組合式基層與半剛性基層瀝青路面技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析

周西棚，程培峰*，尚云龍，韓存玉，黃云勇

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱150040;2.黑龍江省高等級(jí)公路建設(shè)管理局，哈爾濱150000)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國交通量迅猛增長，對(duì)于瀝青路面的性能提出了更高的要求。由于長期奉行“強(qiáng)基、薄面、穩(wěn)路基”的方針，半剛性基層瀝青路面已經(jīng)成為我國瀝青路面結(jié)構(gòu)的主要形式。但縱觀近些年修建的高速公路，傳統(tǒng)瀝青路面往往在較短的時(shí)間內(nèi)就產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞［1－3］，如反射裂縫、水損害等，遠(yuǎn)沒有達(dá)到道路的設(shè)計(jì)年限。這些病害不僅降低了道路使用性能，給道路維修和養(yǎng)護(hù)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，增加了路面壽命周期成本，同時(shí)也對(duì)現(xiàn)行道路的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。為此，從路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念上尋找原因，探索新的路面結(jié)構(gòu)型式以解決現(xiàn)有問題顯得極為迫切。歐美、日本、德國等國家普遍使用的柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在防止反射裂縫和減少水損害方面取得了較好的效果［4］。而對(duì)于我國，尤其是我國黑龍江省等寒冷地區(qū)，在基層中使用柔性材料尚處于起步階段。因此，研究比較組合式基層瀝青路面和半剛性基層瀝青路面各自的優(yōu)缺點(diǎn)將具有重要意義。

1 技術(shù)思路

國外使用較多的是柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是采用瀝青層底面的拉應(yīng)變和土基頂面壓應(yīng)變作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過控制這兩個(gè)指標(biāo)來降低傳統(tǒng)的瀝青層底的疲勞開裂和避免結(jié)構(gòu)性車轍，把路面結(jié)構(gòu)的損害控制在表面層［4］。我國的《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50－2006)中將路表彎沉值作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)將瀝青層、半剛性材料基層的抗彎拉應(yīng)力也提高為設(shè)計(jì)指標(biāo)。有研究證明，瀝青層的疲勞壽命主要受拉應(yīng)變控制［5］，采用拉應(yīng)變代替拉應(yīng)力能夠更好地反映瀝青層的疲勞特性。結(jié)合國內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范和組合式基層瀝青路面路面和半剛性基層瀝青路面的特點(diǎn)，本文采用路表彎沉、瀝青面層層底拉應(yīng)變和半剛性底基層層底拉應(yīng)力作為瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算指標(biāo)。

計(jì)算按照雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀體系理論進(jìn)行計(jì)算，軸載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ－100，P=0.7 MPa，雙輪中心間距D=32 cm。

2 力學(xué)指標(biāo)對(duì)比

2.1 材料參數(shù)

我國《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50－2006)規(guī)定:以路表彎沉值為設(shè)計(jì)或驗(yàn)算指標(biāo)時(shí)，設(shè)計(jì)參數(shù)采用20℃條件下瀝青混合料抗壓回彈模量;以瀝青層或半剛性材料結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)或驗(yàn)算指標(biāo)時(shí)，應(yīng)取15℃條件下測(cè)得的的抗壓回彈模量。

論文中為了保證計(jì)算結(jié)果的客觀性，對(duì)于瀝青混凝土和半剛性基層材料等傳統(tǒng)材料的設(shè)計(jì)參數(shù)均以《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》 (JTG D50－2006)附錄E規(guī)定的材料參數(shù)范圍的中值作為計(jì)算指標(biāo)。而對(duì)于瀝青穩(wěn)定碎石基層材料，由于ATB－25在我國使用不多，為了取值客觀，本文在實(shí)驗(yàn)室對(duì)ATB－25混合料進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，并將測(cè)得的回彈模量就近取整作為計(jì)算參數(shù)。各層材料參數(shù)匯總見表1。

2.2 結(jié)構(gòu)層厚度確定

目前，我國修建的高速公路基本上采用的是半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)形式，各結(jié)構(gòu)層的組合基本固定。本文通過調(diào)查分析，選擇如圖1所示的黑龍江省典型半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。

表1 各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)表Tab.1 Material parameter in each structure layer

圖1 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Semi-rigid base asphalt pavement structure

考慮半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和存在的問題，參考國內(nèi)外組合式 (柔性)基層瀝青路面使用經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合黑龍江省實(shí)際情況，本文將圖1所示水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層厚度減薄，將AC－25下面層換成14 cm(或者12 cm)厚的ATB－25材料作為瀝青穩(wěn)定碎石上基層形成組合式基層路面結(jié)構(gòu)。為了確定減薄后的半剛性基層厚度，根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50－2006)規(guī)定的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，采用控制彎沉的方式計(jì)算。

規(guī)范規(guī)定，設(shè)計(jì)彎沉應(yīng)根據(jù)公路等級(jí)、設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次、面層和基層類型按公式(1)計(jì)算。

式中:Ac為公路等級(jí)系數(shù);As為面層類型系數(shù);并且參數(shù)均相等;Ab為路面結(jié)構(gòu)類型系數(shù)，規(guī)范規(guī)定半剛性基層瀝青路面Ab=1.0;柔性基層瀝青路面Ab=1.6。若基層有半剛性基層和柔性材料層組合而成，則Ab通過線性內(nèi)插確定。對(duì)于本文擬定的組合式基層路面結(jié)構(gòu)，當(dāng)ATB－25層厚14 cm時(shí)經(jīng)線性內(nèi)插得到Ab=1.35;ATB－25基層厚12 cm時(shí)Ab=1.25。即組合式基層結(jié)構(gòu)允許路表彎沉值可達(dá)半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的1.35倍 (14 cm)或1.25倍 (12 cm)。依照控制路表彎沉的設(shè)計(jì)方法并為了偏于安全，本文擬定組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Combined base asphalt pavement structure

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果匯總表Tab.2 Summary table of calculation results

從表2可以看出，當(dāng)瀝青穩(wěn)定碎石上基層厚度為14 cm時(shí)，組合式基層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的路表彎沉是半剛性基層瀝青路面路表彎沉的1.19倍，小于1.35;當(dāng)柔性材料基層厚度為12 cm時(shí)，組合式結(jié)構(gòu)彎沉是半剛性基層結(jié)構(gòu)彎沉的1.24倍，小于1.25。但是，由于兩者較為接近，為了偏于安全應(yīng)慎重選擇使用12 cm厚度。

組合式基層瀝青路面基層層底拉應(yīng)力大于半剛性基層瀝青路面，但遠(yuǎn)小于材料允許拉應(yīng)力，且隨著瀝青穩(wěn)定碎石層增厚，底基層層底拉應(yīng)力減小。荷載相同情況下，兩種結(jié)構(gòu)類型瀝青路面的面層層底拉應(yīng)變相差較大，組合式基層瀝青路面面層層底拉應(yīng)變較半剛性基層減小了一半左右。說明組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)能夠獲得較好的抗疲勞能力，延長路面使用壽命。

3 使用性能分析

半剛性材料具有整體強(qiáng)度高、剛度大、抵抗變形能力強(qiáng)、成本低廉、取材方便等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)在于這種材料變形小，特別是溫縮、干縮變形大，易開裂，屬于脆性材料［6］。柔性材料屬于粘彈性材料，韌性好，有一定自愈能力，但也有變形大、強(qiáng)度低、成本高等不利條件。

由于半剛性基層材料的溫縮和干縮特性，以及材料本身的脆性，難免會(huì)產(chǎn)生裂縫。有研究表明，半剛性基層路面的破壞一般從半剛性基層自身的縮裂開始，然后裂縫由基層向面層和路基延伸，最終發(fā)展為整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的破壞［8］，因此這種路面破壞模式屬于路面的結(jié)構(gòu)性破壞。一旦損壞，維修養(yǎng)護(hù)困難，成本較高。

組合式基層瀝青路面面層破壞形式主要有車轍、top－down裂縫和 down－top裂縫［7］。由于瀝青混合料屬于粘彈性材料，對(duì)于柔性材料內(nèi)部出現(xiàn)的微小裂縫具有一定的自愈能力，而不致于像半剛性基層材料一樣在出現(xiàn)裂縫后，裂縫會(huì)迅速擴(kuò)展，從而導(dǎo)致整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的破壞。而且，由于較厚的瀝青穩(wěn)定碎石混合料的過渡作用，半剛性基層裂縫也不至于過快的發(fā)展到面層。因此，組合式基層路面的這種破壞屬于功能性破壞，通常可以通過面層的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)進(jìn)行補(bǔ)救。

因此，組合式基層瀝青路面比半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)具有更好的適用性，尤其是對(duì)于北方寒冷地區(qū)，組合式基層結(jié)構(gòu)能夠有效地減少寒區(qū)瀝青路面反射裂縫、水損壞等早期病害的產(chǎn)生，在瀝青罩面、銑刨加鋪等功能性養(yǎng)護(hù)措施合理的情況下將能夠有效延長道路使用壽命，保證組合式基層瀝青路面能夠提供持久良好的使用性能。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

組合式基層瀝青路面是一種新型的路面結(jié)構(gòu)，因此，存在著經(jīng)濟(jì)是否合理的問題，有必要分析其建設(shè)費(fèi)用是否會(huì)大幅提高，經(jīng)濟(jì)上是否可行。本文將按照各種道路建設(shè)材料的市場(chǎng)價(jià)格［9］(見表3)，計(jì)算比較上述兩種路面結(jié)構(gòu)的初期建設(shè)費(fèi)用。

表3 瀝青路面各結(jié)構(gòu)層材料單價(jià)Tab.3 Material unit price of the asphalt pavement structure

按照表3單價(jià)分別計(jì)算修建每平方米上述兩種結(jié)構(gòu)形式瀝青路面的工程造價(jià)。

半剛性基層瀝青路面:造價(jià)=850×0.11+840×0.07+250×0.56=292.3元。

組合式基層瀝青路面 (14 cm):造價(jià)=850×0.11+750×0.14+250×0.40=298.5元。

組合式基層瀝青路面 (12 cm):造價(jià)=850×0.11+750×0.12+250×0.40=283.5元。

因此，組合式基層瀝青路面與半剛性基層瀝青路面的工程造價(jià)相當(dāng)，甚至在適當(dāng)減薄瀝青穩(wěn)定碎石基層厚度的情況下，組合式結(jié)構(gòu)造價(jià)能夠略低于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

(1)隨著瀝青穩(wěn)定碎石基層厚度的減薄，底基層層底拉應(yīng)力有增大的趨勢(shì)，因此在組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮底基層層底拉應(yīng)力指標(biāo)。

(2)相同荷載條件下，組合式基層瀝青路面面層層底拉應(yīng)變較小，具有較好的疲勞性能。

(3)組合式基層瀝青路面在養(yǎng)護(hù)措施合理的情況下能夠提供較好的使用性能。

(4)組合式基層瀝青路面與傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)相比工程造價(jià)相當(dāng)，經(jīng)濟(jì)上可行。

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