冷再生基層瀝青路面的車轍層位分布特征

李 莉，李佳穎，金光來，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

隨著中國(guó)公路事業(yè)的不斷發(fā)展，公路建設(shè)模式已逐步由“以新建為主”向“以養(yǎng)護(hù)為主”轉(zhuǎn)變，而在公路養(yǎng)護(hù)過程中，瀝青混凝土廢料的處理成為迫切要解決的關(guān)鍵問題[1]。乳化瀝青冷再生技術(shù)因具有節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、施工方便等特點(diǎn)得到推廣和運(yùn)用[2]。

在冷再生技術(shù)的發(fā)展過程中，研究人員對(duì)其性能及應(yīng)用展開了大量研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)董澤蛟等[3]分別對(duì)泡沫瀝青和乳化瀝青冷再生混合料的性能進(jìn)行了研究，并對(duì)其路用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；長(zhǎng)安大學(xué)徐金枝[4]對(duì)泡沫瀝青冷再生技術(shù)進(jìn)行研究，并在實(shí)際工程中運(yùn)用論證；湖南大學(xué)肖杰[5]主要對(duì)乳化瀝青冷再生混合料進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)；朱樹青[6]通過改變冷再生混合料的水泥和RAP摻量，來對(duì)冷再生混合料進(jìn)行性能提升。綜上所述，現(xiàn)有的研究大多集中于冷再生混合料設(shè)計(jì)、性能提升和評(píng)價(jià)方面，并且主要是通過改變?yōu)r青種類、外摻劑類型和摻量來實(shí)現(xiàn)。

目前對(duì)于冷再生路面的車轍研究，大多是通過室內(nèi)車轍試驗(yàn)進(jìn)行混合料性能評(píng)價(jià)，而對(duì)實(shí)際冷再生路面上車轍病害的分布特征的研究相對(duì)較少，并且主要依賴于室內(nèi)瀝青混合料的試驗(yàn)研究，不能真實(shí)反映路面車轍分布規(guī)律。室內(nèi)針對(duì)瀝青混合料的車轍分布研究常采用聲發(fā)射法、電鏡掃描法以及X射線CT掃描法等[8]，這些試驗(yàn)方法精度高，但是試驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜，過程繁瑣，尤其是無法與實(shí)際路面建立聯(lián)系，應(yīng)用性不強(qiáng)。

因此，為了研究冷再生瀝青路面在實(shí)際使用過程中車轍的分布特征，并考慮到路面結(jié)構(gòu)中不同層位的材料類型和性能均存在差異，本文基于取芯實(shí)測(cè)和理論模擬的思路，提出采用多數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，以求真實(shí)準(zhǔn)確地對(duì)實(shí)際路面結(jié)構(gòu)不同層位的車轍分布進(jìn)行研究。

本文以江西昌九高速的冷再生瀝青路面為研究對(duì)象，首先現(xiàn)場(chǎng)取芯并對(duì)芯樣進(jìn)行實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，從而分析實(shí)際路面結(jié)構(gòu)的車轍分布情況，然后建立連續(xù)變溫條件下瀝青路面車轍分析的有限元模型，模擬冷再生路面在實(shí)際溫度條件下的車轍分布規(guī)律。并且進(jìn)一步對(duì)冷再生路面與常規(guī)路面進(jìn)行研究，分析2種路面結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)和車轍變形的差異，最終得到冷再生瀝青路面整體結(jié)構(gòu)的車轍分布規(guī)律。

1 冷再生路面結(jié)構(gòu)車轍實(shí)測(cè)分析

江西省昌九高速公路的路面結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 昌九高速路面結(jié)構(gòu)形式

為了了解昌九高速冷再生路面結(jié)構(gòu)中車轍分布的真實(shí)情況，項(xiàng)目組選擇了昌九高速下行方向的K637＋550斷面、K611＋100斷面以及上行方向的K672＋680斷面、K689＋200斷面，進(jìn)行取芯，然后基于實(shí)際測(cè)量分析，明確路面結(jié)構(gòu)中各層位的車轍分布，并計(jì)算各層車轍貢獻(xiàn)率。具體計(jì)算步驟如下。

(1)計(jì)算路面各層基準(zhǔn)厚度，基準(zhǔn)厚度為兩側(cè)隆起處與路肩對(duì)應(yīng)的層位厚度平均值。

總之，通過運(yùn)用多元化教學(xué)方式、思維方法、教學(xué)手段，能夠打破傳統(tǒng)單一化知識(shí)傳遞的局限，讓學(xué)生在因材施教的過程中得到個(gè)性培養(yǎng)?；诖?，在教學(xué)改革的推動(dòng)下，初中語文教師應(yīng)將多元教學(xué)方法的探索作為教師教育教學(xué)實(shí)踐的重點(diǎn)，不斷創(chuàng)新，開展積極、有效的多元化教學(xué)，為學(xué)生多元化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

(2)計(jì)算路面整體車轍深度，即各層基準(zhǔn)厚度之和與凹陷處總厚度的差。

(3)計(jì)算各結(jié)構(gòu)層車轍深度。即各層基準(zhǔn)厚度與凹陷處對(duì)應(yīng)的層位厚度之差。

(4)計(jì)算各層車轍貢獻(xiàn)率。即各層產(chǎn)生的車轍深度占路面整體車轍深度的百分率。

由上述計(jì)算可以得到不同斷面結(jié)構(gòu)中各層的車轍貢獻(xiàn)率，如表1所示。

表1 昌九高速芯樣車轍貢獻(xiàn)率計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)不同斷面的芯樣進(jìn)行實(shí)測(cè)分析可以得到，路面中面層車轍變形量最大，上面層、下面層也存在一定程度的變形。其中，瀝青層自上而下各層的車轍貢獻(xiàn)率分別為16%、49%、26%和8%，中面層的車轍貢獻(xiàn)率較大，達(dá)到50%左右，這表明車轍主要發(fā)生層位為中面層，下面層的車轍貢獻(xiàn)率較大，其次為上面層，而冷再生層的車轍貢獻(xiàn)率最低。

2 冷再生瀝青路面車轍演變規(guī)律的理論分析

為了進(jìn)一步明確冷再生路面結(jié)構(gòu)的車轍分布規(guī)律，基于理論模擬的方法，采用Abaqus有限元軟件，建立連續(xù)變溫條件下路面車轍的二維分析模型，模型寬度為3.75m，高為3 m，模型上部網(wǎng)格劃分較密集，兩邊及下部則稍稀疏，且蠕變誤差取5×10-4。

2.1 計(jì)算參數(shù)

2.1.1 熱特性參數(shù)

路面結(jié)構(gòu)各材料的熱特性參數(shù)如表2所示，其中，面層混合料的熱特性參數(shù)取為統(tǒng)一值，并且不考慮各熱特性參數(shù)隨溫度的變化。

在路面材料熱特性確定的情況下，路面結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)由氣象條件決定。為進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，本文收集了南昌市高溫季節(jié)一天24 h的代表性氣溫，如表3所示。

2.1.2 力學(xué)參數(shù)

對(duì)于瀝青混合料，可以通過室內(nèi)三軸蠕變?cè)囼?yàn)和抗壓回彈試驗(yàn)確定其蠕變模型和彈性參數(shù)，如表4所示。無機(jī)結(jié)合料的塑性變形相對(duì)較小，因此對(duì)于無機(jī)結(jié)合材料，可采用彈性模型參數(shù)，如表5所示。

2.1.3 荷載參數(shù)

本文采用二維模型來進(jìn)行車轍分析，荷載為標(biāo)準(zhǔn)軸載，作用面積為21.3 cm2，因此輪胎接地壓強(qiáng)為0.117MPa。此外，本文統(tǒng)計(jì)了南昌市高溫季節(jié)一天24 h不同時(shí)段的累計(jì)軸載作用次數(shù)所占的比例，參考昌九高速的交通軸載作用情況，設(shè)置荷載作用次數(shù)為50萬次，經(jīng)過計(jì)算可以得到一天24 h各個(gè)時(shí)段累積作用時(shí)間，如表6所示。

表2 路面溫度場(chǎng)分析熱特性參數(shù)

表3 南昌高溫季節(jié)1天24 h代表性溫度

表4 瀝青混合料彈性參數(shù)和蠕變參數(shù)

表5 瀝青混合料彈性參數(shù)和蠕變參數(shù)

2.2 車轍計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述模型和參數(shù)對(duì)冷再生路面進(jìn)行車轍分析，運(yùn)算結(jié)果如圖2、3所示。

由上述分析可知，路面車轍為最大凹陷處的位移，在作用50萬次后冷再生路面車轍深度為6 mm，面層結(jié)構(gòu)各層的變形自上而下分別為1.2、2.7、1.7、0.4 mm。經(jīng)計(jì)算，可以得到每層的車轍變形占比為20%、44.8%、27.8%、7.4%，即中面層車轍占比最高，而冷再生層貢獻(xiàn)率最低，這與實(shí)際路面結(jié)構(gòu)中車轍層位分布情況較一致。

圖2 車轍分析結(jié)果

圖3 最大凹陷位置向下的位移變化

3 冷再生路面車轍與常規(guī)路面的差異性分析

為了進(jìn)一步分析冷再生路面結(jié)構(gòu)中車轍的分布特征，設(shè)置相同條件對(duì)常規(guī)半剛性基層瀝青路面進(jìn)行理論研究，并與冷再生基層瀝青路面進(jìn)行差異性分析。其中半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)層厚度與冷再生瀝青路面一致，僅是將冷再生層材料換成半剛性材料來進(jìn)行研究，如圖4所示。

表6 一天24 h不同時(shí)段軸載的累積作用次數(shù)所占比例和累積作用時(shí)間

圖5 常規(guī)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式

3.1 溫度場(chǎng)分析

通過對(duì)冷再生路面和常規(guī)路面進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，可以得到圖5、6所示結(jié)果。

由上述分析可以得到：隨著深度的增加，2種結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的變化總體較為一致，且相差不大；但是在下面層附近冷再生路面結(jié)構(gòu)的溫度較高，最高溫度相較于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)提高1 ℃，并且在12時(shí)~24時(shí)范圍內(nèi)，溫度相對(duì)較高。

3.2 車轍結(jié)果分析

通過對(duì)冷再生路面和常規(guī)路面進(jìn)行車轍分析，可以得到圖7所示的結(jié)果。

圖5 兩種路面結(jié)構(gòu)溫度隨深度的變化情況

圖6 一天時(shí)間內(nèi)兩種路面結(jié)構(gòu)下面層溫度變化情況

圖7 冷再生路面與半剛性路面結(jié)構(gòu)層車轍

由圖7可以分析得到，冷再生路面的整體車轍變形較大，為6mm，而半剛性瀝青路面則為3.94mm，即冷再生路面的車轍變形相對(duì)常規(guī)路面增加52%。經(jīng)計(jì)算，可以得到半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)每層的車轍變形占比為28.9%、48.7%、22.4%、0%，可知中面層為主要抗車轍變形層位。

此外，與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，使用冷再生材料作為路面上基層時(shí)，冷再生層會(huì)分擔(dān)一定的抗車轍功能，并且由于冷再生路面下面層附近的溫度相對(duì)較高，因此中下面層的車轍變形占比也增大。

4 結(jié)語

(1)冷再生路面結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)分析表明，目前昌九高速實(shí)際路面結(jié)構(gòu)中的車轍分布情況為：冷再生層車轍貢獻(xiàn)率約為8%，比例最低；中面層最大，達(dá)到49%。

(2)冷再生路面結(jié)構(gòu)理論模擬表明，其車轍分布情況與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果較一致，冷再生路面結(jié)構(gòu)自上至下各層車轍所占比例分別為20%、44.8%、27.8%、7.6%，即車轍以中下面層為主，而冷再生層貢獻(xiàn)率最低。

(3)冷再生路面與常規(guī)路面車轍存在差異：結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度總體相差不大，但冷再生路面的下面層附近溫度較高，溫差最大達(dá)到1 ℃；而車轍分析結(jié)果表明，冷再生路面車轍變形較大，相對(duì)于普通路面增加52%，且中下面層車轍貢獻(xiàn)占比增大。