王錦斌

（山西太舊高速公路有限責任公司，山西 陽泉 045000）

0 引 言

瀝青混凝土橋面鋪裝層和結構層由于材料剛、柔差異較大，在荷載作用下的最大拉拔力和最大剪應力分別比普通路面面層高出50%和40%左右［1］。然而，在中國已建成的高速公路中，瀝青混凝土橋面鋪裝結構多直接套用瀝青路面設計中的上面層和中面層組合結構［2-3］，這種設計方法反應了中國高等級公路路面設計人員經驗性設計的隨意性和盲目性，導致一些橋面鋪裝設計不完善，瀝青路面病害在橋面鋪裝結構中出現更加頻繁、破損程度更加嚴重，致使橋面大規(guī)模翻修，造成較大的經濟損失［4］。

關于中國橋面鋪裝研究的特點可以總結為“重材料、輕結構”，且大量研究都圍繞鋼橋面鋪裝進行，如張波、路凱冀等研究了橡膠瀝青、膠粉瀝青在橋面鋪裝中的路用性能［5-6］；張爭奇、郭強等驗證了環(huán)氧瀝青在剛橋面鋪裝中的增柔、增韌效果［7-8］；王民等系統(tǒng)研究了高彈SMA用于橋面鋪裝的可行性［9］；陳紹輝等研究了功能性橋面鋪裝的設計方法和施工技術［10］，整體而言關于水泥混凝土橋面柔性鋪裝的研究成果較少。同時，中國的設計規(guī)范中也沒有給出優(yōu)選的橋面鋪裝力學分析和結構設計方法，只對鋪裝層厚度、材料的級配選擇、防水黏結層和橋面板處理工藝等給出了經驗性的指導［11-13］。

為進一步優(yōu)選適用于水泥混凝土橋面柔性鋪裝的結構組合，本文分析不同瀝青混合料的路用性能和力學性能，并針對不同組合下的橋面結構力學特性進行分析，為橋面鋪裝的經濟耐久提供理論基礎。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

本文所用集料為玄武巖，瀝青為SBS改性瀝青。原材料均由山西喜躍發(fā)路橋建筑材料有限公司提供。瀝青、各種集料、礦粉的密度試驗結果見表1、2，木質素纖維添加劑的性能指標見表3。

表1 瀝青密度試驗結果

表2 集料密度試驗結果

表3 木質素纖維指標

1.2 試驗方法

為驗證不同類型瀝青混合料的路用性能，參照公路工程瀝青混合料相關試驗規(guī)程對各種瀝青混合料的路用性能進行試驗，并對比分析其工程適用性。

（1）基本路用性能。對于不同類型瀝青混合料，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）的車轍試驗、低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗評價其相應的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性［14-15］。

（2）力學性能。力學性能參照同濟大學孫立軍課題組的研究成果，采用單軸貫入試驗模擬路面的實際受力狀態(tài)，結合無側限抗壓強度試驗計算混合料的抗剪強度。

2 橋面柔性鋪裝結構優(yōu)化的必要性

現有水泥混凝土橋面鋪裝結構多采用雙鋼混凝土作為調平層，將普通路面的中面層和上面層作為柔性結構進行鋪裝。但是，水泥混凝土橋面板和半剛性基層材料模量差異較大，直接套用普通路面結構勢必造成結構性能的不足或浪費［16-17］。本文以山西省某高速公路橋面鋪裝為例建立二維結構模型，對比分析荷載作用下的最大應力分布情況。初步假設各層材料的力學參數如表4所示。

表4 鋪裝層材料特性

采用BISAR對上述3種鋪裝結構以標準軸載進行分析，荷載模型及計算點位置如圖1所示。

圖1 荷載模型及計算點

為研究不同結構對橋面鋪裝層力學性能的影響，主要對比分析A、B、G、H四個計算點的應力、位移和應變值。為更加直觀地分析不同計算點的力學特性，將其計算結構繪制成柱狀，如圖2～4所示。

通過圖2可以看出，荷載作用下不同計算點的位移值相差不大，且都出現相同的規(guī)律，即橋面鋪裝結構的位移值遠小于其他2種路面結構的位移值，說明增加結構層厚度可以有效地減小路面結構的位移值。通過圖3可以看出，不同的計算點在荷載作用下的應力有較大差距。隨著計算點到荷載位置距離的增加，應力逐漸減小。在荷載位置處，瀝青混凝土橋面鋪裝上面層和中面層底部的應力值均大于其他2種路面結構，在中面層底部橋面結構承受的剪應力比普通路面高出20%～30%。分析其原因為：橋面鋪裝在瀝青混凝土中面層的底部為雙鋼水泥混凝土和T梁，其模量及整體剛度較大，導致瀝青混凝土承受較大的剪應力。因此，在設計過程中要著重考慮橋面鋪裝結構瀝青層的剪切破壞。

通過圖4可以看出，大部分計算點都承受壓應變，只有雙輪荷載中間位置承受拉應變。同樣，在最大的應變計算點處發(fā)現，橋面鋪裝結構中瀝青層中的壓應變明顯大于其他2種路面結構。而隨著深度、距離荷載位置的增加，應變逐漸降低。

綜上分析，鋪裝結構中瀝青層所承受的應力與應變均大于普通路面結構，若以普通瀝青路面的層底拉應力為控制指標進行橋面鋪裝結構設計，勢必會造成瀝青混凝土強度不足，進而引發(fā)開裂、剪切破壞等病害。因此，在采用瀝青混凝土進行橋面鋪裝時，必須對其鋪裝結構和材料性能進行重新研究，保證鋪裝結構的耐久性。

圖2 不同計算點的位移值

圖3 不同計算點的應力分布

圖4 不同計算點的應變值

3 不同瀝青混合料性能對比

山西省境內常見的高等級公路水泥混凝土橋面鋪裝結構為：8～10cm雙鋼混凝土調平層；10cm的瀝青混凝土，其中瀝青混凝土多采用（4+6）cm的形式；上面層主要為SMA-13或AC-13；下面層多采用AC-20。地域性級配（GAC，也稱改良AC）的出現豐富了橋面結構的組合形式，GAC兼顧了瀝青混凝土的高、低溫性能，更加適用于環(huán)境惡劣的地區(qū)使用。不同類型級配的礦料推薦范圍如表5所示。

表5 不同類型合成級配

采用馬歇爾設計方法設計上述6種瀝青混合 料，對比分析其不同的體積指標，如表6所示。

圖5 不同類型混合料的級配

表6 合成集料的體積指標

通過表6可以看出，6種不同類型的瀝青混合料體積指標具有明顯的差距，GAC瀝青混合料的空隙率相對更大，穩(wěn)定度更高；AC瀝青混合料的礦料間隙率更小，穩(wěn)定度相對較低。

3.1 基本路用性能

（1）高溫穩(wěn)定性。對不同類型瀝青混合料進行高溫穩(wěn)定性試驗，結果如圖6、7所示。

圖6 不同類型混合料的動穩(wěn)定度

從圖6可以看出，對于同一粒徑不同類型的瀝青混合料，其抗車轍性能從優(yōu)到劣排序為：GAC-13、SMA-13、AC-13、GAC-16、SMA-16；對于同一類型的瀝青混合料，AC-20優(yōu)于AC-13，GAC-16優(yōu)于GAC-13，SMA-16優(yōu)于SMA-13，表明隨著粒徑的增大混合料抗車轍性能逐漸提高?？紤]到車轍試驗儀采集數據的偏差性，對不同瀝青混合料的車轍深度作定量分析，得出：隨著混合料粒徑的增加，車轍深度逐漸減小，骨架密實型瀝青混合料具有更好的抗車轍性能。

圖7 不同類型混合料車轍深度

（2）低溫性能。不同瀝青混合料的低溫抗裂性能如圖8～10所示。

圖8 不同類型混合料的彎拉強度

圖9 不同類型混合料的彎拉應變

結合圖8～10可以看出，隨著級配由懸浮密實型向骨架密實型漸變，混合料的彎拉強度增大，極限彎拉應變變大，材料的勁度模量明顯提高。這是由于：對于懸浮密實結構的瀝青混合料，隨著材料粒徑的增加，混合料的彎拉強度提高，彎拉應變急劇下降，雖然勁度模量相差不大，但低溫抗破壞能力下降明顯；對于骨架密實結構而言，隨著材料粒徑的增加，混合料的彎拉強度提高，彎拉應變略有下降，勁度模量相差不大。低溫開裂的關鍵因素在于彎拉應變的極限值，宏觀上可選擇材料的精度模量進行控制，勁度模量越小，極限彎拉應變越大，材料的低溫抗裂性能更好。其中，SMA類材料的彎拉應變較大，是因為其內部含有更多的瀝青材料，有助于低溫條件下發(fā)揮黏聚效果。

圖10 不同類型混合料的勁度模量

（3）水穩(wěn)定性能。不同瀝青混合料的水穩(wěn)性如圖11、12所示。

圖11 不同類型混合料浸水穩(wěn)定度殘留比

圖12 不同類型混合料凍融劈裂強度比

從圖11可以看出，不同類型瀝青混合料浸水后的穩(wěn)定度殘留比相差較大。GAC13、SMA-13、AC-13三種混合料的穩(wěn)定度殘留比依次減小，可見骨架密實結構的穩(wěn)定度受浸水的影響最小。隨著粒徑的增大，瀝青混合料的穩(wěn)定度提高，穩(wěn)定度殘留比下降，這是由于水分影響瀝青與集料的黏附性而引起的。由圖12可見，不同瀝青混合料的凍融劈裂強度比變化規(guī)律與穩(wěn)定度殘留比相同，以SMA為代表的骨架密實結構在粒徑增大后強度下降較為明顯。整體而言，GAC瀝青混合料的抗水害能力更強。

3.2 力學性能

采用旋轉壓實儀成型試件，并鉆取Φ100mm×100mm的試件，選取Φ28.5mm的壓頭，在60℃的環(huán)境下以1mm·min-1的加載速率進行力學試驗。將試驗結果乘以強度系數，得到試件的最大剪應力及該點各主應力值，如表7所示。

表7 抗剪試驗結果

對比AC-13與AC-20、SMA-13與SMA-16、GAC-13與GAC-16發(fā)現，瀝青混合料的粒徑增大，連續(xù)級配瀝青混合料的黏結力有下降的趨勢，而間斷級配瀝青混合料的黏結力略有增加。同時，連續(xù)級配瀝青混合料的摩擦角逐漸減小，而間斷級配瀝青混合料的摩擦角明顯增大。產生上述現象的原因在于：AC瀝青混合料為懸浮密實結構，SMA瀝青混合料屬于骨架密實結構，GAC混合料處于懸浮密實結構和骨架密實結構的過渡區(qū)；懸浮密實結構主要依靠瀝青材料的黏聚性，骨架密實結構中摩擦力起主要作用，當混合料粒徑增加時瀝青用量下降，瀝青的黏聚性下降，混合料的黏結性降低，而骨架摩擦力相對增加，內摩擦角變大。

同時，隨著礦料粒徑的增大，連續(xù)級配混合料的抗剪強度降低，而間斷級配系列混合料的抗剪強度增大?？赏评淼弥辜魪姸燃盀r青混合料的黏結性與摩擦力有關，增加粒徑更有利于這種骨架結構的穩(wěn)定。因此，GAC是一種偏向于骨架密實結構的連續(xù)級配。

4 橋面柔性鋪裝組合研究

參照長安大學動態(tài)模量的研究成果，預測不同瀝青混合料的彈性模量，擬合公式為

式中：E為瀝青混合料的彈性模量（MPa）；T為環(huán)境溫度（℃）；L、a為回歸系數。

按照上述結果計算20℃瀝青混合料的的彈性模量。混凝土的彈性模量取2.0×104MPa，泊松比為0.15。計算結果如表8所示。

圖8 不同材料的力學參數

水泥混凝土橋面柔性鋪裝層的工作環(huán)境較為復雜，既要承受車輛荷載應力，又要承受橋面板彎曲和扭轉對鋪裝層產生的應力。一般在鋼橋面多考慮橋面板彎曲與扭轉對瀝青混合料的影響，不考慮水泥混凝土橋面的彎曲和扭轉，直接以簡支T型梁、連續(xù)路面瀝青層的受力特性為主。依據有限元軟件建立計算模型，如圖13所示。

圖13 簡支梁橋面鋪裝結構模型

為研究橋面鋪裝整體的使用性能，對選用的6種混合料進行結構組合，不同結構組合的力學特性如表9所示。

表9 不同結構組合的力學響應

從上述計算結果可看出，在荷載作用下，各層瀝青混合料承受的應力及位移相差不明顯，而應變相差較大。水泥混凝土橋面柔性鋪裝結構中的下面層將承受更大的剪應力，故下面層應選擇力學性能較高、抗裂性能較強的混合料，而上面層應選擇路用綜合性能較好的混合料類型。

5 結 語

（1）橋面鋪裝結構的位移值遠小于路面結構相應層位的位移值，且橋面結構的上面層底部和中面層底部的應力值均大于普通路面結構。

（2）隨著集料粒徑的增大，混合料抗車轍性能逐漸提高，骨架密實型瀝青混合料具有更好的抗車轍性能和抗彎拉強度，連續(xù)級配骨架密實型瀝青混合料的水溫性能較好。

（3）隨著集料粒徑的增大，連續(xù)級配瀝青混合料的摩擦角逐漸減小，而間斷級配瀝青混合料的摩擦角明顯增大；連續(xù)級配混合料的抗剪強度降低、黏結力下降，而間斷級配系列混合料的抗剪強度增大，黏結力略有增加。

（4）不同組合的橋面結構在荷載作用下各層瀝青混合料承受的應力及位移相差不明顯，應根據工程特點選擇路用性能較高的混合料進行組合使用。