巖瀝青高強(qiáng)瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計與應(yīng)用方案

李 猛 高 瞾

(1.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 211899； 2.北安至富裕高速公路工程建設(shè)指揮部，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

近年來，隨著道路事業(yè)的不斷發(fā)展，瀝青路面因其穩(wěn)定性好、建設(shè)速度快、養(yǎng)護(hù)簡便、性能優(yōu)異等諸多優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于高等路面建設(shè)中，其中半剛性基層瀝青路面成為我國高等級的路面的主要結(jié)構(gòu)形式。然而隨著半剛性基層瀝青路面的大量使用，路面車轍問題較為凸出，嚴(yán)重影響了路面通行能力，造成了經(jīng)濟(jì)的損失。如何解決路面車轍問題，成為道路工作者們的重要研究方向。

采用高強(qiáng)路面是改善路面抗車轍性能的有效手段，通常采用單一種類的高強(qiáng)改性劑制備高強(qiáng)瀝青混合料，可以大幅提升瀝青路面高溫時的強(qiáng)度，改善高溫性能。在眾多的瀝青改性劑當(dāng)中，巖瀝青材料的改性效果突出，能夠提升瀝青混合料的綜合性能。因此，本文采用巖瀝青材料來進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)組合的研究，從而提出一種性能優(yōu)異的路面結(jié)構(gòu)組合形式。

本文主要通過ABAQUS有限元軟件，首先對不同應(yīng)用層位的BRA改性路面結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行對比分析，確定BRA混合料的應(yīng)用層位；然后對不同厚度的BRA改性路面結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行研究，確定BRA改性結(jié)構(gòu)層的厚度；最后提出一種巖瀝青高強(qiáng)瀝青路面結(jié)構(gòu)組合，進(jìn)行試驗(yàn)段的實(shí)施，并對BRA改性路面的施工工藝進(jìn)行初步研究。

1 模型的建立與計算點(diǎn)位選擇

縱觀我國已建的高速公路路面基層結(jié)構(gòu)，大多采用半剛性基層，其具有行車舒適、剛度高的特點(diǎn)。因此，本節(jié)首先對典型的半剛性基層路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，從而明確各結(jié)構(gòu)層受力特點(diǎn)和功能定位。

選擇ABAQUS有限元軟件進(jìn)行半剛性基層路面的力學(xué)響應(yīng)分析，汽車荷載采用單軸雙圓均布荷載，標(biāo)準(zhǔn)軸載為BZZ-100，垂直荷載P=0.707 MPa，當(dāng)量圓半徑δ=10.65 cm，輪隙間距為1.5δ，荷載中心間距3δ，為便于網(wǎng)格劃分，將圓形均布荷載轉(zhuǎn)化為邊長為16 cm×23 cm的等效長方形荷載?？紤]到水平荷載的影響，層間接觸狀態(tài)采用完全連續(xù)體，沿行車方向兩端施加縱向及橫向位移約束，地基采用接觸分析中的“Elastic Foundation”模擬溫克勒地基模型，模型如圖1所示。

路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析時選取的各層材料類型與厚度參考江蘇省高速公路的典型半剛性基層結(jié)構(gòu)，見表1，其中材料的模量為20 ℃時的抗壓回彈模量，均按照規(guī)范的推薦值進(jìn)行選取。

我國高等級公路車轍病害主要是由于混合料抗剪強(qiáng)度不足造成的流動型車轍，因此需分析各結(jié)構(gòu)層的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變。如圖2所示，分別計算兩輪中心A、內(nèi)輪跡B、輪中心C和外輪跡D的剪應(yīng)力、剪應(yīng)變，并分析它們隨深度的變化趨勢，從而明確各結(jié)構(gòu)層的受力特點(diǎn)。

表1 典型半剛性基層路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

參數(shù)材料模量/MPa厚度/cm泊松比μ上面層AC-16120050.35中面層AC-20110060.35下面層AC-25110080.35基層4.5%水泥穩(wěn)定碎石1500200.25底基層5%水泥穩(wěn)定(砂礫+碎石)1300200.25土基400.4

3D模型計算后的應(yīng)力分布云圖如圖3所示，根據(jù)模型的計算結(jié)果，A,B,C,D四個點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變隨深度的變化關(guān)系如圖4，圖5所示。

由圖4所示，A點(diǎn)處的剪應(yīng)力為0，即輪隙中心無剪應(yīng)力；而B點(diǎn)，即內(nèi)輪跡處，其剪應(yīng)力表現(xiàn)為負(fù)值，隨著深度的增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并且應(yīng)力最大值在路表附近，距路表4 cm處；對于C點(diǎn)而言，即荷載中心處的剪應(yīng)力，在面層范圍內(nèi)，表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢，在接近基層時，開始減??；而對于D而言，即外輪跡處，其剪應(yīng)力為正值，并且隨著深度的增加，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，應(yīng)力最大值在路表附近，大約在距路表4 cm處；外輪跡D處的剪應(yīng)力值相對較大，其峰值能夠達(dá)到0.118 401 MPa，而內(nèi)輪跡B處的剪應(yīng)力最大值為0.109 75 MPa。

由圖5所示，A點(diǎn)處的剪應(yīng)變?yōu)?，即輪隙中心無剪應(yīng)變；而B點(diǎn)，即內(nèi)輪跡處，其剪應(yīng)變表現(xiàn)為負(fù)值，隨著深度的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，并且應(yīng)變最大值在路表附近，大約在距路表5 cm處；對于C點(diǎn)而言，即荷載中心處的剪應(yīng)變，在面層范圍內(nèi)，表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢，在接近基層時，開始減??；而對于D而言，即外輪跡處，其剪應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，并且隨著深度的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，應(yīng)變最大值在路表附近，大約在距路表5 cm處；外輪跡D處的剪應(yīng)變值相對較大，其峰值能夠達(dá)到270.834 5 με，而內(nèi)輪跡B處的剪應(yīng)變最大值為251.354 με。

綜上，4個計算點(diǎn)位中剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的最大值都出現(xiàn)在外輪跡處，并且剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的最大值區(qū)在路表附近，大約在3 cm～6 cm處，因此，在以下計算中以外輪跡D點(diǎn)為計算點(diǎn)。

2 BRA改性結(jié)構(gòu)層應(yīng)用層位分析

為了比較各瀝青面層對車轍的影響，設(shè)各面層厚度均為6 cm，模量均為1 200 MPa，泊松比0.35，在基層和土基的參數(shù)不變的條件下，計算D點(diǎn)的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變，計算結(jié)果如圖6，圖7所示。

由圖6,圖7可知，隨路面深度的增加，剪應(yīng)力、剪應(yīng)變快速增大至峰值后緩慢減小。4 cm～10 cm(中面層)內(nèi)，剪應(yīng)力和剪應(yīng)變水平大于0 cm～4 cm(上面層)和10 cm～18 cm(下面層)范圍內(nèi)的剪應(yīng)力、剪應(yīng)變。剪應(yīng)力、剪應(yīng)變在上面層和中面層增加很快并在中面層內(nèi)達(dá)到峰值，進(jìn)入下面層后二者緩慢減小。計算結(jié)果表明車轍主要產(chǎn)生在中上面層區(qū)域。

為了進(jìn)一步確定BRA結(jié)構(gòu)層的層位，下面對比分析將BRA結(jié)構(gòu)層設(shè)置在不同層位的情況。計算時考慮3種情況如表2所示，即單層(上面層，中面層)和雙層(上中面層)。根據(jù)課題組研究結(jié)果，摻加BRA瀝青混凝土靜態(tài)回彈模量可以達(dá)到2 000 MPa以上。因此，計算中，BRA結(jié)構(gòu)層的回彈模量值確定為2 000 MPa，上、中、下面層厚度分別取5 cm,6 cm和8 cm(以結(jié)構(gòu)1為例)。

本文通過比較剪應(yīng)力和剪應(yīng)變指標(biāo)，評價了這三種BRA改性路面結(jié)構(gòu)和常規(guī)的半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性能，實(shí)踐結(jié)果如圖8，圖9所示。

表2 BRA改性瀝青混合料應(yīng)用方案

從圖8可以看出，在上面層范圍內(nèi)，剪應(yīng)力大小從大到小排列為方案1>方案3>方案4>方案2；而在車轍容易產(chǎn)生的中面層，方案2和方案3差異不大，剪應(yīng)力均大于方案1和方案4；在下面層中，4條剪應(yīng)力的曲線幾乎重合，從大到小順序?yàn)榉桨?>方案1>方案2>方案3。因此，從剪應(yīng)力的比較結(jié)果可以看出，使用BRA改性瀝青混合料作為結(jié)構(gòu)層以后，會提高應(yīng)用層位的剪應(yīng)力。

從圖9的剪應(yīng)變分布曲線可以看出，在上面層范圍內(nèi)，剪應(yīng)變整體表現(xiàn)為逐漸增大趨勢；在中面層范圍內(nèi)，方案2和方案3差異較小，均小于方案1和方案4；而在下面層，剪應(yīng)變的曲線幾乎重合，從大到小的順序與剪應(yīng)力相同，方案4>方案1>方案2>方案3。從計算結(jié)果可以看出，BRA可以減少應(yīng)用層位的剪應(yīng)變。

綜合以上分析可以看出，當(dāng)使用單層BRMA-13作為上面層時，對中下面層的影響較小，表現(xiàn)為中下面層的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變略微降低，而上面層剪應(yīng)力有所增加，剪應(yīng)變則表現(xiàn)為降低，因此可以用于表面層的車轍病害處治。當(dāng)使用單層BRAC-20作為中面層時，對上下面層的影響較小，表現(xiàn)為上下面層的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變略微降低，而中面層剪應(yīng)力有所增加，剪應(yīng)變則表現(xiàn)為降低，可以用于表面層的車轍病害處治。當(dāng)使用雙層BRMA-13+BRAC-20作為上中面層結(jié)構(gòu)時，雖然增加了上中面層的剪應(yīng)力，但是降低了上中面層的最大剪應(yīng)變，并且四種方案中，方案3即上下面層采用BRA層的剪應(yīng)變最小，因此在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，建議使用雙層BRA改性結(jié)構(gòu)層，以獲得更好的抗車轍性能。

3 BRA改性結(jié)構(gòu)層厚度分析

BRA結(jié)構(gòu)層應(yīng)用于中上面層時，通過改變中上面層的總厚度，分析了幾種路面結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)力、剪應(yīng)變的變化規(guī)律，以確定BRA結(jié)構(gòu)層合理的厚度范圍。計算過程中所選取的BRA改性路面結(jié)構(gòu)如表3所示，BRA改性結(jié)構(gòu)層的模量為2 000 MPa，各結(jié)構(gòu)層厚度和下面層模量按表1取值，其他材料參數(shù)不變，計算結(jié)果見圖10，圖11。

表3 BRA改性路面結(jié)構(gòu)

從圖10所示，當(dāng)BRA改性結(jié)構(gòu)層厚度從7 cm增加到11 cm時，BRA結(jié)構(gòu)層的剪應(yīng)力整體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，并且下面層的剪應(yīng)力較為相近，但也呈現(xiàn)略微減少的趨勢。綜上可以看出，BRA結(jié)構(gòu)層厚度的增加可以改善路面各結(jié)構(gòu)層的受力情況。

從圖11可以看出，當(dāng)BRA改性結(jié)構(gòu)層厚度從7 cm增加到11 cm時，其結(jié)構(gòu)層的剪應(yīng)變呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，此外下面層的剪應(yīng)變也逐漸減小，并且剪應(yīng)變差異明顯；對應(yīng)BRA結(jié)構(gòu)層厚度為7 cm時，最大剪應(yīng)變?yōu)?43.33 με，增加到8 cm,9 cm以后，最大剪應(yīng)變?yōu)?24.15 με和206.67 με，厚度增加到10 cm和11 cm時，最大剪應(yīng)變?yōu)?89.99 με和173.246 με。因此可以看出，隨著BRA結(jié)構(gòu)層厚度的增加，其剪應(yīng)變逐漸減小，并且對下面層的剪應(yīng)變影響較大，BRA改性結(jié)構(gòu)層厚度不足時，會導(dǎo)致下面層的最大剪應(yīng)變增加，容易在下面層產(chǎn)生車轍變形。根據(jù)分析結(jié)果，并考慮施工的經(jīng)濟(jì)性，建議BRA改性結(jié)構(gòu)層的總厚度設(shè)置為11 cm左右。

4 試驗(yàn)段方案設(shè)計

根據(jù)上述分析，本文提出一種巖瀝青高強(qiáng)瀝青路面結(jié)構(gòu)組合如圖12所示。結(jié)合上述研究，本文擬在黑龍江北安至富裕高速公路上鋪筑試驗(yàn)路段，而根據(jù)對巖瀝青高強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析研究，建議在上、中面層使用BRA改性結(jié)構(gòu)層，建議鋪筑0.5 km～1 km的試驗(yàn)路段，并進(jìn)行后續(xù)追蹤觀測。

5 結(jié)語

本文通過BRA改性路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，得出以下結(jié)論：

1)通過模型計算結(jié)果表明，車轍病害主要產(chǎn)生在中上面層區(qū)域；

2)提出的單層BRA改性結(jié)構(gòu)應(yīng)用方案，可以明顯降低上面層的剪應(yīng)變，適用于預(yù)防表面層的車轍病害發(fā)生；提出的雙層BRA改性結(jié)構(gòu)層應(yīng)用方案，將BRAC-16,BRAC-20同時應(yīng)用于路面的上中面層，可以分別減少上中面層的剪應(yīng)變，并建議厚度設(shè)置為11 cm；

3)根據(jù)模型計算以及路面結(jié)構(gòu)厚度測算，推薦試驗(yàn)段施工采用兩層BRA瀝青混合料，推薦試驗(yàn)段施工長度0.5 km～1 km。

[1] 趙立勇.抗車轍劑在高等級瀝青路面中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代公路,2008(21)：20-21.

[2] 劉紅瑛,林 立,任 偉，等.瀝青混合料高溫車轍評價指標(biāo)的研究[J].石油瀝青，2003，17(4):74-78.

[3] 彭 波,袁萬杰,陳忠達(dá).用車轍系數(shù)評價瀝青混合料的抗車轍性能[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，33(12):84-86.

[4] 李小虎,汪云峰,韓 森.重載交通作用下瀝青路面力學(xué)響應(yīng)分析[J].山西建筑,2005,31(5):4-5.

[5] 唐 淦.BRA改性瀝青混合料的室內(nèi)試驗(yàn)研究[J].交通科技,2016(2):149-152.

[6] 查旭東,錢光耀,張?jiān)品?BRA改性瀝青混合料AC-13C適宜摻量的研究[J].交通科學(xué)與工程,2015,31(2):1-5.