盧輝庭 周 勇

(蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112)

0 引言

干線公路交叉道口車速慢，車輛剎車、制動、轉彎頻繁，水平剪應力大，容易出現車轍、推移、波浪等病害，因此養(yǎng)護時需考慮抗車轍性能。車轍影響行車安全性和舒適性，交叉口的頻繁養(yǎng)護增加養(yǎng)護成本投入。由于瀝青路面中面層對車轍貢獻率最大。因此，如何在合適的時機選擇適宜的中面層材料，改善結構層應力狀況，減少路面疲勞開裂，延緩車轍出現，是干線公路全壽命周期(LCA)分析的關鍵內容。為了合理選擇養(yǎng)護時機，本文通過瀝青路面的疲勞壽命對各種方案制定大修計劃，用瀝青路面的永久變形制定路面的中修計劃，最后對干線公路全壽命周期的運營管理階段進行能耗與排放的環(huán)境影響評價。

1 試驗方案

瀝青路面設計期內當量軸載作用累計次數超過無機結合料層疲勞壽命時，瀝青路面將發(fā)生疲勞開裂，瀝青路面應進行大修養(yǎng)護。根據大修養(yǎng)護模型分析，方案設計期內大修次數Mi用高斯函數表示，等于不超過車輛累計當量軸載次數除以水穩(wěn)基層疲勞壽命的最大整數。計算如式(1)所示。

(1)

其中，Mi為大修養(yǎng)護次數，次；Ne為設計期內當量軸載作用次數，次;Nf2為無機結合料層疲勞壽命，次。

瀝青路面應根據車轍試驗總變形量(R0)分析瀝青層永久變形量，同時應根據永久變形量和容許車轍深度要求混合料動穩(wěn)定度。瀝青層永久變形量為各分層永久變形之和。各分層永久變形量計算如式(2)所示。

(2)

其中，Ra為瀝青層分層永久變形量，mm。

2 路面養(yǎng)護時機分析

結合省內干線公路瀝青路面結構，選擇試驗段典型路面結構進行分析。其中典型路面結構一為：5 cm橡膠瀝青SMA-13+8 cm普通瀝青AC-20+38 cm水穩(wěn)碎石+20 cm石灰土。作為對比段結構二下面層采用8 cm高模量EME-14結構。

2.1 交通軸載計算

由交通量計算實際初始年日交通量為4 506次/d。根據交通量增長計算設計期內總交通量4 101萬次。針對不同的車型，計算不同車型在設計期內的累計軸載次數，如表1所示。

表1 交通量設計期內累計軸載計算

根據瀝青路面抗疲勞性能計算結果，得到基層疲勞壽命。同時利用式(1)計算大修養(yǎng)護次數見表2。

表2 不同方案在設計使用期內大修的次數

由表2可知，設計年限內，兩種結構當量軸載次數均小于基層疲勞壽命。采用基層疲勞壽命分析模型兩種結構均不用大修。

2.2 永久變形分析

由瀝青分層永久變形，根據交通量和室內試驗參數計算得到兩種方案在全壽命周期內的瀝青層永久變形發(fā)展趨勢如圖1所示。

根據瀝青分層永久變形的發(fā)展趨勢，當路面瀝青層總的永久變形值超過10 mm時，對路面進行中修養(yǎng)護。不同方案根據瀝青層永久變形預測的養(yǎng)護維修模型圖如圖2所示。

由圖1,圖2可以看出，結構一設計年限內需中修養(yǎng)護3次，而且養(yǎng)護的頻率是隨著時間推移顯示增長的趨勢。而結構二采用高模量中面層后僅需要中修養(yǎng)護1次。由此說明采用高模量瀝青能夠降低養(yǎng)護成本，減少碳排放。

2.3 養(yǎng)護時機分析

對于中修的養(yǎng)護維修時機可知結構一由瀝青面層永久變形指標控制，結構二由路面平整度指數控制。根據大中修養(yǎng)護策略可以得到兩種方案的養(yǎng)護維修時機見表3。

表3 路面養(yǎng)護維修階段大中修養(yǎng)護時機預測

對兩種方案不同壽命周期階段能耗和碳排放進行對比，由于原材料生產階段和用戶階段兩種方案差異較小，主要對比用戶維修階段。計算結果見圖3。

養(yǎng)護維修階段的能源消耗是根據瀝青路面的使用性能進行預測得到，其中結構二采用EME下面層由于其混合料的特殊性導致了施工階段油耗的增加。結構一維修次數較多，養(yǎng)護維修階段成本較大。因此結構二全壽命周期總的能源消耗也小于傳統(tǒng)結構一，從全壽命周期分析角度體現出了結構二的經濟環(huán)境效益。

3 試驗段性能分析

3.1 試驗段檢測

針對LCA項目路段路況較差，交叉口路段病害嚴重路段采用結構二方案，選擇一般路段采用結構一進行對比分析，處治深度為銑刨兩層瀝青面層。項目路段施工完成后對LCA試驗段進行了取芯，壓實度分析見表4。

表4 中面層芯樣厚度及壓實度結果

由表4可知，兩種結構中面層取芯分析壓實度和厚度均滿足要求。且瀝青面層與基層粘結良好。

3.2 長期性能跟蹤觀測

本文分別于試驗路段通車6個月和12個月后對該試驗路鋪筑情況進行了觀測，后期將對該試驗段進行長期性能跟蹤觀測，以評價低碳路面結構形式的適用性。現場車轍檢測情況如表5所示。

表5 現場車轍檢測結果

從表5檢測結果可知，兩種結構路面，通車6個月后，最大車轍均小于4 mm。通車12個月后結構一車轍均小于6 mm，結構二車轍均小于2.5 mm。結構二抗車轍效果更明顯。原路面未處治前最大車轍深度18.8 mm，處治后路面車轍病害明顯減輕。采用壽命成本周期較低的結構二具有明顯的抗車轍性能。由此說明中面層采用高模量瀝青提高抗車轍性能，同時減少養(yǎng)護次數，具有良好的全壽命周期成本。

4 結論

1)干線公路傳統(tǒng)方案設計年限內根據永久變形需中修養(yǎng)護3次，而采用高模量中面層后僅需要平整度中修養(yǎng)護1次。

2)傳統(tǒng)方案維修次數較多，養(yǎng)護維修階段成本較大。中面層采用高模量瀝青提高抗車轍性能，同時減少養(yǎng)護次數，具有良好的全壽命周期成本。

3)試驗段通車12個月后，高模量瀝青路面車轍深度小于2.5 mm，具有明顯的抗車轍性能。