橡膠瀝青混凝土面層平整性對(duì)其力學(xué)行為的影響研究

高 飛

（長治高速公路管理有限公司，山西 長治 046000）

橡膠瀝青混合料的開發(fā)初衷主要是為了解決廢舊橡膠制品的循環(huán)利用和無害化處理問題，隨著我國汽車保有量的不斷增長，目前，廢舊輪胎保有數(shù)量已超過5億條[1]，且有繼續(xù)高速增長的態(tài)勢(shì)；而以廢舊橡膠粉作為瀝青改性劑的橡膠瀝青混合料不僅明顯改善了傳統(tǒng)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、抗疲勞荷載特性及行車舒適性，而且一定程度上代替了成本更高的SBS改性瀝青混合料[2]，大幅壓縮了瀝青混凝土路面的綜合成本，工程經(jīng)濟(jì)性更佳，同時(shí)消耗了大量的廢舊橡膠制品，真正實(shí)現(xiàn)了廢舊橡膠的循環(huán)使用和無害化處理。

1 橡膠瀝青混合料概述

從組分角度分析，橡膠改性瀝青混合料屬于復(fù)合型材料，制作過程為：將廢舊橡膠制品經(jīng)機(jī)械粉碎成不同目數(shù)的橡膠粉顆粒，再將橡膠粉顆粒、基質(zhì)瀝青、外加劑置于專用攪拌剪切設(shè)備中，在合理控制拌和溫度、拌和時(shí)長及混合料發(fā)育時(shí)間的前提下，經(jīng)充分拌和剪切后得到。從微觀角度分析，橡膠粉在外加劑的催化作用下，能夠吸收基質(zhì)瀝青中的樹脂、烴類有機(jī)物，經(jīng)一系列表面理化反應(yīng)后，橡膠粉表面潮濕膨潤，膨潤的橡膠粉與基質(zhì)瀝青中的瀝青質(zhì)、輕質(zhì)及膠質(zhì)組分混合后形成新的橡膠改性瀝青[1]。隨著生產(chǎn)工藝和設(shè)備的升級(jí)更新，橡膠改性瀝青混合料的應(yīng)用進(jìn)程可分為4個(gè)階段[1]，具體詳見表1所示。

表1 橡膠改性瀝青混合料應(yīng)用進(jìn)程

2 基于靜力學(xué)的橡膠瀝青面層平整性對(duì)其力學(xué)行為的影響分析

2.1 橡膠瀝青面層有限元模型建立

為了系統(tǒng)分析橡膠瀝青混凝土面層在靜力作用下的力學(xué)響應(yīng)，同時(shí)對(duì)比面層平整度差異對(duì)其力學(xué)行為的影響，本文擬借助有限元法對(duì)其進(jìn)行分析。為了降低分析難度，特將橡膠瀝青面層視為單層線彈性連續(xù)體系，重點(diǎn)分析面層在線彈性范圍內(nèi)的力學(xué)響應(yīng)，暫不考慮變形階段。假定面層均勻、連續(xù)、各向同性，且單層內(nèi)瀝青面層變形連續(xù)，約束形式簡(jiǎn)化為剛性約束，不考慮相鄰層的位移及變形，且不計(jì)面層自重影響[3]。

該橡膠瀝青路面層模型沿行車方向取10 m，橫斷面凈寬為5 m，面層厚度為10 cm，結(jié)構(gòu)形式為單層，選用Solid45八節(jié)點(diǎn)模型模擬面層，模型邊界條件為：行車面為自由面，其余接觸面均為剛性接觸。橡膠改性瀝青較普通瀝青的抗變形剛度及屈服抗拉強(qiáng)度均有明顯提升，故有限元分析模型對(duì)應(yīng)的力學(xué)參數(shù)不能直接使用普通瀝青材料參數(shù)，經(jīng)查閱文獻(xiàn)，獲取到的橡膠瀝青混合料相關(guān)力學(xué)參數(shù)詳見表2所示[4]。

表2 橡膠瀝青混合料相關(guān)力學(xué)參數(shù)

為了對(duì)比路面平整度差異對(duì)靜力作用下的面層力學(xué)行為影響，特建立平整路面結(jié)構(gòu)層和非平整路面結(jié)構(gòu)層兩個(gè)實(shí)體模型，網(wǎng)格劃分后的橡膠瀝青路面層表面平整及表面非平整模型詳見圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分后的橡膠瀝青路面層表面平整及表面非平整模型

接觸面約束采用節(jié)點(diǎn)約束形式，除行車面以外的5個(gè)接觸面約束條件均為剛性約束，以均布荷載模擬車輛荷載，考慮到本文分析重點(diǎn)為路面平整度對(duì)面層力學(xué)行為的影響，故不考慮加載位置及加載工況的差異。施加約束條件后的橡膠瀝青路面層表面平整及表面非平整模型如圖2所示。

圖2 施加約束條件后的橡膠瀝青路面層表面平整及表面非平整模型

2.2 不同平整性條件下的橡膠瀝青面層靜力學(xué)分析

本文擬從單元Mises應(yīng)力、沿Y方向的節(jié)點(diǎn)位移兩方面對(duì)比兩種模型在相同靜力學(xué)工況下的力學(xué)行為，進(jìn)而評(píng)價(jià)橡膠瀝青路面平整度對(duì)其力學(xué)行為的影響。兩種模型對(duì)應(yīng)的單元Mises應(yīng)力及沿Y方向的節(jié)點(diǎn)位移分別見圖3、圖4所示。

圖3 兩種模型對(duì)應(yīng)的單元Mises應(yīng)力云圖

圖4 兩種模型對(duì)應(yīng)的沿Y方向的節(jié)點(diǎn)位移云圖

經(jīng)有限元計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)橡膠瀝青混凝土路面層平整度下降后，在相同荷載工況下，對(duì)其力學(xué)行為的影響較顯著。在橡膠瀝青混凝土路面表面平整度良好的情況下，路面在均布荷載作用下的應(yīng)力分布較為均勻，且未見應(yīng)力突變情況，隨著平整度的下降，路面在均布荷載作用下的應(yīng)力分布出現(xiàn)異常，局部出現(xiàn)因應(yīng)力集中導(dǎo)致的應(yīng)力突變現(xiàn)象，行車面應(yīng)力最大值約為路面平整條件下最大應(yīng)力的3～4倍，且非平整條件下的路面層局部應(yīng)力已超過容許應(yīng)力值。面層平整度對(duì)面層受荷豎向位移的影響則更加明顯，在路面平整度良好的條件下，路面在均布荷載作用下的豎向撓度可忽略不計(jì)，隨著平整度的下降，在相同均布荷載作用下的撓度變化則更加明顯，局部最大撓度超過2 mm。

綜上，橡膠瀝青混凝土路面層的平整度對(duì)路面靜力學(xué)行為的影響非常明顯，不僅使路面整體處于較高的內(nèi)應(yīng)力水平，同時(shí)還會(huì)增加荷載引起的豎向位移，進(jìn)而加劇路面的不平整情況，在荷載的持續(xù)作用下，路面工況將進(jìn)入惡性循環(huán)，最終提前劣化而喪失服役能力。

3 橡膠瀝青加鋪層的平整性控制工藝分析

為了進(jìn)一步延長橡膠瀝青面層的服役壽命，控制面層的應(yīng)力水平和豎向撓度變形規(guī)模，在面層施工過程中必須控制好面層的平整度。通過總結(jié)施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，橡膠瀝青面層的攤鋪和壓實(shí)是決定路面層平整度的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，故必須做好相應(yīng)的控制，以確保平整度滿足施工要求。

橡膠瀝青面層攤鋪應(yīng)根據(jù)道路幅寬組建聯(lián)合機(jī)群，以盡可能減少冷縫數(shù)量，攤鋪需借助專用攤鋪機(jī)械，現(xiàn)場(chǎng)做好運(yùn)料車的組織調(diào)配，保證運(yùn)料車與攤鋪機(jī)的精準(zhǔn)對(duì)接，確保攤鋪?zhàn)鳂I(yè)的連續(xù)性和穩(wěn)定性；借助攤鋪機(jī)的平衡梁控制攤鋪平整度，同時(shí)兼顧路拱橫坡率，攤鋪后的松鋪厚度應(yīng)略高于路緣石1～3 mm。

橡膠瀝青面層壓實(shí)環(huán)節(jié)應(yīng)緊隨攤鋪工序之后，壓實(shí)機(jī)械遵循“高頻小幅、慢進(jìn)緊隨”的基本原則，壓實(shí)工序分為初壓、復(fù)壓、終壓三步，橫向壓實(shí)順序遵循“由外向內(nèi)”的順序，其中轉(zhuǎn)彎位置應(yīng)變更為“由內(nèi)向外”的順序；前后壓實(shí)工序的輪跡重疊寬度應(yīng)滿足規(guī)范要求，以保證壓實(shí)的有效性，復(fù)壓實(shí)環(huán)節(jié)應(yīng)采取“振動(dòng)壓實(shí)+靜壓實(shí)”的組合工況。

4 結(jié)語

綜上，橡膠瀝青混凝土面層平整度對(duì)面層的靜力學(xué)行為影響較為顯著，在路面層平整度欠佳的情況下，在均布荷載作用下的層內(nèi)應(yīng)力水平較路面平整情況更高，且受荷條件下的豎向位移更明顯；故在橡膠瀝青路面層施工實(shí)踐中，必須將路面平整性控制放在首要位置，以盡可能延長和提升橡膠瀝青面層的使用壽命和行車舒適度。