公路沥青路面弯沉与耐久性关系的研究

张凌云

(威海市公路事业发展中心，山东 威海 264300)

0 引言

公路沥青路面由沥青混合料组成，沥青混合料为典型的黏弹性材料，温度升高时表现为黏性，温度降低时表现为弹性。公路沥青路面弯沉值是我国沥青路面承载能力的检测指标，它代表了在规定荷载作用下沥青路面发生的垂直回弹变形值[1]。公路沥青路面的耐久性指的是沥青路面抵抗环境变化与车辆荷载的能力，表现为沥青路面保持原有性能的能力，包括高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性以及疲劳强度等等[2]。我国公路与国外公路对比而言，早期损害、服务使用年限短的问题明显，弯沉值作为公路沥青路面验收的一项重要指标，对沥青路面的质量的优劣有很大影响[3]。为了研究公路沥青路面弯沉值与耐久性之间的关系，本文从公路沥青路面弯沉值的影响因素出发，研究影响弯沉值变化的影响条件。通过对沥青路面耐久性研究，得出影响沥青路面耐久性的影响因素，以山东省5 条公路为研究对象，研究公路沥青路面与耐久性之间的关系。

1 沥青路面弯沉影响因素

1.1 温度

温度的变化对沥青路面回弹弯沉值影响很大，当沥青路面结构层温度不同时，回弹弯沉值会出现很大差别。为了保证沥青路面弯沉值的准确性，需要对沥青路面弯沉值进行温度修正，弯沉值测定温度为20oC为准。沥青路面厚度较厚时，沥青路面结构层面层温度与层低温度差较大，同样需要进行温度修正。沥青为典型的黏弹性材料，温度升高时，材料本身表现为黏性，在车辆荷载作用下，垂直回弹变形值变大，回弹弯沉变大，路面结构刚度下降。温度降低时，沥青材料本身表现为弹性，垂直回弹变形值减小，回弹弯沉减小，结构刚度增加。

1.2 检测荷载

回弹弯沉值测定加载车参数对沥青路面回弹弯沉值也有一定的影响，贝克曼梁测试路基路面回弹弯沉中加载车类型很重要，根据规范要求，我国一直规定用解放牌及黄河牌作为两个荷载等级的标准车。但这两种车型现在很少使用，显然已不能作为标准车型。为了满足检测荷载的要求，对加载车的主要参数提出要求，如表1所示，凡是符合这些参数的加载车均可以使用。

表1 弯沉加载车参数要求

2 沥青路面耐久性影响因素

公路沥青路面耐久性影响因素分为外因与内因。外因为环境因素、行车荷载，内因为材料性质、级配设计以及路面结构类型。

2.1 温度

沥青路面对温度变化具有一定的敏感性。沥青是典型的有机结合料，并且其力学性质表现为黏弹性，当温度升高时，沥青自身变软表现为黏性，抵抗变形的能力下降，在夏季沥青路面多出现车辙病害，是由于沥青混合料的高温温度性不足，造成不可恢复的永久性变形。当温度急剧下降时，沥青材料表现为弹性，沥青自身变硬，沥青路面易出现脆性裂缝，低温抗裂性不足造成大量裂缝产生，降低路面结构的耐久性。由于沥青材料为有机结合料，当温度过高或长时间日照时，沥青材料本身老化，沥青路面结构抗疲劳性能下降，服务年限降低。

2.2 湿度

湿度对沥青路面的影响主要体现在路面早期的水损害。当新建路面遭遇强降水时，在行车荷载的作用下，水充满沥青路面空隙。根据设计要求，沥青混凝土材料结构为连续型密级配，具有不透水性，当材料孔隙中充满水时。由于材料具有一定的亲水性，当水浸入至沥青胶浆与集料界面，造成沥青胶浆与集料吸附性下降，在车辆荷载的作用下，细集料被动水压力带出造成沥青路面松散病害。当冬季气温过低时，沥青混合料孔隙中的水以冰的形态存在，沥青混合料自身变硬。当春季到来，温度升高孔隙中的冰融化为液态水，孔隙中的水浸入沥青胶浆与集料界面，造成沥青混合料强度下降，若水存在于路基孔隙，则会造成春融现象，降低了沥青路面的耐久性。

2.3 行车荷载

行车荷载的增加对沥青路面的疲劳性能有很大的影响，在进行沥青路面结构设计时，需要对行车荷载累计作用次数进行计算，并且需要进行轴载换算，将行车荷载换算为BZ-100 标准轴载。当沥青路面交通量过大且汽车类型为大货车时，可以判定该路段重载交通严重，重载交通造成路面出现反射裂缝，沥青路面达到疲劳破坏。

2.4 材料性质

沥青混合料由沥青、集料以及填料组成，不同标号的沥青具有不同黏性，适用于不同的地区。在进行材料选择时，沥青材料必须满足针入度、延度以及软化点的技术要求，并且在长日照地区必须进行老化试验。集料分为粗、细集料，粗集料之间的内摩擦力是沥青混合料的强度保证，必须选用棱角分明、坚固的碱性集料。若材料选择不合理，则会降低沥青路面强度，在环境因素与车辆荷载的作用下，沥青路面过早出现损害，不能达到设计服务使用年限。

2.5 级配设计

沥青混合料级配设计影响了沥青路面结构强度及路用性能。级配设计包括矿料级配设计及沥青最佳使用量的确定，通常采用图解法完成间断级配矿料设计，马歇尔试验确定沥青最佳使用量。当沥青用量过大时，使沥青路面结构强度下降，温度升高时出现泛油现象。级配设计不合理会造成沥青路面力学强度及路用性能下降，使路面整体结构出现过早开裂，达不到沥青路面使用性能，耐久性降低。

2.6 路面结构

路面结构的选择影响了沥青路面的耐久性，路面结构包括面层与基层，若基层类型及层厚选择不合理，则会造成沥青路面承载能力下降，出现反射裂缝及车辙病害。并且路面结构对回弹弯沉值具有一定影响，半刚性基层回弹弯沉值要大于柔性基层，否则沥青路面易出现病害。

3 沥青路面回弹弯沉与耐久性的关系

通过对回弹弯沉值及沥青路面耐久性的分析，得到了二者的影响因素，分析发现回弹弯沉值与耐久性具有相同的影响因素。

3.1 工程概况

为了研究弯沉值与耐久性之间的关系，对山东省5 条公路进行调查，以温度、路面结构类型、湿度以及级配设计为变化因素，研究沥青路面弯沉值与耐久性之间的关系。其工程概况如表2所示。

表2 山东省5 条公路工程概况

3.2 沥青路面回弹弯沉与耐久性的关系

通过对山东省5 条公路回弹弯沉检测，得到不同路表温度下5 条公路弯沉值变化值，如图1所示。

图1 温度-弯沉图

由图1温度与弯沉值关系图可得，当温度从-10oC增加至70oC 时，5 条沥青路面弯沉值均出现增加趋势，反映了当温度增加时，沥青路面刚度下降承载能力变低。其中SL4 公路弯沉值最小，根据工程概况可得，SL4 与SL5 公路路面材料为SMA-15，沥青玛蹄脂碎石粗骨料含量较多且沥青采用改性沥青，黏度较大其材料结构强度要大于普通AC-15 混合料强度，所以其弯沉值变化最小。

通过SL1 与SL3 公路对比可得，当温度从-10oC 增加至70oC 时，SL1 公路弯沉值要小于SL3，且SL1 弯沉值增加速率要小于SL3，这是由于两条公路路面类型结构差异造成的，SL1 公路路面基层为半刚性基层，SL3 公路路面基层为柔性基层。半刚性基层与柔性基层对比，半刚性基层为无机结合料稳定基层，具有良好的刚性。而柔性基层为沥青稳定碎石或级配碎石基层，结构自身为柔性以变形，所以SL1 的弯沉值要小于SL3。

通过对5 条进行车辙试验，得到沥青路面温度与动稳定度之间的关系，其关系如图2所示。

图2 温度-动稳定度图

动稳定度是沥青路面高温稳定性的检测指标，高温稳定性是沥青路面耐久性的一种。由图2可得，当沥青路面温度由30oC 增加至70oC 时，5 条公路沥青路面动稳定度呈下降趋势，动稳定度下降表明沥青路面抗高温性能下降，易出现车辙病害。当温度由50oC 增加至60oC 时，5 条公路动稳定度下降速率变快，在该温度内沥青路面高温稳定性急剧下降，路面易出现车辙病害。

由图2可知，通过SL1 公路与SL4 公路对比发现，SL4 公路沥青路面动稳定度大于SL1，两条公路基层均为半刚性基层，面层材料不同，SL1 为AC-15 沥青混凝土，SL4 为SMA-15 混合料，当温度升高时，SL4抵抗高温变形的能力要大于SL1，所以SL4 公路沥青路面动稳定度大于SL1 公路。

通过SL1、SL2、SL3 公路动稳定度对比可得，3 条公路沥青面层结构为同一类型，其动稳定度变化不大，由此可得对于同一路面材料结构而言，基层类型对沥青路面耐久性影响不大。

由图1、图2可得，当温度变化时，公路沥青路面弯沉值与动稳定度变化较大，由此可得，温度是影响沥青路面弯沉值与耐久性的重要因素，当沥青路面耐久性降低时，回弹弯沉值也呈下降趋势，为了研究公路沥青路面服务使用年限与回弹弯沉值之间的关系，通过对SL1-SL5 公路进行5年监测，其弯沉值与服务使用年限关系如图3所示。

图3 沥青路面弯沉值随时间变化图

由图3沥青路面弯沉值随时间变化图可以得到，5条公路随着服务年限的增加，沥青路面承载能力降低。从图中可以发现，当公路沥青路面服务使用年限在1～2年时，沥青路面弯沉值增加较慢，这是由于新建道路在碾压过后仍然存在一定的孔隙，在车辆荷载作用下，沥青路面孔隙被压实，路面密实度增加，弯沉值增加不大。2～4年时，沥青路面弯沉值增加较快，因为在水、环境因素以及行车荷载的共同作用下，沥青路面出现了表面病害，沥青路面的弯沉值迅速下降。当服务使用年限大于4年时，弯沉值变化逐渐趋于平稳，这是因为对路面病害已经进行养护处理，回弹弯沉值增加缓慢。

4 结语

综上所述，本文通过对沥青路面回弹弯沉值特点分析，得到沥青路面回弹弯沉值的影响因素。通过对公路沥青路面耐久性影响因素分析，得到环境因素、行车荷载、材料性质、路面结构以及级配设计对公路沥青路面耐久性的影响。通过对山东省5 条高速公路弯沉值监测及调查，可以得到回弹弯沉值与服务年限间的关系。