重载干线公路沥青路面材料性能检测与评价
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摘要：以河北省张石高速公路支线107国道为例，分析了重载交通情况下该公路沥青路面的损坏特点，采用剪切试验、马歇尔稳定度试验，筛分试验等室内试验，系统研究芯样沥青混合料的力学性能、级配组成以及沥青性质。进而评价了该沥青路面结构组合的合理性，对减少路面的早期病害、提高重载干线公路的使用性能提供了一定的理论支持。
中图分类号：U415.11文献标志码：B
Abstract： In order to reasonably determine the correlations between the damage causes of asphalt pavement of overloaded trunk highway and the material performance of the pavement， National Highway 107 was selected to conduct the core drilling， and the apparent performance of the core samples was thoroughly analyzed. Based on this， the mechanical properties of asphalt mixture samples were systematically studied by shear test and Marshal stability test. The graded composition and the nature of asphalt of the samples were comprehensively studied by the extracting and screening tests. The physical and mechanical properties of cement stabilized base course were analyzed via unconfined compression test.
Key words： trunk highway； overload； asphalt pavement； material performance
0引言
随着国民经济快速发展，道路交通量日益增大。车辆的迅速大型化且严重超载，使得许多干线公路在通车1年后，路面出现开裂、车辙、抗滑能力不足、剥落等现象，有的公路甚至在通车当年就发生病害，正常维修期大大提前，直接影响了车辆的正常运行[14]。为了使沥青路面保持良好，需要及时进行路面养护。然而，沥青路面养护技术和措施较多，应根据沥青路面的实际情况以及病害原因进行选择[57]。
重载干线沥青路面的病害原因主要分为两类：一类是重载作用下沥青路面疲劳损伤的幅度增大，加速了沥青路面破坏，从而造成早期病害的发生；另一类是沥青路面材料性能不能满足要求，混合料性能不达标，在重载车辆作用下发生强度破坏。因此，为了确定干线公路沥青路面的破损原因，必须对沥青路面材料性能进行检测。
1重载干线公路工程概况
河北省张石高速公路支线107国道北互通连接线是河北省公路网的主骨架，同时也是石家庄市“五纵六横”公路网中“五纵”之一，可有效分流主交通轴的压力，承担和应对高速公路的突发状况，保障区间交通的通畅。本段公路路面结构设计按标准轴载BZZ100计算，设计年限为15年，1个车道累计当量轴次为9.969×106次。路面结构为4 cm中粒式沥青混凝土，6 cm粗粒式沥青混凝土，18 cm二灰碎石，10 cm二灰碎石调平层。
2013年11月对该公路路面状况进行调查，调查结果显示路面破损较为严重，破损主要形式为纵向裂缝、横向裂缝以及网状裂缝，其中纵向裂缝多发生在轮迹带处，且为几道平行纵向裂缝，有的已发展为带状网裂；横向裂缝每隔10～20 m出现一道，较为规律；绝大部分网状裂缝出现在横向裂缝与纵向裂缝交汇处；除裂缝病害外，路面轮迹带处还存在车辙，部分地段出现路表光滑、抗滑能力不足等现象。
2沥青面层性能测试与评价
沥青混合料以及其组成材料的性质决定了沥青路面的使用性能。为合理确定该干线公路破损原因，选取路面性能良好路段进行钻芯取样，对芯样表观性能进行检测；分析沥青混合料的力学性能，研究混合料的级配组成以及沥青老化状态。
2.1钻芯芯样表观检测
选取沥青路面路表良好地段钻芯、取样，对沥青混合料进行初步表观检测，同时为后续试验奠定基础。路面钻芯取样如图1所示。由图1分析可得，沥青上下面层层间粘结充分，钻芯试样刨面矿料分布均匀，未出现施工离析；防水层与水稳层粘结较好，且水稳层能够整体取出，未出现松散，试样表面矿料均匀，以上结果说明路面施工质量控制严格，表观检测良好。
2.2钻芯芯样力学性能检测
对沥青上下面层进行层间剪切试验，确定层间剪切力，以评价面层之间粘结状态。同时，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E202011）关于沥青路面芯样马歇尔试验的规定进行稳定度试验，测试上、下面层芯样的稳定度，试验结果见表1。
由表1分析可得，沥青混合料上下面层剪切强度平均值为510 kN，表明钻芯芯样上下面层层间粘结较好。
沥青路面芯样上面层稳定度平均值为1694 kN，最小值为1060 kN；下面层稳定度平均值为1125 kN，最小值为524 kN。中国《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40―2004）规定密实级配沥青混合料马歇尔稳定度应大于8 kN，试验结果表明上面层芯样稳定度满足规范要求，而下面层除个别芯样稳定度较低外（1#、2#），其他芯样稳定度均能满足规范要求。下面层出现个别稳定度较低的现象可能是由于取样时下面层与防水层粘结，下面层取样不完整，芯样受力出现应力集中，从而导致芯样在较低荷载下破裂。
2.3钻芯芯样矿料级配检测
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20―2011） T0722关于沥青混合料中沥青含量试验的有关规定，利用前期钻芯试件，进行离心分离试验，测定沥青混合料中的沥青含量、矿料级配组成，并回收沥青溶液，评定沥青的老化性质。
2.3.1上面层筛分结果
将抽提后的矿料进行筛分，以检测原沥青路面沥青混合料的级配组成是否满足设计及规范要求，上面层矿料筛分通过率如图2所示。
该段公路上面层采用的是4 cm中粒式沥青混凝土，由图2分析可得，除1#上面层矿料13.2 mm筛通过率不满足规范要求外，其余矿料筛分通过率满足规范要求。可能是由于在钻芯取样时，大粒径矿料被切割，从而导致了132 mm筛通过率较高。
2.3.2下面层筛分结果
该段公路下面层采用的是6 cm粗粒式沥青混凝土，下面层矿料筛分通过率如图3所示。
由表2分析可得，沥青针入度、软化点以及延度的平均值分别为67.3（0.1 mm）、55.7 ℃和15.9 cm，其平均值均满足规范的要求。表明在车辆荷载以及自然环境反复作用下，沥青性质未发生较大变化。
3半刚性基层性能测试与评价
基层主要承受车辆荷载，基层的性质决定了沥青路面的使用性能，根据设计资料，基层采用的是18 cm厚的水泥稳定碎石。为合理确定路面破损原因，对基层钻芯取样，进行初步表观分析，再按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51―2009） 有关规定进行水泥稳定碎石物理力学性能测试。
选取典型路段取样，并进行初步量测，水泥稳定碎石层的高度为18 cm，满足设计文件要求。在钻芯过程中，没有出现水泥稳定碎石基层破碎、松散等现象，能够完整取出，且其刨面整洁、均匀、密实，如图4所示，表观检测正常。
由表4分析可得，水泥稳定碎石基层的无侧限抗压强度的平均值为23.4 MPa，而中国规范对无机结合料类材料要求，是在标准养生条件下7 d龄期的无侧限抗压强度，显然试验值无法与规范相对比。水泥稳定碎石强度随着时间的增加而不断增强，对
比其他水泥稳定碎石的相关研究，当龄期超过1年后，其强度增长缓慢，强度值一般在20 MPa，结合本次试验研究，该段公路基层水泥稳定碎石无侧限抗压强度与其它研究数值相当，表明水泥稳定碎石基层性能良好。
4结语
（1） 沥青上下面层层间粘结充分；防水层与水稳层粘结较好，且水稳层能够整体取出，未出现松散；试样表面矿料均匀，表观检测良好。
（2） 芯样沥青混合料层间剪切强度平均值为510 kN；上下面层沥青混合料稳定度平均值分别为16.94kN、11.25kN。表明芯样上下面层层间粘结充分，沥青混合料力学能稳定。
（3） 筛分结果表明芯样上下面层矿料级配满足设计要求，但由于在钻芯取样时，大粒径矿料被切割，从而导致粗集料通过百分率增高，但其值在规范允许的范围内。
（4） 芯样沥青针入度、软化点以及延度平均值分别为67.3（0.1 mm）、55.7 ℃和15.9 cm，满足规范要求，表明车辆荷载以及自然环境反复作用下，沥青性质未发生较大变化。
（5） 水稳基层能够完整取出，刨面整洁、均匀、密实，表观检测良好；并借助无侧限抗压强度试验对其物理力学性能进行研究，结果表明水稳基层抗压强度平均值为23.4 MPa，性能良好。
（6） 检测结果表明，该重载干线公路沥青路面材料对其路面病害的形成影响不大。
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