泡沫瀝青冷再生路面合理結(jié)構(gòu)厚度研究

應(yīng)榮華 侯昭光

(長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 長沙 410004)

泡沫瀝青再生路面[1]因其具有柔性、耐疲勞,且再生混合料存放時(shí)間較長,施工受季節(jié)和氣候影響小等優(yōu)點(diǎn)在道路維修養(yǎng)護(hù)中得到了廣泛的關(guān)注.采用泡沫瀝青再生基層使原來的路面結(jié)構(gòu)成為柔性基層結(jié)構(gòu),路面結(jié)構(gòu)由瀝青路面(磨耗層)、泡沫瀝青冷再生層、剩余路面結(jié)構(gòu)層(包括原有路面的部分基層、底基層、墊層和路基)等多層結(jié)構(gòu)組成.冷再生路面合理結(jié)構(gòu)厚度的確定,既要考慮交通等級(jí)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益和施工可操作性[2],更要重視路面整體剛度和強(qiáng)度、再生層承載能力和疲勞損壞等結(jié)構(gòu)特性.本文擬定了27種典型的冷再生路面厚度組合,通過路表彎沉、再生層承載能力和疲勞壽命分析,結(jié)合工程實(shí)踐,提出了不同交通等級(jí)下泡沫瀝青冷再生路面的合理結(jié)構(gòu)厚度,為實(shí)際應(yīng)用提供參考.

1 路面力學(xué)參數(shù)的確定

冷再生路面結(jié)構(gòu)中瀝青層主要起恢復(fù)表面功能的作用,作為磨耗層,因此瀝青層厚度不宜過厚,一般為4～10 cm(當(dāng)厚為10 cm,一般要分2層鋪筑,計(jì)算中仍按1層考慮);冷再生層應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,主要起承重和抗疲勞的作用,再生厚度既要考慮結(jié)構(gòu)力學(xué)特性,又要顧及施工的可操作性,厚度宜為15～25 cm;下承層應(yīng)具有良好的承載能力,根據(jù)國內(nèi)再生實(shí)體工程的調(diào)查取值范圍為150～250 MPa.計(jì)算中采用3層結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)層與參數(shù)取值見表1.在進(jìn)行冷再生路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)時(shí),各結(jié)構(gòu)層應(yīng)按強(qiáng)度和剛度自上而下遞減的規(guī)律安排,以使各結(jié)構(gòu)層材料的效能得到充分發(fā)揮.冷再生路面結(jié)構(gòu)層的層數(shù)愈多愈能體現(xiàn)強(qiáng)度和剛度沿深度遞減的規(guī)律.但就施工工藝、材料規(guī)格和強(qiáng)度形成原理而言,層數(shù)又不宜過多,也就是不能使結(jié)構(gòu)層的厚度過小.瀝青路面相鄰結(jié)構(gòu)層材料的模量比對(duì)路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布有顯著影響,是合理確定結(jié)構(gòu)層層數(shù),選定適宜結(jié)構(gòu)層材料的重要考慮因素.根據(jù)分析和經(jīng)驗(yàn),基層與面層的模量比應(yīng)不小于0.3,土基與基層或底基層的模量比宜為0.08～0.40.分析中按照上述原則確定的27種典型的冷再生路面厚度組合見表2.

表1 結(jié)構(gòu)組成與計(jì)算參數(shù)

表2 典型的冷再生路面厚度組合

2 再生路面承載力與使用壽命分析

2.1 計(jì)算軟件介紹

計(jì)算荷載采用標(biāo)準(zhǔn)雙輪軸載BZZ-100 kN,胎壓0.7 MPa,輪壓半徑R=10.65 cm,雙圓中心距為15.975cm,計(jì)算點(diǎn)位于雙圓荷載中心向下冷再生層層底[5].

圖1 受力分析模型

2.2 路表彎沉與冷再生層承載能力分析

利用BISAR3.0計(jì)算路面結(jié)構(gòu)路表彎沉和內(nèi)應(yīng)力,不同路面厚度組合下路表彎沉和冷再生層層底拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3,不同厚度組合下路表彎沉和再生層層底拉應(yīng)力隨下承層強(qiáng)度的變化趨勢如圖2,3(以面層厚度為4 cm和基層厚度為15 cm的厚度組合為例)所示.

由表3和圖2可知：對(duì)于所有路面厚度組合,路表彎沉隨下承層強(qiáng)度的變化趨勢是相同的,即路表彎沉隨下承層強(qiáng)度的增加而減小,且影響顯著,當(dāng)下承層強(qiáng)度為250 MPa時(shí),路表彎沉大大減小;在瀝青面層厚度相同的情況下,路表彎沉隨再生層厚度的增加而明顯下降,當(dāng)再生層厚度為15 cm時(shí),路表彎沉將達(dá)到較大值,路面整體剛度大大降低;在再生層厚度相同的情況下,路表彎沉隨瀝青磨耗層厚度的增加而減小,當(dāng)瀝青磨耗層厚度達(dá)到10 cm時(shí),路表彎沉值較小,路面的整體強(qiáng)度和路用性能得到很好的改善.

由表3和圖3可知,對(duì)于所有路面結(jié)構(gòu),再生層層底拉應(yīng)力隨下承層強(qiáng)度的變化趨勢是相同的,即再生層層底拉應(yīng)力隨下承層強(qiáng)度的增加而減小,且影響顯著,當(dāng)下承層強(qiáng)度為150 MPa時(shí),再生層層底拉應(yīng)力增加;在瀝青面層厚度相同的情況下,再生層層底拉應(yīng)力隨再生層厚度的增加而明顯下降,當(dāng)再生層厚度為15cm時(shí),再生層層底拉應(yīng)力將達(dá)到較大值,路用性能將會(huì)顯著降低;在再生層厚度相同的情況下,再生層層底拉應(yīng)力隨瀝青磨耗層厚度的增加而減小,但影響幅度沒有再生層厚度增加帶來的影響幅度大.

表3 不同路面厚度組合下路表彎沉和冷再生層層底拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖2 不同厚度組合下路表彎沉隨下承層強(qiáng)度的變化趨勢

圖3 不同厚度組合下再生層層底拉應(yīng)力隨下承層強(qiáng)度的變化趨勢

因此,泡沫瀝青冷再生路面的下承層強(qiáng)度對(duì)改建后路面的使用性能起決定性作用;再生層厚度和瀝青磨耗層厚度顯著影響路面的使用壽命,在經(jīng)濟(jì)允許的條件下,增加再生層厚度和瀝青磨耗層厚度,能顯著的提高路面的長期使用壽命.

2.3 使用壽命分析

2.3.1 基于路表彎沉的路面使用壽命分析 文獻(xiàn)[7]中規(guī)定的設(shè)計(jì)彎沉計(jì)算公式

式中：Ac為公路等級(jí)系數(shù),計(jì)算中取Ac=1.0;As為面層類型系數(shù),瀝青混凝土路面取1.0;Ab為路面結(jié)構(gòu)類型系數(shù),泡沫瀝青冷再生柔性基層瀝青路面取1.6.

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，農(nóng)村居民生活水平也得到了顯著提升，農(nóng)村居民在消費(fèi)不再僅限于物質(zhì)方面的消費(fèi)，對(duì)文化消費(fèi)也提出了較高的要求。以河北農(nóng)村為例進(jìn)行分析發(fā)展，當(dāng)下農(nóng)村文化消費(fèi)水平較低，消費(fèi)形式較為單一，因此需要大力改善當(dāng)前不健康的文化消費(fèi)現(xiàn)狀，推動(dòng)農(nóng)村文化消費(fèi)水平，促進(jìn)鄉(xiāng)村旅游業(yè)的發(fā)展。

則式(1)可寫為

變換的當(dāng)量軸次的換算公式為

2.3.2 基于冷再生層層底拉應(yīng)力的疲勞壽命分析 文獻(xiàn)[6]中提供的容許拉應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算冷再生混合料的容許拉應(yīng)力

泡沫瀝青冷再生混合料15℃時(shí)的極限劈裂強(qiáng)度參照文獻(xiàn)[7]中的規(guī)定取0.7 MPa;通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立泡沫瀝青冷再生混合料室內(nèi)疲勞方程,通過修正,可確定泡沫瀝青冷再生層的抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù),根據(jù)同濟(jì)大學(xué)對(duì)泡沫瀝青冷再生混合料疲勞性能的研究成果[8],按下式計(jì)算

式中：Ac為公路等級(jí)系數(shù),高速公路、一級(jí)公路為1.0,二級(jí)公路為1.1,三、四級(jí)公路為1.2.

計(jì)算中取Ac=1.0,變換的當(dāng)量軸次的換算公式為

2.3.3 使用壽命計(jì)算與分析 根據(jù)路表彎沉和冷再生層層底拉應(yīng)力計(jì)算冷再生路面的使用壽命,計(jì)算結(jié)果見表4.

疲勞壽命計(jì)算結(jié)果表明：按照路表彎沉計(jì)算得到的路面使用壽命大于按照冷再生層層底拉應(yīng)力計(jì)算所得的路面疲勞壽命,因此冷再生路面合理厚度應(yīng)按照基于冷再生層底拉應(yīng)力的疲勞壽命來確定.分析基于冷再生層層底拉應(yīng)力的路面疲勞壽命可知：結(jié)構(gòu)類型1的疲勞壽命小于3× 106,結(jié)構(gòu)類型2,3,4,5,6,7,8,10,11,12,13,14, 16,19,20,22十六種路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命介于3 ×106～1.2×107之間,結(jié)構(gòu)類型9,15,17,18, 21,23,24,25,26九種路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命介于1.2×107～2.5×107,結(jié)構(gòu)類型27的疲勞壽命大于2.5×107.

3 冷再生路面合理結(jié)構(gòu)厚度的確定

冷再生路面瀝青層主要起功能性磨耗層作用,而冷再生層為主要的結(jié)構(gòu)性承重層,因此冷再生路面疲勞壽命的劃分可參照文獻(xiàn)[6]關(guān)于交通等級(jí)(見表5)的規(guī)定.

表4 不同路面厚度組合的使用壽命計(jì)算結(jié)果

表5 交通等級(jí)

由我國交通等級(jí)的規(guī)定和冷再生層的疲勞壽命計(jì)算結(jié)果可知：

1)結(jié)構(gòu)類型1適用于輕交通狀況,面層厚度宜為4 cm,再生層厚度＞15 cm,下承層強(qiáng)度＞150 MPa,但考慮到輕交通一般為三、四級(jí)或等外公路,從經(jīng)濟(jì)型出發(fā),瀝青磨耗層厚度可適當(dāng)減薄,且再生層厚度不宜大于20 cm.

2)結(jié)構(gòu)類型2,3,4,5,6,7,8,10,11,12,13, 14,16,19,20,22適用于中等交通狀況,面層厚度≥4 cm,再生層厚度變化范圍為15～25 cm,下承層強(qiáng)度≥150 MPa.適用于中等交通的路面結(jié)構(gòu)比較多,從側(cè)面反映出泡沫瀝青冷再生技術(shù)在二級(jí)公路的維修改造中更具優(yōu)勢,廣東佛山官西線二級(jí)公路的維修改造采用了泡沫瀝青冷再生,路面結(jié)構(gòu)型式采用結(jié)構(gòu)類型4,從試驗(yàn)路的使用情況來看,再生效果良好,路面承載能力和路用性能得到了很大的提高.

3)結(jié)構(gòu)類型9,15,17,18,21,23,24,25,26適用于重交通狀況,面層厚度基本上大于6 cm,再生層厚度變化范圍為20～25 cm,下承層強(qiáng)度≥200 MPa.工程實(shí)踐表明,瀝青磨耗層厚度不宜小于6 cm,并在經(jīng)濟(jì)允許的條件下應(yīng)加厚;在瀝青磨耗層厚度增加的情況下,再生層厚度可適當(dāng)減薄.

4)結(jié)構(gòu)類型27適用于特重交通狀況,瀝青磨耗層厚度≥10 cm,再生層厚度≥25 cm,下承層強(qiáng)度≥250 MPa.瀝青磨耗層厚度增加的情況下再生層厚度可適當(dāng)減薄,從施工的難易程度和可操作性出發(fā),冷再生厚度不宜大于30 cm.

綜上所述,推薦的泡沫瀝青冷再生路面合理結(jié)構(gòu)厚度如表6.

表6 泡沫瀝青冷再生路面合理結(jié)構(gòu)厚度

4 結(jié) 論

1)路表彎沉分析表明,路表彎沉隨下承層強(qiáng)度的增加而顯著減小;在瀝青面層厚度相同的情況下,路表彎沉隨再生層厚度的增加而明顯下降;在再生層厚度相同的情況下,路表彎沉隨瀝青磨耗層厚度的增加而減小.

2)再生層承載能力分析表明,再生層層底拉應(yīng)力隨下承層強(qiáng)度的增加而顯著減小;在瀝青面層厚度相同的情況下,再生層層底拉應(yīng)力隨再生層厚度的增加而明顯下降;在再生層厚度相同的情況下,再生層層底拉應(yīng)力隨瀝青磨耗層厚度的增加而減小.

3)疲勞壽命分析表明,基于路表彎沉的路面使用壽命大于基于冷再生層層底拉應(yīng)力的路面疲勞壽命,因此對(duì)于泡沫瀝青冷再生柔性基層路面合理結(jié)構(gòu)厚度的確定應(yīng)以冷再生層底拉應(yīng)力為分析指標(biāo).

4)通過各種冷再生典型路面厚度組合下路面的疲勞壽命分析,結(jié)合我國規(guī)范對(duì)交通等級(jí)的規(guī)定和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定了不同交通等級(jí)下冷再生路面的合理結(jié)構(gòu)厚度,以便為工程實(shí)踐提供參考,推動(dòng)冷再生技術(shù)在我國的應(yīng)用.

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