冷再生基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)優(yōu)化

王 劍，李 莉，金光來(lái)，馮雯雯

1. 江西贛粵高速公路股份有限公司，江西 南昌 330025 2. 江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 211806

0 引言

近年來(lái)，由于高速公路瀝青路面大中修或改擴(kuò)建工程的不斷增多，由翻挖、銑刨而產(chǎn)生的廢棄混合料造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)[1]。冷再生技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)環(huán)保、施工方便、混合料裹附性能好、銑刨料要求低且用量大(接近95%)等技術(shù)特點(diǎn)，在行業(yè)內(nèi)得到推廣和運(yùn)用[2]。

冷再生技術(shù)是一種常溫施工方法，它綠色環(huán)保、節(jié)能減排，并且能節(jié)省總投資40%~50%，在中國(guó)路面養(yǎng)護(hù)建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。由于冷再生混合料的強(qiáng)度形成特點(diǎn)，使其一般只作為高速公路瀝青路面的上基層及下面層使用；而研究表明，冷再生混合料作上基層使用時(shí)，能夠有效防治下部層位的反射裂縫[3]。但是，隨著路面整體瀝青層等效厚度的增加，瀝青路面永久變形也相對(duì)增大，需進(jìn)一步加強(qiáng)控制[4-5]。因此，為了提升冷再生路面抗裂和抗車轍性能，對(duì)冷再生路面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化組合進(jìn)行研究尤為必要。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)冷再生瀝青路面的研究大多集中于混合料組成設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)，對(duì)于冷再生路面結(jié)構(gòu)組合的研究較少，并且在實(shí)際路面維修工程應(yīng)用中，冷再生層的層位選擇和厚度設(shè)置主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或是依靠規(guī)范推薦值而定，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的路面不能滿足路面使用性能的要求，且無(wú)法延長(zhǎng)路面的長(zhǎng)期使用壽命。因此，如何科學(xué)、合理地對(duì)冷再生瀝青路面結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。

力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法是中國(guó)瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)的主要方法，一直被研究人員們所推崇。2017年3月，《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)發(fā)布，新規(guī)范取消了路標(biāo)彎沉設(shè)計(jì)指標(biāo)，增加了瀝青混合料層永久變形量、路基頂面豎向壓應(yīng)變和路面低溫開(kāi)裂指數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，并改進(jìn)了瀝青混合料層和無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開(kāi)裂預(yù)估模型，主要對(duì)路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命和永久變形進(jìn)行控制?；谛掳嬉?guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮冷再生瀝青路面在實(shí)際荷載和環(huán)境作用下的力學(xué)響應(yīng)以及材料性能因素。不同的路面結(jié)構(gòu)組合在使用性能和工程經(jīng)濟(jì)上會(huì)有不同的效果，因此應(yīng)根據(jù)需求來(lái)設(shè)計(jì)滿足要求的瀝青路面結(jié)構(gòu)組合。

綜上所述，為了對(duì)冷再生瀝青路面的結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行優(yōu)化，本文結(jié)合昌九高速公路的冷再生路面現(xiàn)狀，首先對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能的影響因素進(jìn)行分析，然后從提高路面抗裂和抗車轍性能的角度出發(fā)，對(duì)乳化瀝青冷再生路面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，并且基于新版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，采用力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法模型對(duì)路面結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期性能進(jìn)行研究，最終確定性能優(yōu)異的冷再生路面組合形式。

1 昌九高速冷再生路面的現(xiàn)狀

昌九高速公路是國(guó)內(nèi)對(duì)乳化瀝青冷再生路面應(yīng)用規(guī)模最大、使用時(shí)間較長(zhǎng)、應(yīng)用最為成功的典型項(xiàng)目，開(kāi)啟了乳化瀝青冷再生路面規(guī)模化應(yīng)用的先河，其冷再生路面結(jié)構(gòu)與參數(shù)如圖1所示。

通過(guò)對(duì)江西昌九高速乳化瀝青冷再生路面進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，昌九高速冷再生路面的主體病害形式為車轍和Top-Down裂縫(簡(jiǎn)稱TDC)。其中，整體路面車轍深度約為5~10 mm，若無(wú)養(yǎng)護(hù)工程的影響，路面整體車轍發(fā)展規(guī)律較為明顯。而對(duì)于TDC，主要有以下2種破壞形式：裂縫向下擴(kuò)展直至貫穿整個(gè)基層；初始的單一縱縫發(fā)展至局部的龜裂破壞，這些都對(duì)路面整體的使用性能和結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生了一定的影響。

2 冷再生瀝青路面結(jié)構(gòu)性能的影響因素

2.1 抗車轍性能的影響因素

研究表明，瀝青路面結(jié)構(gòu)的永久變形與各層瀝青混合料的高溫性能密切相關(guān)，本文采用室內(nèi)常規(guī)車轍試驗(yàn)得到的車轍變形指標(biāo)，分析不同層位材料的高溫性能對(duì)路面整體結(jié)構(gòu)永久變形的影響。

圖1 昌九高速冷再生路面的結(jié)構(gòu)與參數(shù)

通過(guò)改變各層瀝青混合料的車轍變形，即分別變化20%、10%、10%和20%，并采用新版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中的永久變形評(píng)價(jià)模型，分析路面整體結(jié)構(gòu)的永久變形。表1為不同變化百分比下各層瀝青混合料的車轍變形以及路面結(jié)構(gòu)總永久變形值。圖2為路面結(jié)構(gòu)總永久變形隨各層混合料車轍深度的變化情況。

圖2 路面結(jié)構(gòu)總永久變形值與各層混合料變形深度的關(guān)系

表1 不同百分比下各層瀝青混合料的車轍變形以及路面整體永久變形值

從圖2可以看出，路面結(jié)構(gòu)中瀝青層的總永久變形隨各層混合料車轍變形深度的變化，呈現(xiàn)線性增大趨勢(shì)，即各結(jié)構(gòu)層混合料車轍變形值越大，路面結(jié)構(gòu)總永久變形越大。

從變化速率來(lái)看，結(jié)構(gòu)層從大到小依次為：中面層、上面層、下面層、冷再生層，即中面層混合料的高溫性能對(duì)路面整體結(jié)構(gòu)總永久變形的影響最大，隨著中面層混合料車轍試驗(yàn)變形深度的增加，路面總永久變形增大的幅度最大。因此，通過(guò)優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)中面層混合料的高溫性能，能夠提高路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性能。

2.2 抗裂性能影響因素分析

目前，Top-Down裂縫已成為中國(guó)高速公路瀝青路面的主要病害形式[6]，針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的學(xué)者紛紛進(jìn)行了相應(yīng)的研究。趙延慶等[7]基于斷裂力學(xué)的方法，對(duì)瀝青路面TDC裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響因素進(jìn)行分析，指出基層類型對(duì)TDC應(yīng)力強(qiáng)度因子有影響，與采用粒料基層的結(jié)構(gòu)相比，采用半剛性基層可以降低裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子。李紹輝等[8]利用有限元分析法對(duì)TDC開(kāi)裂進(jìn)行分析，結(jié)果表明基層模量對(duì)TDC應(yīng)力強(qiáng)度因子影響較大，隨著基層模量的增加，瀝青路面結(jié)構(gòu)裂尖強(qiáng)度因子減小。可以看出，基層材料的類型和模量對(duì)瀝青路面Top-Down裂縫有明顯影響。因此，可以選擇模量較大的半剛性材料做基層，來(lái)提高路面的抗裂性能。

3 冷再生瀝青路面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，本文從提高路面抗裂和抗車轍性能的角度出發(fā)，對(duì)冷再生路面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

為了提高路面的抗車轍性能，可以選用動(dòng)穩(wěn)定度較大SMA-13混合料和EME-14混合料分別作為中、上面層材料。其中，與AC-13混合料相比，SMA-13混合料的動(dòng)穩(wěn)定度較大，達(dá)到6 000次· mm－ 1；而EME-14混合料是指法國(guó)高模量瀝青混合料，硬質(zhì)瀝青和連續(xù)級(jí)配，具有空隙率低和瀝青含量高的特點(diǎn)，綜合性能較好，抗高溫性能尤為突出，并且動(dòng)穩(wěn)定度較大，達(dá)11 000次· mm-1。

為了提高路面抗裂性能，可以從基層材料和模量角度出發(fā)，選用低劑量水泥穩(wěn)定碎石來(lái)代替老路結(jié)構(gòu)中的未篩分碎石，低劑量水穩(wěn)碎石模量達(dá)到8 500 MPa，而未篩分碎石僅為300 MPa。

綜上所述，對(duì)于昌九高速冷再生瀝青路面結(jié)構(gòu)，可以初步提出優(yōu)化方案(方案一)：4 cm SMA-13層、6 cmEME-14層、6 cm AC-25層、12 cm冷再生混合料層、20cm水穩(wěn)碎石層、18 cm低劑量水穩(wěn)碎石層。而為了區(qū)分中上面層混合料對(duì)路面性能的影響，本文還提出另一種路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案(方案二)：4 cm SMA-13層、6 cm AC-20層、6 cm AC-25層、12 cm冷再生混合料層、20 cm水穩(wěn)碎石層、18 cm低劑量水穩(wěn)碎石層。表2為老路結(jié)構(gòu)和2種優(yōu)化方案的材料參數(shù)。

4 基于力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法的路面長(zhǎng)期性能研究

本文基于力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法，按照文獻(xiàn)[5]的要求研究上述老路和2種優(yōu)化方案的路面長(zhǎng)期性能，分別對(duì)無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞以及瀝青混合料層永久變形進(jìn)行分析。

4.1 無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞性能分析

文獻(xiàn)[3]中規(guī)定，可以采用式(1)來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

式中：Nf2為無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開(kāi)裂壽命(軸次)；ka為季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù)；kT2為溫度調(diào)整系數(shù)；Rs為無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料的彎拉強(qiáng)度(MPa)；a、b為疲勞試驗(yàn)回歸參數(shù)；kc為現(xiàn)場(chǎng)綜合修正系數(shù)； β為目標(biāo)可靠指標(biāo)；σt為無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層的層底拉應(yīng)力(MPa)，由Bisar 3.0計(jì)算得到。

表2 3種結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

經(jīng)過(guò)分析，可以得到3種結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)層疲勞壽命；而根據(jù)昌九高速交通荷載參數(shù)可知，在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)設(shè)計(jì)車道上，無(wú)機(jī)結(jié)合層的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)Ne為9.98×108。將上述3種結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)層疲勞壽命與Ne進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3和圖3。

由表3和圖3可以看出：老路結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)層疲勞壽命為2.67×108次，小于當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)Ne，因此路面結(jié)構(gòu)不滿足設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)期內(nèi)會(huì)產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂等問(wèn)題；而2種優(yōu)化方案均滿足要求，其中方案一的無(wú)機(jī)層疲勞壽命較大，為1.30×109次，方案二則為1.08×109次。

4.2 瀝青混合料層永久變形分析

文獻(xiàn)[3]中采用式(2)來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)的瀝青層永久變形進(jìn)行預(yù)估。

式中：Ra為瀝青混合料層永久變形量(mm)；Rai為分層i永久變形量(mm)；n為分層數(shù)；Tpef為瀝青層永久變形等效溫度(℃)；Ne3為設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)或通車至首次針對(duì)車轍維修的期限內(nèi)，設(shè)計(jì)車道上當(dāng)量軸載累計(jì)作用次數(shù)；hi為i分層厚度(mm)；h0為輪轍試驗(yàn)試件的厚度(mm)；R0i為第i分層瀝青混合料在標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)下的永久變形量(mm)；kRi為綜合修正系數(shù)；pi為瀝青層i分層的頂面豎向壓應(yīng)力(MPa)，由Bisar 3.0計(jì)算得到。

經(jīng)過(guò)分析，可以得到3種結(jié)構(gòu)的瀝青層永久變形，匯總于表4和圖4。

由表4和圖4可知，在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)，老路結(jié)構(gòu)瀝青層的永久變形值較大，約為12.8 mm，接近高速公路的容許永久變形值，因此使用該結(jié)構(gòu)時(shí)路面車轍病害較為嚴(yán)重；而方案一的整體永久變形值較小，為8.348 mm，方案二則為11.745 mm，與老路結(jié)構(gòu)較為接近。

表3 3種結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層的疲勞壽命

圖3 3種結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞壽命

表4 3種結(jié)構(gòu)瀝青層永久變形驗(yàn)算參數(shù)匯總

圖4 3種結(jié)構(gòu)的瀝青混合料層永久變形

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)冷再生瀝青路面進(jìn)行優(yōu)化分析，可以得到如下結(jié)論。

(1)昌九高速瀝青路面的車轍和Top-Down裂縫(簡(jiǎn)稱TDC)病害較為嚴(yán)重，車轍深度達(dá)到5~10 mm，且在無(wú)養(yǎng)護(hù)情況下，路面整體車轍發(fā)展規(guī)律較為明顯； TDC病害發(fā)展嚴(yán)重，造成部分段落結(jié)構(gòu)破壞。

(2)在一定范圍內(nèi)，中上面層混合料的動(dòng)穩(wěn)定度越大，路面抗車轍性能越好；與粒料基層相比，半剛性基層材料能夠減少路面Top-Down裂縫病害，且采用大模量基層材料，也會(huì)減少TDC病害。

(3)采用SMA-13和EME-14混合料分別做為中上面層材料，可以提高路面抗車轍性能；而選擇模量較大的水泥穩(wěn)定碎石做基層材料，則可優(yōu)化路面抗裂性能。

(4)基于力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法的路面性能分析證明，優(yōu)化面層和基層材料后，路面結(jié)構(gòu)的抗疲勞和抗車轍性能得到提升；其中，使用高模量EME-14混合料優(yōu)化中面層結(jié)構(gòu)，能明顯改善路面抗疲勞和抗車轍性能，而僅優(yōu)化上面層和基層結(jié)構(gòu)，其抗車轍性能改善的程度較小。

(5)推薦采用冷再生路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案為：4 cmSMA-13層、6 cm EME-14層、6 cm AC-25層、12 cm冷再生混合料層、20 cm水穩(wěn)碎石層、18 cm低劑量水穩(wěn)碎石層。