乳化瀝青冷再生基層瀝青路面病害特征及成因

吳曉春　阮鹿鳴

(1.江西贛粵高速公路股份有限公司　南昌　330025；　2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院　重慶　400074)

乳化瀝青冷再生基層瀝青路面病害特征及成因

吳曉春1阮鹿鳴2

(1.江西贛粵高速公路股份有限公司南昌330025；2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院重慶400074)

摘要為分析乳化瀝青冷再生基層瀝青路面病害特征及成因，文中結(jié)合九景高速公路冷再生基層瀝青路面的實(shí)際，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)走訪(fǎng)調(diào)查和鉆心取樣分析其病害特征，并結(jié)合理論計(jì)算分析了冷再生層結(jié)構(gòu)與材料性能對(duì)路面力學(xué)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：九景高速公路瀝青路面病害主要表現(xiàn)形式為車(chē)轍、縱縫，并有少量的橫縫，車(chē)轍與縱縫的產(chǎn)生與冷再生基層強(qiáng)度不足有密切關(guān)系；隨著再生層模量的減小，下面層和再生層間的層間最大拉應(yīng)力會(huì)急劇增長(zhǎng)，易引起層間出現(xiàn)裂縫，且當(dāng)下面層與再生層模量比小于1.8時(shí)，路面不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力；最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在距路表6~7 cm處，且再生層模量越小，路面產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力越大，容易導(dǎo)致路面出現(xiàn)車(chē)轍。

關(guān)鍵詞瀝青路面再生層模量衰減拉應(yīng)力剪應(yīng)力

乳化瀝青冷再生柔性基層由于在混合料中加入部分基質(zhì)瀝青，使其在車(chē)輛荷載作用下具有一定的變形能力，可以有效克服傳統(tǒng)半剛性基層路面結(jié)構(gòu)不相容的問(wèn)題，減少路面開(kāi)裂、水損害等病害，增強(qiáng)路面的耐久性。隨著瀝青品質(zhì)的提高及大中修工程的逐漸增加，乳化瀝青冷再生柔性基層路面越來(lái)越多地應(yīng)用于高速公路中，僅2006~2014年間，江西省已鋪筑乳化瀝青冷再生柔性基層瀝青路面累計(jì)達(dá)1 060 km。

隨著柔性基層瀝青路面在國(guó)內(nèi)通車(chē)年限的增長(zhǎng)，其表面也不同程度出現(xiàn)了病害，楊進(jìn)[1]發(fā)現(xiàn)在冷再生層上鋪筑HMA層時(shí)會(huì)加熱冷再生層，使其進(jìn)一步被壓密，導(dǎo)致路面病害產(chǎn)生。相較于對(duì)半剛性基層瀝青路面病害的深入了解，對(duì)柔性基層病害的特征及成因并不明確。因此，依托江西省九景高速公路路面病害處治工程，對(duì)乳化瀝青冷再生柔性基層瀝青路面病害特征進(jìn)行總結(jié)，并利用BISAR3.0軟件，分析乳化瀝青冷再生柔性基層模量衰減路面病害成因的影響。

1路面病害特征

1.1　現(xiàn)場(chǎng)走訪(fǎng)調(diào)查

九景高速公路路面病害頻發(fā)，對(duì)交通車(chē)輛行駛的舒適性和安全性造成很大的干擾，為了解掌握現(xiàn)階段路面的病害類(lèi)型、程度，對(duì)全線(xiàn)上行及下行雙向進(jìn)行了走訪(fǎng)調(diào)查，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　九景高速公路主要病害統(tǒng)計(jì)

由表1可見(jiàn)，九景高速公路瀝青路面病害的主要表現(xiàn)形式為車(chē)轍、縱縫，并有少量的橫縫，見(jiàn)圖1~圖3。分別占上行段病害總長(zhǎng)度的73.3%，25.9%，0.8%，占下行段病害總長(zhǎng)度的63.6%，36.0%，0.5%。車(chē)轍與縱向裂縫多分布在行車(chē)道輪跡帶2側(cè)。

圖1行車(chē)道輪跡帶車(chē)轍圖2行車(chē)道輪跡帶縱縫圖3橫縫

1.2　心樣分析

從現(xiàn)場(chǎng)鉆取的心樣中可以發(fā)現(xiàn)，縱縫處心樣裂縫自下而上開(kāi)裂，屬于Bottom-Up裂縫，并且在下面層與再生層層間產(chǎn)生剪切斷裂，見(jiàn)圖4、圖5。經(jīng)過(guò)室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)及劈裂試驗(yàn)，測(cè)得其冷再生層回彈模量在300~600 MPa之間，劈裂強(qiáng)度為0.4~0.6 MPa，表明冷再生層總體的力學(xué)性能偏低。當(dāng)作用車(chē)輛荷載時(shí)，較低的模量容易對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

圖4再生層開(kāi)裂圖5下面層與再生層層間斷裂

2計(jì)算方案

2.1　路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

為研究冷再生基層瀝青路面縱縫及車(chē)轍形成原因，選取九景高速公路典型的路面結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)層參數(shù)和材料參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析。由室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)再生層模量偏低，因此，通過(guò)改變?cè)偕鷮幽Ａ?，分析再生層模量?duì)瀝青面層內(nèi)所產(chǎn)生的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力的變化情況，見(jiàn)表2。

表2　路面結(jié)構(gòu)層參數(shù)

2.2　荷載模型

按現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[2]，計(jì)算荷載采用標(biāo)準(zhǔn)雙輪軸載100 kN，輪壓為0.7 MPa，輪壓半徑R=10.65 cm。采用殼牌計(jì)算軟件BISAR3.0進(jìn)行計(jì)算，假定x為行車(chē)方向，y為道路橫斷面方向，z為深度方向，層間接觸視為完全連續(xù)，不考慮層間狀態(tài)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響。路面荷載分布見(jiàn)圖6，計(jì)算點(diǎn)位見(jiàn)圖7。圖7中，點(diǎn)A為輪隙中心，B為荷載中心，C為荷載邊緣。

圖6　路面荷載分布

圖7　計(jì)算點(diǎn)位

3結(jié)果分析

3.1　再生層模量衰減對(duì)拉應(yīng)力的影響

一般認(rèn)為，在行車(chē)荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)層層底產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力是路面產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂的主要原因之一。相關(guān)研究表明，在垂直荷載作用下結(jié)構(gòu)層層底水平拉應(yīng)力最大值的位置一般在輪載中心附近的位置。因此，以輪載中心(點(diǎn)A)作為計(jì)算位置，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下再生層模量衰減對(duì)拉應(yīng)力的影響。圖8給出了再生層模量對(duì)拉應(yīng)力的影響。

a)下面層模量2 800 MPab)下面層模量2 200 MPac)下面層模量1 600 MPa

圖8再生層模量對(duì)拉應(yīng)力的影響

由圖8可見(jiàn)：①最大拉應(yīng)力隨再生層模量的減小而增大。當(dāng)下面層模量分別為2 800，2 200，1 600 MPa時(shí)，隨著再生層模量從2 400 MPa減小到300 MPa，最大拉應(yīng)力分別增加833，460，293%。表明隨著再生層模量的減小，下面層和再生層的層間最大拉應(yīng)力會(huì)急劇增長(zhǎng)，更容易引起層間開(kāi)裂，出現(xiàn)裂縫；②下面層和再生層層間出現(xiàn)拉應(yīng)力突變現(xiàn)象，且下面層與再生層模量比越大，突變?cè)絼×?。分析其原因認(rèn)為：當(dāng)下面層和再生層模量比較小時(shí)，可將其視為整體，拉應(yīng)力傳遞比較連續(xù)；模量比過(guò)大時(shí)，應(yīng)力傳遞不連續(xù)導(dǎo)致拉應(yīng)力急劇減小，在層間出現(xiàn)應(yīng)力突變，會(huì)在下面層底部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

圖9表示輪載中心處下面層和再生層的模量比與最大拉應(yīng)力的關(guān)系。

圖9　模量比-最大拉應(yīng)力關(guān)系圖

由圖9可見(jiàn)，隨著模量比的增長(zhǎng)，最大拉應(yīng)力呈二次多項(xiàng)式型增長(zhǎng)，且模量比小于1.8時(shí)不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力。

3.2　再生層模量衰減對(duì)剪應(yīng)力的影響

考慮到剪切變形是失穩(wěn)型車(chē)轍的主要原因，表明剪應(yīng)力的大小對(duì)車(chē)轍的產(chǎn)生是至關(guān)重要的，因此有必要對(duì)路面內(nèi)的剪應(yīng)力進(jìn)行分析[3]。相關(guān)研究表明[4]，在垂直車(chē)輛荷載作用下，最大剪應(yīng)力一般出現(xiàn)在兩側(cè)輪胎邊緣附近，由邊緣最大值處向接觸區(qū)域中心和遠(yuǎn)離接觸區(qū)域的方向逐漸減小。因此，以輪緣處(點(diǎn)D)作為計(jì)算位置，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下再生層模量衰減對(duì)剪應(yīng)力的影響。圖10給出了再生層模量對(duì)剪應(yīng)力的影響。

a)下面層模量2 800 MPab)下面層模量2 200 MPac)下面層模量1 600 MPa

圖10再生層模量對(duì)剪應(yīng)力的影響

由圖10可見(jiàn)：①最大剪應(yīng)力隨再生層模量的減小而增大，出現(xiàn)在距路表6~7 cm處，與申愛(ài)琴[5]，楊群[6]的結(jié)論一致，且出現(xiàn)位置不隨再生層模量的變化而變化;②隨著深度的增加，剪應(yīng)力呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，且再生層模量越小，剪應(yīng)力減小幅度越大；③當(dāng)下面層模量分別為2 800，2 200，1 600 MPa時(shí)，隨著再生層模量從2 400 MPa減小到300 MPa，最大剪應(yīng)力為34.7%,34.3%,35.3%。可見(jiàn)再生層模量越小，路面產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力越大，容易導(dǎo)致路面出現(xiàn)車(chē)轍。

4結(jié)論

(1) 九景高速公路乳化瀝青冷再生基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的主要病害形式為車(chē)轍、縱縫，并有少量的橫縫，車(chē)轍與縱縫的產(chǎn)生與冷再生基層強(qiáng)度不足有密切關(guān)系。

(2) 隨著再生層模量的減小，下面層和再生層的層間最大拉應(yīng)力會(huì)急劇增長(zhǎng)，引起層間開(kāi)裂，出現(xiàn)裂縫。當(dāng)下面層與再生層模量比小于1.8時(shí)，路面不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力。

(3) 層間結(jié)合處固然是抗剪薄弱環(huán)節(jié)，但是從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，面層內(nèi)的最大剪應(yīng)力并不位于層間結(jié)合處，而是出現(xiàn)在距路表6~7 cm處。且再生層模量越小，路面產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力越大，容易導(dǎo)致路面出現(xiàn)車(chē)轍。

參考文獻(xiàn)

[1]楊進(jìn).考慮季節(jié)變化的乳化瀝青冷再生混合料室內(nèi)試驗(yàn)方法研究[J].交通科技，2012,252(3):102-104.

[2]JTG D50-2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[3]從志敏，鄒曉翎，龔紅仁.重載對(duì)瀝青路面車(chē)轍及疲勞壽命的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(4)：54-58.

[4]呂光印.柔性基層瀝青路面Top-Down開(kāi)裂機(jī)理研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

[5]申愛(ài)琴，張艷紅，郭寅川，等.三類(lèi)瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的對(duì)比分析[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，29(4)：1-7.

[6]楊群，黃曉明.基層模量對(duì)路面性能的影響分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，31(4)：81-83.

收稿日期：2015-09-17

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.027