乳化瀝青冷再生復(fù)合基層抗裂性研究

廖巍崴，張海濤，劉浩翔，湯 勝，李振霞，王選倉(cāng)

（1.中交第三公路工程局有限公司，北京 100102；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064）

引言

乳化瀝青冷再生基層施工完成后，隨著道路養(yǎng)護(hù)的進(jìn)行，混合料中乳化瀝青含有的水分水泥發(fā)生水化反應(yīng)逐漸消耗并放熱，促進(jìn)了乳化瀝青的破乳過(guò)程，形成附著于部分RAP 顆粒表面的有效瀝青薄膜，促進(jìn)冷再生混合料的強(qiáng)度增長(zhǎng)[1-2]。但由于乳化瀝青冷再生混合料是由乳化瀝青、舊路回收材料和水泥等多種材料組成，與熱拌瀝青混合料相比，各類材料界面間結(jié)合不緊密，材料孔隙率較大，使得其結(jié)構(gòu)松散，初期強(qiáng)度較低，若未在冬季進(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)，在行車荷載和水分凍融影響下，冷再生路面容易出現(xiàn)縱、橫裂縫，松散等病害[3]。

針對(duì)乳化瀝青冷再生基層容易產(chǎn)生溫縮及干縮裂縫的問題[4]，可參考復(fù)合基層思想，在冷再生基層上設(shè)置柔性基層。在冷再生基層上加鋪柔性基層可以改善路面溫度狀況，延緩冷再生基層裂縫的發(fā)育速度，改善瀝青面層與再生基層的接觸狀況[5-7]，提高瀝青路面結(jié)構(gòu)使用性能與路面使用壽命，有效防治反射裂縫產(chǎn)生。本文通過(guò)ANSYS 有限元軟件對(duì)復(fù)合基層柔性基層精細(xì)化建模，并對(duì)其改善后冷再生瀝青混合料抗裂性進(jìn)行力學(xué)分析，并通過(guò)實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)證。

1 路面結(jié)構(gòu)假設(shè)及參數(shù)設(shè)定

1.1 計(jì)算模型

為盡量保證結(jié)果與實(shí)際情況相吻合，利用有限元建立路面模型并設(shè)定相關(guān)參數(shù)時(shí)，路面結(jié)構(gòu)模型尺寸設(shè)為3.75 m×3.75 m×4 m 立方體，各結(jié)構(gòu)層由8 節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元組成。依照設(shè)計(jì)規(guī)范提出的低溫抗裂公式計(jì)算面層低溫開裂指數(shù)：有ATB-25 的路面結(jié)構(gòu)面層低溫開裂指數(shù)為3.0，與無(wú)ATB-25 的面層低溫開裂指數(shù)為3.31 相比，設(shè)置ATB 層可增加10%以上的抗裂性。建立路面結(jié)構(gòu)模型見圖1。

圖1 路面結(jié)構(gòu)空間三維模型

1.2 計(jì)算參數(shù)

采用BZZ-100 行車荷載，輪胎內(nèi)壓為0.7 MPa，每個(gè)輪壓作用于18.9 cm×18.9 cm 的范圍內(nèi)，雙輪間距為32 cm，兩側(cè)輪隙間距為1.82 m。通過(guò)分析計(jì)算比較，對(duì)柔性基層最不利的位置為：車輪荷載作用在接縫一側(cè)沿車道中軸對(duì)稱布置。柔性基層的厚度為13 cm，彈性模量為1 000 MPa。

2 模型建立

利用ANASYS 有限元軟件，對(duì)各路面結(jié)構(gòu)層進(jìn)行離散化。為著重關(guān)注應(yīng)力集中點(diǎn)，特別對(duì)裂縫及其附近的網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，選取的裂縫處最小單元邊長(zhǎng)為0.005 m。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 ATB 模量對(duì)荷載應(yīng)力的影響分析

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，柔性基層勁度模量的變化對(duì)基層中產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變有較大影響?，F(xiàn)將勁度模量從600 MPa 增至1 400 MPa，每增加200 MPa 對(duì)裂縫處荷載進(jìn)行一次力學(xué)響應(yīng)計(jì)算。分析計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 柔性基層模量對(duì)瀝青面層應(yīng)力影響

分析模量的變化對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力產(chǎn)生的影響，由表1 可得，隨著柔性基層模量的增大，σe及τmax在一定程度上有所減小。在保證其他條件相同條件下，柔性基層模量從600 MPa 變化到1 400 MPa時(shí)，σe及τmax分別為1.293 MPa、0.904 MPa 和1.272 MPa、0.898 MPa，σe及τmax分別減少了1.62%及0.66%。從上表分析得出，整體的變化趨勢(shì)先迅速下降，后趨向平緩。當(dāng)采用的模量小于1 000 MPa 時(shí)，隨著模量的增大，對(duì)減少σe及τmax的效果越為明顯。但當(dāng)模量繼續(xù)增長(zhǎng)，σe及τmax的下降趨勢(shì)減緩。當(dāng)柔性基層模量從600 MPa 增加至1 000 MPa，σe下降幅度為1.16%，當(dāng)柔性基層模量繼續(xù)增加至1 400MPa，σe僅減小0.46%，因此，在一定模量范圍內(nèi)，提高柔性層模量對(duì)降低復(fù)合基層結(jié)構(gòu)中應(yīng)力有利。

3.2 厚度對(duì)荷載應(yīng)力的影響分析

相關(guān)研究表明，復(fù)合基層中柔性基層的厚度越大，裂縫反射到上層路面結(jié)構(gòu)的試件越長(zhǎng)，對(duì)防治反射裂縫具有較好的效果?，F(xiàn)將柔性基層厚度取為8 cm、10 cm、13 cm、16 cm、18 cm，分析不同厚度情況下應(yīng)力的變化。結(jié)果見表2。

表2 柔性基層厚度對(duì)瀝青面層應(yīng)力的影響

由表2 可知，隨著厚度的增加，所產(chǎn)生的σe及τmax逐漸減小。當(dāng)柔性基層厚度從8 cm 變化到18 cm，σe、τmax分別下降20.6%和15.3%，表明隨著柔性基層厚度的增加，瀝青面層的產(chǎn)生的應(yīng)力逐漸減小。通過(guò)提高柔性基層模量與增加柔性基層厚度相比，兩者均能起到減小瀝青面層的應(yīng)力的效果，但增加柔性基層厚度的效果較明顯。當(dāng)柔性基層厚度在8 cm 至13 cm 時(shí)，每增加1 cm，σe減少2.9%，當(dāng)基層厚度從13 cm 增至18 cm，每增加1 cm，σe僅減少1.2%，因此當(dāng)厚度增加到一定數(shù)值時(shí)，瀝青面層應(yīng)力的消減幅度逐步趨向于穩(wěn)定。同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)施工等原因，當(dāng)設(shè)置的柔性基層厚度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，應(yīng)配合其他防裂措施以取得良好的效果。

4 依托的工程

4.1 依托工程概況

本文所依托的工程為內(nèi)蒙某21 世紀(jì)初建設(shè)的重要公路，隨交通強(qiáng)度的逐漸增加，該公路已經(jīng)不能滿足經(jīng)濟(jì)交通發(fā)展的需求。為了盡快提高通行能力，滿足地方發(fā)展需要，該公路的部分路段的擴(kuò)容改建工程采用廠拌冷再生技術(shù)進(jìn)行。項(xiàng)目復(fù)工巡查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)水穩(wěn)下基層與乳化瀝青冷再生上基層出現(xiàn)大面積縱向與橫向裂縫。通過(guò)對(duì)開裂松散段落鉆芯取樣檢測(cè)，乳化瀝青廠拌冷再生上基層產(chǎn)生不同程度、垂直于道路中線的橫向裂縫及與道路大致平行的縱向裂縫且在裂縫周圍有少量支縫產(chǎn)生；縱向裂縫距路邊距離約為5 m，縱、橫向裂縫分布相對(duì)均勻，基本呈5～6 m 的正方形板塊狀，裂縫最大寬度約為3 mm。乳化瀝青冷再生部分段落表層松散。

4.2 試驗(yàn)工程處治方案

針對(duì)上節(jié)提出的復(fù)合基層，對(duì)試驗(yàn)工程出現(xiàn)病害可采取的幾種處治方案如下：

（1） 設(shè)置柔性層作為安全儲(chǔ)備防裂層，可有效提高冷再生路面結(jié)構(gòu)的抗裂性。

（2） 改善級(jí)配，降低空隙率，進(jìn)而降低其吸水性，水分自然蒸發(fā)周期變短，在冬季產(chǎn)生凍脹的可能性降低，從而降低路面出現(xiàn)松散病害的機(jī)率。

原配合比及設(shè)計(jì)級(jí)配見表3 及表4。

表3 設(shè)計(jì)配合比

表4 設(shè)計(jì)級(jí)配各篩孔通過(guò)率

其中設(shè)計(jì)乳化瀝青用量為4.0%，水泥用量為1.5%，水用量為3.0%。在最佳瀝青用量下測(cè)得乳化瀝青冷再生混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)如下：空隙率為10.0%，劈裂強(qiáng)度為0.56 Mpa，干濕劈裂強(qiáng)度比為99.8%，凍融劈裂強(qiáng)度比為78.9%。

通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)對(duì)級(jí)配進(jìn)行修正，得到各篩孔通過(guò)率見圖2。

圖2 修正后各篩孔通過(guò)率

此時(shí)確定乳化瀝青用量為4.0%、4.5%，外加水量為3.0%，水泥用量為1.5%，通過(guò)劈裂試驗(yàn)、浸水劈裂試驗(yàn)凍融劈裂試驗(yàn)、穩(wěn)定度試驗(yàn)等對(duì)乳化瀝青冷再生混合料的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)。

通過(guò)對(duì)級(jí)配修正前后混合料的相關(guān)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比可知，修正級(jí)配后混合料的性能得到一定程度的提升，從而降低病害發(fā)生的可能性。

（3） 加強(qiáng)再生層與面層層間處置，主要有以下幾種方法：

①設(shè)置同步碎石封層，其中普通熱瀝青用量可取1.1～1.2 g/cm3，集料粒徑采用10～15 mm，碎石撒布率為8 kg/m2左右。推薦采用SBS 改性瀝青，用量為1.4 g/cm3。

②采用新型的兩油一料（先撒布一層瀝青，撒布碎石后再撒布一層瀝青）層間處治措施代替一油一料（瀝青+碎石），推薦選擇SBS 改性瀝青，上層瀝青用量為0.4 g/cm3，下層為1.0 g/cm3。

③設(shè)置同步碎石纖維封層，提高層間抗剪強(qiáng)度。

④采用SBS 改性瀝青加土工格柵，格柵施工時(shí)需進(jìn)行預(yù)張拉，瀝青撒布量為0.6 kg/m2。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裂縫情況，出現(xiàn)的裂縫寬度均小于5 mm，且無(wú)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。經(jīng)對(duì)縫寬小于2 mm 的裂縫進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)隨著氣溫的上升，裂縫整體變化呈穩(wěn)定狀態(tài)，由于縫隙太窄無(wú)法進(jìn)行灌縫，所以將不對(duì)裂縫直接進(jìn)行處理。對(duì)于縫寬為2 mm～5 mm 的裂縫，將采用改性瀝青灌縫的方法進(jìn)行封閉處理，確保裂縫處不再進(jìn)水。

5 結(jié)論

（1） 針對(duì)乳化瀝青冷再生路面存在的反射裂縫問題，本文參考復(fù)合基層思想，在冷再生基層上設(shè)置柔性基層，并通過(guò)ANSYS 有限元軟件對(duì)復(fù)合基層柔性基層抗裂性進(jìn)行力學(xué)分析，可知設(shè)置ATB 層可增加其抗裂性，并得出經(jīng)濟(jì)合理的柔性基層模量和厚度，將其作為抗裂儲(chǔ)備層，可以有效防治反射裂縫產(chǎn)生。

（2） 結(jié)合復(fù)合基層的提出，依托實(shí)際工程得到試驗(yàn)工程層間開裂的處治措施及針對(duì)裂縫與散病害的具體處治方案。