组合式基层沥青路面使用性能分析研究

包文静

（江西赣粤高速公路股份有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

半刚性基层是我国沥青路面主要采用的基层结构，半刚性基层强度高、刚度大且稳定性好，能够提高沥青面层抵抗行车荷载疲劳破坏能力，因此整体上使用状况良好[1-3]。随着使用年限的增长，半刚性基层沥青路面暴露出容易出现早期损坏病害的问题，主要由于半刚性基层自身的干缩及温缩特点，其抗裂性能一般，沥青路面易出现裂缝病害，裂缝病害的不断发展对路面的使用寿命产生了负面影响[4-6]。纵观国外沥青路面结构多采用组合式基层、柔性基层和全厚式基层，采用半刚性基层的很少，如美国、日本[7-8]。实际使用过程中，其路面并没有出现车辙大、疲劳开裂的问题，路面性能表现十分优异。因此为了提高沥青路面的使用性能，从路面结构入手，旨在突破传统路面结构组合在受力状态、材料物理力学性能方面的局限性，达到延长路面结构寿命的目的。本研究以典型半刚性基层路面高速公路为依托工程，从常规检测性能、结构内部状态和结构层材料特性三个维度评价该路段半刚性基层结构和3种组合式基层结构路面使用性能，对我国路面结构的优化提供实验数据和使用经验。

1 路面信息

1.1 项目背景

所选典型高速为某高速G15段。某高速公路是沿江开发江北交通主骨架的重要组成部分，于2004年10月建成通车，至今已近20年。依据路网交通量的断面划分，统计某高速G15段自2008年以来的历年日均交通量及年增长率，沿线各枢纽之间交通量差异较小，如图1所示。

图1 某G15段历年日均交通量

1.2 路面结构

某高速G15段从结构形式上划分为半刚性基层路段及组合式基层路段，主流采用18cm沥青面层+36cm水泥稳定碎石基层+16cm二灰碎石底基层结构，建设期为了探索组合式基层的使用性能，为长寿命路面积累工程经验，因此部分路段采用了组合式基层路面结构。路面结构差异导致不同路段的衰减状况不同，对此进行深入对比分析十分必要。典型高速公路路面结构信息见表1所示。

表1 典型高速公路路面结构信息

2 常规检测性能分析

2.1 不同结构沥青路面性能的现状分析

（1）破损

不同结构组合PCI见图2所示，不同结构组合裂缝间距见图3所示。半刚性基层、组合式基层1、组合式基层2、组合式基层3四种路面结构的PCI值分别为96.01、97.21、96.81、97.37，表明组合式基层3 和1 路面的破损状况较好，其次是组合式基层2，最差的为半刚性基层路面；由裂缝间距指标来看，组合式基层1 路面的裂缝间距最大，超过了100m，其次是组合式基层3和2，最差的为半刚性基层路面，表明组合式基层1路面的抗裂性能较好。

图2 不同结构组合PCI

图3 不同结构组合裂缝间距

（2）车辙

不同结构组合车辙见图4所示。半刚性基层、组合式基层1、组合式基层2、组合式基层3四种路面结构的RDI值分别为94.20、94.30、93.42、93.91，即车辙性能最好的为组合式基层1，其次为半刚性基层和组合式基层3，相对较差的是组合式基层2。

图4 不同结构组合车辙

2.2 不同结构沥青路面性能历年发展规律

（1）沥青路面破损状况发展规律分析

不同路面结构形式PCI随时间变化见图5所示。由图5可以看出，从2011年～2018年，四种结构路面的PCI逐渐降低，整体表现为半刚性基层＜组合式基层1＜组合式基层3＜组合式基层2。

图5 不同路面结构形式PCI随时间变化

不同路面结构形式每公里裂缝条数随时间变化见图6所示。由图6可以看出，从2010年～2018年，四种结构路面的裂缝条数逐渐增加，在2014年后，增加的幅度较大，其中半刚性基层路面的裂缝条数增长幅度明显大于组合式基层路面。裂缝状况整体表现为半刚性基层＜组合式基层1＜组合式基层3＜组合式基层2。

图6 不同路面结构形式每公里裂缝条数随时间变化

（2）沥青路面车辙发展规律分析

不同路面结构形式RDI随时间变化见图7所示。由图7可以看出，从2011年～2018年，四种结构路面的RDI值基本表现为先下降后上升的趋势，车辙状况整体表现为组合式基层2＜组合式基层3＜组合式基层1＜半刚性基层。

图7 不同路面结构形式RDI随时间变化

（3）沥青路面平整度发展规律分析

不同路面结构形式RQI随时间变化见图8所示。由图8可以看出，从2011年～2018年，四种结构路面的RQI值基本无明显变化，即四种结构路面的平整度性能基本相当。

图8 不同路面结构形式RQI随时间变化

（4）沥青路面抗滑性能发展规律分析

不同路面结构形式SRI随时间变化见图9所示。由图9可以看出，从2011年～2018年，四种结构路面的SRI值呈现逐渐减小的趋势，2011～2016年四种路面的抗滑性能减小的幅度基本一致，2016年后，四种结构路面的抗滑性能降低的速率不一，表现为组合式基层2路面的抗滑性能下降幅度明显大于半刚性基层，组合式基层3路面抗滑性能下降幅度与半刚性基层一致，组合式基层1路面抗滑性能下降幅度小于半刚性基层路面。

图9 不同路面结构形式SRI随时间变化

3 结构内部状态研究

3.1 探地雷达

探地雷达利用高频电磁波（主频为数十兆赫至数百兆赫以至千兆赫）以宽频带短脉冲形式，由地面通过发射天线T送入地下，经地下地层或目的体反射后返回地面，为地面接收天线R所接收，通过对接收波场的成像分析，获取地下目标的探测图像[9]。

路面结构完整性采用高动态探地雷达进行检测，天线频率为750MHz，检测速度为80km∕h，数据输出形式为连续输出，检测车道及位置为车道右轮迹。路面结构内部病害识别采用人工识别结合软件辅助的方法，记录的结构内部病害主要包括：不密实、层间不良、松散，记录的层位包括：面层、上基层、下基层及各层层间。

3.2 病害类型

通过路面结构内部病害分类统计见图10。

图10 病害类型统计

（1）半刚性基层路面结构内部的层间不良为60.06%，不密实为36.90%，层间松散为2.88%，结构松散为0.16%；组合式基层1路面结构内部的层间不良占比为55.32%，不密实为44.46%，层间松散为0.22%，结构松散为0.00%；组合式基层2路面结构内部的层间不良占比为59.21%，不密实为40.35%，层间松散为0.44%，结构松散为0.00%；组合式基层3路面结构内部的层间不良占比为67.21%，不密实为32.39%，层间松散为0.30%，结构松散为0。

（2）半刚性基层路面结构内部病害较严重，出现了结构松散病害，组合式基层均没有出现结构松散病害；且半刚性基层路面结构内部的层间松散病害也多于三种组合式基层路面。

3.3 病害层位

对不同路面结构内部病害发展层位进行统计分析见图11。

图11 不同路面结构内部病害发展层位统计分析

（1）半刚性基层路面结构内部的层间不良病害主要发生在面层与基层之间，占比为22.85%，其次为基层与底基层之间有30.70%，不密实病害主要发生在上基层，占比31.33%，层间松散病害占比2.26%；

（2）组合式基层1路面结构内部的层间不良病害主要发生在基层与底基层之间，占比为35.06%，其次为基层与基层之间有18.06%，不密实病害主要发生在下基层，占比39.38%；

（3）组合式基层2路面结构内部的层间不良病害主要发生在基层与底基层之间，占比为47.09%，其次为基层与基层之间有17.10%，不密实病害主要发生在下基层，占比34.08%；

（4）组合式基层3路面结构内部的层间不良病害主要发生在基层与底基层之间，占比为32.34%，其次为基层与基层之间有31.05%，不密实病害主要发生在下基层，占比35.87%；

综上所述，半刚性基层路面结构的层间不良出现在面层和基层之间，而组合式基层路面结构的面层和基层间的层间粘结良好，其基层与基层间的层间不良偏多；对于不密实病害，半刚性基层路面主要出现在上基层，而组合式基层出现在下基层；对于松散病害，半刚性基层路面结构的松散病害明显多于组合式基层，且半刚性基层路面出现了结构松散病害，而组合式基层路面结构中并未出现。

4 材料性能研究

4.1 半圆弯拉试验

试验中，试件尺寸为直径150mm，高度40mm，试验温度为25℃，加载速率为0.5mm∕min。试验场景如图12所示。用断裂能指标对其抗疲劳性能进行评价[10]。

图12 半圆弯拉试验

对不同基层类型路面芯样上面层断裂能进行对比（见图13所示）可知，半刚性基层和组合式基层沥青路面裂缝旁和完好处两个断面的上面层半圆弯拉试验结果显示，组合式基层沥青路面完好处断面的上面层断裂能略低于半刚性基层，降低4%，而其裂缝旁断面的上面层断裂能较半刚性基层有所提高，约提高30%；无论是半刚性基层还是组合式基层，其上面层断裂能均表现为完好处＞裂缝旁，其中半刚性基层沥青路面完好处上面层的断裂能较裂缝旁提高36%，较组合式提高0.7%，表明组合式基层沥青路面裂缝的产生对其相邻断面的疲劳性能影响不大，其疲劳性能较好。

图13 不同基层类型路面芯样上面层断裂能对比

对不同基层类型路面芯样上面层断裂能进行对比（见图14所示）可知，半刚性基层沥青路面芯样上面层的断裂能为1779.918J·m-2，组合式基层沥青路面芯样上面层的断裂能为1972.214J·m-2，组合式基层较半刚性基层沥青路面上面层的断裂能提高11%，表明其抗疲劳性能明显优于半刚性基层。

图14 不同基层类型路面芯样上面层断裂能对比

4.2 同轴直剪试验

由前文可知，各断面车辙大小情况为组合式基层断面一＜半刚性基层断面一＜组合式基层断面二。车辙处各芯样中面层剪切强度对比见图15。由图15可知，三个断面中车辙处的中面层剪切强度均大于路肩处，显示不同结构车辙均处在压密稳定阶段，且分别提高了55%、94%、8%，表明半刚性基层沥青路面中面层的剪切强度受高温影响较大，其抵抗车辙的能力较差；三个断面车辙处的中面剪切强度大小表现为组合式基层断面一＞半刚性基层断面一＞组合式基层断面二，其中半刚性基层断面一车辙处的中面层剪切强度为0.68MPa，而组合式基层断面二车辙处的中面层剪切强度为0.65MPa，两者差异很小，表明组合式基层沥青路面发生很大车辙后其中面层的剪切强度下降慢，抵抗车辙能力更强[11]。

图15 车辙处各芯样中面层剪切强度对比

4.3 劈裂试验

不同位置处路面芯样基层劈裂强度对比见图16，由图16可知，对于半刚性基层沥青路面，其基层劈裂强度大小表现为裂缝旁＞完好处，其面层劈裂强度大小表现为裂缝旁＜完好处，对于组合式基层沥青路面，其基层劈裂强度大小表现为裂缝旁＜完好处，其面层劈裂强度大小表现为裂缝旁＞完好处。

图16 不同位置处路面芯样基层劈裂强度对比

不同基层类型路面芯样劈裂强度对比见图17，由图17可知，半刚性基层和组合式基层的基层劈裂强度分别为1.5669MPa和1.7425MPa，组合式基层较半刚性基层提高了11%；半刚性基层和组合式基层的上面层劈裂强度分别为1.1854MPa和1.2667MPa，组合式基层较半刚性基层提高了7%。表明组合式基层的修建，使其沥青路面承受长期荷载作用后，其基层和面层的低温抗裂性能都较同时期修建半刚性基层优异。

图17 不同基层类型路面芯样劈裂强度对比

5 结束语

（1）从不同结构路面长期性能发展规律来看，四种结构路面的PCI逐渐降低，整体表现为半刚性基层＜组合式基层1＜组合式基层3＜组合式基层2；其RDI值基本表现为先下降后上升的趋势，车辙状况整体表现为组合式基层2＜组合式基层3＜组合式基层1＜半刚性基层。

（2）RQI值基本无明显变化，即四种结构路面的平整度性能基本相当；SRI值呈现逐渐减小的趋势，2011～2016年四种路面的抗滑性能减小的幅度基本一致，2016年后，四种结构路面的抗滑性能降低的速率不一。

（3）无论是半刚性基层还是组合式基层，其结构内部病害主要为层间不良和不密实，占比分别为60.45%、38.53%；半刚性基层路面结构内部的层间松散病害占比2.88%，多于三种组合式基层路面的0.32%，半刚性基层路面结构内部甚至出现了0.16%的结构松散病害，组合式基层均没有，表明半刚性基层路面结构的内部完整性较差。

（4）半刚性基层路面和组合式基层路面的基层与底基层间的层间不良均较多，占比分别为30.70%、38.16%，半刚性基层路面结构的层间不良出现在面层与基层间，占比为22.85%，而组合式基层路面结构的面层与基层间的层间粘结良好，病害出现比例仅为0.80%，其基层与基层间层间不良偏多，占比为22.25%。

（5）对于不密实病害，半刚性基层路面主要出现在上基层，占比为31.11%，而组合式基层出现在下基层，占比为36.44%；对于松散病害，半刚性基层路面结构的松散病害明显多于组合式基层，且半刚性基层路面出现了结构松散病害，而组合式基层路面结构中并未出现。

（6）车辙发生后的中面层剪切强度普遍提高了，车辙越大提高的程度越小；而且车辙较大处的组合式基层沥青路面与比其车辙小的半刚性基层沥青路面的中面层剪切强度基本一致，表明组合式基层沥青路面的中面层抗车辙能力更强。

（7）组合式基层路面上面层和基层的劈裂强度较半刚性基层分别提高7%和11%，其上面层的断裂能较半刚性基层沥青路面提高11%，表明其低温抗裂性能和抗疲劳性能明显优于半刚性基层。