OGFC-13在惠清高速公路路面中的應(yīng)用

梁庭熹，包聰靈，許新權(quán)，青 健，謝光寧

(1.廣東惠清高速公路有限公司，廣州 510623；2.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

排水瀝青路面是一種大孔隙的瀝青路面，該種瀝青路面采用開級(jí)配設(shè)計(jì)思路，具有較大的空隙率(一般為18%～23%)和豐富的連通孔隙率，能夠使雨水迅速下滲并在內(nèi)部排出[1]。曹東偉等人[2]的研究成果表明，同等條件下，排水瀝青路面產(chǎn)生的水膜厚度是普通瀝青路面產(chǎn)生水膜厚度的5%～10%，說明排水瀝青路面可以較大程度減少車輛行駛過程中的濺水和噴霧，提高雨天行車安全。此外，排水瀝青路面的骨架空隙結(jié)構(gòu)能夠形成豐富的表面宏觀構(gòu)造，從而擁有較好的抗滑性能，同時(shí)，大孔隙率使得車輪和路面之間產(chǎn)生的噪音具有充分的消散空間，降低行車過程中產(chǎn)生的噪音[3-4]。

在路線縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)變坡點(diǎn)和平坡段，這些位置雖然考慮了橫坡排水，但是，廣東降雨量通常較大且急，在平坡段單靠橫坡很難快速排出路表水。鑒于此，在惠清高速公路平坡段采用開級(jí)配的排水瀝青路面。本文通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路鋪筑驗(yàn)證，研究了排水瀝青路面在廣東的應(yīng)用，分析了該新型路面的疲勞性能，為后續(xù)排水瀝青路面在廣東省的應(yīng)用提供依據(jù)和參考。

1 工程概況

惠清高速公路全長(zhǎng)125km，主線采用瀝青混凝土路面。為驗(yàn)證排水瀝青路面的路用效果，在惠清高速公路左幅ZK181+080～ZK182+250平坡段鋪筑長(zhǎng)度為1 170m的OGFC-13試驗(yàn)路面，路面結(jié)構(gòu)見表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)型式

2 OGFC-13配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

上面層OGFC-13粗集料為輝綠巖，集料粒徑規(guī)格分別為10～15mm、5～10mm、3～5mm；細(xì)集料為輝綠巖自制0～3mm機(jī)制砂；采用廣東四會(huì)市富鴻環(huán)保材料廠生產(chǎn)的礦粉，由石灰?guī)r磨細(xì)制成；英德海螺水泥責(zé)任有限公司的 PO42.5水泥；瀝青為殼牌新粵(佛山)瀝青有限公司的殼牌(HV型)高粘改性瀝青。

原材料試驗(yàn)結(jié)果見表2～表4。

表2 配合比集料密度試驗(yàn)結(jié)果

表3 (HV型)高粘瀝青主要物理指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

表4 RTFOT(163℃，75min)老化后物理指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

2.2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

采用馬歇爾方法進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考慮瀝青混合料的抗高溫性能、抗水損害的能力，OGFC-13的配合比設(shè)計(jì)見表5。

表5 OGFC-13礦料合成級(jí)配

通過室內(nèi)馬歇爾試驗(yàn)，最終確定最佳油石比為5.2%，瀝青混合料性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 OGFC-13瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

3 路用性能

采用路面滲水儀、高精度斷面儀、激光紋理儀、SCRIM橫向力系數(shù)測(cè)試車對(duì)OGFC-13路面路用性能進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

3.1 表觀效果

上面層OGFC-13試驗(yàn)路路面平整，整體表觀均勻性好(圖1)，粗骨料分布較均勻，骨料間嵌擠效果較好。

圖1 整體表觀均勻性

3.2 滲水系數(shù)

隨機(jī)抽取4處進(jìn)行滲水系數(shù)測(cè)試(圖2)，檢測(cè)結(jié)果見表7。滲水系數(shù)均大于2 000mL/min,合格率100%。

表7 試驗(yàn)段路面滲水系數(shù)檢測(cè)結(jié)果

圖2 滲水系數(shù)測(cè)試

3.3 平整度測(cè)試

采用高精度手推式斷面儀Walking Profiler G3在OGFC-13路面選取長(zhǎng)度500m進(jìn)行測(cè)試，按照超車道、行車道、慢車道、路肩縱向連續(xù)測(cè)試4個(gè)斷面，如圖3所示。0.5m計(jì)算值作為儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表8。

圖3 測(cè)試方案

表8 IRI數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果

分析看出，IRI分布在0～1之間的比例占86.96 %，分布在1～2之間的比例為11.76 %，IRI大于2的比例占1.28%，各斷面整體攤鋪的平整度較為良好。

3.4 構(gòu)造深度測(cè)試

采用TM2路面激光紋理儀測(cè)試表面紋理。選取200m作為測(cè)試樣本，樣本縱向連續(xù)，橫向按間距1m劃分為15個(gè)矩形區(qū)域，采用激光紋理儀沿矩形區(qū)域進(jìn)行表面紋理深度的連續(xù)掃描測(cè)試，采樣間距為3mm/道，計(jì)算每10m的平均值。測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表9。

表9 構(gòu)造深度

由表9數(shù)據(jù)可知，快車道的平均構(gòu)造深度最大為1.207，超車道次之為1.205，慢車道最小為1.181。整體而言，構(gòu)造深度較大，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 橫向力測(cè)試

采用SCRIM橫向力系數(shù)測(cè)試車進(jìn)行橫向力系數(shù)檢測(cè)。將測(cè)試結(jié)果修正成20℃溫度標(biāo)準(zhǔn)值，檢測(cè)路段橫向力系數(shù)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表10，共抽檢177點(diǎn)，平均值57，代表值56，合格153點(diǎn)，合格率為86%。

表10 橫向力系數(shù)SFC檢測(cè)結(jié)果

4 抗車轍性能分析

4.1 計(jì)算模型

采用ABAQUS建立該路面結(jié)構(gòu)的二維蠕變參數(shù)模型，分析OGFC-13路面的抗車轍性能。

參照設(shè)計(jì)文件，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[6]的研究成果，路面結(jié)構(gòu)形式和各層材料參數(shù)見表11。

表11 路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

計(jì)算假設(shè)層間完全連續(xù)，各層材料為各向同性均勻體[7]。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果，車胎對(duì)路面的作用并不是圓形分布，而是隨著輪壓、車輛荷載和輪胎花紋等變化而變化，車輛輪胎與路面的接觸形狀更加接近矩形，接地長(zhǎng)度L=0.15～0.30 m。本研究采用如圖4所示的長(zhǎng)方形均布荷載作為輪壓作用范圍。

圖4 輪載作用簡(jiǎn)化圖

將100kN荷載作用等效呈矩形時(shí)，荷載寬度B=18.6cm，輪胎接地壓強(qiáng)為P=0.7MPa，在接地壓力和接地長(zhǎng)度一定的情況下，根據(jù)行車速度V，有：

t0=L/V

式中:V為行車速度；L為接地長(zhǎng)度；t0為每次輪載時(shí)間。

因此，本文研究時(shí)將輪載作用1萬次等效為荷載累計(jì)作用時(shí)間為100s進(jìn)行分析。100萬次及荷載作用10 000s的車轍計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 100萬次荷載車轍云圖

4.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，本文依托項(xiàng)目的15年單車道累計(jì)交通量為2.01×107次，因此，本文計(jì)算了軸載作用10萬次到2 000萬次的車轍量，結(jié)果如表12和圖6所示。

圖6 車轍和荷載作用次數(shù)的關(guān)系

由表12和圖6可知：隨著荷載作用次數(shù)的增加，隆起值和凹陷值逐漸增大；當(dāng)荷載作用為1 500萬次時(shí)，車轍為1.95cm，接近2cm，隆起值始終小于凹陷值；當(dāng)荷載作用次數(shù)為100萬次時(shí)，隆起值對(duì)車轍的貢獻(xiàn)率占總車轍變形的9.46%。隨著荷載作用次數(shù)的增加隆起值對(duì)車轍的貢獻(xiàn)率增大，當(dāng)作用次數(shù)為2 000萬次時(shí)，隆起值對(duì)車轍的貢獻(xiàn)率占總車轍變形的21.6%。

5 結(jié)語

OGFC-13作為一種功能性磨耗層，在排水、降噪等方面有較大的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)其實(shí)際路用效果和抗車轍性能的優(yōu)越性研究較少。本文通過配合比設(shè)計(jì)、路用性能檢測(cè)和車轍有限元模型計(jì)算，得出以下結(jié)論：

(1)OGFC-13在配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)的磨耗層碎石，且應(yīng)采用高粘瀝青，目標(biāo)孔隙率一般為18%～23%。

(2)OGFC-13施工后構(gòu)造深度較大且分布均勻；平整度指數(shù)IRI大于2的僅占1.29%，各斷面整體平整度分布情況基本一致，整體攤鋪的平整度較為良好；共抽檢177點(diǎn)，平均值57，代表值56，合格153點(diǎn)，合格率為86%。

(3)隨著荷載作用次數(shù)的增加，隆起值和凹陷值逐漸增大，隆起值始終小于凹陷值。當(dāng)荷載作用為2 000萬次時(shí)，車轍為2.22cm，表明該路段OGFC-13路面能夠滿足抗車轍的要求。