薄型瀝青混凝土在BRT專用車道的應(yīng)用研究

黃小軍， 王 飛， 雷 鵬

(1. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2. 秭歸縣公路管理局， 湖北 宜昌 443600 )

BRT因其具有大運(yùn)量、快速以及智能和便捷優(yōu)質(zhì)的服務(wù)水平等特點(diǎn)，迅速成為各大城市發(fā)展公交系統(tǒng)的優(yōu)先選擇。北京、上海、南京等城市，BRT系統(tǒng)被廣大市民所認(rèn)可。但是，BRT公交車輛載重量遠(yuǎn)大于普通公交，且大部分路段為封閉專用車道，形成了一種完全渠化的交通方式。因此，BRT車道容易出現(xiàn)松散、車轍、剝落等路面病害。尤其是在信號(hào)燈路口和車站臺(tái)區(qū)域，由于車輛的急剎車和定點(diǎn)?？浚访娌『Ω訃?yán)重，影響了BRT車道的服務(wù)質(zhì)量。

鄭州市快速公交系統(tǒng)首期工程于2009年2月10日開工建設(shè)，于2009年5月20日全面完工。鄭州的快速公交系統(tǒng)(BRT)開通2年來，由于車輛載重大，交通量繁重，交通渠化等原因，BRT行車道尤其是BRT站臺(tái)，都出現(xiàn)了不同程度的裂縫、龜裂、坑槽、車轍、擁抱、沉陷等病害。

薄型瀝青混凝土具有抗滑性能好、厚度小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于高等級(jí)公路、市政道路的新建和養(yǎng)護(hù)[1]。對(duì)于BRT車道，考慮到車輛的重載、渠化交通等特點(diǎn)，宜重點(diǎn)提高路面的抗車轍和抗剪切能力。低標(biāo)號(hào)的改性瀝青混合料因其粘附性能和水穩(wěn)定性能，外加抗車轍劑的瀝青混合料可以提高抗車轍能力，因此，薄型瀝青混凝土的材料、級(jí)配選擇以及之間合理的組合需要專門的研究。

1 原材料性能和配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料性能檢測(cè)

瀝青采用SBS改性瀝青，基本性能指標(biāo)如表1所示。各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)都滿足規(guī)范要求。選用壓碎值、耐磨性較高的玄武巖為粗骨料用料，石灰?guī)r細(xì)集料磨碎為礦粉。集料性能如表2、表3所示，均滿足規(guī)范要求。

表1 SBS改性瀝青基本性能

表2 粗骨料主要技術(shù)性能

表3 礦粉性能

1.2 配合比設(shè)計(jì)

1.2.1BRT車道面層的配合比設(shè)計(jì)

BRT具有車輛載重大，日交通量大，交通渠化等特點(diǎn)。參照國(guó)內(nèi)外級(jí)配研究的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于重載交通，4.75 mm以上的集料含量在75%以上，同時(shí)小于0.075 mm的填料通常也要達(dá)到10%，而級(jí)配范圍在0.6～4.75之間的含量?jī)H有10%左右[2]。結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，采用SMA-13+RA 抗車轍劑作為BRT車道面層級(jí)配。RA抗車轍劑可有效提高瀝青路面的高溫抗車轍能力，與國(guó)內(nèi)外同類添加劑相比具有分散性好、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[3]。摻加RA抗車轍劑的瀝青混合料與普通混合料的配合比設(shè)計(jì)方法一樣，RA抗車轍劑預(yù)先與礦料干拌后再加入瀝青拌和，試驗(yàn)過程中，將集料與0.8%RA抗車轍劑(相對(duì)于混合料總質(zhì)量)放入拌和設(shè)備按常規(guī)方法拌和，常規(guī)方式制作試件。

SMA-13的級(jí)配范圍和合成級(jí)配曲線如表4和圖1。

表4 SMA-13(抗車轍劑)級(jí)配范圍

圖1 級(jí)配設(shè)計(jì)

1.2.2最佳瀝青含量

依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40-2004)進(jìn)行最佳瀝青含量試驗(yàn)[4～6]，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 SMA-13(RA抗車轍劑)馬歇爾試件性能

根據(jù)試驗(yàn)確定的初步最佳瀝青含量 OAC=6.23%。通過析漏試驗(yàn)對(duì)最佳瀝青含量進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 瀝青析漏試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出6.23%的最佳瀝青含量合適，因此，實(shí)際工程中采用瀝青含量6.23%作為目標(biāo)級(jí)配。

1.2.3浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)

路表面水存在的情況下，由于行車荷載和溫度變化的反復(fù)作用，自由水浸入到瀝青與集料的界面上，在水動(dòng)力的作用下，瀝青薄膜逐漸從集料表面剝落，混合料之間的粘結(jié)力逐漸喪失而發(fā)生路面破壞[7]。

運(yùn)用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)可以評(píng)價(jià)混合料的水穩(wěn)定性[8]。表7是浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果。從表7可以看出，采用SMA-13+RA抗車轍劑薄型磨耗層的凍融劈裂強(qiáng)度比和浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度都滿足規(guī)范要求。

表7 混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)

1.2.4車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)結(jié)果如表8、表9所示。

表8 改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

表9 SMA+RA抗車轍劑車轍試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明運(yùn)用SMA+RA抗車轍劑的試件車轍深度顯著降低，動(dòng)穩(wěn)定度明顯提高，因此，SMA+RA抗車轍劑混合料對(duì)路面抗車轍性能顯著提高。

2 路用性能檢測(cè)

2.1 BRT有限元分析

路面結(jié)構(gòu)從上至下依次采用SMA-13改性瀝青混凝土層4 cm、AC-25改性瀝青混凝土層8 cm、LSMA(大粒徑密級(jí)配瀝青碎石)18 cm、基層80 cm。平面尺寸為2.5 m×1 m，在路面結(jié)構(gòu)的底部、四周設(shè)置剛性板，將剛性體的外部完全約束。路面結(jié)構(gòu)參數(shù)如表10所示。

表10 路面結(jié)構(gòu)各層參數(shù)

采用BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)軸載作為建模時(shí)的使用荷載。為方便計(jì)算，將輪胎與地面的接觸面簡(jiǎn)化為20 cm×20 cm的正方形，計(jì)算模型如圖2。

圖2 計(jì)算模型

標(biāo)準(zhǔn)荷載下輪隙中心處路表彎沉和瀝青層及半剛性層層底彎拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 回彈彎沉結(jié)果

圖4 底層彎拉應(yīng)力

圖3表明該層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下產(chǎn)生實(shí)測(cè)路表回彈彎沉為0.065 mm。圖4表明層底彎拉應(yīng)力最大值為0.084 MPa，這和設(shè)計(jì)值比較，滿足使用要求。

2.2 室外實(shí)際鋪筑路段性能

依據(jù)設(shè)計(jì)級(jí)配、材料等鋪筑的鄭州市BRT車道路段，在通車后半年對(duì)BRT專用車道航海路段的路用性能進(jìn)行檢測(cè)，依據(jù)JTJ 073.2-2001《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》，結(jié)果如表11。

表11 路用性能結(jié)果

從表11可以看出原路面的平整度等各項(xiàng)路用性能都顯著提高，充分說明本文所設(shè)計(jì)的級(jí)配與材料具有良好的路用性能。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)快速公交系統(tǒng)(BRT)的運(yùn)行特點(diǎn)和BRT專用車道的病害，借鑒國(guó)內(nèi)外薄型瀝青混凝土經(jīng)驗(yàn)，提出了BRT的設(shè)計(jì)配合比。通過室內(nèi)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)以及車轍試驗(yàn)等檢測(cè)了該混合料的路用性能，并運(yùn)用到實(shí)際BRT專用車道改建工程中。得到如下結(jié)論：

(1)路用性能試驗(yàn)結(jié)果表明將SMA-13+RA抗車轍劑作為BRT車道面層補(bǔ)強(qiáng)層能滿足使用要求，該超薄瀝青混合料的車轍動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)3987次/mm，凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比為81.96%，超過規(guī)范對(duì)改性瀝青SMA混合料的要求；混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度為92.86%，也超過規(guī)范對(duì)該混合料的要求。由此可見，本文薄型瀝青混合料的路用性能滿足規(guī)范對(duì)城市道路面層的要求，具有抗車轍、抗水損害、抗凍等技術(shù)特點(diǎn)。

(2)通過對(duì)瀝青面層結(jié)構(gòu)的彎沉、彎拉應(yīng)力等力學(xué)性能進(jìn)行ANSYS軟件仿真分析，從而驗(yàn)證超薄瀝青混凝土的優(yōu)越性。

(3)在鄭州市BRT車道改建通車半年多來，對(duì)路面使用性能指標(biāo)進(jìn)行了觀測(cè)測(cè)量，其各項(xiàng)路用性能都滿足要求。

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