车辙深度对水利枢纽永久道路沥青路面高温稳定性的影响

罗 坤， 马 力， 徐 琴， 贾玉豪

（1.南京市水利规划设计院股份有限公司，南京 210000； 2.河海大学水利水电学院，南京 210098；3.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335）

水利枢纽永久道路作为连接水利枢纽与外部的主要通道，其战略地位不言而喻，而保持水利枢纽永久道路的长期耐久性是道路管养部门面临的主要问题.由于沥青路面的行车舒适性好、养护维修方便，因此其近年来在水利枢纽永久道路中得到了广泛应用［1］.随着路面服役年限的增加，车辙已经成为水利枢纽永久道路沥青路面的典型病害，若不及时养护将会影响路面的长期使用［2-3］.

目前，已有较多学者对沥青路面各层位沥青混合料的高温性能进行了研究.朱浩然等［4］采用汉堡车辙试验对沥青路面各层位沥青混合料的高温性能进行了研究，同时提出了既有路面中面层沥青混合料的高温性能分级标准.Xu和Huang［5］通过研究发现，中面层沥青混合料的流动变形是半刚性基层沥青路面车辙变形的主要来源.肖川等［6］采用数值模拟方法分析了动态荷载作用下沥青路面的剪应力响应特征，结果显示剪应力最大值出现在中面层的顶面，中面层承受了较大的剪切应力.Zhao 等［7］通过MSRL 试验对现场路面芯样的高温性能进行研究发现，路面结构抵抗高温变形的能力主要取决于中面层，同时建议相关部门在进行路面维修时应充分评估原路面中面层的高温稳定性.

车辙深度是路面抵抗高温变形能力的总体表现，同时也是道路管养部门进行路面养护的主要依据［8］.综合来看，目前关于沥青路面不同车辙深度与各层位沥青混合料高温性能关系的研究还比较少.由于各层位沥青混合料在不同受力作用下的高温性能残值存在较大差异，因此对沥青路面中各层位沥青混合料在不同车辙深度下抵抗高温变形的能力进行研究尤为必要.

本研究以某水利枢纽永久道路沥青路面不同车辙深度处的路面芯样作为研究对象，分别对不同车辙深度处不同层位的路面芯样进行了动态蠕变试验，并采用修正的Burgers模型分析了不同车辙深度对不同层位沥青混合料动态蠕变特性的影响.本研究可为沥青路面的养护维修提供一定的参考.

1 原材料和试验方法

1.1 芯样信息

现场路面芯样取自某水利枢纽永久道路不同车辙深度处的沥青路面，分别在车辙深度为4.5、8.6、11.2、14.9、17.5 mm 的沥青路面轮迹带处钻取芯样.原路面采用半刚性基层，沥青面层结构为4 cm SMA-13+8 cm SUP-20（即上面层沥青类型为SMA-13沥青混合料，厚度为4 cm；中面层沥青类型为SUP-20 沥青混合料，厚度为8 cm），该沥青路面已使用10年.不同车辙深度下沥青混合料的体积指标见表1.

表1 不同车辙深度下沥青混合料的体积指标Tab.1 Volume indexes of asphalt mixtures under different rutting depths

1.2 动态蠕变试验

采用动态伺服液压材料试验机UTM-25对不同层位路面芯样进行动态蠕变试验.具体步骤如下：首先采用双面锯对现场路面芯样进行切割，得到厚度分别为40、53 mm的上、中面层芯样；然后将上、中面层芯样置于60 ℃的恒温环境箱中保温4 h；随后将上、中面层芯样取出并采用UTM-25对上、中面层芯样施加0.7 MPa的应力，荷载加载波形为半正弦波，加载周期为1 s；试验终止条件为荷载作用次数达到104次或轴向应变达到105με［9-10］.每组平行试验均用2个芯样.

2 试验结果与分析

2.1 动态蠕变试验结果与分析

2.1.1 不同车辙深度下不同层位沥青混合料的轴向应变 为了评价不同车辙深度下不同层位沥青混合料的高温稳定性，分别对不同车辙深度下的上、中面层路面芯样进行动态蠕变试验，不同车辙深度下各层位芯样的动态蠕变曲线见图1.然后根据动态蠕变曲线分别获取不同车辙深度下各层位芯样的轴向应变.轴向应变是指荷载作用次数达到104次时对应的应变或者提前到达试验终止条件（即轴向应变达到105με）时对应的应变，轴向应变越大，表明沥青混合料抵抗高温变形的能力越差.选取加载周期t=6000 s处对应的轴向应变作为参照，不同车辙深度下各层位芯样的轴向应变见图2.

图1 不同车辙深度下各层位芯样的动态蠕变曲线Fig.1 Dynamic creep curves of core samples in different layers at different rutting depths

图2 加载周期t=6000 s时不同车辙深度下各层位芯样的轴向应变Fig.2 Axial strains of core samples in different layers at different rutting depths at loading period t=6000 s

一般来说，沥青混合料在重复荷载作用下会出现三个变形阶段：第一阶段为压密阶段，随着荷载作用时间的增加，蠕变变形速率逐渐递减；第二阶段为变形稳定阶段，此阶段的蠕变变形速率基本不变；第三阶段为流动失稳阶段，该阶段的应变和应变速率不断增加，沥青混合料发生剪切流动变形［11-13］.从图1可以看出，除了车辙深度为17.5 mm处的中面层芯样进入第三阶段外，其余各芯样均处于第二阶段.整体来看，不同车辙深度下中面层芯样的轴向应变均高于上面层芯样，表明中面层SUP-20沥青混合料抵抗高温变形的能力比上面层SMA-13沥青混合料抵抗高温变形的能力差.随着车辙深度的增加，上面层芯样轴向应变的变化幅度较小，主要原因为SMA-13沥青混合料具有骨架密实结构，可以抵抗来自车辆荷载产生的压应力并保持良好的抵抗高温变形的能力.随着车辙深度的增加，中面层芯样的轴向应变先略微减小然后显著增加，说明随着车辙深度的增加，中面层沥青混合料抵抗高温变形的能力先有所增强后快速减弱.当车辙深度为11.2 mm时，中面层芯样的轴向应变最小，说明此时中面层沥青混合料抵抗高温变形的能力最强.这种变化趋势与材料自身特性以及交通荷载对沥青混合料造成的累积损伤有关.中面层的SUP-20沥青混合料属于悬浮密实型结构，内摩擦角较小，材料本身抵抗高温变形的能力较差；在交通荷载作用下，中面层首先会经历初步压密过程，沥青混合料内部的空隙率降低，使得中面层沥青混合料抵抗高温变形的能力有所增强；随着交通荷载的增加，中面层承受的剪切应力不断累积，沥青混合料中的集料会沿矿料间的接触面发生相对滑动，于是微小裂纹不断累积，最终导致中面层沥青混合料抵抗高温变形的能力减弱.因此，在交通荷载作用下，沥青路面的车辙破坏首先会发生在中面层，也就是说水利枢纽永久道路沥青路面抵抗高温变形的能力主要取决于中面层沥青混合料.

2.1.2 不同车辙深度下不同层位沥青混合料的轴向应变速率 轴向应变速率可以表征交通荷载作用下路面车辙变形的发展速率，轴向应变速率越大，表明沥青路面发生车辙变形的速率越大.不同车辙深度下各层位芯样的轴向应变速率见图3，同时对加载周期t=6000 s时不同车辙深度下各层位芯样的轴向应变速率（图4）进行对比分析.

图3 不同车辙深度下各层位芯样的轴向应变速率Fig.3 Axial strain rates of core samples in different layers at different rutting depths

图4 加载周期t=6000 s时不同车辙深度下各层位芯样的轴向应变速率Fig.4 Axial strain rates of core samples in different layers at different rutting depths at loading period t=6000 s

从图3可看出，除了车辙深度为17.5 mm处的中面层芯样进入第三阶段外，其余各芯样均处于第二阶段.不同车辙深度下各层位芯样的轴向应变速率的变化趋势与轴向应变相似.随车辙深度的增加，上面层芯样的轴向应变速率的变化幅度较小，中面层芯样的轴向应变速率则先减小后增加，说明随着车辙深度的增加，上面层沥青混合料发生车辙变形的速率几乎不变，但是中面层沥青混合料发生车辙变形的速率则先减小后增大.当车辙深度为11.2 mm 时，中面层芯样的轴向应变速率最小，说明此时中面层沥青混合料发生车辙变形的速率最小.

综合轴向应变和轴向应变速率的结果可知，上面层沥青混合料抵抗高温变形的能力和发生车辙变形的速率受车辙深度的影响较小；随着车辙深度的增加，中面层沥青混合料抵抗高温变形的能力先增强后减弱，发生车辙变形的速率则先减小后增大；当车辙深度为11.2 mm时，中面层沥青混合料抵抗高温变形的能力最强且发生车辙变形的速率最小，因此若在此车辙深度下及时对沥青路面进行养护，对于路面结构的长期保存可能是有利的.

2.2 修正的Burgers模型非线性拟合结果

采用修正的Burgers模型（图5）来分析不同车辙深度对不同层位沥青混合料动态蠕变特性的影响.该模型将Burgers 模型中表征材料黏性流动变形特性的外部黏性元进行非线性修正，即图5中所示的外置黏壶，表达式见式（1）和式（2）.黏性系数η1随加载时间的增加而增大，沥青混合料的黏性流动变形εp趋于定值，符合沥青路面车辙变形的黏弹性特征［14-16］.修正的Burgers模型的表达式见式（3）和式（4）.

图5 修正的Burgers模型Fig.5 Modified Burgers model

式中：σ0为施加应力，MPa；E1为瞬时弹性阶段的模量，MPa；A为串联黏壶黏性大小，105MPa；B为串联黏壶黏度非线性增长的速率，10-6MPa·s-1；E2为系数延迟弹性模量，即与黏壶并联的弹簧的弹性模量，MPa；η1为串联黏壶黏性系数，104MPa·s；η2为并联黏壶黏性系数，104MPa·s；t为加载周期，s；tk为延迟时间，s；εp为外置黏壶的应变；εt为修正的Burgers模型随时间t的应变.

采用1stOpt15 Pro软件对不同车辙深度下各层位沥青混合料的蠕变曲线进行非线性拟合，得到不同车辙深度下各层位沥青混合料的黏弹性拟合参数，如表2和表3所示.

表2 不同车辙深度下上面层沥青混合料黏弹性参数拟合结果Tab.2 Fitting results of viscoelastic parameters of asphalt mixtures in upper layer at different rutting depths

表3 不同车辙深度下中面层沥青混合料黏弹性参数拟合结果Tab.3 Fitting results of viscoelastic parameters of asphalt mixtures in middle layer at different rutting depths

从表2和表3可以看出，黏弹性参数受沥青混合料类型和车辙深度的影响均较大.为了更清晰地表征黏弹性参数随车辙深度的变化规律，选取黏性系数η1和延迟时间tk（η2/E2）这两个表征沥青混合料黏弹性变形的关键参数进行比较，如图6所示.tk可以表征沥青混合料黏弹性变形的发展速率，其值越小，表明沥青混合料发生黏弹性变形的速率越大，沥青混合料越容易发生黏弹性变形［17-18］，其中E2为延迟弹性模量，加载时起到阻止黏性元件变形发展的作用.η1为不可恢复的永久变形黏性系数，η1越大，表明沥青混合料的黏聚力越大、抵抗高温变形的能力越强［19-20］.

图6 加载周期t=6000 s时不同车辙深度下各层位沥青混合料的黏弹性参数η1 和tk 的值Fig.6 Values of viscoelastic parameters η1 and tk of asphalt mixtures of different layers at different rutting depths at loading period t=6000 s

从图6（a）可以看出，上面层沥青混合料的η1远远大于中面层沥青混合料，表明上面层沥青混合料具有较大的黏聚力，抵抗高温变形的能力较强.上、中面层沥青混合料的η1均随车辙深度的增加先升高后降低，但上面层沥青混合料η1的下降幅度高达31.1%，中面层沥青混合料η1的下降幅度高达56.8%，说明随车辙深度的增加，中面层沥青混合料的黏聚力下降的更多，抵抗高温变形的能力更弱.上、中面层沥青混合料的η1在车辙深度分别为8.6、11.2 mm时均有所增加，主要原因为沥青混合料在交通荷载作用初期产生压密作用，沥青混合料内部的黏聚力增大，抵抗高温变形的能力增强，但随着车辙深度的继续增加，沥青混合料内部的黏聚力就会逐渐减小，抵抗高温变形的能力也会逐渐减弱.从图6（b）可以看出，随着车辙深度的增加，上、中面层沥青混合料的延迟时间tk具有相似的变化趋势，均为先显著降低，然后保持平缓，最后再显著降低.总的来看，在不同车辙深度下，中面层沥青混合料的tk均小于上面层沥青混合料，说明与上面层沥青混合料相比，中面层沥青混合料的黏弹性变形速率更大，这就意味着中面层沥青混合料发生车辙变形破坏的速度更快.

综上可知，在初期压密阶段随着车辙深度的增加，上、中面层沥青混合料抵抗高温变形的能力均逐渐增强，随着车辙深度的持续增加，沥青混合料内部的微损伤开始不断累积，导致上、中面层沥青混合料的轴向应变速率均迅速增加，抵抗高温变形的能力则均会严重减弱.但是与中面层沥青混合料相比，上面层沥青混合料的动态蠕变特性受车辙深度的影响较小.

3 结论

采用动态蠕变试验研究了不同车辙深度对某水利枢纽永久道路沥青路面各层位沥青混合料动态蠕变特性的影响，得到主要结论如下：

1）动态蠕变试验表明，随着车辙深度的增加，上面层沥青混合料的轴向应变和轴向应变速率的变化幅度均较小，中面层沥青混合料的轴向应变和轴向应变速率则先降低后增加，说明上面层沥青混合料受车辙深度的影响较小，抵抗高温变形的能力较强，而中面层沥青混合料受车辙深度的影响较大，抵抗高温变形的能力随着车辙深度的增加先增强后减弱.

2）车辙压密在一定程度上可以提升中面层沥青混合料的密实度，增强中面层沥青混合料抵抗高温变形的能力，然而随着车辙深度的持续增加，中面层沥青混合料内部的黏聚力有所降低，导致其抵抗高温变形的能力有所减弱.

3）修正的Burgers模型非线性拟合结果表明，随着车辙深度的增加，上、中面层沥青混合料的黏性系数η1和延迟时间tk均有所降低，表明在长期服役状态下，上、中面层沥青混合料的黏聚力均会下降，抵抗高温变形的能力也均会减弱.在初期压密阶段，随着车辙深度的增加，上、中面层沥青混合料抵抗高温变形的能力均逐渐增强，随着车辙深度的继续增加，上、中面层沥青混合料内部的微损伤开始不断累积，于是上、中面层沥青混合料的轴向应变速率均迅速增加，抵抗高温变形的能力则均会严重减弱，但是与中面层沥青混合料相比，上面层沥青混合料的动态蠕变特性受车辙深度的影响较小.

4）综合来看，水利枢纽永久道路沥青路面抵抗高温变形的能力主要取决于中面层沥青混合料，因此道路管养部门在对路面进行养护时需要加强对中面层沥青混合料性能的评估，并且建议其在合适的车辙深度下展开养护.