公路沥青路面的弯沉与耐久性关系探讨

2020-04-13胡丰振

工程技术研究 2020年2期

胡丰振

（中交一公局集团有限公司海外事业部，北京 100024）

随着我国交通网络的快速发展，公路建设逐年增长，在发展的过程中也出现了一系列的问题，首要的就是公路验收标准方面的。沥青路面普遍采用的是路面结构形式，随着使用年限和车流量的提升，路面的弯沉值会发生明显的增大，而这种增大会造成裂缝、沉降等病害的产生，进而引发沥青路面耐久性的下降。为了可以确保公路的正常运营，沥青路面必须有足够的稳定性与耐久性。虽然目前关于沥青路面的弯沉对耐久性影响的研究还很少，但弯沉值对公路路面的使用性能有很大的影响，不容忽视。

1 沥青路面弯沉指标简介

弯沉是我国沥青路面设计的一个重要的技术指标，其在施工质量控制中也有着非常重要的作用。所谓弯沉，就是在车辆荷载作用的影响下，路面产生的垂直向下的一个变化值。由于其变形可恢复性，弯沉也可以分为表示回弹变形的回弹弯沉与包括塑性变形的总弯沉。不同的测量手段就会测出不同的弯沉值，使用贝克曼梁法测出的就是回弹弯沉，而采用落锤式弯沉仪测出的弯沉则为总弯沉。

弯沉反映着沥青路面结构的承载能力，受到许多公路建设人员的重视。我国从1978 年柔性路面设计规范开始，就将弯沉指标作为沥青路面的重要指标。一直以来，弯沉指标在实际应用中不断地进行完善，已经基本满足沥青路面的建设。弯沉指标从一定程度反映了沥青路面的使用性能，但沥青路面的使用性能还有其他多种因素的影响。过分强调或者忽略弯沉指标，都不利于完善沥青路面的结构设计。根据大量的实践证明，路面结构形式对弯沉的影响较大，刚性、半刚性、柔性基层所采用的弯沉控制标准是不同的。

2 弯沉的检测方法

2.1 贝克曼梁弯沉法

贝克曼梁检测弯沉，就是利用杠杆原理。在规范当中，对于贝克曼梁法的操作是有明确规定的，在测试的过程中应当严格按照规范进行操作，例如对压力的大小、轮胎的间隙与尺寸等都有精准的规定。其中梁的后壁长度应为前壁长度的1/2，且梁的总长度也有两种类型，分别为5.4m 和3.6m，不同的长度对测量的范围与精度也是有所不同的。在测试的过程中需要先在两个轮胎直接插入梁且不能触碰到轮胎，之后再将百分表放置于梁的末端，在车辆缓速前进前进的过程中，路面也会随着产生变形，百分表的读数也会随之增大，最终取百分表的最大值。当遇到面层较厚的情况，需要通过经验公式对弯沉进行修正。

2.2 承载板法

承载板法就是在承载板上不断地加载，每加一级荷载待状态稳定后就读一次数据，待回弹变形超过1mm后停止加载，最终读取两个百分表最初读数与最终读数的差值的平均数。该数值经过换算即为所测得的弯沉值。

2.3 激光自动弯沉仪

自动弯沉仪的原理与贝克曼梁法的原理基本相似，就是测量的手段发生了变化，由之前的百分表变为了位移传感器与激光测距仪，从而实现了自动的测量。测试车辆的行驶速度较为缓慢，大约为3km/h，速度一定需要保持稳定。其测量部分可以通过电脑事先设定好，测距会随着车辆的不断运行而进行不断地测量。采集系统可以通过对位移、温度、距离等不同参数的采集然后存储在电脑之中。与贝克曼梁法进行比较，自动弯沉仪对数据的采集更为精准，误差较小，自动化的程度较高，可以减轻测量人员工作强度。但是这类仪器的机械化程度较高、系统较为复杂，因此对检测人员的专业素养提出了很高的要求。自动弯沉仪具有高效和和方便快捷的特点，目前已经成熟的运用于公路的质量验收与检测工作中。

2.4 落锤式弯沉仪

在国际上，落锤式弯沉仪使用最为广泛，该种方法的测量结果较为稳定和可靠。落锤式的弯沉仪主要是由拖车、控制系统、信息处理系统以及输出系统四个系统组成的。拖车的目的就是为了安置重锤，对地面产生一定的冲击荷载。该种测量方法可以同时对8 个左右的位置同时进行弯沉的测量。落锤式弯沉仪的测量效率较高，一天可以检测大概50km 左右的路线，且测量的结果较为准确精度高，所以反算出来的结果的可靠度也较高。该种方法的使用范围较为广泛，也是目前最受欢迎的弯沉测试方法之一。

3 沥青路面的耐久性影响因素

从影响的结构上来讲，沥青路面耐久性的影响因素主要分为内部影响因素与外部影响因素。其中内部的影响因素包括了沥青的质量、配合比等，而外部的影响因素就主要指的是温度、水等。沥青路面耐久性影响因素如图1 所示。其中内因是决定路面耐久性的最为主要的因素，而外因则起到辅助加强的作用。

图1 沥青路面耐久性影响因素

3.1 沥青的质量

沥青的质量是影响路面耐久性的最为主要的因素。沥青的好与坏直接决定了路面质量的好坏，衡量沥青质量的技术指标主要有针入度、延度、软化点等。倘若沥青的质量较差、黏度较低、延度较小，就容易造成路面容易形成车辙并出现裂缝的现象。因此需要将沥青进行一定的物理或者化学改性处理，以此来增强沥青的性能。其中物理改性主要是在沥青中加入土工合成材料，从而提高沥青的承载能力，减少其变形。而化学改性则是通过在沥青中掺入高分子聚合物产生化学反应来改变沥青的流动变形能力。

3.2 配合比

沥青混合料的配合比是极其重要的一项工作，其配合比的优良直接决定了沥青路面的使用性能。在目前，检测沥青配合比的手段主要还是马歇尔试验，可以通过改变矿粉、粗集料等的含量来提高沥青路面的耐久性与抗滑的性能，其目的就是为了改善磨耗层的使用性能。

3.3 温度与水

温度的变化主要指的是高温和低温对路面的影响，过高的温度可以加速沥青分子的运动，进而容易造成路面发生变形，而温度过低就会使路面产生不均匀的收缩从而产生拉应力最终导致路面出现裂缝。水对沥青路面的影响主要体现在水从沥青的表面渗入混合料的内部，在长期的交通荷载反反复复的作用下，集合料逐渐开始松散、掉粒。而在车辆的作用下，沥青会不断移动，最终造成破坏。

4 探究弯沉与耐久性关系的工程实例

文章通过对北京某一高速公路的实际情况进行测试和分析，探讨公路沥青路面弯沉与耐久性直接的内在关系。此段高速公路建设的工期较短，土体含水率较大，相对较为湿润，在道路通车没过多久就出现了局部沉降变形、路面开裂的病害现象。为此，制定了定期观测的方法通过道路检测仪器进行数据的记录与分析，以此来建立能够基本符合高速公路实际的运营情况的评价体系与预测模型。一共选择了5 条典型的路段作为试验路段，并进行了5 年的观测。同时选择了AC 与SMA 两种类型的路面材料进行观测，探讨路面材料对弯沉的影响。

在通车运营之后，各种类型的车辆承载着不同的重量，对路面进行了反复的碾压，路面的各个结构层以及路基的各项指标例如回弹模量和强度都在发生着变化，其各项指标随着时间在不断地衰减，路面的弯沉值则会不断地增大。具体的变化情况为：在公路沥青路面刚刚通车的1 年之内，由于在建设过程中难免会在基层内出现一定的孔隙，一经通车，在不同载重的车辆反复碾压之下，沥青的混合料之间变得越来越密实，基层材料的强度随着时间增长而不断增强，在此时间内路面产生的弯沉变化很小，数值相对来说较为稳定；在第二个阶段，也就是通车之后的2 ～5 年内，由于外界水、温度等因素对面层的影响，路面开始出现了破坏的现象，在此时间段内基层的强度达到了稳定的状态，而路面的弯沉值也变化得较为明显；在通车5 年之后，对遭到破坏的路面已经进行了部分的修补，路面的弯沉又到达了相对稳定的状态。各个路段的弯沉随时间的变化趋势如图2 所示，每个路段的弯沉随时间的变化大致相似，起初相对较为稳定，之后会有一段增长期，接着又会趋于稳定。