楊光昊

江蘇百盛工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210000

車轍、裂縫和抗滑性能下降是目前高速公路養(yǎng)護(hù)所面臨的主要問題［1］，對于帶有一定反射裂縫，并且有大于10mm 甚至15mm 深度的車轍存在的路段進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修需要盡快處理。常規(guī)的銑刨回鋪4cm 混合料的養(yǎng)護(hù)方案，養(yǎng)護(hù)周期較長，并且對舊路面結(jié)構(gòu)的利用效率較低，在優(yōu)質(zhì)集料減少的前提下難以達(dá)到資源節(jié)約的目的［2-3］。此外，為了綜合提高養(yǎng)護(hù)后瀝青路面的抗車轍、抗裂和抗滑性能，特別是考慮到高速公路比較突出的病害問題，需要養(yǎng)護(hù)部門轉(zhuǎn)變思路［4］。

目前，為解決上述問題，可采用超薄鋪裝的技術(shù)手段，不過目前的超薄鋪裝材料主要采用SMA-10、AC-10，高溫性能仍具有不足，同時由于面層較薄，施工過程中溫度散失較快，造成壓實相對困難［5-6］。因此，本文為針對上述超薄鋪裝技術(shù)存在的問題，對于技術(shù)應(yīng)用需求進(jìn)行研究，分別是選用材料模量的需求和施工影響關(guān)鍵因素對降溫速率的影響，以此來指導(dǎo)超薄鋪裝技術(shù)對材料的選取和養(yǎng)護(hù)施工。

1 超薄鋪裝技術(shù)介紹

超薄鋪裝技術(shù)的應(yīng)用主要針對于目前高速公路路表10～15mm 車轍病害的養(yǎng)護(hù)，通過銑刨回鋪2.5cm 左右的瀝青鋪裝層，來改善出現(xiàn)病害后的路面結(jié)構(gòu)使用性能。目前，養(yǎng)護(hù)所用的超薄層瀝青混合料主要有ECA、Novachip 和UTA 等。根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)調(diào)研得到，無論Novachip 還是UTA 或ECA，其混合料高溫性能并不突出，60℃動穩(wěn)定度普遍在3000 次/mm左右，對于路面車轍病害的養(yǎng)護(hù)，這些材料存在性能不足；而且施工工藝偏復(fù)雜?？偟膩碚f，超薄鋪裝與常規(guī)瀝青鋪裝層的區(qū)別主要在于混合料性能問題和層厚較薄問題，從而導(dǎo)致了養(yǎng)護(hù)施工中的路面快速降溫、改變了結(jié)構(gòu)整體的受力情況。因此，下文將對這些參數(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。

2 模量需求研究

2.1 理論計算模型

基于超薄鋪裝結(jié)構(gòu)特點，通過與普通路面結(jié)構(gòu)的對比，對超薄鋪裝瀝青路面路面響應(yīng)進(jìn)行了力學(xué)分析，以此來分別分析高溫情況和低溫情況下養(yǎng)護(hù)材料的模量需求。圖1 為常規(guī)的“4+6+8”路面結(jié)構(gòu)，圖2 是考慮其發(fā)生1.5cm 車轍病害后，銑刨回鋪2.5cm 密級配超薄鋪裝的路面結(jié)構(gòu)。所用計算模型尺寸為5m×5m×4m，其中道路結(jié)構(gòu)層0.72m。邊界條件假設(shè)為：將土基底面完全固定，假定在行車方向的平面整個模型沒有Z 方向的位移，在路面寬度的平面模型沒有X 方向的位移。

圖1 常規(guī)路面結(jié)構(gòu)

圖2 密級配超薄鋪裝路面結(jié)構(gòu)

2.1 高溫情況下的模量需求

為了分析在高溫的情況下的結(jié)構(gòu)受力變化情況，利用不同的抗壓回彈模量作為分析參數(shù)，分析不同結(jié)構(gòu)層的性能變化，各結(jié)構(gòu)層參數(shù)采用常規(guī)值，選取2、4、7、14cm 深度進(jìn)行壓應(yīng)變分析，相應(yīng)深度的計算分析結(jié)果如表1 所示。

表1 相應(yīng)深度的豎向壓應(yīng)變計算結(jié)果/με

從表1 可以看出來，將超薄鋪裝的模量從800MPa 提高1600 時，2～7cm 深度范圍結(jié)構(gòu)層的豎向壓應(yīng)力均有所降低，其中密級配超薄鋪裝的豎向壓應(yīng)變降低幅度最大，達(dá)到38.5%；說明提高超薄鋪裝的模量可以降低高溫條件的應(yīng)變，改善了路面結(jié)構(gòu)的整體受力。因此，對于超薄鋪裝采用的材料，適當(dāng)提高回彈模量，可以有效提高超薄鋪裝層和路面結(jié)構(gòu)的整體高溫性能。

2.2 低溫情況下的模量需求

為了分析在低溫的情況下的影響情況，分析采用材料在5℃時的模量值，對結(jié)構(gòu)層間應(yīng)力的變化情況進(jìn)行了分析，各層的材料參數(shù)取相應(yīng)常規(guī)值，相應(yīng)分析參數(shù)的分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 層間應(yīng)力變化趨勢

從上圖可以看出，面層層底拉應(yīng)力是結(jié)構(gòu)的主要控制應(yīng)力，隨著超薄鋪裝低溫情況下模量的下降，面層的層底拉應(yīng)力大幅度降低，從0.1251MPa 降低到0.067MPa，降低了86.7%，說明降低低溫條件下的材料模量可以有效的提高低溫抗裂性能，因此，需要選取適當(dāng)較低的低溫條件下的材料模量來保證結(jié)構(gòu)的低溫性能。

3 施工影響關(guān)鍵因素需求研究

在養(yǎng)護(hù)施工中，超薄材料應(yīng)保證有足夠的壓實時間，才能保證壓實質(zhì)量。由于超薄磨鋪裝的層厚僅為20～30mm，施工過程中降溫速率極快，為研究超薄鋪裝材料在施工過程中的降溫速率影響因素，本文主要采用NAPA 的路面降溫速率軟件MultiCool 對施工過程中的各項影響因素條件進(jìn)行分析，包括氣溫、干濕狀態(tài)、風(fēng)速、鋪裝層厚度等，得到相應(yīng)影響因素的需求，以此來指導(dǎo)施工。

3.1 氣溫

假定超薄鋪裝混合料的層厚為25mm，干燥，風(fēng)速為二級風(fēng)（8.05km/h），采用軟件研究不同氣溫下的鋪裝混合料的降溫情況，具體情況見下圖。

圖4 不同氣溫下鋪裝混合料的降溫速率曲線

由上圖可知，在溫度從15～35℃范圍內(nèi)變化，混合料從160℃降到80℃的降溫時間由10min 增加至17min，氣溫增加20℃，降溫時間延長70%，可見氣溫對降溫時間顯著影響。

3.2 風(fēng)速

假定超薄鋪裝混合料的層厚為25mm，氣溫為25℃，在干燥環(huán)境下，研究不同風(fēng)速條件下的密級配混合料的降溫狀況。

圖5 不同風(fēng)速下鋪裝混合料降溫速率曲線

由上圖可知，風(fēng)速從二級增加至六級風(fēng)速，混合料由160℃降至80℃的降溫時間從13min 下降至9min，時間降低了30.8%，由此可知，其他情況不變的情況下，風(fēng)速對鋪裝材料降溫速率的影響十分顯著。

3.3 厚度

假定風(fēng)速為二級風(fēng)（8.05km/h），氣溫為25℃，在干燥的條件下，計算在不同厚度條件下的鋪裝混合料的降溫狀況，結(jié)果如下圖。

圖6 不同厚度下鋪裝混合料降溫速率曲線

從上圖可以看出，降低層厚，密級配混合料的降溫速率急劇增加，厚度從25mm 下降到20mm，降溫時間降低30.8%。

3.5 干濕條件

假定在風(fēng)速為二級風(fēng)（8.05km/h），氣溫為25℃，厚度為25mm 的情況下，研究干濕條件下的鋪裝混合料的降溫狀況，如下圖所示。

圖7 干濕條件下鋪裝混合料降溫速率曲線

從圖中可以看出，在氣溫、厚度、風(fēng)速一致的情況下，干濕條件對混合料從160℃降到80℃的時間僅相差1min，可見干濕條件對超薄鋪裝降溫速率影響不大。

3.6 綜合因素分析

通過前文對各種因素的單獨分析，可以得到各種因素中，干濕條件的影響不是很顯著，風(fēng)速和氣溫具有一定的影響，而混合料的厚度對降溫速率影響最為顯著，具體相關(guān)影響程度用擬合曲線的函數(shù)關(guān)系來表達(dá)，各因素的擬合曲線如下圖所示。

從上圖氣溫與鋪裝混合料降溫時間關(guān)系的擬合曲線可知，氣溫與降溫時間呈對數(shù)相關(guān)關(guān)系，隨著氣溫的升高，降溫時間呈相應(yīng)的對數(shù)關(guān)系增長。

圖9 風(fēng)速與混合料降溫時間擬合曲線

從上圖風(fēng)速與鋪裝混合料降溫時間關(guān)系的擬合曲線可知，風(fēng)速與降溫時間呈負(fù)對數(shù)相關(guān)關(guān)系，隨著風(fēng)速的提高，降溫時間呈相應(yīng)的對數(shù)關(guān)系下降。

圖10 厚度與混合料降溫時間擬合曲線

從上圖厚度與鋪裝混合料降溫時間關(guān)系的擬合曲線可知，厚度與降溫時間呈對數(shù)相關(guān)關(guān)系，隨著氣溫的升高，降溫時間呈相應(yīng)的對數(shù)關(guān)系增加。

通過分析各因素對混合料降溫速率影響關(guān)系，考慮實際施工過程不同季節(jié)的氣溫、干濕以及風(fēng)速等自然條件的變化情況。固定混合料厚度為20mm，考慮不同氣溫變化范圍內(nèi)，超薄鋪裝混合料降溫時間從8～4min 所需要的風(fēng)速等級，具體情況如下表所示。

表2 不同氣溫所對應(yīng)的風(fēng)速等級

從上表可知，隨著氣溫的升高，有利于在風(fēng)速等級提高的情況下保證密級配混合料降溫時間滿足施工的要求?？紤]到現(xiàn)場的施工條件，混合料的可壓實時間不得少于6min，并且密級配超薄鋪裝混合料不建議在氣溫低于15℃的條件下施工，因此在實際施工過程中，現(xiàn)場的氣溫和風(fēng)速因素需要滿足下表中的相應(yīng)要求。

表3 超薄鋪裝施工周圍氣溫和風(fēng)速要求

4 結(jié)語

本文通過對超薄鋪裝結(jié)構(gòu)力學(xué)特性和不同情況下降溫速率的分析，得出如下結(jié)論：

（1）在適當(dāng)?shù)臏囟葏^(qū)間內(nèi)，隨著超薄鋪裝材料高溫模量的增加，層底位置的豎向壓應(yīng)變適當(dāng)降低，因此，為保證養(yǎng)護(hù)后結(jié)構(gòu)的抗車轍病害的能力，超薄鋪裝材料在高溫時的模量需要提升；

（2）在適當(dāng)?shù)臏囟葏^(qū)間內(nèi)，超薄鋪裝材料低溫條件下模量的越低，層底拉應(yīng)力越小，表明為保證路面結(jié)構(gòu)的抗裂性能，需要適當(dāng)降低超薄鋪裝的低溫模量。

（3）溫度模擬軟件的計算結(jié)果表明，氣溫、鋪裝層厚度、風(fēng)速條件對于鋪裝結(jié)構(gòu)的降溫速率影響較為顯著，而干濕條件對降溫速率的影響不大；在保證降溫時間為6～8min 的可施工時間下，本文提出了對現(xiàn)場的環(huán)境氣溫與風(fēng)速的相應(yīng)要求，施工現(xiàn)場可以進(jìn)行參考，以此來保證超薄鋪裝層的壓實度。