聯(lián)結(jié)層模量大小對長壽命瀝青路面力學性能的影響研究

李 俊，邱 蒙

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北武漢 430015）

0 引言

近年來，隨著交通荷載的日益增加、交通量的持續(xù)增長，瀝青路面早期破壞嚴重，路面需要進行頻繁的維修，不僅造成建設投資的浪費，還給正常的社會活動帶來不便[1]。國外一些國家提出了長壽命瀝青路面的概念，這種瀝青路面的設計壽命一般超過30年，并且在其使用期限內(nèi)，路面損壞僅發(fā)生在路表一定深度范圍內(nèi)，而路面結(jié)構(gòu)不會發(fā)生破壞，即只需要定期對路表進行維修即可。長壽命瀝青路面根據(jù)功能將瀝青層分為3個層次——磨耗層，主要提供路面表面功能作用；聯(lián)結(jié)層，主要起抵抗車轍破壞作用；基層，主要抵抗疲勞破壞作用。所以，要實現(xiàn)長壽命瀝青路面設計，如何提高聯(lián)結(jié)層的抗車轍能力是其中關鍵之一。根據(jù)國外經(jīng)驗，高模量抗車轍瀝青混合料具有很大的勁度，能夠很好地抵抗車轍。

高模量瀝青混合料在法國的應用較早。20世紀80年代初期，為了應對重載交通的快速增長，法國開始研究采用高硬度瀝青提高瀝青混合料抗車轍變形能力。與此同時，由于一些路面的補強工程和修復工程對厚度有限制，如在市區(qū)，路面下掩埋有管道、路緣石等，在挖掘深度上有限制，需要使用薄的瀝青混合料鋪裝層，并且要保證它的抗車轍能力等路用性能，這促使道路研究者尋找一種比傳統(tǒng)瀝青混凝土模量更高的路面材料，使其既有高的抗車轍性能，同時又能減薄結(jié)構(gòu)層厚度。1980年具有這種功能的材料——GBTHP（路面專用瀝青處治沙礫）首次出現(xiàn)，1981年便用于舊路加固工程中。當時的石油危機又促使尋找在保證路面使用性能的前提下減少瀝青用量的方法。于是，高模量瀝青混合料不再僅僅用于養(yǎng)護工程，而是開始作為新建路面的基層材料使用。由于使用該材料所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益高于傳統(tǒng)的瀝青作為結(jié)合料的混凝土，而且在一些地區(qū)能夠彌補當?shù)丶宪浫醯牟蛔?，所以其便作為新建路面基層出現(xiàn)在收費高速公路上。

綜上所述，高模量瀝青混合料應用于長壽命瀝青路面的聯(lián)結(jié)層，既能提高路面的承載能力，使其具有良好的抗車轍性能，又能起到很好的連接和擴散荷載的作用，同時還能擁有減薄瀝青層厚度的效果。由此可見，高模量聯(lián)結(jié)層是長壽命瀝青路面設計中一個關鍵的層次，對其進行研究，是長壽命瀝青路面的一個重要組成部分，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 路面結(jié)構(gòu)組合及計算圖示

本文首先選取不同瀝青種類（即克拉瑪依70#瀝青、克拉瑪依90#SBS改性瀝青和SK90#SBS改性瀝青）配制的AC-20瀝青混合料，作為長壽命瀝青路面的聯(lián)結(jié)層來進行分析研究[2]，并將三種長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)依次編號為P1、P2和P3。所選長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)組合以及路面結(jié)構(gòu)各層模量和泊松比見表1[2-4]。

長壽命瀝青路面設計指標如圖1所示，即考慮瀝青層上部的剪應力、基層頂面的彎拉應變和路基頂面的壓應變。本文利用BISAR軟件，計算上述三種長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)三處位置各指標值，計算圖示如圖2所示。其中，p=0.7MPa，r=0.1065m。點A處于左側(cè)輪載正下方，距瀝青層表面5 cm；點B和C位于輪載對稱中心軸，分別處在基層頂面和路基頂面。

表1 長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)組合及材料參數(shù)

圖1 長壽命瀝青路面設計指標

圖2 計算圖示

2 試驗結(jié)果分析

利用BISAR軟件，對三種類型長壽命瀝青路面瀝青層層內(nèi)剪應力、瀝青層層底彎拉應變和路基頂面壓應變進行求解，結(jié)果見表2。

由表2可知，當長壽命瀝青路面聯(lián)結(jié)層采用AC-20瀝青混合料時，其模量越大（路面結(jié)構(gòu)P1、P2和P3聯(lián)結(jié)層AC-20瀝青混合料模量分別為1 233 MPa、1 446 MPa和 1 550 MPa），則長壽命瀝青路面瀝青層層內(nèi)剪應力和路基頂面壓應變逐漸減小，這說明聯(lián)結(jié)層模量較大時，可以更好地防止長壽命瀝青路面在服務年限之內(nèi)發(fā)生瀝青層剪切變形破壞和路基頂面沉降，從而降低養(yǎng)護維修頻率和節(jié)約工程造價。對于瀝青層層底彎拉應變，三種長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)之間差別不大，說明聯(lián)結(jié)層模量的大小對長壽命路面瀝青層層底彎拉應變影響相對較小，即當以較小幅度提升聯(lián)結(jié)層模量時，不能有效地降低長壽命瀝青路面發(fā)生疲勞開裂的概率。

表2 三種長壽命瀝青路面計算結(jié)果

為了更進一步驗證聯(lián)結(jié)層模量大小對長壽命瀝青路面力學性能的改善作用，該文假設將聯(lián)結(jié)層AC-20瀝青混合料的模量提高至2 000 MPa、3 000 MPa和4 000 MPa，并將此時的長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)分別記為P4、P5和P6。對這三種路面結(jié)構(gòu)進行求解，并結(jié)合前三種長壽命瀝青路面求解結(jié)果，繪圖如圖3所示。

由圖3可知，隨著聯(lián)結(jié)層模量繼續(xù)增大，長壽命瀝青路面瀝青層層內(nèi)剪應力和路基頂面壓應變不斷減小，這與前文分析結(jié)果一致，說明聯(lián)結(jié)層模量越大時，長壽命瀝青路面能更好地抵抗剪切變形和路基沉降。當聯(lián)結(jié)層模量達到2 000 MPa以上時，瀝青層層底彎拉應變發(fā)生急劇下降，這說明聯(lián)結(jié)層模量大小達到一定程度時，能夠極大地改善瀝青層層底抗疲勞開裂性能。由以上分析可得，在設計施工水平和工程造價允許的條件下，可以盡量提高聯(lián)結(jié)層模量值，從而保證長壽命瀝青路面具有更好的服務性能和使用壽命。

圖3 六種長壽命瀝青路面各指標計算結(jié)果圖

3 結(jié)論

當長壽命瀝青路面聯(lián)結(jié)層采用AC-20瀝青混合料時，其模量越大，則長壽命瀝青路面瀝青層層內(nèi)剪應力和路基頂面壓應變越小。對于瀝青層層底彎拉應變，前三種長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)之間差別不大。隨著聯(lián)結(jié)層模量繼續(xù)增大，瀝青層層內(nèi)剪應力和路基頂面壓應變不斷減小。當聯(lián)結(jié)層模量達到2 000 MPa以上時，瀝青層層底彎拉應變發(fā)生急劇下降。總之，在設計施工水平和工程造價允許的條件下，可以盡量提高聯(lián)結(jié)層模量值，從而保證長壽命瀝青路面具有更好的服務性能和使用壽命。

[1]馬骉，毛雪松，劉保健等.中國道路工程學術(shù)研究綜述2013[J].中國公路學報，2013，26（3）：1-36.

[2]李娜.高模量瀝青混合料研究[D].西安：長安大學，2007.

[3]崔鵬，邵敏華，王國英等.長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)組合探討[J].中南公路工程，2007，32（3）：6-10.

[4]雷文茂.復合式基層長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)分析[D].長沙：中南大學，2010.