然后用轮碾仪在试模表面往返轮碾成型，直至试件下层厚度达到预定高度后，停止轮碾，下面层混合料车辙板试件制作完成。

②粘层油洒布：将下面层混合料试件冷却至少24 h后脱模放入尺寸为300 mm×300 mm×100 mm的双层车辙板试模，然后洒布密度为0.45 kg/m2的粘层油，养护至少2 h。

③上层板制作：根据试件上层混合料密度、高度和试模截面积确定沥青混合料质量，拌合上面层混合料，放入已装有下面层混合料的双层车辙板试模并充分捣实，然后用轮碾仪在试模表面往返轮碾成型，当轮碾上、下面层总厚度达到10 cm后，停止轮碾，传统摊铺车辙板试件制作完成。

双层一次摊铺碾压车辙板试件(尺寸为300 mm×300 mm×100 mm)，上面层和下面层结构层厚度拟采用3 cm+7 cm和4 cm+6 cm组合。制备工艺如下：

①下层摊铺：根据下层试件密度、高度和试模截面积确定沥青混合料质量，拌合下面层混合料，装入尺寸为300 mm×300 mm×100 mm的双层车辙板试模并充分捣实，进行人工预压，初平后放入165 ℃烘箱中保温。

②上层摊铺：根据上层试件密度、高度和试模截面积确定沥青混合料质量，拌合上面层混合料，取出烘箱中装有下面层混合料的双层车辙板试模，然后装入拌合好的上面层混合料并充分捣实，然后用轮碾仪在试模表面往返轮碾成型，当轮碾上、下面层总厚度达到10 cm后，停止轮碾，双层摊铺车辙板试件制作完成。

2 结果与讨论

2.1 疲劳试验结果

不同摊铺工艺、路面结构厚度及混合料类型的双层路面疲劳试验结果分别见表7、表8。

表7 传统分层摊铺沥青混合料小梁试件疲劳试验结果Table 7 Fatigue test results of trabecular specimens of traditional layered paving asphalt mixture

表8 双层一次摊铺沥青混合料小梁试件疲劳试验结果Table 8 Fatigue test results of double-deck one-time paving asphalt mixture trabecular specimens

2.2 疲劳试验结果分析

由2.1节可知，室内疲劳试验数据离散性较大，因此采用数据统计方法进一步分析研究沥青混合料的疲劳寿命规律。

(1)

(2)

β=αlnu

(3)

式中：α、β为形状参数；u为尺度参数；n为随机变量N的特征值。

表10 双层一次摊铺Weibull分布检验结果Table 10 Testing results of Weibull distribution for double-deck one-time paving

表11 传统分层摊铺不同失效概率下的等效疲劳寿命Table 11 Equivalent fatigue life of traditional layered paving under different failure probabilities

表12 双层一次摊铺不同失效概率下的等效疲劳寿命Table 12 Equivalent fatigue Life of double-deck one-time paving under different failure probabilities

采用式(4)对表11、表12数据进行回归分析，求得不同失效概率下的疲劳方程回归系数和相关系数，结果见表13和表14，其中R2为相关系数。

表14 双层一次摊铺疲劳方程回归系数及相关系数Table 14 Regression coefficient and correlation coefficient of fatigue equation for double-deck one-time paving

表13 传统分层摊铺疲劳方程回归系数及相关系数Table 13 Regression coefficient and relevant coefficient of fatigue equation for traditional layered paving

(4)

沥青混合料疲劳方程式(4)中的回归系数a越大，表明应力作用下材料疲劳性能越好；回归系数b越小，表明材料对应力变化越不敏感，材料的疲劳性能越好[13]。

根据表13、表14绘制不同摊铺工艺下，路面结构厚度及混合料类型的双层路面，在5%和50%失效概率下的疲劳特性曲线，如图1、图2所示。

结合表13、表14，由图1、图2可知,不同摊铺工艺、路面结构厚度及混合料类型的双层路面疲劳性能，在不同失效概率下，lgN随lgσ均呈线性变化趋势，相关性系数R2均大于0.90，且摊铺工艺、路面结构厚度及混合料类型对沥青混合料的疲劳性能影响显著。对于不同结构厚度组合，与传统分层摊铺工艺相比，双层一次摊铺工艺b值相差不大，a值明显大于传统分层摊铺工艺，因此双层一次摊铺工艺沥青路面的疲劳性能较优；上面层3 cm+下面层7 cm厚度组合中，与AC-16+AC-20组合相比，AC-13+AC-20组合a值较大，b值较小，因此其疲劳寿命较高且对应力水平的敏感程度较低；在AC-13+AC-20组合中，3 cm+7 cm组合较4 cm+6 cm组合疲劳方程a值较大，b值较小，因此3 cm+7 cm组合具有较好的疲劳性能。

图2 双层一次摊铺工艺混合料疲劳特性曲线Fig.2 Fatigue characteristic curves of mixture in double-deck one-time paving technology

图1 传统摊铺工艺混合料疲劳特性曲线Fig.1 Fatigue characteristic curves of mixture in traditional paving technology

(1)摊铺工艺的影响

以传统分层摊铺4 cm AC-13+6 cm AC-20路面结构应力水平为0.45对应的荷载为基准，荷载应力σ=0.45×2.77 MPa=1.246 MPa，采用相同应力σ对比不同材料的疲劳寿命。在同一应力下不同摊铺工艺路面疲劳寿命分析结果见表15。

表15 不同摊铺工艺沥青混合料疲劳寿命Table 15 Fatigue life of asphalt mixture with different paving technologies

双层一次摊铺工艺和传统分层摊铺工艺的疲劳寿命及比值NS/NC结果见表16。

表16 不同摊铺工艺沥青混合料疲劳寿命比值Table 16 Fatigue life ratio of asphalt mixture with different paving techniques

由表15及表16可知，在同一应力σ=1.246 MPa条件下，与传统分层摊铺工艺相比，5%失效概率和50%失效概率双层一次摊铺工艺疲劳寿命分别至少可提高54%和35%。这是因为双层一次摊铺工艺是“热+热”的施工工艺，上面层和下面层间集料的嵌锁联结，避免上下面层间的不连续性，消除了层间污染，使路面结构的整体性更好，减少了应力集中现象，有效提高了沥青路面的疲劳性能。

(2)混合料类型和结构层厚度的影响

在同一应力下，与传统分层摊铺4 cm AC-13+6 cm AC-20路面结构疲劳寿命ND相比，不同组合在传统分层摊铺工艺和双层一次摊铺工艺下疲劳寿命比值NC/ND、NS/ND对比结果见表17、表18。

表17 传统分层摊铺路面结构疲劳寿命对比Table 17 Comparison of fatigue life of traditional layered paving pavement structure

表18 双层一次摊铺路面结构与传统分层摊铺典型路面结构疲劳寿命对比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,与传统分层摊铺典型路面结构相比，传统分层摊铺3 cm AC-13+7 cm AC-20组合疲劳寿命可提高7%，其他传统分层摊铺路面结构的疲劳寿命均有明显降低。双层一次摊铺路面结构的疲劳寿命均有显著提高，双层一次摊铺工艺3 cm AC-13+7 cm AC-20组合疲劳寿命最高，可提高113%。在双层一次摊铺工艺下，AC-13+AC-20组合的疲劳寿命高于AC-16+AC-20组合和AC-16+AC-25组合。这是因为AC-13和AC-16较细级配，其细集料和沥青砂浆较多，在荷载作用下，有效阻碍裂缝扩展，延长了裂缝延伸的距离，且较细级配沥青混合料内部颗粒的分布较为均匀，在同样荷载作用下，更不易产生应力集中现象，有效提高了疲劳寿命。对于AC-20和AC-25而言，细集料和沥青砂浆的含量较少，级配较粗，空隙较大，裂缝的扩展较为容易，且由于混合料内部粗颗粒较多，颗粒分布不均匀，在同样荷载作用下，容易发生应力集中现象，大大降低了沥青混合料的疲劳寿命。因此AC-13+AC-20组合内部集料的分布较为均匀，整体空隙率小，应力集中现象较少，整体性更好，裂缝更不容易扩展。在双层一次摊铺工艺下，3 cm+7 cm组合的疲劳寿命高于4 cm+6 cm组合。这是因为对于双层摊铺路面，上面层的厚度和模量主要影响路面的水稳、抗滑及低温开裂性能，下面层的厚度和模量主要影响路面的抗高温车辙和抗疲劳开裂性能，因此当沥青混合料类型一致条件下，增加下面层厚度可有效提高双层路面的疲劳性能。综上所述，双层一次摊铺上面层3 cm AC-13+下面层7 cm AC-20结构组合的疲劳性能较优。

3 工程应用效果

为验证双层一次摊铺工艺下的路面平整度和压实度是否满足规范要求，依托浙江省金华市婺城区西二环公路养护大中修工程开展施工技术研究，并铺筑了双层一次摊铺试验路，评价其应用效果。

(1)压实度

不同摊铺工艺现场芯样密度和压实度检测结果见表19。

表19 不同试验段芯样密度和压实度Table 19 Core density and compactness of different test sections

由表19可知,两种摊铺工艺试验路段压实度均不低于98%，均满足规范要求。与传统分层摊铺工艺相比，采用双层一次摊铺工艺在减少压实遍数的条件下仍可达到规范要求且略高于传统分层摊铺路段压实度。

(2)平整度

采用激光平整度仪检测试验段平整度，两种摊铺工艺试验5段检测结果见表20。

表20 不同试验段平整度Table 20 Flatness of different test sections

由表20可知，采用双层一次摊铺工艺施工的试验段平整度相比于传统分层摊铺施工试验段略差，但满足规范要求。平整度传递主要指路面下层不平整性向上映射的过程及规律，在路面结构中，底层平整度优劣直接影响上一层平整度好坏。虽然双层一次摊铺路面的平整度不经中面层传递，直接从下面层传递至上面层，摊铺厚度增大，平整度会受到一定影响，但通过控制土基的平整度，双层一次摊铺路面的平整度仍能满足规范要求。

4 结 论

(1)双层一次摊铺沥青混合料疲劳寿命服从双参数Weibull分布，不同摊铺工艺下建立的混合料疲劳方程能够较为准确地反映沥青混合料疲劳寿命。

(2)研究了摊铺工艺、混合料类型及结构层厚度对双层沥青路面疲劳性能的影响。与传统摊铺工艺沥青路面相比，同一应力下双层一次摊铺路面疲劳寿命至少可提高54%，双层一次摊铺上面层3 cm AC-13+下面层7 cm AC-20结构组合疲劳寿命最优，与传统分层摊铺典型路面相比，疲劳寿命可提高113%。

(3)依托实体工程，铺筑了双层一次摊铺试验路，结果表明，双层一次摊铺工艺下的路面平整度和压实度满足规范要求。

(4)通过对双层一次摊铺路面疲劳性能室内试验及实体工程研究，为有效提高双层沥青路面的疲劳性能，建议采用双层一次摊铺工艺施工，并采用上面层3 cm AC-13+下层面7 cm AC-20路面结构组合。