基于模量和降溫速率的超薄鋪裝關鍵參數(shù)影響分析

楊光昊

江蘇百盛工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210000

車轍、裂縫和抗滑性能下降是目前高速公路養(yǎng)護所面臨的主要問題［1］，對于帶有一定反射裂縫，并且有大于10mm 甚至15mm 深度的車轍存在的路段進行養(yǎng)護維修需要盡快處理。常規(guī)的銑刨回鋪4cm 混合料的養(yǎng)護方案，養(yǎng)護周期較長，并且對舊路面結構的利用效率較低，在優(yōu)質集料減少的前提下難以達到資源節(jié)約的目的［2-3］。此外，為了綜合提高養(yǎng)護后瀝青路面的抗車轍、抗裂和抗滑性能，特別是考慮到高速公路比較突出的病害問題，需要養(yǎng)護部門轉變思路［4］。

目前，為解決上述問題，可采用超薄鋪裝的技術手段，不過目前的超薄鋪裝材料主要采用SMA-10、AC-10，高溫性能仍具有不足，同時由于面層較薄，施工過程中溫度散失較快，造成壓實相對困難［5-6］。因此，本文為針對上述超薄鋪裝技術存在的問題，對于技術應用需求進行研究，分別是選用材料模量的需求和施工影響關鍵因素對降溫速率的影響，以此來指導超薄鋪裝技術對材料的選取和養(yǎng)護施工。

1 超薄鋪裝技術介紹

超薄鋪裝技術的應用主要針對于目前高速公路路表10～15mm 車轍病害的養(yǎng)護，通過銑刨回鋪2.5cm 左右的瀝青鋪裝層，來改善出現(xiàn)病害后的路面結構使用性能。目前，養(yǎng)護所用的超薄層瀝青混合料主要有ECA、Novachip 和UTA 等。根據(jù)相關的數(shù)據(jù)調研得到，無論Novachip 還是UTA 或ECA，其混合料高溫性能并不突出，60℃動穩(wěn)定度普遍在3000 次/mm左右，對于路面車轍病害的養(yǎng)護，這些材料存在性能不足；而且施工工藝偏復雜?？偟膩碚f，超薄鋪裝與常規(guī)瀝青鋪裝層的區(qū)別主要在于混合料性能問題和層厚較薄問題，從而導致了養(yǎng)護施工中的路面快速降溫、改變了結構整體的受力情況。因此，下文將對這些參數(shù)進行相關研究。

2 模量需求研究

2.1 理論計算模型

基于超薄鋪裝結構特點，通過與普通路面結構的對比，對超薄鋪裝瀝青路面路面響應進行了力學分析，以此來分別分析高溫情況和低溫情況下養(yǎng)護材料的模量需求。圖1 為常規(guī)的“4+6+8”路面結構，圖2 是考慮其發(fā)生1.5cm 車轍病害后，銑刨回鋪2.5cm 密級配超薄鋪裝的路面結構。所用計算模型尺寸為5m×5m×4m，其中道路結構層0.72m。邊界條件假設為：將土基底面完全固定，假定在行車方向的平面整個模型沒有Z 方向的位移，在路面寬度的平面模型沒有X 方向的位移。

圖1 常規(guī)路面結構

圖2 密級配超薄鋪裝路面結構

2.1 高溫情況下的模量需求

為了分析在高溫的情況下的結構受力變化情況，利用不同的抗壓回彈模量作為分析參數(shù)，分析不同結構層的性能變化，各結構層參數(shù)采用常規(guī)值，選取2、4、7、14cm 深度進行壓應變分析，相應深度的計算分析結果如表1 所示。

表1 相應深度的豎向壓應變計算結果/με

從表1 可以看出來，將超薄鋪裝的模量從800MPa 提高1600 時，2～7cm 深度范圍結構層的豎向壓應力均有所降低，其中密級配超薄鋪裝的豎向壓應變降低幅度最大，達到38.5%；說明提高超薄鋪裝的模量可以降低高溫條件的應變，改善了路面結構的整體受力。因此，對于超薄鋪裝采用的材料，適當提高回彈模量，可以有效提高超薄鋪裝層和路面結構的整體高溫性能。

2.2 低溫情況下的模量需求

為了分析在低溫的情況下的影響情況，分析采用材料在5℃時的模量值，對結構層間應力的變化情況進行了分析，各層的材料參數(shù)取相應常規(guī)值，相應分析參數(shù)的分析結果如圖3所示。

圖3 層間應力變化趨勢

從上圖可以看出，面層層底拉應力是結構的主要控制應力，隨著超薄鋪裝低溫情況下模量的下降，面層的層底拉應力大幅度降低，從0.1251MPa 降低到0.067MPa，降低了86.7%，說明降低低溫條件下的材料模量可以有效的提高低溫抗裂性能，因此，需要選取適當較低的低溫條件下的材料模量來保證結構的低溫性能。

3 施工影響關鍵因素需求研究

在養(yǎng)護施工中，超薄材料應保證有足夠的壓實時間，才能保證壓實質量。由于超薄磨鋪裝的層厚僅為20～30mm，施工過程中降溫速率極快，為研究超薄鋪裝材料在施工過程中的降溫速率影響因素，本文主要采用NAPA 的路面降溫速率軟件MultiCool 對施工過程中的各項影響因素條件進行分析，包括氣溫、干濕狀態(tài)、風速、鋪裝層厚度等，得到相應影響因素的需求，以此來指導施工。

3.1 氣溫

假定超薄鋪裝混合料的層厚為25mm，干燥，風速為二級風（8.05km/h），采用軟件研究不同氣溫下的鋪裝混合料的降溫情況，具體情況見下圖。

圖4 不同氣溫下鋪裝混合料的降溫速率曲線

由上圖可知，在溫度從15～35℃范圍內變化，混合料從160℃降到80℃的降溫時間由10min 增加至17min，氣溫增加20℃，降溫時間延長70%，可見氣溫對降溫時間顯著影響。

3.2 風速

假定超薄鋪裝混合料的層厚為25mm，氣溫為25℃，在干燥環(huán)境下，研究不同風速條件下的密級配混合料的降溫狀況。

圖5 不同風速下鋪裝混合料降溫速率曲線

由上圖可知，風速從二級增加至六級風速，混合料由160℃降至80℃的降溫時間從13min 下降至9min，時間降低了30.8%，由此可知，其他情況不變的情況下，風速對鋪裝材料降溫速率的影響十分顯著。

3.3 厚度

假定風速為二級風（8.05km/h），氣溫為25℃，在干燥的條件下，計算在不同厚度條件下的鋪裝混合料的降溫狀況，結果如下圖。

圖6 不同厚度下鋪裝混合料降溫速率曲線

從上圖可以看出，降低層厚，密級配混合料的降溫速率急劇增加，厚度從25mm 下降到20mm，降溫時間降低30.8%。

3.5 干濕條件

假定在風速為二級風（8.05km/h），氣溫為25℃，厚度為25mm 的情況下，研究干濕條件下的鋪裝混合料的降溫狀況，如下圖所示。

圖7 干濕條件下鋪裝混合料降溫速率曲線

從圖中可以看出，在氣溫、厚度、風速一致的情況下，干濕條件對混合料從160℃降到80℃的時間僅相差1min，可見干濕條件對超薄鋪裝降溫速率影響不大。

3.6 綜合因素分析

通過前文對各種因素的單獨分析，可以得到各種因素中，干濕條件的影響不是很顯著，風速和氣溫具有一定的影響，而混合料的厚度對降溫速率影響最為顯著，具體相關影響程度用擬合曲線的函數(shù)關系來表達，各因素的擬合曲線如下圖所示。

從上圖氣溫與鋪裝混合料降溫時間關系的擬合曲線可知，氣溫與降溫時間呈對數(shù)相關關系，隨著氣溫的升高，降溫時間呈相應的對數(shù)關系增長。

圖9 風速與混合料降溫時間擬合曲線

從上圖風速與鋪裝混合料降溫時間關系的擬合曲線可知，風速與降溫時間呈負對數(shù)相關關系，隨著風速的提高，降溫時間呈相應的對數(shù)關系下降。

圖10 厚度與混合料降溫時間擬合曲線

從上圖厚度與鋪裝混合料降溫時間關系的擬合曲線可知，厚度與降溫時間呈對數(shù)相關關系，隨著氣溫的升高，降溫時間呈相應的對數(shù)關系增加。

通過分析各因素對混合料降溫速率影響關系，考慮實際施工過程不同季節(jié)的氣溫、干濕以及風速等自然條件的變化情況。固定混合料厚度為20mm，考慮不同氣溫變化范圍內，超薄鋪裝混合料降溫時間從8～4min 所需要的風速等級，具體情況如下表所示。

表2 不同氣溫所對應的風速等級

從上表可知，隨著氣溫的升高，有利于在風速等級提高的情況下保證密級配混合料降溫時間滿足施工的要求。考慮到現(xiàn)場的施工條件，混合料的可壓實時間不得少于6min，并且密級配超薄鋪裝混合料不建議在氣溫低于15℃的條件下施工，因此在實際施工過程中，現(xiàn)場的氣溫和風速因素需要滿足下表中的相應要求。

表3 超薄鋪裝施工周圍氣溫和風速要求

4 結語

本文通過對超薄鋪裝結構力學特性和不同情況下降溫速率的分析，得出如下結論：

（1）在適當?shù)臏囟葏^(qū)間內，隨著超薄鋪裝材料高溫模量的增加，層底位置的豎向壓應變適當降低，因此，為保證養(yǎng)護后結構的抗車轍病害的能力，超薄鋪裝材料在高溫時的模量需要提升；

（2）在適當?shù)臏囟葏^(qū)間內，超薄鋪裝材料低溫條件下模量的越低，層底拉應力越小，表明為保證路面結構的抗裂性能，需要適當降低超薄鋪裝的低溫模量。

（3）溫度模擬軟件的計算結果表明，氣溫、鋪裝層厚度、風速條件對于鋪裝結構的降溫速率影響較為顯著，而干濕條件對降溫速率的影響不大；在保證降溫時間為6～8min 的可施工時間下，本文提出了對現(xiàn)場的環(huán)境氣溫與風速的相應要求，施工現(xiàn)場可以進行參考，以此來保證超薄鋪裝層的壓實度。