摘 要：本文依托湖北省随岳南高速公路沥青路面提升改造工程，开展了基于路面芯样的旧沥青路面材料特性分析，重点测试了旧沥青混合料的有效沥青含量及级配组成，分析总结旧沥青路面的材料特点，为进一步开展废旧沥青混合料的循环利用提供基础。
关键词：路面芯样;旧沥青路面;材料特性;
钻芯取样法是评价沥青路面层间粘结、病害成因、路面厚度等指标的广泛做法，也是我国《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中的推荐方法。另一方面，旧沥青路面的材料特性，主要包括沥青含量、级配组成、沥青老化程度等一系列指标，对了解旧沥青路面的劣化程度具有重要作用。只有对旧沥青路面材料特性的充分理解，才能在厂拌热再生技术等废旧沥青混合料循环利用工艺中正确地使用它，进而达到较高的经济、社会和环境效益。
为此，本文采用钻芯取样法对旧路面进行取样，并测取其沥青含量、级配组成和沥青老化程度等指标，分析评价其材料特性，以期为后续废旧沥青混合料循环利用提供技术支撑。
1 试验方法1.1 钻芯钻取与处理为了确定现有路面旧料特性与分布，取芯位置涵盖超车道、行车道和硬路肩，重点对沥青路面唧浆、横缝、裂缝修补和车辙槽修补处进行钻芯取样。共取芯35个。面层病害方面，各类病害处取芯16个，病害多以裂缝类为主，无病害芯样19个。基层病害方面，以上基层为重点考察对象，完整上基层芯样14个，裂缝或破碎上基层芯样16个，5个未取出。现场取芯后，对其进行编号并带回试验室，采用加热的方式对芯样进行分隔，以便对含有应力吸收层的芯样进行有效剥离。
1.2 芯样厚度统计芯样的各层厚度采用游标卡尺进行测量，在同一芯样的不同位置连续测试5次，取5次测量值的平均值作为各层厚度的代表值。
1.3 芯样的马歇尔指标测试将芯样面层各层切割后，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的《压实沥青混合料密度试验》(T 0705-2011)有关规定测试毛体积密度。将芯样破碎后置入烘箱烘散，进行最大理论密度测试，最后计算空隙率。
1.4 沥青混合料抽提试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的《从沥青混合料中回收沥青的方法》(T 0726-2011)有关规定，采用全自动沥青混合料抽提仪进行抽提试验，计算沥青含量。对抽提过的混合料进行筛分试验，获取其级配组成。
2 测试结果2.1 芯样厚度测试结果观察图1可见，当以厚度设计值为原点时，各层厚度的分布于原点两侧，不同芯样中各层厚度不一。结合图1中的结果，参考芯样所处点位和病害对该现象进行分析，可初步判断引起该现象的原因。
图1(a)中，第33#芯样的上面层厚度为加铺层3.5cm 原路面2.8cm。其中，原路面上面层厚度远低于设计值4cm。该点位处于行车道轮迹带中间部位，在渠化交通下，该点位受行车荷载压密作用较小，分析认为该现象是由上一次养护过程中对原路面进行了铣刨1cm的处理所造成的。
图1(b)中，第23#芯样中面层厚度高达8.4cm，而第31#芯样中面层厚度仅为4.4cm，该两芯样中面层厚度与设计值6cm差异较大。第23#芯样位于硬路肩，分析认为该芯样中面层厚度高于设计值的原因在于施工中对中面层的碾压遍数不足，该现象普遍存在于沥青路面施工中。另一方面，第31#芯样位于行车道辙槽填充处，轮迹带龟裂处裂缝发展至上面层中部，中下面层及上基层完好。鉴于该处中面层状态良好，因此该处中面层厚度不足的原因可能是车辙病害处理时对中面层进行了铣刨处理。
图1 各层位厚度分布 下载原图
图1(c)中，第33#芯样的下面层厚度为9.8cm，远高于设计值8cm;第26#芯样的下面层厚度为5.5cm，远低于设计值8cm。第33#芯样处于行车道轮迹带中间部位，且其上面层与设计值差异也较大，认为该处施工控制水平不佳。第26#芯样位于超车道、横缝处，裂缝贯穿上、中、下面层，缝壁布满泥浆，且层间脱开。分析认为，该处由于横缝发育，在动水作用下的放复冲刷可能造成下面层表面集料不断剥离，从而导致该层层厚不足。
2.2 芯样的马歇尔指标测试结果观察图2(a)可见，硬路肩1、硬路肩2和超车道上面层的毛体积密度分别为2.34g/cm3、2.54 g/cm3和2.37 g/cm3，最大理论密度分别为2.452 g/cm3、2.511 g/cm3和2.541 g/cm3，空隙率分别为4.56%、5.61%和4.43%。显然，硬路肩处上面层芯样的密实程度较超车道较低。一般来说，硬路肩沥青混合料几乎不受行车荷载作用，因此其状态最为接近路面碾压成型后的状态。对比来看，在车辆荷载作用下超车道处混合料更加密实。此外，第一标段中面层空隙率处于5.03～6.23%，下面层空隙率介于4.31～4.91%。根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG-F40-2004)对空隙率的要求，中面层混合料空隙率高于规范要求的3%～5%。
图2 芯样的体积参数 下载原图
图3 芯样各层的沥青含量 下载原图
2.3 沥青混合料抽提试验结果2.3.1 沥青含量由图3(a)可见，对于第一标段，超车道及硬路肩上面层沥青含量介于4%左右，平均值为4.1%;两硬路肩芯样中面层沥青含量差异较大，分别为3.2%和4.6%，平均值为3.9%，下面层较为接近，分别为3.2%和3.5%，平均值为3.35%。整体来看，由于路面服役时间的增大，各层沥青含量均较一般情况下的设计值更低。
观察图3(b)可见，对于第二标段，芯样上面层沥青含量介于3.5%～4.6%之间，平均值为4.06%;中面层介于3.1%～4.4%之间，平均值为3.81%;下面层介于3.3%～6.2之间，平均值为4.53%。显然，第二标段各层沥青含量同样较一般情况下的设计值更低，且下面层沥青含量更为离散，推测与沥青混合料离析有关。值得关注的是，第二标段各层中，无论是超车道还是行车道，具有病害的芯样，其沥青含量都较完整芯样更低。这表明，一方面更低的沥青含量可能是病害发生的影响因素之一;另一方面，一旦病害发生，沥青混合料内部暴露在自然环境中，受到水、氧、热、紫外线和荷载的共同作用，沥青不断老化流失。显然，沥青路面病害与该处混合料沥青含量之间互为因果。
2.3.2 矿料级配为对比病害发育前后沥青混合料的级配变化情况，选取第二标段行车道和超车道病害前后上面层的级配组成作为对比研究对象，如图4所示。观察图4(a)可见，对于行车道上面层芯样病害前后的级配组成，路面裂缝处所取芯样的级配曲线表明，具有病害的芯样的级配组成与完整芯样相比，其集料粒径更大，即病害芯样的级配更粗。观察图4(b)可见，超车道上面层芯样病害前后的级配曲线交叉于4.75mm粒径处。相对而言，完整芯样的细集料含量(粒径小于4.75mm的集料)低于裂缝病害芯样，而粗集料含量则高于裂缝病害芯样。应该注意的是，由于取芯数目的限制，上述结果不排除受到施工中沥青混合料的级配离析的影响。
众所周知，高速公路超车道、行车道和硬路肩的荷载强度和频率有显著差异，为对比该差异在长期作用下对沥青混合料级配组成的影响程度，选取第二标段超车道、行车道和硬路肩的上面层混合料级配作为研究对象，结果如图5所示。
观察图5可见，超车道和硬路肩的级配组成非常接近。一般认为，硬路肩不受荷载作用，而超车道的交通量较行车道较低，且以小型轿车为主要交通量。因此，超车道上面层级配与硬路肩非常相近。另外，观察发现，行车道上面层级配较超车道、硬路肩更粗。
图4 上面层芯样病害前后的级配组成 下载原图
图5 超车道、行车道和硬路肩的上面层混合料级配组成 下载原图
4 结论对既有沥青路面进行钻芯取样，并对芯样进行分析可获取原路面的矿料级配、沥青含量和沥青的老化程度，这些关键参数是了解原路面材料特性的重要依据，也是进一步开展废旧沥青混合料循环利用的数据基础。通过对随岳高速公路沥青路面芯样的全面分析，可知该路段原沥青路面沥青含量的差异体现在不同车道和不同层位之间，且沥青混合料矿料级配存在差异。
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