高模量瀝青混合料在重載交通條件下的應(yīng)用

王春紅

（1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.公路交通節(jié)能與環(huán)保技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230011）

1 引言

經(jīng)過(guò)30 余年的探索與實(shí)踐，安徽省針對(duì)高速公路早期損壞問(wèn)題，在路面結(jié)構(gòu)形式、原材料控制、配合比設(shè)計(jì)、“四新”技術(shù)的研發(fā)和引進(jìn)等方面均開(kāi)展了課題研究和工程應(yīng)用，基本消除了坑槽、車(chē)轍等早期病害，路面通行質(zhì)量和通行效率不斷提升。據(jù)調(diào)查，目前高速公路主要病害以裂縫為主，約占病害總數(shù)的70%以上。尤其是隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，高速公路交通總量和重載車(chē)輛不斷增多，路面因重載導(dǎo)致疲勞開(kāi)裂的問(wèn)題逐漸凸顯，約占路面裂縫總數(shù)的1/3。解決瀝青路面疲勞開(kāi)裂成為提高路面耐久性的首要問(wèn)題。其中，瀝青路面高模量化是改善瀝青路面性能的有效途徑和發(fā)展方向之一[1]，即通過(guò)提高材料模量來(lái)減小路面應(yīng)變，從而減輕路面疲勞開(kāi)裂，延長(zhǎng)路面使用壽命。高模量瀝青混合料的制備有多個(gè)途徑，如摻加高模量劑、巖瀝青、湖瀝青、使用低標(biāo)號(hào)瀝青等，其中摻加高模量劑是最直接、最方便的一種方式。

20世紀(jì)80年代，法國(guó)提出主要用高模量瀝青混合料作為承重層或基層使用[2]。國(guó)內(nèi)關(guān)于高模量瀝青混合料的研究主要集中在材料性能和制備工藝上，在應(yīng)用層位、典型結(jié)構(gòu)方面的研究相對(duì)較少。本文通過(guò)數(shù)學(xué)建模進(jìn)行力學(xué)分析，研究高模量瀝青混合料在不同路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型中的適用層位，并通過(guò)鋪筑試驗(yàn)段對(duì)研究成果進(jìn)行論證。

2 高模量瀝青混合料應(yīng)用層位

目前安徽省高速公路結(jié)構(gòu)類(lèi)型仍以半剛性基層瀝青路面為主，同時(shí)結(jié)合路面結(jié)構(gòu)病害類(lèi)型，應(yīng)積極探索其他長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)在安徽省的適用性。2019年，在G3京臺(tái)高速公路安徽段改擴(kuò)建工程中，采用表1 中的兩種結(jié)構(gòu)鋪筑了試驗(yàn)段，試驗(yàn)段全長(zhǎng)約7.371km。其中，路面結(jié)構(gòu)一為試驗(yàn)路所在項(xiàng)目結(jié)構(gòu)類(lèi)型，也是高速公路改擴(kuò)建時(shí)拼寬車(chē)道典型的半剛性基層結(jié)構(gòu)。路面結(jié)構(gòu)二主要借鑒福建省應(yīng)用較為成功的倒裝結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化確定。

表1 力學(xué)分析用路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型

為研究高模量瀝青混合料在以上兩種結(jié)構(gòu)的適用層位，本文采用ANSYS 有限元分析軟件，通過(guò)建立三維有限元模型對(duì)不同結(jié)構(gòu)組合下的路面結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析，有限元模型加載情況如圖1 所示。力學(xué)指標(biāo)主要包括各結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力和不同深度下的剪應(yīng)力。

圖1 有限元模型加載情況

各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)取值如表2 所示。

表2 有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.1 半剛性基層結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

路面結(jié)構(gòu)一的層底拉應(yīng)力和剪應(yīng)力情況如圖2、圖3 所示。從受力情況來(lái)看，瀝青混合料各結(jié)構(gòu)層均處于受壓狀態(tài)，作為和荷載直接接觸的上面層，所受壓應(yīng)力最大。隨著深度的增加，水泥穩(wěn)定基層受力逐漸由壓應(yīng)力過(guò)渡為拉應(yīng)力。剪應(yīng)力方面，隨著路面深度的增加，剪應(yīng)力先增大后減小，在路表面以下10cm 處剪應(yīng)力最大，是最容易發(fā)生剪切破壞的位置。因此，從上述受力特點(diǎn)來(lái)看，半剛性結(jié)構(gòu)瀝青面層以壓應(yīng)力為主，其彎拉風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。而中面層承受最大剪應(yīng)力，是結(jié)構(gòu)層受力最不利層位，故宜將高模量劑設(shè)置在中面層位置。

圖2 半剛性基層路面各結(jié)構(gòu)層底拉壓情況

圖3 半剛性基層路面不同深度處的結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

為進(jìn)一步分析高模量瀝青混合料在中面層設(shè)置的效果，將中面層模量由11000MPa調(diào)整為15000MPa后再次進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，高模量瀝青混合料設(shè)置前后的結(jié)構(gòu)層受力對(duì)比情況如圖4、圖5所示。

圖4 高模量瀝青混合料設(shè)置前后各結(jié)構(gòu)層拉應(yīng)力對(duì)比情況

圖5 高模量瀝青混合料設(shè)置前后各結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力對(duì)比情況

可以看出，高模量瀝青混合料的設(shè)置對(duì)基層拉應(yīng)力幾乎沒(méi)有影響，主要影響瀝青面層的拉應(yīng)力，但影響不大，而且不會(huì)改變其受壓的狀態(tài)。剪應(yīng)力方面，設(shè)置高模量層后，瀝青面層最大剪應(yīng)力的位置不變，仍處于路表面以下10cm左右，但可以減小瀝青面層的剪應(yīng)力。因此，對(duì)于半剛性基層而言，將中面層設(shè)置為高模量層是合理的。

2.2 倒裝結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

倒裝路面結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力和剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示。從路面各結(jié)構(gòu)層彎拉受力情況來(lái)看，倒裝結(jié)構(gòu)受力和半剛性基層結(jié)構(gòu)有所不同。倒裝結(jié)構(gòu)的上、中面層處于受壓狀態(tài)，但由于級(jí)配碎石模量較低，其整體剛度較小。因此，當(dāng)車(chē)輛荷載傳遞到該層時(shí)，瀝青下面層將處于受拉的不利狀態(tài)。水穩(wěn)基層仍隨著深度的增加，逐漸由壓應(yīng)力過(guò)渡為拉應(yīng)力。在剪應(yīng)力方面，和半剛性結(jié)構(gòu)相似，隨著路面深度的增加，倒裝結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力先增大后減小，且在路表面以下10cm 處剪應(yīng)力最大。綜合考慮倒裝結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，其下面層始終承受整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力和拉應(yīng)變，中面層仍存在最大剪應(yīng)力，故有條件時(shí)宜將高模量劑設(shè)置在中、下面層。同時(shí)考慮到造價(jià)和最不利因素，宜優(yōu)先設(shè)置在下面層。

圖6 倒裝結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層底受拉情況

圖7 倒裝結(jié)構(gòu)不同深度處的結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

為進(jìn)一步分析高模量瀝青混合料在下面層設(shè)置的效果，提高下面層模量后再次進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，高模量瀝青混合料設(shè)置前后的結(jié)構(gòu)層受力進(jìn)行對(duì)比情況如圖8、圖9所示。

圖8 高模量瀝青混合料設(shè)置前后各結(jié)構(gòu)層拉應(yīng)力對(duì)比情況

圖9 高模量瀝青混合料設(shè)置前后各結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力對(duì)比情況

可以看出，高模量瀝青混合料的設(shè)置對(duì)基層拉應(yīng)力幾乎沒(méi)有影響，主要可以減小瀝青下面層的拉應(yīng)力。此外，設(shè)置高模量層后，瀝青中面層的最大剪應(yīng)力也有所減小。因此，對(duì)于倒裝結(jié)構(gòu)而言，宜優(yōu)先將高模量瀝青混合料設(shè)置在下面層。

綜上，通過(guò)對(duì)兩種不同路面結(jié)構(gòu)最不利受力分析，對(duì)于半剛性基層路面結(jié)構(gòu)而言，宜將中面層設(shè)置為高模量層，對(duì)于倒裝結(jié)構(gòu)而言，宜優(yōu)先將下面層設(shè)置為高模量層。

3 重載交通下高模量瀝青路面典型結(jié)構(gòu)分析

在前述高模量適用層位研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析半剛性結(jié)構(gòu)和倒裝結(jié)構(gòu)在重載交通的適用性。將結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二的受力特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，兩種結(jié)構(gòu)的層底拉應(yīng)力和剪應(yīng)力對(duì)比情況分別如圖10、圖11所示。

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2017）[3]關(guān)于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)的規(guī)定，結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二的共同設(shè)計(jì)指標(biāo)為無(wú)機(jī)結(jié)合料層底拉應(yīng)力，即通過(guò)該指標(biāo)來(lái)控制無(wú)機(jī)結(jié)合料層的疲勞開(kāi)裂。對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)的受力可以看出，結(jié)構(gòu)二的無(wú)機(jī)結(jié)合料層底拉應(yīng)力較小。因此，面對(duì)相同交通荷載作用時(shí)，水穩(wěn)基層底部發(fā)生臨界疲勞損傷的當(dāng)量軸載作用次數(shù)要大。在重載交通作用下，結(jié)構(gòu)二產(chǎn)生疲勞損傷的作用時(shí)間要長(zhǎng)于結(jié)構(gòu)一。另外，在剪應(yīng)力方面，無(wú)論是對(duì)于整體結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力還是對(duì)于最大剪應(yīng)力，結(jié)構(gòu)二均要優(yōu)于結(jié)構(gòu)一，路面發(fā)生車(chē)轍永久變形的幾率相對(duì)較低?？傮w而言，和半剛性基層結(jié)構(gòu)相比，倒裝結(jié)構(gòu)應(yīng)用于重載交通時(shí)，具有更長(zhǎng)的使用壽命。

值得注意的是，對(duì)于倒裝結(jié)構(gòu)而言，由于瀝青下面層底受到拉應(yīng)力作用，該結(jié)構(gòu)層底產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)增加。但從試驗(yàn)段和福建省超過(guò)15 年的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，因?yàn)r青層底受拉而產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂的情況很少，瀝青層底產(chǎn)生的拉應(yīng)變遠(yuǎn)未達(dá)到發(fā)生疲勞損傷的極限拉應(yīng)變。這是由于盡管有級(jí)配碎石層的存在，但其厚度較小，僅為12～15cm，路面結(jié)構(gòu)的承重層仍為水泥穩(wěn)定碎石層。因此，高模量層的設(shè)置進(jìn)一步降低了瀝青層底疲勞損傷的發(fā)生。

除了在重載交通下路面結(jié)構(gòu)層受力的優(yōu)勢(shì)，倒裝結(jié)構(gòu)中的級(jí)配碎石層本身為松散體結(jié)構(gòu)，可以避免或緩解半剛性基層的反射裂縫衍射至瀝青面層，在很大程度上減少了裂縫的發(fā)生。同時(shí)，級(jí)配碎石可以作為空隙通道，將下滲到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的雨水排出至路基外，減少路面水損害的發(fā)生。

綜上所述，將倒裝結(jié)構(gòu)用于江淮多雨地區(qū)的重載交通，能夠更好地減少疲勞裂縫和水損害的發(fā)生，有效提高路面耐久性和使用壽命。

4 工程應(yīng)用效果

G3 京臺(tái)高速公路安徽段為G3 京臺(tái)高速與G4212 合安高速的共線段，是我國(guó)也是安徽省境內(nèi)最主要的南北向高速公路。近年來(lái)，隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，交通量增長(zhǎng)迅速，交通壓力大，重載車(chē)輛多，改擴(kuò)建后對(duì)路面耐久性提出了更高的要求。自試驗(yàn)路段實(shí)施以來(lái)，歷時(shí)3年多，經(jīng)歷了夏季高溫、冬季低溫、重載車(chē)輛、雨水等共同作用，路面使用狀況良好，保持了良好的路用性能，有效減少了裂縫、車(chē)轍、坑槽等病害的出現(xiàn)，每年路面養(yǎng)護(hù)費(fèi)用降低30%以上，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，通過(guò)采用高模量瀝青混凝土路面，延長(zhǎng)了道路的使用壽命，減少了維修的頻次，在很大程度上減少了路面銑刨?gòu)U棄料的產(chǎn)生和堆放，也節(jié)約了修補(bǔ)材料的資源消耗，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

5 結(jié)論

目前，我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)正值從交通大國(guó)向交通強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的黃金發(fā)展期，要充分發(fā)揮科技創(chuàng)新引領(lǐng)作用，著力推動(dòng)交通運(yùn)輸服務(wù)提質(zhì)升級(jí)。因此，提出適用于安徽省重載交通荷載下的高模量瀝青混合料典型結(jié)構(gòu)，在滿(mǎn)足高速公路使用性能要求的前提下，通過(guò)延長(zhǎng)路面使用壽命來(lái)節(jié)省道路建材，減少維修成本，為公路建設(shè)資源的科學(xué)合理利用奠定了良好的基礎(chǔ)。未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)，公路建設(shè)市場(chǎng)仍然繼續(xù)擴(kuò)大，立足于本文研究成果，應(yīng)繼續(xù)推廣驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)在省內(nèi)的適應(yīng)性。