基于抗裂面層的路面結(jié)構(gòu)研究

黃雪峰，吳晨悅，吳 剛，王 芳，成 燕

(無錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 無錫 214072)

十三五期間，我國公路行業(yè)取得了突破性的進(jìn)展，但對于已建成的高等級公路，瀝青路面出現(xiàn)了嚴(yán)重的早期損壞，達(dá)到設(shè)計(jì)年限的瀝青路面并不多見，均表現(xiàn)出耐久性不足的問題[1-2]。特別近年來交通大流量、車輛大型化、重載及渠化交通等逐漸成為十四五期間公路交通的主要特點(diǎn)與趨勢。為了提高瀝青路面的耐久性，研究者采用的改性瀝青、高質(zhì)量集料、瀝青瑪蹄脂等多種措施[3-5]。通過調(diào)查國內(nèi)外路面結(jié)構(gòu)成功案例，結(jié)合我國當(dāng)前實(shí)際情況，研究者們提出基層材料應(yīng)采用粒料類或半剛性類材料，瀝青面層厚度不低于24 cm[6]。平樹江等人通過計(jì)算分析提出了瀝青路面耐久性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，研究了瀝青面層和無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層厚度變化對路面耐久性的影響，發(fā)現(xiàn)增加基層厚度可有效提高其疲勞壽命，增加面層厚度不但可減小環(huán)境對基層的影響從而減小材料的溫度收縮和干縮，且可降低面層層底和基層層底拉應(yīng)力[7-8]。李仕華等人基于有限元分析了瀝青路面在荷載作用下的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，研究了無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層厚度、模量與瀝青面層厚度、模量變化對路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響規(guī)律，推薦了瀝青面層和無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層的厚度及模量[9]?，F(xiàn)有研究重點(diǎn)主要在基層的組合方式、材料的選擇和厚度的確定上，對瀝青面層結(jié)構(gòu)組合形式研究較少。以上措施對提高道路質(zhì)量有一定作用，而早期路面損壞的進(jìn)展往往超出預(yù)期。在此背景下，開展瀝青路面耐久結(jié)構(gòu)組合理論及路面耐久性研究很有必要。鑒于此，依托春申路(運(yùn)河?xùn)|路至興源路)大修工程開裂面層開展倒置路面結(jié)構(gòu)的研究。

1 抗裂型面層性質(zhì)

1.1 原材料

抗裂型AC-13采用殼牌高彈性模量改性瀝青，技術(shù)指標(biāo)見表1。AC-20與AC-25采用70號道路石油瀝青，粗集料均為石灰?guī)r碎石，細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，礦粉為石灰?guī)r礦粉，技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范要求。

1.2 級配

為了與傳統(tǒng)面層形成對比，同時(shí)采用AC-13級配中值進(jìn)行對比，抗裂型AC-13、AC-13中、AC-20與AC-25瀝青混合料礦料級配見表2。

各結(jié)構(gòu)層混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表3。

1.3 基本路用性能

抗裂型AC-13與AC-13中級配的路用性能測試結(jié)果見表4。

表1 高彈性模量改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 不同類型瀝青混合料礦料級配

表3 不同瀝青混合料馬歇爾設(shè)計(jì)結(jié)果

表4 路用性能測試

2 基于抗裂面層的倒置路面結(jié)構(gòu)理論驗(yàn)證

根據(jù)清華大學(xué)與東南大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，半剛性基層瀝青路面最大剪應(yīng)力并非出現(xiàn)在表面層或底層，而是出現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)的中面層，因此路面結(jié)構(gòu)中面層應(yīng)具有足夠的抗剪強(qiáng)度。在傳統(tǒng)的密級配瀝青混合料中，研究者通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證了中、下面層結(jié)構(gòu)中，AC-25瀝青混合料的高溫性能與抗剪強(qiáng)度高于AC-20瀝青混合料[10]，根據(jù)我國典型半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)擬定基于抗裂面層的倒置路面結(jié)構(gòu)，見表5。

表5 瀝青路面結(jié)構(gòu)

表5擬定的路面結(jié)構(gòu)通過BISAR 3.0軟件進(jìn)行驗(yàn)算，擬定路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力取值計(jì)算參數(shù)見表6。

表6 各路面結(jié)構(gòu)層計(jì)算參數(shù)

將路面結(jié)構(gòu)視為線彈性層狀體系，層間接觸為完全連續(xù)狀態(tài)。采用BISAR 3.0軟件進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。各結(jié)構(gòu)層的最大剪應(yīng)力軟件計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 各路面結(jié)構(gòu)面層最大剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表7可知，與傳統(tǒng)瀝青路面結(jié)構(gòu)相比，僅將AC-13瀝青混合料換為抗裂型AC-13并不能帶來剪應(yīng)力的減小，與高溫性能中單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果一致，抗裂型AC-13的抗剪強(qiáng)度實(shí)際低于AC-13瀝青混合料，因此僅僅簡單的替換并不帶來整體路面結(jié)構(gòu)性能的提升。而將中、下面層進(jìn)行倒置后，最大剪應(yīng)力有明顯減小。在理論與軟件驗(yàn)算驗(yàn)證有效的基礎(chǔ)上，有必要開展室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證抗裂倒置路面結(jié)構(gòu)的性能。

3 路面結(jié)構(gòu)性能研究

3.1 車轍試驗(yàn)

隨著車轍試驗(yàn)研究的深入，不再局限于規(guī)范中10 cm以下的厚度，按文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)方法，對大厚度車轍試驗(yàn)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)性能的評價(jià)。

(1)大厚度車轍板制作方法

采用可調(diào)厚度的車轍板模具進(jìn)行試件的成型，各面層厚度符合表5要求，各結(jié)構(gòu)層制作方法按以下步驟進(jìn)行。

①成型300 mm×300 mm、符合表5要求的下面層車轍板，冷卻至常溫后按規(guī)范要求噴灑涂刷粘層油。

②在噴灑粘層油的下面層車轍板上制作中面層車轍板，厚度符合表5要求的，并冷卻至常溫后按規(guī)范要求噴灑涂刷粘層油。

③在噴灑粘層油的中面層車轍板上制作上面層車轍板，厚度符合表5要求，并冷卻至常溫，即完成制作。

(2)試驗(yàn)準(zhǔn)備

現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定試驗(yàn)前需將車轍板置于與車轍試驗(yàn)溫度相同的恒溫箱中保溫一定的時(shí)間，通常4～10 cm車轍板厚度保溫時(shí)間為5～12 h，以確保車轍板內(nèi)部溫度達(dá)到車轍試驗(yàn)溫度要求。為了保證本試驗(yàn)的可靠性以及制作完成的大厚度車轍板溫度分布均勻，在此進(jìn)行大厚度車轍板保溫時(shí)間研究，測試步驟如下。

①車轍板制作完成并放至常溫后，從上至下鉆穿整個(gè)車轍板，共計(jì)5個(gè)測溫孔，鉆取的孔徑為5 cm。

②其中最中心鉆取1個(gè)孔，其他孔位邊距離側(cè)邊8 cm，其他共計(jì)鉆取4個(gè)孔。

③鉆取的孔芯中部打孔，沾取瀝青插入孔內(nèi)，保證孔芯能順利取出。

④將車轍板連同鉆取的孔芯一同放入輪碾儀中進(jìn)行保溫，自第5個(gè)小時(shí)起，每隔30 min采用非接觸式紅外測溫儀進(jìn)行一次測溫，測得的溫度以每個(gè)孔位中部深度以圓、每隔90°的4個(gè)溫度均值來計(jì)。

圖1 車轍板測溫孔鉆取示意圖

溫度測試結(jié)果如表8所示。

表8 不同路面結(jié)構(gòu)不同保溫時(shí)間的孔芯溫度

表8(續(xù))

由表8可知，內(nèi)部溫度變化與路面結(jié)構(gòu)關(guān)系較小，與保溫時(shí)間相關(guān)。各路面結(jié)構(gòu)車轍板在保溫時(shí)間7.5～8 h均達(dá)到60 ℃，為了保證試驗(yàn)的可靠性，大厚度車轍板成型后至少保溫8 h。

(3)試驗(yàn)結(jié)果

車轍試驗(yàn)時(shí)，輪載擬采用0.7 MPa，試驗(yàn)溫度恒定為60 ℃。不同路面結(jié)構(gòu)車轍試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 不同路面結(jié)構(gòu)車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表9可知，僅將表面層換成抗裂型AC-13并不能帶來抗車轍性能的提高，AC-13瀝青混合料的高溫性能要強(qiáng)于抗裂型AC-13，僅替換反而降低了6.4%的性能。而將中、下面層倒置后卻能帶來11.7%性能提升，驗(yàn)證了將下面層AC-25瀝青混合料置于中面層能帶來路面結(jié)構(gòu)抗永久變形能力提升的理論。

3.2 疲勞試驗(yàn)

(1)疲勞試驗(yàn)試件制作

采用上節(jié)大厚度車轍板進(jìn)行切割得到疲勞試件小梁，考慮到整體路面結(jié)構(gòu)的評價(jià)影響，故截面面積采用180 mm×180 mm。

(2)試驗(yàn)方法

儀器為MTS-810伺服儀器，試驗(yàn)溫度為15 ℃，加載頻率為10 Hz，加載波形為正弦波，應(yīng)力比取0.45。小梁尺寸為40 mm×40 mm×250 mm。加載方式采用試件跨中施加集中荷載，直至試件破壞。荷載作用頻率選取10 Hz，試驗(yàn)溫度選取10 ℃。

(3)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)對數(shù)處理后的試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 不同失效概率下疲勞方程回歸系數(shù)

根據(jù)疲勞方程系數(shù)規(guī)律，a越大，b越小表示材料的抗疲勞性能越優(yōu)，通過對比可知，抗裂倒置路面結(jié)構(gòu)的疲勞性能較優(yōu)。按表10得到的回歸方程，采用量化的方法評價(jià)抗裂倒置路面結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)瀝青路面結(jié)構(gòu)性能的提升，則計(jì)算不同路面結(jié)構(gòu)、3種荷載作用下，當(dāng)失效概率為50%時(shí)的疲勞壽命，結(jié)果見表11。

由表11可知，隨著作用荷載的增加，兩種路面結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出疲勞壽命的減少，但明顯抗裂倒置路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命要高于傳統(tǒng)瀝青路面結(jié)構(gòu)，疲勞壽命至少可提升34%。

表11 不同荷載作用下不同路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命

4 結(jié) 語

(1)擬定了基于抗裂面層的路面結(jié)構(gòu)，通過路面結(jié)構(gòu)理論驗(yàn)證與BISAR 3.0軟件進(jìn)行驗(yàn)算，從理論上驗(yàn)證了可行性。

(2)研究了大厚度車轍板試驗(yàn)準(zhǔn)備的保溫時(shí)間。結(jié)果表明：不同路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化規(guī)律一致，均在保溫時(shí)間為7.5～8 h達(dá)到60 ℃，為了保證試驗(yàn)的可靠性，大厚度車轍板成型后應(yīng)至少保溫8 h。

(3)僅將表面層換成抗裂型AC-13并不能帶來抗車轍性能的提高，抵抗永久變形能力相比傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)降低了6.4%。而將中、下面層倒置后可帶來11.7%性能提升，說明將下面層AC-25瀝青混合料置于中面層能帶來路面結(jié)構(gòu)抗永久變形能力的提升。

(4)通過疲勞試驗(yàn)建立了疲勞方程，通過與傳統(tǒng)瀝青路面結(jié)構(gòu)對比，抗裂倒置路面結(jié)構(gòu)的疲勞性能較優(yōu)。隨著作用荷載的增加，兩種路面結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出疲勞壽命的減少，抗裂倒置路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命要高于傳統(tǒng)瀝青路面結(jié)構(gòu)，疲勞壽命至少可提升34%