旧沥青路面裂缝较多采用砂浆灌缝（复合浇注式沥青钢桥面铺装车辙病害层位分布特性研究）

旧沥青路面裂缝较多采用砂浆灌缝（复合浇注式沥青钢桥面铺装车辙病害层位分布特性研究）美国相关研究学者通过将法国车辙试验结果与沥青混合料的抗车辙性能进行对比研究发现，法国车辙试验结果与路面实际车辙深度间具有较好的相关性[7 8 9]。因此，本研究利用Abaqus有限元软件建立法国车辙试验模型(见图2) 模型尺寸为500 mm×180 mm×75 mm(40 mm厚的浇注式沥青混合料 35 mm厚的高弹改性沥青混合料) 荷载作用轮宽90 mm 荷载大小为0.7 MPa 荷载频率为1 Hz。其中，模型中材料的基本力学与热力学参数见表1。然而，复合浇注式沥青铺装方案不同于上述学者所研究的双层异质铺装结构，与双层同质铺装结构也不尽相同。因此，针对复合浇注式沥青混凝土钢桥面铺装方案，开展各结构层变形对于铺装层总车辙深度的贡献率研究，对于掌握复合浇注式铺装方案车辙形成机理及科学制定养护方案，具有现实意义。境内外学者通过室内试验、现场取芯及有限元模拟等手段，对沥青路面车辙贡献率及不同

曹健 张可强 吴钊苏交科集团股份有限公司新型道路材料国家工程实验室

摘 要：采用Abaqus有限元软件，以及国标车辙、法国车辙和汉堡车辙试验等研究了复合浇注式沥青钢桥面铺装方案中各结构层形变对于总车辙深度的贡献率，结果表明：在不同车辙深度下，高弹改性沥青混凝土(AC)铺装上层贡献率均大于浇注式沥青混凝土(GA)铺装下层；但随着总车辙深度的增大，AC层贡献率逐渐降低，GA层贡献率逐渐提升，车辙病害逐步向铺装下层发展。该研究成果对于了解复合浇注式沥青钢桥面铺装车辙分布规律及不同程度车辙病害维修养护方案的制定具有借鉴意义。

关键词：钢桥面铺装;复合浇注式;车辙贡献率;

基金：江苏省交通运输科技项目，项目编号2019Y40;

南京栖霞山长江大桥(原南京长江第四大桥)为国内首座采用复合浇注式沥青铺装方案(即以硬质沥青掺配湖沥青为胶结料的浇注式沥青混凝土铺装下层 高弹改性沥青密级配混凝土铺装上层，其铺装方案如图1所示)的大跨径悬索桥。自2012年建成通车至今，铺装层服役近9年。历年检测结果表明，铺装层暂无明显的车辙病害，但车辙深度有逐年增长的趋势。其中，双向第一、第二车道车辙深度较小、增长缓慢，双向第三车道增长相对明显。基于复合浇注式沥青混合料60℃动稳定度为400次/mm左右的性能特点，结合境内外同类铺装使用及养护历史可知，车辙深度增长是复合浇注式沥青铺装方案的重点关注对象。

境内外学者通过室内试验、现场取芯及有限元模拟等手段，对沥青路面车辙贡献率及不同因素对各结构层贡献率的影响开展了全面深入的研究，其研究结论大多认为3层沥青结构中，车辙主要发生在中面层[1 2 3 4 5]。其中，罗桑等借助Abaqus有限元软件，对“GA GA”、“EA EA”的双层同质铺装结构，以及“GA铺装下层 EA铺装上层”、“EA铺装下层 GA铺装上层”的双层异质铺装结构进行了仿真分析[6]。其研究结果表明，在双层异质铺装结构中，车辙主要发生在浇注式沥青混凝土层；而双层同质铺装结构中，车辙主要发生在铺装上层。

图1 复合浇注式沥青混凝土铺装结构

单位：mm

然而，复合浇注式沥青铺装方案不同于上述学者所研究的双层异质铺装结构，与双层同质铺装结构也不尽相同。因此，针对复合浇注式沥青混凝土钢桥面铺装方案，开展各结构层变形对于铺装层总车辙深度的贡献率研究，对于掌握复合浇注式铺装方案车辙形成机理及科学制定养护方案，具有现实意义。

1 有限元仿真模拟1.1有限元仿真模型的建立

美国相关研究学者通过将法国车辙试验结果与沥青混合料的抗车辙性能进行对比研究发现，法国车辙试验结果与路面实际车辙深度间具有较好的相关性[7 8 9]。因此，本研究利用Abaqus有限元软件建立法国车辙试验模型(见图2) 模型尺寸为500 mm×180 mm×75 mm(40 mm厚的浇注式沥青混合料 35 mm厚的高弹改性沥青混合料) 荷载作用轮宽90 mm 荷载大小为0.7 MPa 荷载频率为1 Hz。其中，模型中材料的基本力学与热力学参数见表1。

图2 法国车辙试验模型

表1 有限元模型材料基本参数

材料	温度/℃	弹性模量/MPa	泊松比	密度/(kg/m3)	热传导率/(W/(m·℃))	比热容/(J/(kg·℃))
高弹改性沥青 混凝土AC	30	4 000	0.25	2 414	4 680	920
	40	900	0.25
	50	700	0.30
	60	550	0.35
浇注式沥青 混凝土GA	30	2 000	0.25	2 306	4 680	943
	40	800	0.25
	50	600	0.30
	60	400	0.35

1.2有限元仿真结果

法国车辙试验模拟应变云图见图3 不同车辙深度下各结构层贡献率模拟结果见图4。

图3 法国车辙试验模拟应变云图

图4 车辙贡献率有限元模拟结果

由图4可以看出，在所模拟的车辙深度范围内，高弹改性沥青AC铺装上层贡献率大于浇注式沥青GA铺装下层；且随着总车辙深度的增大，AC层贡献率逐渐降低，GA层贡献率逐渐增大。这表明随着铺装层总体变形的增大，行车荷载对铺装下层的作用越发凸显。由于钢结构桥梁自身受力特性与沥青路面具有较大的不同，导致该试验结果与传统沥青路面中车辙主要发生在路面以下50 mm处的规律具有较大差异。

2 组合结构还原验证2.1配合比设计及组合结构制备

采用南京长江第四大桥钢桥面铺装建设期留存下的原材料，参照建设期混合料配合比，成型复合浇注式沥青钢桥面铺装组合结构试件。浇注式沥青混合料GA和高弹改性沥青混合料AC配合比数据见表2、图5和图6 GA及AC混合料的拌和参数见表3。

GA拌和完成后立即检测混合料流动度，合格后成型组合结构车辙试件，厚度为4.0 cm 然后压入10～15 mm粒径的预拌碎石。待GA试件冷却24 h后，在表层涂布改性乳化沥青，并成型高弹改性沥青AC层，厚度为3.5 cm。组合结构试件总厚度为7.5 cm。

表2 GA与AC混合料合成级配

级配类型		通过下列筛孔(方孔筛，mm)的质量百分率/%
		19.0	16.0	13.2	4.75	2.36	0.6	0.3	0.15	0.075
GA	建设期	—	100	100	73.9	50.3	40.9	31.4	25.7	22.6
	本研究	—	100	100	73.8	51.4	41.6	30.1	26.6	23.1
AC	建设期	100	—	97.2	65.8	42.0	26.0	15.1	8.9	6.0
	本研究	100	—	98.4	66.6	43.0	26.7	15.9	10.0	6.9

图5 GA合成级配曲线

图6 AC合成级配曲线

表3 混合料拌和参数

混合料类型	拌和温度/℃	拌和时间
GA	245	1.5 h
AC	180	90 s

2.2试验条件

本研究主要采用国标车辙试验、法国车辙试验及汉堡车辙试验开展复合浇注式沥青铺装结构车辙深度层位分布特性研究，各组试件车辙深度控制在10～25 mm之间。3种类型车辙试验主要参数见表4。

表4 不同类型车辙试验参数

试验类型	试验 温度/℃	试验环境	试验轮材质	试验荷载/MPa
国标车辙	60	空气浴	实心橡胶轮	0.7
法国车辙		空气浴	充气橡胶轮
汉堡车辙		水浴	钢轮

2.3组合结构还原验证结果

各组试件车辙总深度及各结构层车辙深度试验结果见图7。

图7 组合结构车辙试验结果

从图7试验结果可以看出：各组试验结果表现出与有限元仿真分析高度类似的规律，即随着组合结构总车辙深度的增大，AC层与GA层车辙深度均逐步增大，但在不同车辙深度下AC层贡献率均大于GA层；随着车辙深度的逐渐增大，AC层贡献率逐渐降低，GA层贡献率逐渐增大，车辙病害开始逐步向铺装下层发展。

此外，不同于国标车辙试验与法国车辙试验，汉堡车辙试验结果中组合结构车辙主要分布在AC混合料铺装上层，而GA层几乎未发生明显形变。因为本研究中汉堡车辙试验在水浴环境中开展，铺装上层空隙率为4%左右，在试验过程中水分进入混合料内部，在高温和水的耦合作用下混合料发生水损害，最终出现松散破坏(见图8);而铺装下层GA空隙率接近于0 具有优异的密水性能，试验过程中水分难以进入混合料内部，进而导致组合结构汉堡车辙试验中车辙主要发生于铺装上层。

图8 汉堡车辙试件

由国标车辙与法国车辙试验结果分析可知，当铺装层车辙深度不大于15 mm时，车辙主要发生于铺装上层，仅需针对铺装上层开展相关养护工作即可；当铺装层车辙深度大于15 mm时，铺装上层混合料开始出现流变失稳，逐渐丧失承载能力，铺装下层的车辙贡献率提升至30%以上，此时铺装下层已开始出现较大程度变形乃至结构性破坏。因此，在复合浇注式沥青铺装层服役过程中应及时对铺装层车辙病害进行处理，以避免车辙深度过大而导致铺装下层发生结构性破坏。

2.4法国车辙试验分析

基于法国车辙与沥青路面实际车辙深度间良好的相关性，本文研究了60℃及65℃温度下法国车辙试验轮载作用次数与车辙深度间的关系，试验结果如图9所示。

图9 碾压次数与车辙深度关系(法国车辙)

由图9可知，在不同试验温度下，车辙深度与碾压次数之间具有一致的变化规律。根据车辙深度增长速率的变化，可将车辙深度曲线划分为3个阶段：第一阶段为初期压密阶段，在该阶段中，铺装层的车辙主要来自于混合料的二次压密过程，车辙深度整体增长速度较快，但增长速率逐渐降低；第二阶段为固结蠕变阶段，该阶段中车辙深度近乎呈线性平稳增长；第三阶段为剪切失稳阶段，铺装层在该阶段中已出现明显的结构性失稳，逐渐丧失承载能力，车辙深度迅速增长。这与杨新华等[10]提出的沥青混合料的蠕变损伤特性相吻合。沥青混合料在受压变形中蠕变硬化与损伤劣化两者并存，其中：在蠕变前期，主要为蠕变硬化，其表现为材料的逐渐固结或产生黏性流动；而到了蠕变后期，则主要为损伤劣化，此时混合料力学性能衰减，承载能力减弱，变形速率加快[10 11]。

结合具体试验数据可知，当车辙深度达到13 mm后，随着碾压次数的增加，车辙深度增长速率开始变大，铺装层已由固结蠕变阶段向剪切失稳阶段过渡；当车辙深度超过15 mm后，车辙深度曲线开始出现明显拐点，车辙深度随碾压次数的增加而急剧增长，表明车辙深度超过15 mm后铺装层已出现明显的剪切失稳。而对比60℃及65℃试验结果可以看出，在60℃试验温度下，铺装层出现剪切失稳所需的碾压次数约为16万次，而在65℃试验温度下仅需12万次左右，铺装层使用寿命相比60℃时缩短约25%。

3 结语

(1)有限元仿真模拟与组合结构试验结果相一致，两者均证明复合浇注式沥青混凝土钢桥面铺装结构中，铺装层总体变形主要由铺装上层高弹改性沥青密级配混合料所贡献；且随着铺装层总车辙深度的增加，铺装上层贡献率逐渐减低，而铺装下层浇注式沥青混凝土层贡献率逐渐增大。

(2)组合结构试验结果表明，水浴环境下的汉堡车辙试验不适用于评价复合浇注式铺装方案高温稳定性能。

(3)当铺装层车辙深度小于13 mm时，可不开展车辙修复工作；当车辙深度达到13 mm时，应立即开展相关养护工作，避免车辙深度发展至15 mm后出现剪切失稳进而发生明显结构性损伤，以延缓大中修时间，节约维修养护费用。

(4)基于不同温度下法国车辙试验结果，建议在高温季节应采取相关措施降低铺装层服役温度并缩短铺装层处于高温服役环境的时间，以延长铺装层使用寿命。

参考文献

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