劉銀，何樹鵬，閆先喜，任皎龍，徐寅善

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博255049;2.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院道路研究所，浙江 杭州310039)

隨著中國日益明顯的交通軸載和渠化交通，道路車轍病害已成為中國最主要的路面病害，傳統(tǒng)道路材料與結(jié)構(gòu)難以有效緩解這一問題。因此，國內(nèi)各學(xué)者開始側(cè)重于研發(fā)新型路面材料以更好地適應(yīng)中國的高速發(fā)展。近年來，半柔性復(fù)合路面材料得到了道路界的廣泛關(guān)注。半柔性路面材料是指以大空隙瀝青混合料(空隙率為20%～28%)為基體，灌入以水泥為主要成分的特殊灌漿料，形成在瀝青混合料中間填充水泥灌漿料的特殊路面材料。半柔性路面是一種新型復(fù)合路面，兼顧剛性和柔性兩種路面優(yōu)點(diǎn)。骨料之間的嵌擠作用和水泥石共同構(gòu)成半柔性路面的強(qiáng)度，這使得半柔性路面的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性優(yōu)于瀝青路面，抗剪切、抗疲勞、抗滑移性也優(yōu)于水泥路面。

Wang等[1]研究了不同柔性膠乳材料對(duì)半柔性路面的路用性能的改善，結(jié)果表明添加聚合物后半柔性路面材料的路用性能得到了顯著改善；Liu等[2]分析了相變材料對(duì)半柔性路面材料路用性能的影響，表明相變材料可以提高半柔性路面材料的低溫抗裂性，但會(huì)降低其高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性；Yang等[3]認(rèn)為廢膠粉可以大大提高半柔性路面的低溫抗裂性，不同的注射方式效果不同；肖天佑等[4]人通過試驗(yàn)指出：摻ECC砂漿的半柔性路面材料有良好的整體性、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性；鐘科等[5]提出水泥砂漿中摻入不同類型的外摻劑，采用不同種類的改性瀝青均能增加半柔性材料的相應(yīng)性能。王黎明等[6]通過試驗(yàn)表明凍斷試驗(yàn)?zāi)苡行У貐^(qū)分出不同瀝青、不同水泥基灌漿料、不同基體空隙率半柔性路面材料的低溫抗裂性改善效益；宋常玉[7]分析了SBS改性瀝青作為母體的瀝青的半柔性瀝青路面復(fù)合材料，其具有更好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及抗疲勞性；趙國強(qiáng)等[8]提出對(duì)于半柔性路面材料來說，瀝青類型對(duì)低溫抗裂性能差異較大，采用高粘度改性瀝青的作用效果最好；Xu等[9]通過對(duì)瀝青-砂漿界面微觀特性和界面優(yōu)化后半柔性瀝青路面宏觀鋪裝性能的研究，揭示了界面改性劑的作用，并確定最佳配方。但上述研究中均未對(duì)半柔性路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)研究分析，忽略了不同路面層的影響狀況，這無疑影響了半柔性路面材料的推廣應(yīng)用?；诖?，本文基于層狀彈性體系理論構(gòu)建水泥穩(wěn)定碎石半柔性路面結(jié)構(gòu)模型，利用正交實(shí)驗(yàn)方法揭示了表面層、下面層、基層和底基層的模量和厚度的不同參數(shù)組合對(duì)水泥穩(wěn)定碎石層層底拉應(yīng)力和瀝青混凝土層永久變形量的影響，提出了影響各路面結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)，并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范，以力學(xué)性能最優(yōu)為原則，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，提出了優(yōu)選的路面結(jié)構(gòu)組合體系。

1 材料與方法

1.1 材料

如前所述，半柔性路面材料是由高流動(dòng)性的水泥灌漿料灌入到大空隙瀝青混凝土基體中制備而成的特種材料。水泥灌漿料的配比見表1。

表1 最優(yōu)配合比范圍

大空隙瀝青混合料基體的級(jí)配見表2，其空隙率為25%，最佳瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8%。

表2 設(shè)計(jì)基質(zhì)瀝青混合料的級(jí)配

半柔性路面樣品如圖1所示，其路用性能測試結(jié)果見表3。

圖1 半柔性材料路面樣品

表3 材料試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)我國最新路面設(shè)計(jì)規(guī)范《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)的要求，采用20 ℃條件下10 Hz所對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)模量作為路面材料設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，表4給出了本研究制備的半柔性路面材料在20 ℃下的不同加載頻率的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果。故在后續(xù)路面結(jié)構(gòu)分析中，均采用20 191 MPa作為半柔性路面材料設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。

表4 高性能半柔性路面材料動(dòng)態(tài)模量結(jié)果

1.2 方法

依據(jù)依托項(xiàng)目的試驗(yàn)路(浙江省嘉善縣洪三線北首交叉路口)實(shí)際情況，初擬路面結(jié)構(gòu)形式為半柔性復(fù)合材料表面層+瀝青混凝土下面層+水泥穩(wěn)定碎石基層+水泥穩(wěn)定碎石底基層?；趯訝铙w系理論的路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型和相應(yīng)的計(jì)算點(diǎn)位見圖2。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，各結(jié)構(gòu)層所選取的力學(xué)指標(biāo)及其豎向位置見表5。

表5 設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的力學(xué)響應(yīng)與豎向位置

圖2 力學(xué)響應(yīng)計(jì)算點(diǎn)位置

利用正交實(shí)驗(yàn)方法[10]，通過改變不同層位厚度和模量，研究路面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)路面力學(xué)響應(yīng)(見表6)的影響規(guī)律，為半柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并以力學(xué)響應(yīng)最優(yōu)為原則，提出推薦的半柔性路面結(jié)構(gòu)組合形式。

表6 路面結(jié)構(gòu)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

力學(xué)計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果

利用相同試驗(yàn)參數(shù)的不同試驗(yàn)之間的平均值之差來分析不同參數(shù)對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響程度,如圖3—圖9所示。根據(jù)試驗(yàn)不同參數(shù)的平均值來分析參數(shù)的取值范圍對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響趨勢，如圖4(a)—圖10(a)所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力分布

2.1.1 基層

基層層底拉應(yīng)力的極差分布如圖3所示。

由圖3可看出，基層模量、底基層厚度和底基層模量的極差相對(duì)較大， 說明其三者對(duì)無機(jī)結(jié)合料基層層底拉應(yīng)力影響較大，其中基層模量尤為顯著，具體趨勢分析如圖4所示。

圖3 無機(jī)結(jié)合料基層層底拉應(yīng)力影響分布

由圖4可看出，隨著基層模量和底基層模量的增加、以及底基層厚度的降低，基層層底拉應(yīng)力呈顯著遞增的趨勢。

因此，基層模量和底基層模量宜取較低值，底基層厚度為20 cm。

2.1.2 底基層

底基層層底拉應(yīng)力的極差分布如圖5所示。

圖5 無機(jī)結(jié)合料底基層層底拉應(yīng)力影響分布

從圖5中可知，基層厚度和底基層模量極差相對(duì)較大，說明基層厚度和底基層模量的變化對(duì)無機(jī)結(jié)合料底基層層底拉應(yīng)力的影響較顯著，相關(guān)趨勢分析如圖6所示。

(a)基層厚度的影響

由圖6(a)可看出，伴隨基層厚度的增加，底基層層底拉應(yīng)力呈現(xiàn)近似線性的遞減趨勢；從圖6(b)可知，底基層層底拉應(yīng)力隨底基層模量增大而增大，且增長趨勢愈加明顯。

因此，底基層模量宜選取較低值，基層厚度為40 cm。

2.2 瀝青混合料永久變形量分布

2.2.1 表面層

表面層永久變形量的極差分布見圖7。

圖7 瀝青混合料表面層永久變形量影響分布

圖7可知，表面層厚度極差較大，其他參數(shù)極差相對(duì)較小，為了簡化研究過程，僅對(duì)影響較顯著的表面層厚度進(jìn)行趨勢分析，見圖8。

圖8 表面層瀝青混合料永久變形量趨勢

由圖8可知，隨著表面層厚度的增加，表面層永久變形量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。因此，以表面層永久變形量最低為原則，選定表面層厚度為4 cm。

2.2.2 下面層

下面層永久變形量的極差分布見圖9。

圖9 瀝青混合料下面層永久變形量影響分布

從圖9可看出，表面層厚度、下面層厚度、下面層模量、底基層厚度、底基層模量、基層厚度和基層模量極差均處于高水平，因此，選取全部7個(gè)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)趨勢分析，見圖10。

由圖10(a)、(b)可看出，當(dāng)表面層厚度和下面層厚度增加時(shí)，下面層永久變形量呈先減小后增大的趨勢。因此，以表面層永久變形量最低為原則，分別選定表面層厚度和下面層厚度為4 cm和7 cm。

由圖10(c)、(e)、(g)可看出，隨著下面層模量、基層模量和底基層模量的增加，下面層永久變形量顯著的增加。因此，下面層模量、基層模量和底基層模量均宜取低值。

由圖10(d)、(f)可看出，下面層永久變形量均隨著基層厚度和底基層厚度的增加降低，但不同在于，隨基層厚度的降低趨勢逐漸趨于平緩，隨底基層厚度的降低趨勢則反之。因此，選定底基層厚度為20 cm；同時(shí)，由于基層厚度36 cm時(shí)所對(duì)應(yīng)的下面層永久變形量并未比基層厚度40 cm時(shí)顯著增加，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，基層厚度可選擇36 cm。

另一方面，在分析底基層層底拉應(yīng)力時(shí)，確定基層厚度宜為40 cm，考慮到底基層處于路面結(jié)構(gòu)的最下層，其力學(xué)響應(yīng)整體處于較低水平，同時(shí)，我國路面設(shè)計(jì)體系中也通常不以底基層作為重點(diǎn)考察對(duì)象，因此，最終確定基層厚度為36 cm。

2.3 討論

以前述極差分析為依據(jù)，確定各指標(biāo)影響程度，見表8，其中√√表示影響顯著，√表示有一定影響，無√表示影響較弱。

表8 控制指標(biāo)影響程度表

綜合力學(xué)響應(yīng)分析結(jié)果，該工況下推薦的路面結(jié)構(gòu)見表9。

表9 推薦路面結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

本文基于層狀彈性體系理論構(gòu)建水泥穩(wěn)定碎石半柔性路面結(jié)構(gòu)模型，利用正交實(shí)驗(yàn)方法揭示了表面層、下面層、基層和底基層的模量和厚度的不同參數(shù)組合對(duì)水泥穩(wěn)定碎石層層底拉應(yīng)力和瀝青混凝土層永久變形量的影響，提出了影響各路面結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)，并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范，以力學(xué)性能最優(yōu)為原則，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，提出了優(yōu)選的路面結(jié)構(gòu)組合體系。主要結(jié)論如下：

1)水泥穩(wěn)定碎石基層層底拉應(yīng)力隨基層模量增加而顯著增長，底基層厚度和模量對(duì)基層層底拉應(yīng)力影響次之，表面層厚度、基層厚度、下面層厚度和模量的影響較小。

2)水泥穩(wěn)定碎石底基層層底拉應(yīng)力隨基層厚度的增加而明顯降低，底基層模量對(duì)底基層層底拉應(yīng)力影響次之，表面層厚度、下面層厚度和模量、基層模量以及底基層厚度影響較弱。

3)水泥穩(wěn)定碎石表面層永久變形量隨表面層厚度增加有先減后增的顯著趨勢，下面層厚度和模量、基層厚度和模量以及底基層厚度和模量影響較小。

4)水泥穩(wěn)定碎石下面層永久變形量伴著表面層厚度的增加呈先下降后上升的趨勢，下面層厚度和模量、底基層厚度和模量以及基層厚度影響次之，基層模量影響較弱。

5)提出優(yōu)選的路面結(jié)構(gòu)組合為：4 cm半柔性表面層+7 cm瀝青混凝土下面層+36 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層。各結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)參數(shù)建議值為：下面層模量、基層模量和底基層模量均宜取低值。