瀝青路面彎沉變化及測試

摘 要：本文論述了瀝青路面彎沉變化的三個階段及分析測定彎沉的正確時間，著重介紹貝克曼梁彎沉儀測試彎沉的關鍵所在，并簡要介紹了其它三種測試路面彎沉的方法。
關鍵詞：瀝青 路面 彎沉 測試

路面彎沉不僅反映路面各結構層及土基的整體強度和剛度，而且與路面的使用狀態存在一定的內在聯系。因此工程竣工前，路面彎沉作為一項重要的檢測指標，反映了路面的整體強度質量。在路面工程分項工程的質量評定中，高速公路和一級公路的彎沉分值分別為15和20分，如彎沉達不到，該分項不可能達到優良。由此可見，了解路面彎沉的變化規律、正確測試路面彎沉，對正確評價路面質量有著極其重要的作用。

1 路面彎沉的變化規律

路表彎沉的變化，是一個多方面因素綜合作用的復雜過程。路基路面各層的材料性質、結構組成類型、壓實狀況、壓實程度、溫濕度環境、氣候條件、交通組成、檢測時的環境條件以及所使用的儀器設備及檢測人員的檢測水平等均對彎沉的大小產生很大影響。
瀝青路面的表面彎沉變化過程分為三個階段。路面竣工后的前1～2年為第一階段。在這一階段，由于車輛荷載的重復碾壓，漸趨壓實，加上半剛性基層材料隨著齡期強度增長，從而導致路表彎沉將逐漸減小，大約在路面竣工后的第2年達到最小值。
路面竣工后的第2年到第4年為第二階段。在這一階段，表現為路表彎沉的不斷增長。這是因為，一方面半剛性基層的強度增長已十分緩慢，并逐漸趨于相對穩定狀態；另一方面，由于車輛荷載的重復作用以及水、溫度狀況的變化，加之路面混合料本身因拌和不均勻，而導致強度不均勻性等因素的影響，結構內部的微觀缺陷將因局部范圍的應力集中而擴展，并逐漸出現小范圍的局部破壞，從而導致路面結構整體剛度的下降，使得路表彎沉急劇增大。如果設計不當，沒有嚴格控制工程質量，或是工程質量的不均勻性，則有可能在這一階段出現局部路面的早期破壞。
路面竣工3-4年后直至達到極限破壞狀態為彎沉變化的第三階段。在這一階段，路面由于各種復雜因素產生的局部強度不足的問題已充分暴露，內部缺陷附近局部區域積蓄的高密度能量也已通過缺陷的擴展而轉移，并自動實現了整個系統的能量平衡，從而使得結構內部損傷的進一步發展得到抑制。路面結構的整體剛度重新達到一種新的較低水平的相對穩定。因此，路表彎沉進入了一個相對穩定的緩慢變化階段。即所謂的結構疲勞破壞的穩定發展階段，并一直延續到路面結構出現疲勞破壞。
在路面竣工后的1-2年之間，路表彎沉值最小。可見，在此期間路面整體結構處于最大剛度狀態。但是，在測定材料參數時，養生時間最長的基層材料的設計齡期也只有6個月。這個時間，正好接近于路面竣工后第一年的不利季節。而且統計結果表明，路面
黃健：瀝青路面彎沉變化及測試竣工后第一年不利季節的彎沉值與最大剛度狀態所對應的彎沉值比較接近。因此，將路面竣工后第一年不利季節近似地假定為路面整體結構的最大剛度狀態，而取得瀝青路面的設計狀態。這個狀態，也正是我們測量路面彎沉代表值的狀態。

2 貝克曼梁彎沉儀路面彎沉測試

由于目前工程上廣泛使用貝克曼梁彎沉儀，故現著重介紹貝克曼梁彎沉儀的使用方法，從標準車、彎沉儀的選擇、溫度修正及彎沉計算等方面提出有關要點和注意事項。
2.1 標準車
標準車為雙軸、后軸每側為雙輪胎的載重汽車，其標準軸荷載、輪胎尺寸、輪胎間隙及輪胎氣壓等技術參數見表1。

測定彎沉用的標準車參數 表1

測試車可根據需要按公路等級選擇，高速公路、一級及二級公路應采用后軸10t的BZZ-100標準車；其他等級公路可采用后軸6t的BZZ-60標準車。
測定彎沉用的標準車是很重要的，我國一直規定用解放牌CA-10B型及黃河牌JN-150型作為兩個荷載等級的標準車。但這兩種車型逐漸淘汰和不再生產，漸趨滅絕。因此，規范對標準車的規定，僅規定軸重、輪壓、氣壓等主要參數，凡符合這些參數的車型皆可使用。?
測試前，應測定測試車的軸重、輪壓、輪胎接地面積，與標準車的要求相差不應超過表1規定的值。如有不符，應適當調整。
2.2 彎沉儀的選擇及彎沉儀誤差修正
彎沉儀由貝克曼梁、百分表及表架組成。彎沉儀長度有兩種：一種3.6m，前后臂分別為2.4m和1.2m；另一種加長的彎沉儀長5.4m，前后臂分別為3.6m和1.8m。當在半剛性基層瀝青路面上測定時，宜采用長度為5.4m的貝克曼梁彎沉儀，并采用BZZ-100標準車。這是因為隨著公路路面剛度提高，彎沉儀影響半徑也越來越大。統計表明，60年代中級路面的彎沉影響半徑為0.5～1m；70年代三級瀝青路面為1～1.5m，二級路面為1.5～2m；90年代高等級公路興建后，路面彎沉影響半徑普遍已發展到3m，有的已達到4m以上。在這種情況下，3.6m彎沉儀臂長的支點已落入彎沉影響區，這樣很難避免由于荷載車造成的支架下降變形的影響，使測定的彎沉值偏小，造成測量誤差。因此，若采用3.6m的彎沉儀，測定時應檢驗支點有無變形，此時應用另一臺檢驗用的彎沉儀安裝在測定用彎沉儀的后方，其測點架于測定用彎沉儀的支點旁。當汽車開出時，同時測定兩臺彎沉儀的彎沉讀數，如檢驗用彎沉儀百分表有讀數，即應記錄，將兩臺彎沉儀的測定彎沉相加，得到測點彎沉，并進行支點變形修正。當在同一結構層上測定時，可在不同位置測定5次，求其平均值，以后每次測定時以此作為修正值。
2.3 彎沉測試頻率?
測定代表彎沉值時，應以每公里每一雙車道為一評定路段。每路段檢查80～100個點。對多車道公路必須按車道數與雙車道之比，相應增加測點數。?
2.4 溫度修正
對于瀝青路面來說，彎沉強度測定是在瀝青路面上進行的，而表層區域受天氣影響變化較大，夏天瀝青路面發軟，冬天又變硬發脆。因此，如在夏天測定時，由于過硬，也會產生失真現象。所以，需要定出一個溫度為測定彎沉的標準狀態。
路面彎沉值是以20°C為測定瀝青路面彎沉值的標準狀態。當瀝青面層厚度小于或等于5cm時，不需要溫度修正；當路面溫度在20°C±2°C時，也不進行溫度修正；其他情況下測定彎沉值均應進行溫度修正。溫度修正及回彈彎沉的計算宜按下列步驟進行。
測定時的瀝青層平均溫度按下式計算：?

T＝(T25＋TM＋TE)／3

式中T——測定時瀝青層平均溫度；?
T25——根據T0得出的路表下25mm?處的溫度，°C；?
TM——根據T0得出的瀝青層中間深度的溫度，°C；?
TE——根據T0得出的瀝青層底面處的溫度，°C；?
T0——為測定時路表溫度與測定前5d平均氣溫的平均值之和，°C0；
與日平均氣溫為日最高氣溫與最低?氣溫的平均值。
然后由瀝青層平均溫度從路面彎沉溫度修正系數曲線查找出瀝青路面彎沉溫度修正系數：

L20＝LT·K

式中K——溫度修正系數；?
L20——換算為20°C的瀝青路面回彈彎沉值，0.01mm；
LT——測定時瀝青面層內平均溫度為T時的回彈彎沉值，0.01mm。
2.5 路面彎沉的計算
路面測點的回彈彎沉值：

LT＝2(L1-L2)

式中LT——在路面溫度T時的回彈彎沉值，0.01mm；
L1——車輪中心臨近彎沉儀測頭時百分表的最大讀數，0.01mm；
L2——汽車駛出彎沉影響半徑后百分表的終讀數，0.01mm。
當需要進行彎沉儀支點變形修正時，路面測點的回彈彎沉值：

LT＝2(L1-L2)＋6(L3-L4)

式中L3——車輪中心臨近彎沉儀測頭時檢?驗用彎沉儀的最大讀數，0.01mm；
L4——汽車駛出彎沉影響半徑后檢驗用?彎沉儀的終讀數，0.01mm。
彎沉代表值是彎沉測量值的上波動界限，用下式計算：

LR＝L＋ZA·S

式中LR——一個評定路段的代表彎沉，?0.01mm；
L——一個評定路段內經各項修正后的各測點彎沉的平均值；?
S——一個評定路段內經各項修正后的全部測點彎沉的標準差；?
ZA——與保證率有關的系數，采用下列數值。
高速、一級公路ZA＝2.0?
二級公路ZA＝1.645?
二級以下公路ZA＝1.5?
計算平均值和標準差時，應將超出L±(2～3)S的彎沉特異值舍棄。對舍棄的彎沉值過大的點，應找出其周圍界限進行處理。
2.6 目前彎沉測試的主要存在問題
(1)原先的柔性路面設計規范容許彎沉的定義為路面在設計使用年限末期的最不利季節在標準軸載作用下容許出現的最大彎沉值，它不能直接作為竣工驗收指標，否則標準偏低，易出現早期破壞。?
(2)目前半剛性基層的瀝青路面彎沉測試多數采用3.6m的貝克曼梁彎沉儀，但很少考慮由荷載車造成的支架下降變形的影響。?
(3)彎沉測試車的輪壓不足，從而導致回彈彎沉值偏小。?
(4)彎沉測試車不稱重或裝載偏位、噸位不足，從而導致軸載與標準軸載偏差過大，而引起彎沉值偏小。?
(5)彎沉儀測頭的位置不正確。一般來說，測試時彎沉儀的梁臂不得碰到輪胎，測頭應置于測點上，即輪隙中心前方3～5cm處。?
(6)溫度修正不正確，往往僅利用當時的氣溫進行彎沉修正。?
(7)代表彎沉測定時間不正確，代表彎沉應在路面竣工后第一年不利季節。

3 其它測定路面彎沉的方法

3.1 自動彎沉儀測定路面彎沉
自動彎沉儀是利用貝克曼梁測定原理快速連續測定的設備，并在標準條件下每隔一定距離連續測試路面的總彎沉及測定路段的總彎沉的平均值。洛克魯瓦型自動彎沉測定車由測試汽車、測量機構、數據采集系統三部分組成，測量機構安裝在測試車底盤下面，測臂夾在后軸輪隙中間。自動彎沉儀測試時的速度必須保持穩定，應控制在3.0～3.5km/h范圍內。另外，當路面嚴重損壞、不平整、有坑槽時，測定設備有可能損壞，或者當平曲線半徑過小時，都不能檢測。
3.2 落錘式彎沉儀測定路面彎沉
車載落錘式路面彎沉快速測定儀是目前世界上最先進的一種路面彎沉強度無損檢測設備之一。分為拖掛落錘式(或外載式)與內載落錘式兩種。落錘式彎沉儀是在標準質量的重錘落下一定高度發生沖擊荷載的作用下，測定路基或路面表面所產生的瞬間變形，即測定在動態荷載作用下產生的動態彎沉及彎沉盆。落錘式彎沉儀由荷載發生裝置、彎沉檢測裝置、運算控制系統與車輛牽引系統等組成。測定時啟動落錘裝置，落錘瞬即自由落下，沖擊力作用在承載板上，又立即自動提升到原來位置固定。同時，各個傳感器檢測結構層表面變形，記錄系統將位移信號輸入計算機，并得到峰值，即路面彎沉，同時得到彎沉盆。每一側點重復測定應不少于3次，因為第一錘測定的結果往往不穩定，故必須打二錘及第三錘，舍去第一錘的結果。
3.3 激光彎沉測定儀
激光彎沉測定儀是專門用來測定路面微小彎沉用的，這種微小彎沉一般在微米數量級。例如，冬季氣候條件下的瀝青混凝土路面，用一般貝克曼梁彎沉儀已無法測量。由于機械之間摩擦所產生的誤差已將微變彎沉覆蓋，因此只有用激光衍射辦法才能測出它的微小彎沉值。激光彎沉測定儀具有操作簡易、精度高、讀數穩定、體積小、質量特輕等特點。
3.4 相互換算
當用自動彎沉車或落錘式彎沉儀測定時，首先應建立自動彎沉車或落錘式彎沉儀與貝克曼梁檢測之間的相關關系，并將自動彎沉車或落錘式彎沉儀測得的彎沉值換算為貝克曼梁的彎沉值，再計算路段的代表彎沉值。用自動彎沉車或落錘式彎沉儀測定路表彎沉時，應按5m的間距等距離布設測點。