引言
据地区维护人员报告，在北得克萨斯州的一条4.8公里路面的路段已经常维修了多年。在2000年 3月和4月采用泡沫沥青法，对此路段进行了重建，在重建过程中再次利用现有的路面和基层，人们普 遍认为沥青基层是防水的，因此在美国US82号公路的特定路段上是需要这种防水的沥青基层的。施 工单位已做出决定采用一种担保合同，以减少施工材料或施工出现缺陷的可能性，并且防止路基的过 早损坏，因为得克萨斯州运输部是第一次应用这种泡沫沥青再生技术，根据得克萨斯州运输部的经验:道路过早损坏通常发生在使用后的头三年内。 所以合同的担保期定在三年内。得克萨斯州运输部的路面病害调查说明书将作为确定和测试病害的依 据。按照担保的详细说明，当路面病害类型和数量超出规定的门槛值时，得克萨斯州运输部或其代理 人将要进行一种探讨性研究。按照这样一种方式建立了路面病害显示标记、门槛值和补救措施，它们 应与得克萨斯州运输部的路面管理系统为标定的病害等级所采用的路面病害显示标记、门槛值和补救 措施相一致。以下的标准是这个项目的门槛值。
●路面龟裂:行车路线长度(两边行车路线的10%)
●路段开裂:车道面积的10%
●纵向开裂:每100测点(1/8到1/2宽)为100或每100测点(大于1/2宽)为20
●浅的车辙:行车路线长度(两边行车路线)的5%
●深的车辙:行车路线长度(两边行车路线)的2%
●横向开裂:每100测点有5处裂缝
当累积的永久稳固的沥青层为超出工程第三年累积的永久稳固沥青层的50%时，就不会出现车辙 和龟裂了。
同年由同一个承包商在邻近泡沫沥青工程处修建了一条用石灰稳固的路段，在相同的交通条件和 环境条件下，便建好了一条石灰稳固的路段，以便把泡沫沥青法的性能与一个较常用的路面稳固法的 性能进行比较。石灰稳固基层的厚度与泡沫沥青基层的厚度相同，均为250mm。对于美国US82号公 路工程来说，用泡沫沥青稳固基层的成本为8.99美元/码 2。在相同的公路上，离泡沫沥青稳固基层的工程约3哩处，用石灰稳固基层的成本为6.66美元/ 码2。用泡沫沥青稳固基层较高的成本部分是由于 它有3年的担保期。应用泡沫沥青再生技术的主要驱动力不是基于节省成本，而是评价新的再生技术 的活力和担保概念。在2000年12月人们就观察到了泡沫沥青路段中的几处开裂。那时，施工单位进行了少量的落锤 弯沉仪试验。在2001年6月进行了一次年度调查，50mm深的严重的龟裂和车辙已在约120米长的一 个区域上发生了，如图1A中所示。在那些区域中路面条件超过了在保担人详细说明中所规定的病害 门槛值(2002年陈达豪等人已论述过)。按照担保合同，承包商要求进行一次探讨性研究，以确定谁应 该对此损坏承担责任。沥青混凝土路面的严重龟裂和出现深的车辙通常是与一层或多层路面的强度不 足有关。
已知这个区域中的路基是软的，常常含有水份。当重建的新路段开始损坏时，最早的一个理论 是:路基基层不能有效地防止路基芯部向上翻时所涌出的水份。
这篇技术论文的目的是叙述对施工现场进行调查研究的过程，而这种调查研究确定了在此工程中 所观察到的路面损坏的原因。在整个4.8公里路段上，应用落锤弯沉仪、路面地震分析仪进行了试验，以评价整个路面状况，并且确定为什么有些路段遭 受了病害，而其它的路段却没有遭受病害。已经开挖了几条沟，以便在每个路面层顶部直接进行试 验。为进行综合的实验室试验，特从沥青混凝土和泡沫沥青基层取出芯部，而从路基处收集到雪尔比 (Shelby)管的试样。
路面路段和泡沫沥青稳固作用
施工单位一直应用泡沫沥青再生法来改进低质施工材料的性能，以致在路面结构中能够利用这种 材料，并充分发挥其潜能。这种泡沫沥青再生法不是新的技术，自上个世纪50年代中期以来，它一直 是在不断发展的，它已经用来修补各种不同程度的路面病害，并且恢复了路面结构的完整性。泡沫沥 青稳固法完全类似于乳化稳固法，但大大减少了沥青的凝固时间。此外，利用水泥来冻结随意流淌的 水，水泥起到一种稠化剂的作用，并减少了凝固时间。沥青在一个特殊设计的膨胀槽中生成泡沫。仔 细计量的一定量的水与空气和热沥青进行搅拌，生成了大量的泡沫，并且其粘度低于沥青成分(邱和 黄两人在2003年发表过这方面的文章;维特根冷再生说明书，1998年版)。这种方法使沥青通过再生 材料而扩散。把水喷洒到搅拌槽中，以为压实作业获得最佳的含水量。
应用一台例如卡特彼勒公司RR-250型或者RR-350型的复拌机，首先将路面路段粉碎成一种 均质的粒状材料。粉碎深度主要取决于现有路面的厚度，或主要取决于所需稳固作用的厚度。典型地 说，其深度将是250mm到300mm。通常为进行实验室试验而取出现有的基层和土壤作为试样。在稳 固阶段，这些试验将有助于确定待加的最佳泡沫沥青的量。在土壤稳固过程中，在施工现场搅拌物料， 直接在搅拌槽中完成喷洒泡沫沥青的任务。不像乳化作用，所搅拌的材料只需一天或两天便可凝固， 凝固后，可涂上最后的耐磨层。起泡沫后，便可和任何其它含水的粒状基层一样，来处置这种路面材 料。材料成形，经压实后便形成了新的基层。
对于泡沫沥青混合料来讲，很多研究人员考虑了在搅拌和压实过程中的含水量是一个最重要的搅 拌设计标准(木森在1998年论述过)。需要水份来软化和破碎集料中的团聚块，有助于搅拌中的沥青扩 散和现场压实。太多的水延长了凝固时间，降低了压实的混合料的强度和密度，并且可能减弱了集料的覆盖层的作用(木森在1998年已论述过此问题)。
对此特定工程来讲，表面层与现有的粒状基层在一起再生成一层。在修复前的原始路面是由约 150mm软基层上的114mm沥青混凝土所构成。当加入2.8%聚乙二醇、64-22沥青和1%水泥时，原 先的沥青混凝土与原先的基层便混合到一块了。采用沥青和混凝土这种比例的决策是基于路面强度标 准的要求之结果。 在建好泡沫沥青基层的层面后，在涂上50mm厚的沥青混凝土之前，应用粘性层来调制路面。路 面结构现在是由在250mm厚的泡沫沥青基层上覆盖50mm厚的沥青混凝土而成。
沟的位置
通过一层层对比未损坏区域和病害区域内的沟中的强度和闷热参数，提供了更好了解路面损坏原 因的一个机会。2001年7月已开挖了4条沟(T218、T234、T240、T260)。图2解释了在沟标记后面的 含义。T218和T234位于未损坏区域内，其表面无病害。T240和T260位于右边行车道保有深车辙和 龟裂的区域中。T240和T218的路面状况分别如图1A和1B中所示。T240的路面状况超过了担保详细说明中所规定的病害门槛值。在此车辙深度为45mm，如用直尺所测得的那样，取自行车道的基 层材料的芯部土块已经剥落了，如图1A中所示。图1B示出了T218的表面和芯部状况。在此车辙可忽 略不计，在泡沫沥青层的底部的十个破损的芯子中取出一个芯子。
图1 在(A)T240(病害区)(B)T218(未损坏区)的表面和芯部状况
图2 落锤弯沉仪和沟的位置
试验
应用动态锥形贯入仪、落锤弯沉仪、地面贯穿雷达、路面地震分析仪和手提式路面地震分析仪， 便可收集到广泛的数据。在每一个测点上也测得了
密度和含水量。也获得了芯部和未弄乱的试样，以便用于实验室测试。每次试验的目的如下:
●动态锥形贯入仪测试强度随深度的变化(韦伯斯特等人在1992年发表过论文)。
●应用路面地震分析仪来估算路面层厚度和随深度变化的模量，以及路面整个状况(纳扎渊等人 在1999年发表过论文)。
●在拆除覆盖层后，用手提式路面地震分析仪直接测试基层劲度和路基劲度(纳扎渊等人在1999 年发表过论文)。
●落锤弯沉仪测定路面层作为一个完整系统的结构状态(乌赞和斯克尔林在1990年发表过论文， 陈达豪等人在1996年发表过论文)。
●地面贯穿雷达测试层厚度和层中间的相对含水量(斯克尔林和陈达豪在1999年发表过论文)。
落锤弯沉仪和路面地震分析仪
泡沫沥青基层路段的总长度为4.8公里，并且有100个以上的测试点。沿着整个工程，主要在除沟渠外的外侧行车道上每隔60米处进行落锤弯沉仪和路面地震分析仪的试验，在沟渠上也进行了多 次试验。靠近病害区，利用一个间距约为6米的测段。从测点244开始，沿着西行车道的病害区约为 120米长。如图1所示。在此次调查中，在测点244之后的路段被认为是已损坏的路段。为了清晰起 见，在图1中并未示出落锤弯沉仪和路面地震分析仪的所有测试位置。为了对比目的，在美国US82 号公路的用石灰稳固的路段上，也收集了落锤弯沉仪和路面地震分析仪的试验数据。在修建靠近泡沫 沥青工程的同时，修建了这条石灰稳固的路段。既然沥青混凝土面层和路基的刚度已发现是和整个工 程的刚度相一致的，那么把各个测试位置上的基层刚度直接与取自落锤弯沉仪加载板中心的弯沉值 WI进行对比，便是合理的。图3示出了用石灰稳固的路段的落锤弯沉仪的弯沉值与泡沫沥青基层路段 的落锤弯沉仪的弯沉值进行对比。其结果是用石灰稳固的基层路段的弯沉值的变量(和量值)大大低于 泡沫沥青路段的弯沉值变量。
图3 在(A)石灰稳固的路段(B)在泡沫沥青稳固的路段(C)病害路段上的落锤弯沉仪的弯沉量(每个测点=100)一旦路段已开始开裂，在2000年12月便完成了应用落锤弯沉仪的一些初步测试工作。与该路 段其余部分相对比，在此区域中的弯沉值是低的。在2001年7月收集了落锤弯沉仪的其余数据。图 3B对比了两次现场调查所获得的落锤弯沉仪的弯沉值。
当T240和T260展示其具有较高的落锤弯沉仪的弯沉值和严重的路面病害时，而T218和T234弯 沉较少，并且无路面病害。路面地震分析仪和动态锥形贯入仪的试验结果也表明在测试位置T218上 的基层是坚硬的。在每个沟渠测试部位上，已进行了落锤弯沉仪和路面地震分析仪的6次试验。病害 区中沟渠T240和T260的弯沉值已示出比T218和T234的弯沉值高出3-4倍。人们已经发现，基层中 模量的变化大大高于路基中模量的变化。病害区中(在测点244后)基层模量大大低于路段其余部分中的基层模量。然而，路基模量与整个工程的模量相一致，如用动态锥形贯入仪和路面地震分析仪所测 定的结果一样。图4展示了未损坏地区和病害地区的基层状态的对比。在病害区中的基层土壤是松散 的，且缺乏粘性，使它不可能干净地清理掉沥青混凝土层。
图4 (A)T240(病害区)(B)T234(未损坏区)的基层状况的对比
动态锥形贯入仪
选择十个测点来进行动态锥形贯入仪的测试(基于落锤弯沉仪的弯沉值)，这样以致于涉及测试 高、中、低三种弯沉值的区域。在跨过外(右)行车道的每个测点上，进行了三次动态锥形贯入仪的试 验，在外行车道上几乎全部观察到了路面的病害。
在每个沟渠位置上进行了12次动态锥形贯入仪试验。应用美国军团工程师方程(陈达豪等人在2001 年、韦伯斯特等人在1992年已发表过这类文章)，图5提出了由动态锥形贯入仪测定的模量。在病害区 中(沟渠T240和T260)的泡沫沥青基层的模量大大低于未损害部位(沟渠T218和T234)中的泡沫沥青 基层的模量。然而，在整个工程的路基模量中不存在有意义的变化。由路面地震分析法所测定的模量 也表明:路基模量在整个西行车道中是一致的。这说明，道路病害与路基强度中的变化无关。
图5 用动态锥形贯入仪为美国US82号西行公路右边行车道所测定的基层和路基的模量(每个测点=100=30.5米)
图6提出了在沟渠位置上用动态锥形贯入仪测得的基层模量与用动态锥形贯入仪测得的路基模量 的对比。在沟渠T260上左边行车道中的基层模量高于中部和右边的行车道中的基层模量。这是与仅 在右边行车道中观察到的病害的事实相一致。然而，沟渠T240的左边行车道的基层模量不大于中 部行车道和右边行车道中的基层模量。这表明道路病害将很快扩展到左边行车道。
图6 在4条沟渠中用动态锥形贯入仪测定的基层和路基的模量的对比
地面贯穿雷达
对于泡沫沥青路段和石灰稳固的路段来说，都进行了地面贯穿雷达试验。图7示出了泡沫沥青基层 的介电常数与石灰稳固的基层的介电常数的对比。请注意一个较高的介电常数表明具有较高的含水量。 介电常数随着工程的变化而变化。没有说明，在病害区中的介电常数是高于未损坏区中的介电常数。在 泡沫沥青路段中的平均介电常数是高于石灰稳固的路段中的平均介电常数。
图7 泡沫沥青稳固的基层和石灰稳固的基层的介电常数 手提式路面地震分析仪
在每条沟渠上进行了六次手提式路面地震分析仪试验，即在基层上进行三次手提式路面地震分析 仪试验，在路基上进行了三次手提式路面地震分析仪试验。在图8中示出其试验结果。不像落锤弯沉仪 和路面地震分析仪的试验结果，这些手提式路面地震分析仪的试验结果是基于直接测试贯穿每条单独 路面层的速度而得出的。然后将测得的速度转换成模量。在图8中的手提式路面地震分析仪测试结果证 实以上所示出的测试结果，在道路未损坏位置(沟渠T218和T234)上的泡沫沥青基层的模量大大高于病害 区(沟渠T240和T260)中泡沫沥青基层模量。在未损坏区与病害区之间的路基模量中不存在重大变化。
图8 用手提式路面地震分析仪在沟渠位置上直接测试所获 得的基层(A)和路基(B)层模量的对比
实验室测试
为了进行实验室试验，已经收集了沥青混凝土表面的芯子、泡沫沥青基层的芯子和路基的雪尔比 管试样。从芯部孔中未收集到路基的试样。用一个螺旋钻来钻通沥青层，以致不需将水注入路基中， 便可收集到雪尔比管试样。应用铝箔和硬纸板管来保护雪尔比管试样，如图9B中所示。
图9 (A)在右边行车道上裂开的芯子和在左边行车道上未损坏的芯子，(B)铝箔硬纸板管可用来保护雪尔比管试样。
在右边行车道中开始了取芯作业。开始应用直径为100mm的芯部取料筒，但是当芯部裂开时，就 引起人们的怀疑:直径为100mm的芯部取料筒能不能收集到一个未损坏的芯子。于是乎试用了一个直 径为150mm的芯部取料筒，但是芯子仍然裂开。在左边行车道中，试用直径为100mm和150mm的取 芯筒成功了。从两种尺寸的取芯筒中获得了未损坏的芯子，如图9A中所示。这样，不是芯子大小，而 是试样位置是测定芯子状态的决定性因素。既然芯子大小不存在影响芯子状态的因素，那么在工程的 其余部分便收集到了直径为100mm的芯子。把这些芯子试样带回到实验室，锯成沥青混凝土试块部 分和泡沫沥青试块部分。
沥青混凝土
得克萨斯州运输部沥青分部测试了沥青混凝土芯部，以确定是否能观察到道路损坏区和未损坏区 之间土壤特性的不同。既然沥青混凝土厚度仅为50mm，那么单个的芯部不能提供足够的材料来进 行实验室试验。这样，芯部便分成未损坏区和病害区的两类。第一类10个沥青混凝土芯部来自测点 218。第二类5个沥青混凝土芯部来自测点244+180、244+220、244+240、244+360和244+400。 进行试验以测定沥青混凝土含量、级配和贯入度数。在那两类之间试验结果的不同小于10%。这样， 便可得出结论:在道路未损坏区和病害区之间沥青混凝土层的特性中不存在显著的差异。
泡沫沥青基层
在评价泡沫沥青基层的最后阶段是进行实验室研究，以测试泡沫沥青基层对水的敏感性。如前所 述，取自病害区的很多芯子裂开了。因此，只对取自中间区和完好区中的试样进行试验。取自中间区的芯子在其底部第三层中典型地展示出损坏的迹象。相对未损坏的芯子是取自性能好的路段。
对于得克萨斯州运输部来说，既然泡沫沥青稳定性技术相当新，因此该部还没有建立标准试验来 设计和评价这样的材料。从取芯子作业的观察来看，人们怀疑，泡沫沥青层有点耐水性。作为这种 研究的一部分，已经调查了泡沫沥青基层材料的国家设计标准和国际设计标准。在泡沫沥青设计方面 所发现的最完整的技术文件是“维特根公司的冷再生说明书(1998年版)”，这本说明书在很大程度上 是基于在南非使用泡沫沥青设计的经验而编写的。该说明书建议，作为泡沫沥青混合料设计过程的一 部分，应进行间接抗拉强度(ITS)和水份敏感性试验。设计试样应具有350-800Kpa(50-115Psi)的一个 初始间接抗拉强度。那么试样应浸泡在水中24小时，然后进行试验。掺有泡沫沥青的碎石的可靠性 评价预测该试样应有75%的残留强度。这项工程的材料通不过这种设计标准(见残留强度平均结果)。 进行交替的系列试验，在此试验中，将62mm的芯子放入6mm深的水中，芯子通过毛细管作用 而吸收水份。然后在10天后来测试试样。人们考虑到毛细管吸水上升状态更紧密地类似现场情况。在 这些条件下，试件试验进展得更好，取自道路性能好的区域中的试样通过了75%的残留强度标准，如 下表所示。 性能 24小时浸泡 10天毛细管虹吸
好 20% 78%
中等 17% 68%
用10天毛细管吸水上升的状态来调节两个有代表性的试样示出在图10中。左边的试样是取自 道路性能好的区域，而中间区域的试样是在右边。在取自道路状况性能良好区域的试样中，吸入芯部 的水份是不能超过约25mm。在取自中间区域中的试样中所吸的水份达到了芯子的顶端。
图10 虹吸试验展示取自好的(左边)和中间(右边)的作业区
中毛细管作用的芯子。在中间区域，水份在10天内
能上升到试样的表面。
路基
整个工程中所获得的路基的雪尔比管试样已运至位于艾尔·帕梭(EI Paso)的得克萨斯大学，从测试路基强度。在实验室中用固有频率共振柱法 (free-free resonant column method)来测试试样，以确定其劲度值。路基是相当脆弱的，但是均匀的，与路面地震分析仪试验所获得的一个平均值为19千磅/2(和手提式路面地震分析仪试验所得到的一 个平均值为15千磅/2相比较，该路基试样从实验 室测试中所获得的一个平均模量则为16千磅/2)。在图11中示出了这些模量的对比。没有表明，在道 路病害区(从测点244+180到测点244+400)中的路基劲度值是低于道路未损坏区中的路基劲度值。请 注意，由于路面地震分析仪试验、手提式路面地震分析仪试验和固有频率共振柱法试验的特性，它们 所测得的模量高于用动态锥形贯入仪所测得的模量。建立各个试验方法之间的相关性，不是这次研 究的目的，而是应用每一种试验方法来确定整个工程中路面层强度的变化。
图11 对比取自雪尔比管试样的固有频率的共振柱试验和应用
路面地震分析仪与手提式路面地震分析仪的现场试验
含水量、密度、塑性指数和级配
图12示出了泡沫沥青基层的干密度和实验室测定的路基含水量。沟渠T240和T260的干密度略 低于沟渠T218和T234的干密度。然而，却没有显示出路基含水量在道路病害区(沟渠T240和T260) 中是较高的。
图12 泡沫沥青稳固基层干密度(磅/3)和实验室测定的
路基含水量
备注:1磅/3=16.02kg/m3
图13示出了泡沫沥青基层的级配和路基的塑性指数。在沟渠T240和T260的病害区中的塑性指 数值实际上低于沟渠T218和T234的未损坏区中的塑性指数值。
图13 泡沫沥青基层的级配和路基的塑性指数
在道路病害区T240上的级配仍然保持在得克萨斯州运输部所规定的极限内，只有9.5mm(3/8”)的 滤网除外，因为在9.5mm滤网处，它超出极限0.6%。取自道路未损坏区的试样的级配除了较小的滤网以外，仍然保持在极限以内，在较小滤网处， 级配稍低于极限(太粗)。一个太粗的级配趋向于使道路基层对水不大敏感，人们不会想到太粗的级配是道路 损坏的主要原因。 讨论
没有一次现场试验或实验室试验表明，沥青混凝土或路基的质量在道路损坏区中略差。然而，实 验室试验表明在泡沫沥青基层对水敏感性的显著变化。既然在此道路中沥青混凝土层和路基构筑的既合理又均匀，因此从路面地震分析仪试验中所获得 的有效模量的大变化在很大程度上要归因于基层路面层的质量。在道路未损坏区中的平均模量约为道 路病害区的平均模量的2-3倍。
基于实验室的观察值，所以人们提出了损坏机理的一个假设。泡沫沥青基层的强度随着含水量的 增大而大大下降。按照劲度要求，道路基层的一层实际上已变成两层，如路面地震分析仪试验结果所证 实的那样。湿的前沿基本上是两层之间的界面。由于基层材料的持续损坏，道路没有足够的强度能经受 引起路面损坏的交通车辆施加的载重量。图14展示了损坏机理的假设，已得出结论，在高风险区中筑成 的泡沫沥青基层，这种基层不能经受导致过早损坏的大量水份。泡沫沥青基层的残留强度大大低于 75%的残留强度推荐值。尽管泡沫沥青过早的损坏，但在较有利的环境和路基条件下，得克萨斯州运输 部仍愿意在将来与这个泡沫沥青行业进行合作。
图14 损坏机理
既然在2004年4月所进行的最后一次路状调查中没有观察到路面额外的损坏，因此可以得出结 论:路面损坏区是局部的，在2001年完工的用沥青来进行全深度的修补已治愈好局部路面损坏的问 题。如果这不是一个担保合同的话，那么就难以用量化来表示公路当局进行维修所花的额外费用。它 是因为这是得克萨斯州内采用担保方式实施的第一个泡沫沥青再生工程。然而，据估算，公路当局采 用担保方式所节省的成本是低的。
在道路施工过程中没有获得大量信息，因为检查人员不知道要寻找什么样的信息。对于一个担保工程项目来讲，公路管理当局正常作法是让承包商有更多的控制权。这样，公路当局就难以提出有效 的建议:什么样的承包商以不同的方式应该完成这项道路工程，以保证道路病害减到最少。
结论
所有试验结果都表明:路面车辙和龟裂都与基层的层面强度不足有关。道路病害区中基层劲度低于 道路未损坏区中基层劲度约3倍，而大大低于任一稳固基层所期望的劲度。
沿着道路病害区和未损坏区来观察，沥青混凝土层和路基都没有示出很大的不同，所以道路出现 损坏现象主要是与基层有关。地面贯穿雷达试验和实验室试验的结果没有示出道路病害区中有较高的 含水量。道路损坏显示:路基中一般含水量高、覆盖层的细粒级配和基层层面上不一致的施工等综合 作用引起了道路的损坏。
结果表明:泡沫沥青基层试样使得水份向上吸，这种向上吸的水份对基层中残留强度有很大的冲击 力。断定为中间起作用的而取自路段的试样，它由于受到24小时水份的浸泡和10天的毛细管上升作 用的支配，这种试样便通不过残留强度的标准试验，取自道路性能差的区域中的试样不能进行试验，因 为它们都严重地损坏了。基于这次研究中的发现，在2001年10月，承包商自费维修了已损坏的路段。
通过仔细地监测道路施工中的变量，并且通过选配适应基层中局部水份条件的高性能混合料，在 将来便可避免路段的损坏。也许沥青或水泥稳定剂含量的增加将有助于减少水份浸入，并起到防止不 均匀施工或防止不协调材料的安全因素的作用(斯克尔林在2003年已论述过)。对于无论什么原因来 讲，泡沫沥青基层的质量不是一致的。而在道路施工的四年后，所发现的道路损坏已限制在局部区 域，并且大多数泡沫沥青基层性能很好。
