高速公路高模量瀝青路面設計研究*

胡全章 李 華 孟會林 楊景麗 王 康

(1.中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司 石家莊 050090；2.河北省交通規(guī)劃設計研究院有限公司 石家莊 050091；3.公路建設與養(yǎng)護技術、材料及裝備行業(yè)研發(fā)中心 石家莊 050011；4.四川衡信公路工程試驗檢測有限公司 成都 611134)

長壽命瀝青路面是我國瀝青路面研究的熱點，近年來，隨著《交通強國建設綱要》的發(fā)布，提高基礎設施耐久性的呼聲更加高漲，因此，如何切實延長瀝青路面使用壽命已成為當前國內路面工程研究的焦點。

盡管國內外普遍接受將柔性基層結構路面認定為長壽命瀝青路面，但長壽命瀝青路面的概念本質上并無固定的結構形式，國內外工程實踐經(jīng)驗也證明，結構設計合理、材料使用得當、施工質量得以保證的情況下，任何結構形式都可以實現(xiàn)路面長壽命的目標，半剛性基層結構也是如此[1-2]。在路面材料方面，高模量瀝青混合料的概念已被英國、美國納入永久路面概念中，也是目前國內公認的先進路面材料[3]。高模量瀝青混合料在15 ℃、10 Hz條件下的兩點彎曲動態(tài)模量大于14 000 MPa，具有高溫穩(wěn)定性好、抗疲勞破壞、抗水損壞能力強、施工和易性好的特點。歐美國家柔性基層長壽命瀝青路面典型結構中，將高模量瀝青混凝土用于路面面層以下10～18 cm范圍內，作為主要的抗永久變形材料，其下部單獨設置抗疲勞層材料。研究表明，高模量瀝青混合料比我國瀝青路面下面層常用的普通瀝青混合料具有更好的抗疲勞性能，將高模量瀝青混凝土用于路面下面層同樣可以改善路面的抗車轍和抗疲勞性能[4-5]。因此，將高模量瀝青混凝土與半剛性基層結構組合起來也是一種潛在的長壽命耐久性瀝青路面。

本研究依托津石高速永久路面試驗路建設，對半剛性基層高模量瀝青路面及采用高模量瀝青混凝土的柔性基層瀝青路面結構計算進行對比，并對高模量瀝青混合料的路用及力學性能進行評價，為提高模量瀝青路面的推廣應用提供參考。

1 路面結構計算

1.1 交通量分析

根據(jù)津石高速公路津冀界至保石界段工可調查數(shù)據(jù)，該項目初始日均貨車交通量為7 113輛，設計使用年限15年對應的年均交通量增長率為4.5%。永久路面試驗路設計使用年限為40年，根據(jù)工可預測數(shù)據(jù)換算得到40年等效年均交通量增長率為3.33%。根據(jù)調查結果，交通組成TTC分類為TTC3。

按照JTG D50-2017 《公路瀝青路面設計規(guī)范》[6]相關規(guī)定確定滿載與非滿載車比例，根據(jù)津石高速周邊高速及干線公路交通量調查情況，交通量計算時對于滿載車輛，按超載25%考慮，非滿載車輛載重按滿載計算，交通量計算見式(1)，總體偏保守。按照式(1)計算得到，設計使用年限15年和40年內設計車道累計大型客車和貨車交通量N1分別為19 425 779輛和75 987 046輛，按照現(xiàn)行瀝青路面設計規(guī)范，其交通等級分別為特重交通和極重交通。

N1=AADTT×DDF×LDF×

(1)

式中：AADTT為大型客車和貨車雙向年平均日交通量，輛/d；DDF為方向系數(shù)，本文計算取0.6；LDF為車道系數(shù)，本文計算取0.6；γ為設計使用年限內交通量年平均增長率；t為設計使用年限。

按照設計使用年限40年，計算得到不同結構層材料的控制當量軸載次數(shù)為：瀝青層層底拉應變對應的交通量為Ne=310 031 631(3.1×108)次，半剛性基層層底拉應力對應的交通量為Ne=636 750 850(6.4×108)次；路基頂面壓應變對應的交通量為Ne=424 465 241(4.2×108)次。

1.2 擬定路面結構

津石高速原路面結構方案為：4 cm SBS改性瀝青瑪蹄脂碎石SMA13+6 cm橡膠改性瀝青混凝土ARHM20+12 cm瀝青穩(wěn)定碎石ATB25+40 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層，路面結構總厚度82 cm，原路面設計使用年限為15年，經(jīng)驗算該結構瀝青層層底疲勞破壞的確不滿足永久路面試驗路設計使用年限40年時的累計等效軸載作用次數(shù)。

采用高模量瀝青混凝土的永久路面試驗路設計2種路面結構方案，方案一為4 cm橡膠改性瀝青混凝土ARHM13+8 cm高模量瀝青混凝土HMAC16+10 cm高模量瀝青混凝土HMAC20+25 cm水泥穩(wěn)定碎石+25 cm水泥穩(wěn)定碎石，路面結構總厚度72 cm；方案二為4 cm橡膠改性瀝青混凝土ARHM13+8 cm高模量瀝青混凝土HMAC16+14 cm高模量瀝青混凝土HMAC20+14 cm橡膠改性瀝青混凝土ARHM25+4 cm改性瀝青混凝土應力吸收層FAC10+20 cm級配碎石，路面結構總厚度64 cm。

2種試驗路路面結構總厚度較原設計分別減薄10 cm和18 cm。方案一下面層采用HMAC-20，疲勞破壞應變較原設計采用的ATB25可提高60%以上，可顯著提升半剛性基層結構瀝青層疲勞壽命。方案二為典型柔性基層長壽命瀝青路面結構形式，其中的高模量瀝青層發(fā)揮承載及抗永久變形的作用。

1.3 路面結構驗算

路面結構驗算采用法國路面結構設計軟件Alize，該軟件基于路面結構力學響應與結構層材料容許值對比來確定或優(yōu)化結構厚度。計算采用的材料參數(shù)見表1，其中，疲勞破壞應變及模量指標均基于法國標準要求采用梯形試件兩點彎曲試驗確定，各材料的模量值較我國單軸壓縮試驗得出的動態(tài)模量偏低。具體計算條件如下。

1) 設計軸載為軸重10 t的單軸-雙輪組軸載。

2) 當量溫度取20 ℃。

3) 路基頂面模量取200 MPa(設計路床頂面彎沉控制標準為80/0.01 mm)。

4) 計算時，層間黏結條件按如下狀態(tài)考慮：瀝青層層間及半剛性基層層間設置為完全黏結；瀝青層與半剛性基層之間設置為半黏結狀態(tài)；瀝青層與級配碎石層之間、級配碎石與路床之間及半剛性基層與路床之間均設置為無黏結狀態(tài)。

按照永久路面設計思想，本項目路面結構驗算控制參數(shù)為瀝青層層底拉應變、半剛性基層層底拉應力及路基頂面豎向壓應變。根據(jù)不同材料類型對應的交通量及結構層材料強度參數(shù)計算得到結構驗算控制參數(shù)的容許值，結果見表2。表中半剛性基層結構方案的瀝青層層底與柔性基層層底均為HMAC20結構層層底，柔性基層結構方案中瀝青層層底為應力吸收層FAC10層底，柔性基層層底為ARHM25結構層層底。從容許應變計算結果可見，由于結構形式及材料抗疲勞特性的不同，2種結構方案控制參數(shù)的容許值差異明顯。

表2 不同結構材料控制參數(shù)容許值

表3為不同結構控制參數(shù)的計算值。

表3 不同結構材料控制參數(shù)計算值

由表3可見，2種結構形式的高模量瀝青路面瀝青層層底拉應變均遠低于100×10-6的永久路面瀝青層層底拉應變控制標準；半剛性基層材料90 d齡期的劈裂破壞強度σ為0.7 MPa左右，對應的疲勞閾值0.35σ[7]為0.25 MPa，高于計算得到的0.19 MPa，也就是說半剛性基層結構試驗路的基層不會發(fā)生疲勞破壞；柔性基層結構試驗路路基頂面的豎向壓應變亦顯著低于200×10-6的永久路面路基頂面壓應變控制標準。

此外，根據(jù)結構計算得到的瀝青層拉應變和半剛性基層層底拉應力反算得到結構可承受的軸載作用次數(shù)[8]。計算得到半剛性基層結構方案中瀝青層和半剛性基層可承受的疲勞當量軸載作用次數(shù)分別為159.9×108次和804.8×108次，柔性基層結構方案中應力吸收層和柔性基層可承受的疲勞當量軸載作用次數(shù)分別為659.5×108次和154.3×108次，2種方案可承受的疲勞軸載作用次數(shù)均遠大于設計使用40年的累積交通當量軸載作用次數(shù)，即試驗路方案滿足永久路面設計需求，相比之下，半剛性基層結構方案略有優(yōu)勢。

2 路面材料設計與評價

2.1 原材料

試驗所用粗集料為石灰?guī)r材質，細集料為石灰?guī)r材質機制砂，填料為石灰?guī)r材質的礦粉，各礦料的技術指標均滿足規(guī)范要求。

HMAC16及HMAC20所用瀝青膠結料為中石油20號低標號瀝青。瀝青膠結料主要檢測技術指標結果見表4，均滿足要求。同時，按照規(guī)范要求[9]，確定混合料的拌和溫度為180 ℃，出料溫度不低于170 ℃，成型溫度不低于160 ℃。

表4 20號瀝青技術指標

2.2 混合料設計

HMAC16及HMAC20均采用連續(xù)密級配，合成級配各篩孔質量通過率見表5。配合比設計采用PCG旋轉壓實方法，旋轉壓實儀豎向壓強為0.6 MPa，機器角0.82°，旋轉壓實次數(shù)均為120 r。根據(jù)經(jīng)驗，對于連續(xù)密實級配，按照PCG空隙率不大于4.5%初步確定HMAC16與HMAC20的油石比分別為4.7%與4.5%，然后采用馬歇爾方法進行混合料體積指標的驗證，結果見表6，由表6可見，各項指標均滿足設計要求，相比之下，HMAC20的油石比雖然略低，但混合料的空隙率更低，且瀝青飽和度及馬歇爾穩(wěn)定度均高于HMAC16。

表5 混合料礦料級配

表6 馬歇爾試驗結果

2.3 性能評價

HMAC16與HMAC20分別采用4.7%與4.5%的油石比進行路用性能及力學性能的驗證，路用性能驗證指標包括60 ℃動穩(wěn)定度、-10 ℃的彎曲破壞應變及凍融劈裂殘留強度比，根據(jù)設計文件的要求，對HMAC16混合料還進行了-20 ℃的彎曲破壞應變驗證。力學性能驗證指標為單軸壓縮動態(tài)模量(20 ℃、10 Hz)、兩點彎曲動態(tài)模量(20 ℃、10 Hz)及130×10-6條件下的兩點彎曲疲勞破壞次數(shù)。路用及力學性能試驗結果分別見表7、表8。

表7 路用性能試驗結果

表8 力學性能試驗結果

由表7可見，高模量瀝青混合料HMAC16及HMAC20的高溫穩(wěn)定性均非常突出，60 ℃動穩(wěn)定度均達到5 000次/mm以上；-10 ℃彎曲破壞應變均在2 000×10-6以上，與70號瀝青混合料在同一水平；由于瀝青用量相對大，所以水穩(wěn)定性表現(xiàn)良好，凍融劈裂殘留強度比均在90%左右。相比之下，由于HMAC16的油石比略高，所以其低溫抗裂性及水穩(wěn)定性優(yōu)于HMAC20，而高溫穩(wěn)定性略低。

由表8可見，2種高模量瀝青混合料的動態(tài)模量均明顯高于路面結構設計采用的數(shù)值，說明試驗路實際荷載響應應低于設計計算值。此外，相同溫度及加載頻率下，單軸壓縮動態(tài)模量顯著高于兩點彎曲動態(tài)模量，這與試驗方法、試件形狀及尺寸等因素有關；2種混合料在130×10-6條件下的疲勞破壞壽命均高于100萬次，滿足標準[4]對高模量瀝青混合料疲勞性能的要求。同樣，由于油石比的差異，相比之下，HMAC16具有更好的抗疲勞性能，而HMAC20則具有更高的強度。

4 結語

1) 結構計算及室內試驗結果表明，津石高速高模量瀝青路面試驗路采用的結構及材料各項指標均滿足永久路面設計要求。

2) 半剛性基層與柔性基層高模量瀝青路面結構力學響應差異明顯，兩者均適用于重載交通耐久性路面建設，相比而言，半剛性基層結構承載能力更高，柔性基層結構對路基強度水平要求更高。

3) 采用低標號瀝青的高模量瀝青混合料路用性能優(yōu)異，其60 ℃動穩(wěn)定度不低于5 000次/mm，-10 ℃低溫彎曲破壞應變不低于2 000×10-6，且凍融劈裂殘留強度比不低于85%。

4) 高模量瀝青混合料力學性能突出，單軸壓縮動態(tài)模量較我國目前常用類型瀝青混合料提高60%以上，且抗疲勞性能好，是一種適用于耐久性路面建設的高性能瀝青混合料。