田美強(qiáng)，周 浩，侯 峰，張若友

(1.山東泰和公路工程有限公司，山東 淄博 256410;2.山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250109)

隨著我國(guó)公路建設(shè)事業(yè)的高速發(fā)展，大量的公路經(jīng)過長(zhǎng)期的服務(wù)期，產(chǎn)生各種病害，進(jìn)入維修期和大修期，裂縫、車轍、松散、結(jié)構(gòu)承載力不足等病害需要處理，但可以用于道路施工的優(yōu)質(zhì)材料日益減少。在這種情況下，冷再生成為一種綠色環(huán)保技術(shù)，一方面冷再生技術(shù)的再生厚度可以很大，可以處置絕大部分病害類型；另一方面，冷再生可以把大部分路面材料回收利用重新用于路面鋪裝，從而大量節(jié)約路面材料消耗；冷再生施工過程中溫度較低，能量消耗和有毒有害氣體排放大量較少，有利于環(huán)境保護(hù)。

蔣應(yīng)軍等針對(duì)礦粉、機(jī)制砂、9.5～19.0 mm粗集料摻量的比例等因素對(duì)馬歇爾穩(wěn)定度、干濕劈裂強(qiáng)度等性能的影響開展了相關(guān)研究，確定了各材料的影響規(guī)律和最佳比例。呂政樺等通過微觀實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析了乳化瀝青用量、水泥摻量及銑刨料(RAP)摻量對(duì)再生路面材料各種路用性能的影響規(guī)律。謝永才從冷再生路面的設(shè)計(jì)和施工角度進(jìn)行相關(guān)研究。李秀君等對(duì)AASHTO的冷再生混合料設(shè)計(jì)方法和瀝青協(xié)會(huì)AI方法等進(jìn)行總結(jié)分析。這些研究對(duì)冷再生材料和施工技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)全面的分析，但冷再生材料性質(zhì)與傳統(tǒng)路面材料有所不同，尤其是在高溫條件下模量降低，可能對(duì)路面結(jié)構(gòu)有影響，需要進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 冷再生材料的模量

1.1 模量與溫度關(guān)系

瀝青路面銑刨料的冷再生材料由于含有瀝青結(jié)合料，所以其強(qiáng)度和模量受溫度的影響。根據(jù)伊利諾伊州大學(xué)的研究，模量與溫度的關(guān)系如式(1)

LogE=a-bT

(1)

式中:E為模量，MPa，T為溫度，℃，B為模量隨溫度下降的系數(shù)。其中系數(shù)b對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要影響。

根據(jù)對(duì)不同級(jí)配水泥冷再生材料模量的研究，b的常見取值范圍為-0.003～0.008。

1.2 模量與材料構(gòu)成關(guān)系

圖1為當(dāng)再生材料中不同面層基層材料比例條件下的模量。隨著瀝青面層材料比例的提高，混合料整體的模量降低。經(jīng)驗(yàn)表明，在高溫條件下這種差異會(huì)更明顯，但摻入新碎石做粗骨料可以顯著改善冷再生材料的高溫性能。

圖1 模量與再生料組成的關(guān)系

2 道路溫度取值

查道路材料導(dǎo)熱導(dǎo)溫值推薦表可知，瀝青混凝土材料的導(dǎo)熱參數(shù)一般0.8～1.4(W/(m×℃))，半剛性材料的導(dǎo)熱參數(shù)一般1～1.3(W/(m×℃))。冷再生材料從材料組成上看介于二者之間，且更接近HMA材料，故其導(dǎo)溫性能應(yīng)該介于二者之間，冷再生路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度規(guī)律也與普通HMA路面基本相同。參考河南某高速公路時(shí)間觀測(cè)結(jié)果(見表1)，瀝青下面的冷再生材料約為30～42 ℃，可以按照36 ℃考慮。由前面的分析可知，此溫度條件下，半剛性冷再生材料的強(qiáng)度較之20 ℃時(shí)可能會(huì)下降20%～40%，而瀝青冷再生材料強(qiáng)度下降35%左右。從模量看，水泥穩(wěn)定冷再生材料模量下降15%～30%。瀝青穩(wěn)定材料在模量下降程度，暫時(shí)可以按照30%考慮。可知當(dāng)溫度升高時(shí)冷再生路面層的承載能力大為降低。

表1 河南對(duì)某高速公路的實(shí)際觀測(cè)情況

3 冷再生道路結(jié)構(gòu)

當(dāng)采用熱拌瀝青混合料層+再生層或者熱拌瀝青混合料層+再生層+砂礫層結(jié)構(gòu)時(shí)須注意冷再生材料的溫度敏感性，尤其對(duì)夏季炎熱地區(qū)的薄面層道路。隨著溫度的升高，路面熱拌瀝青混合料材料和冷再生材料的模量和強(qiáng)度都會(huì)降低，使得路面結(jié)構(gòu)分散荷載的能力和路面材料承受應(yīng)力應(yīng)變的能力同時(shí)降低。對(duì)于傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面，半剛性材料作為主要承重層，受到高溫影響很小，故以地基薄弱時(shí)道路狀態(tài)為最不利狀態(tài)。但對(duì)不含半剛性基層的冷再生路面，高溫導(dǎo)致的路面材料承載力下降也可能是一個(gè)不利狀態(tài)。

4 溫度變化對(duì)冷再生道路影響

用Bisar軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)冷再生道路在不同工況下的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，從而獲得冷再生路面的受力特點(diǎn)。

4.1 路面結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)

在實(shí)際路面設(shè)計(jì)分析中，模量隨不同工況和材料組成而適當(dāng)調(diào)整，確定不同工況下道路結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，以分析冷再生材料溫度敏感性的影響。用Bisar軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)冷再生道路在不同工況下的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，從而獲得冷再生材料的準(zhǔn)確性能，提高路面分析和設(shè)計(jì)的可靠性。改建的道路的一般特點(diǎn)是路基模量較高而半剛性基層和底基層材料的模量有所下降，基層強(qiáng)度可以按照800 MPa計(jì)算。其他各種材料，其模量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并參照本文1、2兩部分確定。

4.2 無半剛性層的冷再生路面結(jié)果力學(xué)性能

(1)拉應(yīng)力分析

不同厚度位置處的路面拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從圖2中可以看出，與常溫狀態(tài)相比，高溫狀態(tài)下面層壓應(yīng)力提高，但材料一般抗壓性能較好，壓應(yīng)力增大一般不會(huì)成為問題；基層底部拉應(yīng)力提高變化較小。

(2)剪應(yīng)力分析

不同厚度位置處的路面拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從圖3可以看出，在高溫狀態(tài)下，中下面層和上基層上半部的剪應(yīng)力有明顯增大，最大增幅約70%，而下基層變化很小。中下面層的剪應(yīng)力增加明顯，導(dǎo)致車轍出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)很大。

而含半剛性基層的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)計(jì)算結(jié)果表明，在夏季高溫下，各層位的各種應(yīng)力應(yīng)變變化都不大，且路面豎向應(yīng)變還可能略有減小，不會(huì)成為最不利狀態(tài)。

通過對(duì)不含半剛性基層的冷再生道路結(jié)構(gòu)在不同溫度狀態(tài)下的力學(xué)結(jié)果進(jìn)行比較，可以得到以下結(jié)論：不含半剛性基層的再生路面結(jié)構(gòu)，拉應(yīng)力和豎向變形無顯著變化或稍有上升；中下面層至上基層上半部的剪應(yīng)力大為提高，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需特別注意控制車轍。

4 結(jié) 論

瀝青路面冷再生材料的模量，隨溫度升高而降低，隨面層銑刨料摻量的提高而降低；對(duì)于含有半剛性基層的瀝青路面，夏季高溫工況一般不會(huì)成為不利狀態(tài)；對(duì)不含半剛性基層的再生道路，夏季高溫可能會(huì)成為不利狀態(tài)，尤其要注意車轍的控制。