基于力學(xué)性能分析的冷再生半柔性基層研究

陳 浩 蔣龍松 趙冬漢

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 211110)

0 引言

半剛性基層因其強(qiáng)度高、承載力大，在我國高等級公路中被廣泛應(yīng)用。但隨著使用年限增長，半剛性基層路面早期病害日益嚴(yán)重。研究表明，半剛性基層路面大多數(shù)病害，與其結(jié)構(gòu)存在很大關(guān)系。而在國外，高等級公路基層主要推薦采用全厚式瀝青路面和柔性基層路面。參考國外研究成果，針對柔性基層力學(xué)性能，本文采用泡沫瀝青冷再生柔性基層，設(shè)置在半剛性底基層之上，形成半柔性組合式路面結(jié)構(gòu)。半柔性基層可以很好的解決半剛性基層收縮開裂和水損害引起的早期病害。

對半柔性基層研究中，關(guān)鍵問題是如何選擇半柔性基層替代半剛性基層。采用半柔性基層如何保證基層的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性。同時(shí)，半柔性基層如何抵抗荷載和溫度作用下的水損害病害出現(xiàn)。因此，本文通過BISAR力學(xué)計(jì)算軟件，研究冷再生基層力學(xué)性能。通過層底拉應(yīng)力和橫向剪應(yīng)力評價(jià)半柔性基層力學(xué)性能。并通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度評價(jià)泡沫瀝青冷再生基層路用性能。

1 力學(xué)性能試驗(yàn)

從力學(xué)性能分析，瀝青路面的破壞是由層間應(yīng)力和位移累積造成[1]。現(xiàn)行規(guī)范按照標(biāo)準(zhǔn)軸載計(jì)算累計(jì)作用次數(shù)。其他軸載應(yīng)按照等效原則換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)[2]。

力學(xué)分析模型：本文以貴州某干線公路典型半剛性基層路面結(jié)構(gòu)為原型，如表1所示。采用泡沫瀝青冷再生作為半柔性基層結(jié)構(gòu)[3]。各結(jié)構(gòu)層參數(shù)根據(jù)規(guī)范要求以及半柔性材料室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果選擇。采用BISAR計(jì)算程序分柔性基層層底拉應(yīng)力、橫向剪應(yīng)力以及路表彎沉等控制指標(biāo)[4]。

表1 不同基層路面結(jié)構(gòu)

由于室內(nèi)試驗(yàn)獲得的泡沫瀝青冷再生混合料的模量變化范圍為700 MPa～1 100 MPa，本次計(jì)算選擇半柔性基層材料的參數(shù)取值如表2所示。

表2 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 力學(xué)性能分析

2.1 基層層底拉應(yīng)力

半剛性基層能夠提高路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。但半剛性基層路面層底拉應(yīng)力相對集中，容易造成路面破壞[5]。而半柔性基層采用泡沫瀝青冷再生材料時(shí)，模量在700 MPa～1 100 MPa之間變化。半柔性基層模量變化對路面基層層底拉應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

路面基層層底拉應(yīng)力隨著基層模量的增大而增大，層底拉應(yīng)力增大容易產(chǎn)生裂縫，路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)反射裂縫的幾率較大。因此采用半柔性基層代替半剛性基層可以延緩反射裂縫的出現(xiàn)，提高路面的抗裂性能。

2.2 橫向剪應(yīng)力

面層剪應(yīng)力與瀝青層模量正相關(guān)，與厚度負(fù)相關(guān)。最大剪應(yīng)力在面層厚度中間位置[6]。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

瀝青層橫向剪應(yīng)力大小，能夠反映到路面抗車轍、壅包能力。計(jì)算結(jié)果表明橫向剪應(yīng)力隨著模量的增大而增大，即降低路面基層的模量有利于增大路面抗車轍、抗剪切破壞的能力。

2.3 路表彎沉

半柔性基層模量變化[7]對路表彎沉的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

路表彎沉隨著路面基層模量的增大而減小，可見增大基層模量有利于提高路面結(jié)構(gòu)承載能力。因此，為了提高路面的抗疲勞開裂和抵抗車轍、剪切破壞等能力，可以適當(dāng)降低路面基層的模量，但是為了保證路面結(jié)構(gòu)具有良好的承載能力，基層模量不能降低太多。

3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

選擇靜壓法和振動法對不同水泥劑量的半剛性和半柔性試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)[8]。計(jì)算抗壓強(qiáng)度平均值和代表值，分析不同成型方式下半柔性基層試件抗壓強(qiáng)度[9]。試驗(yàn)結(jié)果如圖4，圖5所示。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，抗壓強(qiáng)度隨水泥劑量增大而增大。半柔性基層與半剛性基層在不同水泥劑量作用下，抗壓強(qiáng)度基本接近，均滿足基層強(qiáng)度3.5 MPa要求。

4 劈裂強(qiáng)度分析

根據(jù)無機(jī)結(jié)合料試驗(yàn)規(guī)程[10]制作半剛性基層和半柔性基層試件。通過疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)評價(jià)半柔性基層強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

從圖6試驗(yàn)結(jié)果可知，在同等水泥劑量下，半柔性基層劈裂強(qiáng)度明顯優(yōu)于半剛性基層。半柔性基層表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

1)采用半柔性基層代替半剛性基層可以延緩反射裂縫的出現(xiàn)，提高路面的抗裂性能。橫向剪應(yīng)力隨著模量的增大而增大，即降低路面基層的模量有利于增大路面抗車轍、抗剪切破壞的能力。

2)半柔性基層與半剛性基層在不同水泥劑量作用下，抗壓強(qiáng)度基本接近，均滿足基層強(qiáng)度3.5 MPa要求。在同等水泥劑量下，半柔性基層劈裂強(qiáng)度明顯優(yōu)于半剛性基層。半柔性基層表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。