關鍵詞：渠化交通 | 改擴建工程 | 力學性能 | 間接拉伸疲勞試驗

在高速公路中，采用白色標線分隔車道，規(guī)范不同類型車輛分車道行駛，形成渠化交通，對于提高道路的通行能力和行車安全性具有重要作用。然而，由于車輛沿同一軌跡運行，使得車輛荷載集中分布在瀝青路面輪跡帶處，致使渠化交通條件下高速公路路面輪跡帶處發(fā)生嚴重的早期病害，造成路面出現(xiàn)不均勻病害分布的現(xiàn)象，大大降低了高速公路的服役質量和使用壽命。

渠化交通是造成路面車轍病害的一個重要原因。眾多道路工程研究人員通過對中國國內部分高速公路路面使用性能進行調查分析，發(fā)現(xiàn)對于大型車和小型車分車道行駛的路面，行駛大型車的行車道zui先出現(xiàn)車轍等病害，而行駛小型車的超車道及應急車道處病害較少。錢霞等對連徐高速公路部分路段路況進行調查分析發(fā)現(xiàn)，路面車轍基本以行車道中軸線對稱分布，距離行車道中軸線兩側1m處的車轍深度zui深；為解決由于渠化交通引起的荷載型病害，關長祿等提出通過調整行車道寬度的方法緩解瀝青路面車轍、推移等病害問題，延長路面使用壽命；王志提出車道標線擺移法，通過定期變換車道標線位置，達到改變車輛輪跡帶位置，延長瀝青路面使用壽命的目的。

已有研究主要對渠化交通引起的車轍等病害在高速公路路面橫向分布情況進行了調查分析，無法反映渠化交通引起的路面結構內部損傷情況。因此，該文依托昌九高速公路改擴建通遠試驗段建設工程，通過在高速公路路面橫斷面不同位置取芯進行室內試驗，對比行車道輪跡帶處和應急車道處瀝青混合料力學性能的差異，進一步明確渠化交通對高速公路路面結構損傷的影響規(guī)律，提出緩解渠化交通對路面使用性能不利影響的措施。

路面結構及組成

南)昌九(江)高速公路通遠段為雙向四車道高速公路，設計速度100Km/h，設計樁號為K86+240~K96+666，路面結構材料組成為AC-13(SBS改性瀝青)密級配瀝青混合料(4cm)+AC-20C(SBS改性瀝青)密級配瀝青混合料(6cm)+AC-20C密級配瀝青混合料(6cm)+ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石(12cm)+水泥穩(wěn)定碎石(20cm)+級配碎石(30cm)的組合形式。路面自2007年技改完成后，到改擴建工程實施時已出現(xiàn)了輕微的車轍、推移、擁包、網裂等病害。為分析路面材料力學性能，選取通遠試驗段內車轍病害相對嚴重的K90+500~K91+500路段，經檢測，該路段車轍深度平均值為10mm左右，zui大值達到21.7mm。取芯位置為各車道輪跡帶處，取樣間隔為10m，取芯位置示意圖如圖1所示。為便于后文表述，將應急車道處、行車道輪跡帶處和靠近路緣帶輪跡帶處取芯試樣分別以A、B、C進行標記。

路面力學性能指標測試及分析

采取動態(tài)模量試驗、半圓彎拉試驗、劈裂試驗及間接拉伸疲勞試驗對取芯試樣的力學性能進行測試，分析高速公路渠化交通對路面面層瀝青混合料力學性能的影響。對取芯試樣按路面上面層、中面層和下面層進行切割、磨平處理，采用水中重法對試樣物理性質進行測試，得到毛體積密度測試結果如表1所示。

由表1可以看出：應急車道處瀝青混凝土芯樣密度zui小，行車道和超車道輪跡帶處芯樣密度比較接近，比應急車道處芯樣密度大0.1g/cm3左右。由此可知，由于渠化交通的影響，使得瀝青混凝土在服役過程中被行駛車輛進一步壓實，密度增大。

動態(tài)模量

動態(tài)模量是目前國內外評價瀝青混合料力學性能的主要指標，可有效反映行車荷載作用下瀝青混合料的力學特性。將取芯試樣進行切割、打磨，得到尺寸為Φ100mm×150mm的圓柱體試件，采用**伺服液壓多功能材料試驗機對應急車道處(A)、行車道輪跡帶處(B)和超車道輪跡帶處(C)試樣進行動態(tài)模量試驗，試驗溫度為5、20、35和50℃，加載波形為半正弦波，加載頻率為0.1、0.5、1、5、10和25Hz得到不同溫度下試件動態(tài)模量隨荷載頻率變化曲線如圖2所示。

由圖2可知：溫度相同時，瀝青混合料試件的動態(tài)模量均隨著加載頻率的升高而增大，且低溫時動態(tài)模量的增長幅度比高溫時要小。瀝青混合料是一種典型的黏彈性材料，承受荷載時應變滯后于應力。當加載頻率較高時，加載過程較迅速，應變滯后效應較強，加載過程應變較小，模量較大。而當加載頻率較低時，應變滯后效應減弱，模量減小。當加載頻率相同時，瀝青混合料的動態(tài)模量均隨著溫度的升高而降低。這是由于溫度的升高，瀝青逐漸軟化，使得瀝青混合料逐漸由彈性體狀態(tài)向黏流態(tài)轉變。

另外，對比應急車道處、行車道輪跡帶處和超車道輪跡帶處芯樣動態(tài)模量數據可以發(fā)現(xiàn)，應急車道處芯樣動態(tài)模量zui大，行車道和超車道輪跡帶處芯樣動態(tài)模量值較為接近，無明顯差異。當加載頻率為10Hz，溫度分別為5、20、35和50℃時，應急車道處瀝青混合料試件的動態(tài)模量分別比行車道輪跡帶處瀝青混合料試件動態(tài)模量大9.2％、15.1％、9.3％和14.5％。由于高速公路應急車道基本無車輛行駛，可以認為該處瀝青混合料試件性能的衰減僅由環(huán)境作用所引起，而行車道和超車道處瀝青混合料性能的衰減由環(huán)境和行車荷載共同引起。因此可以推斷，由于行車荷載的作用，使得瀝青路面輪跡帶處在夏季高溫階段發(fā)生車轍病害，此時輪跡帶下瀝青混合料內部集料之間發(fā)生相對位移，改變了內部集料分布狀態(tài)，集料骨架嵌擠作用減弱，使得動態(tài)模量降低。另外，在行車荷載和水分的耦合作用下，瀝青混合料內部動水壓力較大，對混合料造成的侵蝕作用遠大于靜水作用，進一步造成行車道輪跡帶下部混合料動態(tài)模量的降低。

半圓彎拉試驗

半圓彎拉試驗(SCB)廣泛應用于評價瀝青混合料的間接拉伸性能。采用伺服液壓多功能材料試驗機對路面取芯試樣進行低溫半圓彎拉試驗，以評價應急車道處(A)、行車道輪跡帶處(B)和超車道輪跡帶處(C)下面層瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗溫度為-5℃，加載速率為5mm/min，試件尺寸為Φ100mm×40mm的半圓柱體試件。試驗完成后，得到瀝青混合料半圓試件破壞時荷載大小，采用式(1)計算得到混合料半圓彎拉破壞強度，結果如圖3所示。

從圖3可以看出：應急車道處芯樣半圓彎拉強度zui大，超車道輪跡帶處芯樣彎拉強度次之，行車道輪跡帶處彎拉強度zui小，但是三者之間差異相對并不顯著。彎拉強度越大，則瀝青混合料的低溫抗拉能力越強，低溫抗裂性能越好。因此，3處瀝青混合料試件的低溫抗裂性能從優(yōu)到劣排序依次為A＞C＞B。由于行車荷載的長期作用，瀝青路面輪跡帶處混合料內部集料之間發(fā)生移位，內部集料和空隙的分布狀態(tài)發(fā)生變化，顆粒間瀝青膠結料厚度不均勻，致使瀝青混合料低溫抗裂性能有所降低。而且，由于行車荷載和水分的耦合作用，瀝青混合料內部空隙中動水壓力較大，對瀝青膠結料和集料產生沖刷，使得瀝青膠結料與集料之間的黏附力降低，抗彎拉強度減小。

劈裂試驗

采用**伺服液壓多功能材料試驗機對路面取芯試樣進行劈裂試驗，以評價應急車道處(A)、行車道輪跡帶處(B)和超車道輪跡帶處(C)瀝青混合料的常溫抗拉性能。試驗溫度為15℃，加載速率為50mm/min，試件尺寸為Φ100mm×40mm的圓柱體試件。試驗完成后，得到瀝青混合料試件破壞荷載大小，采用式(2)計算得混合料劈裂強度，結果如圖4所示。

從圖4可知：應急車道處芯樣劈裂強度zui大，超車道輪跡帶處次之，行車道輪跡帶處zui小，且對于同一層位瀝青混合料試件強度差異并不明顯。A處與B處的上面層、中面層和下面層試件劈裂強度之差分別為0.515、0.511和0.4MＰA，B處試件相對A處試件的降低幅度相應為17.8％、18.5％和15.8％。這與低溫下芯樣試件半圓彎拉試驗結果規(guī)律類似，進一步驗證了在路面渠化交通荷載的作用下，瀝青混合料的抗拉能力有所降低，抗裂性能發(fā)生衰減。

對比不同層位瀝青混合料試件的劈裂強度可以發(fā)現(xiàn)，在3處均存在著上面層試件強度zui大、中面層次之、下面層zui小的規(guī)律，這與不同層位瀝青混合料級配組成及瀝青膠結料的類型有關。路面材料為：上面層為AC-13(改性瀝青)密級配瀝青混合料，中面層為AC-20C(改性瀝青)密級配瀝青混合料，下面層為AC-20C密級配瀝青混合料。由此可知，SBS改性瀝青具有比普通基質瀝青優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性及黏結強度，相應的瀝青混合料高溫性能及抗拉性能要強于基質瀝青混合料，使得上面層和中面層試件的劈裂強度高于下面層瀝青混合料。

間接拉伸疲勞試驗

采用**伺服液壓多功能材料試驗機對路面取芯試樣進行間接拉伸疲勞試驗，以評價應急車道處(A)、行車道輪跡帶處(B)和超車道輪跡帶處(C)瀝青混合料的抗疲勞性能，試驗溫度為15℃，試件尺寸為Φ100mm×40mm的圓柱體試件。試驗過程采用應力控制模式，根據間接拉伸試驗結果，分別取應力比為0.3、0.5、0.7試驗荷載進行疲勞試驗，加載頻率為10Hz，以試件產生裂縫為破壞判斷依據。圖5為對數坐標下芯樣試件間接拉伸疲勞壽命隨應力比變化關系。

由圖5可以看出：

(1)在同一層位中，應急車道處瀝青混合料試件的疲勞壽命zui大，超車道輪跡帶處次之，行車道輪跡帶處zui小，且下面層A、B、C試件疲勞壽命的差異相對更加明顯。這是因為在行車荷載的重復作用下，車道輪跡帶下瀝青混合料內部集料顆粒位置得到重分布，空隙率減小，顆粒間瀝青膠結料厚度不均勻，致使瀝青混合料抗疲勞性能有所降低，另外，在行車荷載作用下，動水沖刷作用對瀝青膠結料造成侵蝕，降低了瀝青膠結料與集料之間的黏附力，使得混合料抗疲勞性能降低。而且在行車道上行駛的重型車輛較多，瀝青混合料疲勞壽命的衰減程度更大，造成其疲勞壽命zui小。

(2)對比不同層位瀝青混合料試件的疲勞壽命發(fā)現(xiàn)，上面層瀝青混合料疲勞壽命zui大，其次為中面層，下面層zui小，而且上面層瀝青混合料試件疲勞壽命和中面層很接近。這與瀝青路面結構在行車荷載作用下的受力特征有關，在荷載作用下，拉應力區(qū)主要集中在下面層，使得下面層瀝青混合料經受的重復拉伸作用更強，抗疲勞性能劣化程度更大，而且上面層和中面層瀝青混合料采用改性瀝青，其疲勞性能要優(yōu)于基質瀝青混合料。

(3)對比不同應力比條件下瀝青混合料的疲勞壽命可以發(fā)現(xiàn)：隨著應力比的提高，在對數坐標下瀝青混合料的疲勞壽命近似呈線性下降趨勢，瀝青混合料的疲勞壽命隨著應力比的增大而急劇下降。以下面層A處瀝青混合料為例，在應力比分別為0.3、0.5和0.7時，瀝青混合料的疲勞壽命分別為51601、8521和801次。在高應力比下，瀝青路面將會迅速發(fā)生疲勞破壞。因此，超載車輛對瀝青路面的損害要遠遠大于允許荷載范圍內車輛對路面的損害，為保證路面的長期使用性能，應嚴格控制超載車輛在路面上的行駛行為。

結論

該文依托昌九高速公路改擴建通遠試驗段建設工程，分析了渠化交通對瀝青路面力學性能的影響，得到如下主要結論：

(1)在動態(tài)荷載作用下，應急車道處芯樣動態(tài)模量zui大，行車道和超車道輪跡帶處芯樣動態(tài)模量值較為接近，無明顯差異。由于渠化交通荷載的作用，使得瀝青路面動態(tài)模量降低。

(2)由低溫半圓彎拉試驗和常溫劈裂試驗發(fā)現(xiàn)，應急車道處芯樣抗拉強度zui大，超車道輪跡帶處次之，行車道輪跡帶處zui小，但是三者之間差異相對并不顯著。在路面渠化交通荷載的作用下，瀝青混合料的抗拉能力有所降低，低溫抗裂性能發(fā)生衰減。

(3)通過間接拉伸疲勞試驗發(fā)現(xiàn)，應急車道處瀝青混合料試件的疲勞壽命zui大，超車道輪跡帶處次之，行車道輪跡帶處zui小，且在下面層試件疲勞壽命的差異相對更加明顯。渠化交通荷載作用使得瀝青混合料疲勞性能有所降低，而且荷載大小對瀝青混合料疲勞壽命影響顯著，為保證路面的長期使用性能，應嚴格控制超載車輛在路面上的行駛行為。

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全文完 發(fā)布于《中外公路》2019年12月。作者簡介：劉妍，女，大學本科，高級工程師.E-mail：519887257@qq.com

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