潮濕多雨地區(qū)瀝青路面層間結(jié)構(gòu)改善研究

賀果蒙，夏 永，徐金玉

（1四川成渝高速公路股份有限公司成渝分公司，四川成都 610000；2蘇交科集團股份有限公司，江蘇南京 211112）

按照我國瀝青公路建造原則，瀝青公路通常由兩層組成：表面層的瀝青混合料和下層的不透水瀝青混合層。為了保證瀝青路面的排水性能，一般都會在兩層之間鋪設(shè)防水抗裂的粘結(jié)物料，中間的防水抗裂層通常得具備較低的空隙率，較高的抗疲勞能力、抗壓能力、抗剪切能力和粘結(jié)能力[1]。所以瀝青路面建造過程中的防水抗裂層的好壞直接關(guān)系到瀝青路面的排水和粘結(jié)效果。我國南方地區(qū)由于常年降雨量較大，造成我國公路常年浸泡在水中。在長期浸泡下，一旦防水抗裂層出現(xiàn)松動，則雨水會直接進入路面基層，長期的雨水侵襲會使地基松動，從而造成嚴重的內(nèi)陷、塌方，直接威脅到人們的人身和財產(chǎn)安全[2-3]。因此在充分考量經(jīng)濟性能的前提下，探索防水抗裂層的粘結(jié)、防水及抗疲勞等功能，是提高瀝青路面整體使用性能和年限的必行之務(wù)。

1 防水抗裂方案設(shè)計及評價模型建構(gòu)

1.1 防水抗裂層聚合物配合比方案設(shè)計

以往的專家學者在瀝青路面設(shè)計中將更多關(guān)注點放在瀝青路面混合膠結(jié)料上，但是相比于混合膠的結(jié)料而言，瀝青混合料的配比選擇對路面防水抗裂效果才更加明顯[4]。因此對瀝青路面防水抗裂性能的研究，需要將更多的重點放在用料的配比選擇上。用料的級配選擇通過篩分選擇、馬歇爾試驗及空隙率小于2%選擇共同決定。在具體選擇級配過程中，要根據(jù)路面建造環(huán)境和使用集料粒徑進行選擇[5]。以AC-5密集作為研究級配指標，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》JTGE-20-2011進行篩分選擇和馬歇爾試驗，可得到三種基本的級配用料配比，見表1。

表1 加入SRX的三種篩分配通過率（%）Table 1 Distribution pass rate of three sieves added to the SRX(%)

表1三種級配選擇方案中都以SRX混合物原材料為中心進行級配，SRX由于其可溶于水的特性，在瀝青路面鋪設(shè)過程中，其可以通過與水的融合形成一種膠結(jié)劑，將路面內(nèi)部的混合物充分融合形成一個整體，提高路面的防水抗裂效果。在篩分基礎(chǔ)上，對三種級配進行馬歇爾試驗，可得出表2基本結(jié)論。

表2 馬歇爾試驗下的三種級配性能Table 2 Three gradation properties under Marshall test

表2是對三種級配進行馬歇爾試驗的結(jié)果，以確定最佳級配選擇。三種級配在馬歇爾試驗之后，級配1表現(xiàn)雖然空隙率最小，但是其穩(wěn)定度和流值無法測定，如此一來其測量的范圍便會距離上下限較近，無法滿足瀝青路用要求。而級配2和3則表現(xiàn)出較高的吻合性，在此基礎(chǔ)上對級配2和3進行滲水試驗。

通過滲水試驗就可以判定最終的最優(yōu)級配。滲水試驗之后，可以通過對空隙率和滲水情況兩方面綜合評判級配性能[6]。首先試驗后得出級配2的空隙率2.7%相較于級配3的1.5%而言較大，空隙率的大小直接決定了路面滲水量的多少，因此表現(xiàn)為級配3基本不滲水，而級配2出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。所以配合比設(shè)計認為級配3為研究擬采用最佳級配選擇。

1.2 防水抗裂層聚合物試驗方案設(shè)計

為了進一步驗證最優(yōu)級配結(jié)果，引入震動擊實CBR值，對三種級配進行垂直振動擊實，驗證三種級配在擊實條件下，路面內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度[7]。CBR值與混合料中SRX聚合物原材料參量之間的關(guān)系可表示為公式（1）。

公式（2）表示每增加一元的SRX，CBR的提升率結(jié)果。其中Yi為表示第i級別下的材料費用，考慮到瀝青路面建設(shè)現(xiàn)狀，在具體經(jīng)濟性計算過程中通常以20cm/m2計。為了進一步驗證路面用料混合物在失水情況下的收縮性能，在現(xiàn)有CBR基礎(chǔ)上增加了室內(nèi)養(yǎng)生測試，測試方法如圖1所示。

公式（1）表示在第 個級配條件下每增加1%的SRX，CBR值的提升率結(jié)果，CBR值提升率越高，表明第i個級配條件下，瀝青路面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好。i為參量級別，共分為0.1%、0.3%、0.5%、0.8%和1.0%五個級別。Pi表示第i級別下的CBR值。li表示第 級別下的SRX參量。路面建設(shè)是多種insulting綜合作用的結(jié)果，在此過程中不僅要考慮CBR值結(jié)果，還應(yīng)著重關(guān)注道路建設(shè)的經(jīng)濟要素。因此在CBR與SRX關(guān)系中引入價格要素，計算每增加一元的SRX聚合物對CBR值的影響關(guān)系如公式（2）所示。

按照圖1所示，設(shè)定聚合物中的SRX參量為0.5%，以規(guī)格為100mm的正方體為試件，對三種級配進行試驗。分別計算第i次的失水率ωi、觀測干縮率δi、干縮應(yīng)變εi及干縮系數(shù)αdi值，如公式（3）所示。

為了實現(xiàn)綠色施工，需要做好以下方面的工作：（1）將施工場地和非施工場地進行隔離，以減少施工過程中對周圍動植物產(chǎn)生的影響；（2）需要對施工產(chǎn)生的廢棄物進行回收，并派專職人員進行施工廢棄物檢查與處理，對可回收利用部分進行再利用，確保最大程度發(fā)揮其作用，減少施工垃圾，達到綠色施工的目的[3]。

5．試做填空。聽力材料播放完后，學生要進行歸納總結(jié)，判斷是否聽懂并明白大概意思，在明白的基礎(chǔ)上，作相關(guān)方面的練習，以修正學生的聽力，提升他們對學習材料的理解。

圖1 干縮試驗過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of dry shrinkage test

（4）選擇適宜間距的導向裝置緊貼試件表面，握住刀具，使刀垂直于試樣表面，對刀具均勻施力，并以均勻的切割速度移動刀具，使其在涂層上形成規(guī)定的切割數(shù)。所有切割都應(yīng)劃透至基材表面；

公式（3）中，mi表示在第i次測試當中試件的質(zhì)量值，以g為單位；Xi,j表示第i個測試值中的第j個測試千分表的讀數(shù)，以單位mm計；I表示標準試件的長度，以單位mm計算；mp表示標準試件的烘干衡量，以g計。在失水收縮基礎(chǔ)上，通過從高溫到低溫改變溫度變化，觀察混合物的試件長度變化，結(jié)合干縮系數(shù)ai計算第i個溫度下的平均混合物收縮應(yīng)變度εi，以驗證混合物的耐溫效果，計算公式如（4）所示。

他說，這筆經(jīng)費屬于國民稅金（國庫資金），借了不還的話，原則上是觸犯了“詐騙罪”，但是一次的話，警察不會追究。如果多次借錢不還的話，那么，警察就會采取行動。

在瀝青路面建造過程中，對路面的受力分析過程中，通常采用數(shù)值法和解析法。在分析相對復雜的混合物路面用材過程中，簡單的解析法是行不通的，因此研究采用數(shù)值分析法中的有限元分析方法[9]。首先，將瀝青路面混合結(jié)構(gòu)進行離散化處理，將整體路面結(jié)構(gòu)進行單元化處理，假定單元的位移分布，并建構(gòu)單元的位移模式。圖2所示是根據(jù)南方多雨氣候建構(gòu)的路面模型結(jié)構(gòu)。

第二天，老婆起床，眼圈居然有些泛青。顯然這一夜她也沒睡好。便站在寢室門口問：你是不是生病了？要不哪能連著兩宿這么咳嗽呢？有病趁早治，可別大意了，不行一會兒我陪你到醫(yī)院找個專家看看吧。

公式（5）為瀝青路面在浸水前后的質(zhì)量損失度（%）。其中，mi、mj分別代表試驗前后測試樣本的烘干質(zhì)量（g）。在進行以上測試過程中，仍需要對瀝青路面的抗剪程度進行測試，從而保證剪切的速率，保證瀝青路面建造過程中路面內(nèi)部的層間的穩(wěn)定程度，計算公式為：

公式（6）為瀝青路面抗剪強度，路面的抗剪強度由剪切力F和剪切面積S之比決定。其中剪切面積為上述馬歇爾試件中的橫截面面積，以m2計算。

1.3 防水抗裂層有限元分析模型建構(gòu)

公式（4）中，li為i度區(qū)間內(nèi)測試混合物的平均長度結(jié)果（cm）；L0為試件的參照初始長度；ti為測試時控制第i溫度內(nèi)的溫度變化區(qū)間。除了必要的失水收縮和耐溫性能測試之外，抗水損特性也是瀝青路面建造過程中的關(guān)鍵要素[8]。為了驗證瀝青路面長期浸泡在水中的抗水侵和抗沖刷性能，研究通過對比浸水前后的車轍質(zhì)量損失度加以分析。其中涉及到的計算公式為：

圖2 南方多雨地區(qū)的路面模型圖Fig.2 Pavement model of rain-fed areas in the south

其次在原有離散結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上根據(jù)力學特性建構(gòu)一個剛性矩陣，如圖3所示。網(wǎng)格建構(gòu)中位移的計算采用ABAQUS軟件作為計算工具，該軟件具有精準計算網(wǎng)格中的種子的位移和應(yīng)力情況能力[10]。瀝青路面有限元分析中的完全積分，采用高斯積分可以實現(xiàn)最為精確的多項式計算。由于瀝青防水抗裂層的復雜性，研究在多種網(wǎng)格模型中選擇了六面體網(wǎng)格模型，通常采用六面體剛性矩陣建構(gòu)單元計算式可分為中性軸算法和進階算法兩種，算法建構(gòu)如圖3所示。圖3中（a）、（b）分別為規(guī)則六面體在中性軸算法和進階算法分析下的結(jié)果。通過兩種算法的模型對比可知，圖3（a）中中性軸算法的網(wǎng)格與種子之間的擬合效果較低，但是其生成的種子關(guān)系在網(wǎng)格中會呈現(xiàn)較為規(guī)則的形態(tài)。且其網(wǎng)格的質(zhì)量較高，不會因種子劃分的精細程度有所改變。相比之下進階算法中種子的劃分程度會導致網(wǎng)格發(fā)生扭曲現(xiàn)象，網(wǎng)格的質(zhì)量不能夠得到保證，且網(wǎng)格與種子之間的擬合程度較高，會在一定程度上削弱種子變化的整體效應(yīng)[11]。綜合對比下，研究將中性軸算法作為參數(shù)計算模型。矩陣結(jié)構(gòu)之后最后計算單元應(yīng)力，利用ABAQUS軟件對路面結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力對比分析，計算模型如圖4所示。

圖3 六面體網(wǎng)格算法示意圖Fig.3 Schematic illustration of hexahedral grid algorithm

圖4 應(yīng)力計算模型中裂縫的位置圖示Fig.4 The location of cracks in the stress calculation model

圖4（a）、（b）分別為應(yīng)力計算下分析所得的裂縫位置結(jié)果。通過應(yīng)力計算可以得出瀝青路面在設(shè)置和不設(shè)置防水層條件下路面的荷載性能。路面荷載性能的變化能夠直接反應(yīng)防水抗裂層的抗剪壓能力，荷載性能越好則表明其抗剪壓能力越好，瀝青路面的防水抗裂路用性能就越好[12]。

給夏小凡拍的這張相片，是高志明的最后一張流動攝影作品。1981年初秋，因為未婚妻父親的關(guān)系，高志明終于成為城區(qū)春風照相館的一名正式職工。那些活潑的湖村姑娘，以及他悄悄注目過的少女，夏小凡，如醉湖上的波光，在之后的日子里，隨嶄新的生活和忙碌的工作，漸漸淡去。

2 模型使用性能評測

2.1 防水抗裂層經(jīng)濟效應(yīng)評測

按照篩分和馬歇爾試驗對已經(jīng)選定的三種級配進行分析，得出如圖5所示級配結(jié)果，礦粉比為31.5：67.5：1.0，礦料比為2.36：4.75：2.36。在如此配比情況下，可以看出現(xiàn)有合成級配能夠合理控制在上下限之間，穩(wěn)定在中值附近，表明合成級配配比性能較優(yōu)。

圖5 級配礦粉粗細程度對比Fig.5 Comparison of the thickness of graded mineral powder

表3中表現(xiàn)的是在合成級配條件下，與同等條件下的其他兩種級配的經(jīng)濟性能比較結(jié)果。通過經(jīng)濟性能分析對比可知，相比于水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面結(jié)構(gòu)而言，加入SRX聚合物的基層路面結(jié)構(gòu)整體厚度減少29 mm，且平均單價降低28.17元，在極大縮減基層結(jié)構(gòu)厚度的條件下，較大程度上節(jié)約了建造成本。

表3 選定級配條件下路面結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性能比較Table 3 Comparison of economic performance of pavement structures under selected grading conditions

2.2 防水抗裂層防疲勞效應(yīng)評測

圖6為路面防疲勞效應(yīng)評測結(jié)果。其中圖6（a）為應(yīng)力水平和荷載作用次數(shù)關(guān)系，圖6（b）為疲勞試驗結(jié)果。從圖6（a）中可以看出，隨著荷載作用頻率的增加，應(yīng)力水平都出現(xiàn)明顯增加。其中瀝青碎石的應(yīng)力水平顯著高于同等頻率下的優(yōu)質(zhì)砂、劣質(zhì)砂和水泥，其平均荷載作用次數(shù)在6次左右，相較于優(yōu)質(zhì)砂、劣質(zhì)砂和水泥，平均荷載作用次數(shù)分別提高1次、1.5次和3次，表明研究提高的瀝青防水抗裂層具有較高的抗壓能力。從圖6（b）可以看出，相較于普通結(jié)合料類的基層路面而言，加入SRX聚合物的混合基層路面結(jié)構(gòu)荷載作用次數(shù)范圍為5～7，相較于優(yōu)質(zhì)砂、劣質(zhì)砂和水泥對應(yīng)的荷載作用次數(shù)范圍為4～5.5、3.5～5、2～4而言，其起點較高，且荷載終點也較高，表明其抗疲勞強度更強。

圖6 路面防疲勞效應(yīng)評測結(jié)果Fig.6 Evaluation results of anti-fatigue effect on pavement

2.3 防水抗裂層抗壓效應(yīng)評測

圖7為路面抗壓CBR強度提升率測試結(jié)果。從圖7中可以看出，隨著SRX聚合物的加入，路面結(jié)構(gòu)的CBR值的提升率會不斷增加。且當整體SRX的摻量為0.3%和0.5%時，其CBR值相對較高，平均CBR值提升率高達13%左右。而SRX參量為0.8%和1.0%時，其CBR值平均增長率在0.9%左右。由此可見SRX聚合物的摻量在0.3%和0.5%時，其CBR值提升最大。但是隨著SRX的增加，摻量達到0.5%和0.8%時，其抗壓強度CBR值不會出現(xiàn)較大增幅。

圖7 路面抗壓性能評測結(jié)果Fig.7 Evaluation of Pavement Comp performance

3 結(jié)論

由于我國南方地區(qū)多雨，長期的雨水沖刷侵襲對我國南方公路瀝青公路的建造及維護提出了較大挑戰(zhàn)。為了提高我國南方地區(qū)瀝青路面的防水抗裂性能，研究引入馬歇爾試驗、高溫車轍試驗、室內(nèi)模擬、浸水試驗、抗剪切試驗及三維模型建構(gòu)對級配進行模擬實驗，驗證瀝青路面防水抗裂混合物料級配選定的最優(yōu)化。在多種試驗及模型檢測之后，研究提出的摻加SRX混合防水抗裂層的經(jīng)濟性能平均單位價格降低28.17元，同時建造厚度減少29cm，級配經(jīng)濟效應(yīng)得到提高；在經(jīng)受同等壓力條件下平均荷載作用頻率高達6次之多，顯著高于同等條件下的其他級配荷載量；當SRX摻量為0.3時其CBR值最高，平均CBR值提高13%左右。但由于防水抗裂層本身是一個10～15 cm厚的隔離層，其具體施工無法控制，因此還需在施工落實技術(shù)上進行研究，提高瀝青路面防水抗裂實效性。