瀝青混合料離析對瀝青混凝土路面疲勞壽命的影響

劉新成

中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司，山西 太原 030100

瀝青混合料的離析處理主要是針對熱拌瀝青混合料與路面分布的不均勻問題加以分析處理，期間集料的粗細(xì)分布不均勻，會導(dǎo)致混凝土的路面疲勞壽命縮短?，F(xiàn)階段，我國瀝青混凝土路面施工期間存在較為嚴(yán)重的混合料離析問題，導(dǎo)致實際的路面離析出現(xiàn)密度分布不均勻情況，對路面不同位置的模量差異產(chǎn)生影響。鑒于此，針對瀝青混合料離析對瀝青混凝土路面疲勞壽命的影響進(jìn)行深入分析具有重要的現(xiàn)實意義。

1 瀝青混凝土路面計算模型確認(rèn)

1.1 荷載模型

進(jìn)行荷載模型確認(rèn)時，將水平荷載因素剔除分析范圍，標(biāo)準(zhǔn)軸載為80kN的單軸荷載，期間將單圓當(dāng)量半徑設(shè)定為W，參考數(shù)值為11.43cm，且兩輪之間的中心間距確認(rèn)為3W。

1.2 結(jié)構(gòu)離析判斷

確認(rèn)瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)組合時，以我國高級公路常用半剛性基層瀝青混凝土路面作為參考基準(zhǔn)，其中以面層為主，其又分為上面層、下面層及中面層，三個面層之間處于完全連續(xù)狀態(tài)下。此次研究中，共選取4條高速公路作為研究對象，同時進(jìn)行瀝青混凝土路面材料參數(shù)確認(rèn)時，主要以美國TRB設(shè)立的“熱拌瀝青混合料路面離析”項目中所提出的離析分類為研究參數(shù)，具體離析判斷標(biāo)準(zhǔn)（空隙率）如表1所示。

表1 不同程度的離析判斷標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置表

1.3 瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層模量

確認(rèn)瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層模量時，應(yīng)該重點做好離析對于路面結(jié)構(gòu)力學(xué)相應(yīng)變化所產(chǎn)生的影響分析工作，尤其是在彈性體系結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)層的模量取值為計算重點。為了進(jìn)一步提升試驗結(jié)果的精準(zhǔn)性，完成現(xiàn)場鉆芯及室內(nèi)計算工作后，此次研究中選用的模量計算公式中，模量的結(jié)果與混合料的溫度及體積兩項指標(biāo)相關(guān)，研究中的瀝青混合料模量屬于動態(tài)模量，空隙率及體積指標(biāo)均按照如下公式計算得出：

式中：U1、U2、U3、U4、U5均為中間常數(shù)；f為荷載頻率，Hz；T為瀝青混凝土路面的測量溫度，℉；P200為當(dāng)集料通過200號篩之后的質(zhì)量百分比，%；λ為當(dāng)路面瀝青處于70℉的黏度，如果此過程中缺少充足的黏度數(shù)據(jù)，可將λ=29508.2P25-2.1939設(shè)定為λ參數(shù)的計算標(biāo)準(zhǔn)，P25為25℃之下的針入度；Va為空隙體積的百分比，%；Vb為瀝青體積百分比，%。

隨后，將1年12個月以3個月為時間段分為4個階段，其中，12月、1月、2月為第一階段，3月、4月、5月為第二階段，6月、7月、8月為第三階段，9月、10月、11月為第四階段，進(jìn)行上述4個階段的平均溫度數(shù)值計算工作，計算如下：

式中：T為瀝青路面的平均氣溫；Z為地表以下的深度；Ma為月均溫度。

在不同階段中，對溫度的均值進(jìn)行取數(shù)，4個階段的溫度取值分別為5℃、14℃、26℃、18℃，隨后計算該溫度標(biāo)準(zhǔn)下，不同階段中離析出現(xiàn)后，瀝青路面混凝土上、中、下面層的模量，具體如表2所示。

表2 瀝青混合料動態(tài)模量 單位：MPa

2 離析對瀝青混凝土路面疲勞壽命的影響

此次研究中，進(jìn)行混凝土路面疲勞壽命影響研究時，主要以美國瀝青協(xié)會公布的疲勞方程作為主要計算方法，借此分析現(xiàn)階段我國瀝青混凝土離析情況，以及離析發(fā)生后對路面疲勞壽命變化產(chǎn)生的影響。同時，比較詳細(xì)地計算了上、中或下面單獨層中離析情況出現(xiàn)后，對路面實際使用壽命長度的影響。

計算中，構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)混合料疲勞方程，其中，設(shè)定空隙率、瀝青體積率分別為5%和11%，且在計算中，同步考量了外界自然條件和實驗室條件的差異性。計算公式如下：

式中：Nf為疲勞開裂允許荷載重復(fù)作用的管控頻次；為瀝青混合料的具體動態(tài)模量數(shù)據(jù)，MPa。

與此同時，針對非標(biāo)準(zhǔn)性的瀝青混合料進(jìn)行計算處理時，應(yīng)該以實驗室環(huán)境中所得出的疲勞試驗結(jié)果為準(zhǔn)，具體的疲勞方程如下：

式中：C為瀝青混合料空隙率。

經(jīng)過計算可得出，C的取值為10M，其中，M取值如下：

經(jīng)過計算可發(fā)現(xiàn)，在不同的離析程度設(shè)定下，發(fā)生在瀝青混凝土路面上面層、中面層或下面層的離析問題及對三個面層的疲勞壽命影響程度并不相同。此外，還需針對瀝青混合料體積和影響瀝青混凝土各層的實際層底拉應(yīng)變等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，隨后方可得出具體的離析變化對不同路面層疲勞壽命的實際影響數(shù)據(jù)，詳細(xì)的研究結(jié)果如表3所示。

表3 離析對瀝青混凝土路面疲勞壽命的影響分析表 單位：%

由表1可知，當(dāng)離析出現(xiàn)在瀝青路面上面層時，路面的上面層疲勞壽命會在離析程度加重后，而出現(xiàn)反向縮減的情況，即當(dāng)上面層出現(xiàn)重、輕度離析情況后，路面上層面的疲勞壽命開始縮減，縮減比分別為92.8%、87.8%。但是對于路面的中、下面層而言，其并未受到疲勞壽命相關(guān)影響。與此同時，當(dāng)路面中面層出現(xiàn)離析點時，上面層及中面層均在離析程度加重時出現(xiàn)疲勞壽命反向縮減的情況，其中中層面出現(xiàn)重、輕度離析時，上面層的疲勞壽命分別縮減至69.7%、68.7%，且中面層的疲勞壽命也隨之縮減，分別為93.5%、89.2%，并未對下面層產(chǎn)生相應(yīng)影響。當(dāng)離析發(fā)生點處于下面層時，上面層的疲勞壽命開始縮減，分別縮減至11.8%、11.2%；中面層也出現(xiàn)壽命縮減的情況，縮減至59.8%、57.3%；且下面層的疲勞壽命均出現(xiàn)縮減現(xiàn)象，分別為89.8%、84.35%。

通過對計算數(shù)據(jù)的整理分析可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)瀝青混凝土路面中離析發(fā)生點位于上面層時，此狀況極大程度上影響了路面上面層的疲勞壽命，而當(dāng)其出現(xiàn)在中面層時，雖然對上面層產(chǎn)生相應(yīng)影響，但相對而言，對中面層的疲勞壽命影響更為突出。此外，當(dāng)離析發(fā)生點位于下面層時，雖然會對上面增及中面層產(chǎn)生一定影響，但相對而言，對下面層的實際疲勞壽命影響最大?？傊?，離析發(fā)生點對所發(fā)生的該面層的影響最大，且對于所處結(jié)構(gòu)及以上面層均會產(chǎn)生相應(yīng)影響，但此影響遠(yuǎn)低于離析發(fā)生具體地點所處面層。

3 結(jié)束語

綜上所述，經(jīng)過力學(xué)分析可發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料離析工作的展開，雖然對路基頂面應(yīng)變影響較小，且對路面變沉影響也不大。但是，當(dāng)路面出現(xiàn)離析問題后，路面底層的拉應(yīng)力影響會隨之變大，從而誘發(fā)后續(xù)疲勞壽命問題的產(chǎn)生，期間出現(xiàn)離析情況的路面層位的所在點，疲勞壽命大幅度縮短。此外，出現(xiàn)離析問題部位的周邊或未出現(xiàn)離析層位的路面部位，其疲勞壽命也會受到一定的影響。