胡全章 李 華 孟會(huì)林 楊景麗 王 康

(1.中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司 石家莊 050090；2.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 石家莊 050091；3.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備行業(yè)研發(fā)中心 石家莊 050011；4.四川衡信公路工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司 成都 611134)

長(zhǎng)壽命瀝青路面是我國(guó)瀝青路面研究的熱點(diǎn)，近年來(lái)，隨著《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》的發(fā)布，提高基礎(chǔ)設(shè)施耐久性的呼聲更加高漲，因此，如何切實(shí)延長(zhǎng)瀝青路面使用壽命已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)路面工程研究的焦點(diǎn)。

盡管國(guó)內(nèi)外普遍接受將柔性基層結(jié)構(gòu)路面認(rèn)定為長(zhǎng)壽命瀝青路面，但長(zhǎng)壽命瀝青路面的概念本質(zhì)上并無(wú)固定的結(jié)構(gòu)形式，國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也證明，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、材料使用得當(dāng)、施工質(zhì)量得以保證的情況下，任何結(jié)構(gòu)形式都可以實(shí)現(xiàn)路面長(zhǎng)壽命的目標(biāo)，半剛性基層結(jié)構(gòu)也是如此[1-2]。在路面材料方面，高模量瀝青混合料的概念已被英國(guó)、美國(guó)納入永久路面概念中，也是目前國(guó)內(nèi)公認(rèn)的先進(jìn)路面材料[3]。高模量瀝青混合料在15 ℃、10 Hz條件下的兩點(diǎn)彎曲動(dòng)態(tài)模量大于14 000 MPa，具有高溫穩(wěn)定性好、抗疲勞破壞、抗水損壞能力強(qiáng)、施工和易性好的特點(diǎn)。歐美國(guó)家柔性基層長(zhǎng)壽命瀝青路面典型結(jié)構(gòu)中，將高模量瀝青混凝土用于路面面層以下10～18 cm范圍內(nèi)，作為主要的抗永久變形材料，其下部單獨(dú)設(shè)置抗疲勞層材料。研究表明，高模量瀝青混合料比我國(guó)瀝青路面下面層常用的普通瀝青混合料具有更好的抗疲勞性能，將高模量瀝青混凝土用于路面下面層同樣可以改善路面的抗車轍和抗疲勞性能[4-5]。因此，將高模量瀝青混凝土與半剛性基層結(jié)構(gòu)組合起來(lái)也是一種潛在的長(zhǎng)壽命耐久性瀝青路面。

本研究依托津石高速永久路面試驗(yàn)路建設(shè)，對(duì)半剛性基層高模量瀝青路面及采用高模量瀝青混凝土的柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)高模量瀝青混合料的路用及力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，為提高模量瀝青路面的推廣應(yīng)用提供參考。

1 路面結(jié)構(gòu)計(jì)算

1.1 交通量分析

根據(jù)津石高速公路津冀界至保石界段工可調(diào)查數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目初始日均貨車交通量為7 113輛，設(shè)計(jì)使用年限15年對(duì)應(yīng)的年均交通量增長(zhǎng)率為4.5%。永久路面試驗(yàn)路設(shè)計(jì)使用年限為40年，根據(jù)工可預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)換算得到40年等效年均交通量增長(zhǎng)率為3.33%。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，交通組成TTC分類為TTC3。

按照J(rèn)TG D50-2017 《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]相關(guān)規(guī)定確定滿載與非滿載車比例，根據(jù)津石高速周邊高速及干線公路交通量調(diào)查情況，交通量計(jì)算時(shí)對(duì)于滿載車輛，按超載25%考慮，非滿載車輛載重按滿載計(jì)算，交通量計(jì)算見(jiàn)式(1)，總體偏保守。按照式(1)計(jì)算得到，設(shè)計(jì)使用年限15年和40年內(nèi)設(shè)計(jì)車道累計(jì)大型客車和貨車交通量N1分別為19 425 779輛和75 987 046輛，按照現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，其交通等級(jí)分別為特重交通和極重交通。

N1=AADTT×DDF×LDF×

(1)

式中：AADTT為大型客車和貨車雙向年平均日交通量，輛/d；DDF為方向系數(shù)，本文計(jì)算取0.6；LDF為車道系數(shù)，本文計(jì)算取0.6；γ為設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)交通量年平均增長(zhǎng)率；t為設(shè)計(jì)使用年限。

按照設(shè)計(jì)使用年限40年，計(jì)算得到不同結(jié)構(gòu)層材料的控制當(dāng)量軸載次數(shù)為：瀝青層層底拉應(yīng)變對(duì)應(yīng)的交通量為Ne=310 031 631(3.1×108)次，半剛性基層層底拉應(yīng)力對(duì)應(yīng)的交通量為Ne=636 750 850(6.4×108)次；路基頂面壓應(yīng)變對(duì)應(yīng)的交通量為Ne=424 465 241(4.2×108)次。

1.2 擬定路面結(jié)構(gòu)

津石高速原路面結(jié)構(gòu)方案為：4 cm SBS改性瀝青瑪蹄脂碎石SMA13+6 cm橡膠改性瀝青混凝土ARHM20+12 cm瀝青穩(wěn)定碎石ATB25+40 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層，路面結(jié)構(gòu)總厚度82 cm，原路面設(shè)計(jì)使用年限為15年，經(jīng)驗(yàn)算該結(jié)構(gòu)瀝青層層底疲勞破壞的確不滿足永久路面試驗(yàn)路設(shè)計(jì)使用年限40年時(shí)的累計(jì)等效軸載作用次數(shù)。

采用高模量瀝青混凝土的永久路面試驗(yàn)路設(shè)計(jì)2種路面結(jié)構(gòu)方案，方案一為4 cm橡膠改性瀝青混凝土ARHM13+8 cm高模量瀝青混凝土HMAC16+10 cm高模量瀝青混凝土HMAC20+25 cm水泥穩(wěn)定碎石+25 cm水泥穩(wěn)定碎石，路面結(jié)構(gòu)總厚度72 cm；方案二為4 cm橡膠改性瀝青混凝土ARHM13+8 cm高模量瀝青混凝土HMAC16+14 cm高模量瀝青混凝土HMAC20+14 cm橡膠改性瀝青混凝土ARHM25+4 cm改性瀝青混凝土應(yīng)力吸收層FAC10+20 cm級(jí)配碎石，路面結(jié)構(gòu)總厚度64 cm。

2種試驗(yàn)路路面結(jié)構(gòu)總厚度較原設(shè)計(jì)分別減薄10 cm和18 cm。方案一下面層采用HMAC-20，疲勞破壞應(yīng)變較原設(shè)計(jì)采用的ATB25可提高60%以上，可顯著提升半剛性基層結(jié)構(gòu)瀝青層疲勞壽命。方案二為典型柔性基層長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，其中的高模量瀝青層發(fā)揮承載及抗永久變形的作用。

1.3 路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算采用法國(guó)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件Alize，該軟件基于路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)與結(jié)構(gòu)層材料容許值對(duì)比來(lái)確定或優(yōu)化結(jié)構(gòu)厚度。計(jì)算采用的材料參數(shù)見(jiàn)表1，其中，疲勞破壞應(yīng)變及模量指標(biāo)均基于法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求采用梯形試件兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)確定，各材料的模量值較我國(guó)單軸壓縮試驗(yàn)得出的動(dòng)態(tài)模量偏低。具體計(jì)算條件如下。

1) 設(shè)計(jì)軸載為軸重10 t的單軸-雙輪組軸載。

2) 當(dāng)量溫度取20 ℃。

3) 路基頂面模量取200 MPa(設(shè)計(jì)路床頂面彎沉控制標(biāo)準(zhǔn)為80/0.01 mm)。

4) 計(jì)算時(shí)，層間黏結(jié)條件按如下?tīng)顟B(tài)考慮：瀝青層層間及半剛性基層層間設(shè)置為完全黏結(jié)；瀝青層與半剛性基層之間設(shè)置為半黏結(jié)狀態(tài)；瀝青層與級(jí)配碎石層之間、級(jí)配碎石與路床之間及半剛性基層與路床之間均設(shè)置為無(wú)黏結(jié)狀態(tài)。

按照永久路面設(shè)計(jì)思想，本項(xiàng)目路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算控制參數(shù)為瀝青層層底拉應(yīng)變、半剛性基層層底拉應(yīng)力及路基頂面豎向壓應(yīng)變。根據(jù)不同材料類型對(duì)應(yīng)的交通量及結(jié)構(gòu)層材料強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)驗(yàn)算控制參數(shù)的容許值，結(jié)果見(jiàn)表2。表中半剛性基層結(jié)構(gòu)方案的瀝青層層底與柔性基層層底均為HMAC20結(jié)構(gòu)層層底，柔性基層結(jié)構(gòu)方案中瀝青層層底為應(yīng)力吸收層FAC10層底，柔性基層層底為ARHM25結(jié)構(gòu)層層底。從容許應(yīng)變計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，由于結(jié)構(gòu)形式及材料抗疲勞特性的不同，2種結(jié)構(gòu)方案控制參數(shù)的容許值差異明顯。

表2 不同結(jié)構(gòu)材料控制參數(shù)容許值

表3為不同結(jié)構(gòu)控制參數(shù)的計(jì)算值。

表3 不同結(jié)構(gòu)材料控制參數(shù)計(jì)算值

由表3可見(jiàn)，2種結(jié)構(gòu)形式的高模量瀝青路面瀝青層層底拉應(yīng)變均遠(yuǎn)低于100×10-6的永久路面瀝青層層底拉應(yīng)變控制標(biāo)準(zhǔn)；半剛性基層材料90 d齡期的劈裂破壞強(qiáng)度σ為0.7 MPa左右，對(duì)應(yīng)的疲勞閾值0.35σ[7]為0.25 MPa，高于計(jì)算得到的0.19 MPa，也就是說(shuō)半剛性基層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)路的基層不會(huì)發(fā)生疲勞破壞；柔性基層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)路路基頂面的豎向壓應(yīng)變亦顯著低于200×10-6的永久路面路基頂面壓應(yīng)變控制標(biāo)準(zhǔn)。

此外，根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的瀝青層拉應(yīng)變和半剛性基層層底拉應(yīng)力反算得到結(jié)構(gòu)可承受的軸載作用次數(shù)[8]。計(jì)算得到半剛性基層結(jié)構(gòu)方案中瀝青層和半剛性基層可承受的疲勞當(dāng)量軸載作用次數(shù)分別為159.9×108次和804.8×108次，柔性基層結(jié)構(gòu)方案中應(yīng)力吸收層和柔性基層可承受的疲勞當(dāng)量軸載作用次數(shù)分別為659.5×108次和154.3×108次，2種方案可承受的疲勞軸載作用次數(shù)均遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)使用40年的累積交通當(dāng)量軸載作用次數(shù)，即試驗(yàn)路方案滿足永久路面設(shè)計(jì)需求，相比之下，半剛性基層結(jié)構(gòu)方案略有優(yōu)勢(shì)。

2 路面材料設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

2.1 原材料

試驗(yàn)所用粗集料為石灰?guī)r材質(zhì)，細(xì)集料為石灰?guī)r材質(zhì)機(jī)制砂，填料為石灰?guī)r材質(zhì)的礦粉，各礦料的技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

HMAC16及HMAC20所用瀝青膠結(jié)料為中石油20號(hào)低標(biāo)號(hào)瀝青。瀝青膠結(jié)料主要檢測(cè)技術(shù)指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表4，均滿足要求。同時(shí)，按照規(guī)范要求[9]，確定混合料的拌和溫度為180 ℃，出料溫度不低于170 ℃，成型溫度不低于160 ℃。

表4 20號(hào)瀝青技術(shù)指標(biāo)

2.2 混合料設(shè)計(jì)

HMAC16及HMAC20均采用連續(xù)密級(jí)配，合成級(jí)配各篩孔質(zhì)量通過(guò)率見(jiàn)表5。配合比設(shè)計(jì)采用PCG旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀豎向壓強(qiáng)為0.6 MPa，機(jī)器角0.82°，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)均為120 r。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于連續(xù)密實(shí)級(jí)配，按照PCG空隙率不大于4.5%初步確定HMAC16與HMAC20的油石比分別為4.7%與4.5%，然后采用馬歇爾方法進(jìn)行混合料體積指標(biāo)的驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表6，由表6可見(jiàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，相比之下，HMAC20的油石比雖然略低，但混合料的空隙率更低，且瀝青飽和度及馬歇爾穩(wěn)定度均高于HMAC16。

表5 混合料礦料級(jí)配

表6 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2.3 性能評(píng)價(jià)

HMAC16與HMAC20分別采用4.7%與4.5%的油石比進(jìn)行路用性能及力學(xué)性能的驗(yàn)證，路用性能驗(yàn)證指標(biāo)包括60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度、-10 ℃的彎曲破壞應(yīng)變及凍融劈裂殘留強(qiáng)度比，根據(jù)設(shè)計(jì)文件的要求，對(duì)HMAC16混合料還進(jìn)行了-20 ℃的彎曲破壞應(yīng)變驗(yàn)證。力學(xué)性能驗(yàn)證指標(biāo)為單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量(20 ℃、10 Hz)、兩點(diǎn)彎曲動(dòng)態(tài)模量(20 ℃、10 Hz)及130×10-6條件下的兩點(diǎn)彎曲疲勞破壞次數(shù)。路用及力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表7、表8。

表7 路用性能試驗(yàn)結(jié)果

表8 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

由表7可見(jiàn)，高模量瀝青混合料HMAC16及HMAC20的高溫穩(wěn)定性均非常突出，60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度均達(dá)到5 000次/mm以上；-10 ℃彎曲破壞應(yīng)變均在2 000×10-6以上，與70號(hào)瀝青混合料在同一水平；由于瀝青用量相對(duì)大，所以水穩(wěn)定性表現(xiàn)良好，凍融劈裂殘留強(qiáng)度比均在90%左右。相比之下，由于HMAC16的油石比略高，所以其低溫抗裂性及水穩(wěn)定性優(yōu)于HMAC20，而高溫穩(wěn)定性略低。

由表8可見(jiàn)，2種高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量均明顯高于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的數(shù)值，說(shuō)明試驗(yàn)路實(shí)際荷載響應(yīng)應(yīng)低于設(shè)計(jì)計(jì)算值。此外，相同溫度及加載頻率下，單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量顯著高于兩點(diǎn)彎曲動(dòng)態(tài)模量，這與試驗(yàn)方法、試件形狀及尺寸等因素有關(guān)；2種混合料在130×10-6條件下的疲勞破壞壽命均高于100萬(wàn)次，滿足標(biāo)準(zhǔn)[4]對(duì)高模量瀝青混合料疲勞性能的要求。同樣，由于油石比的差異，相比之下，HMAC16具有更好的抗疲勞性能，而HMAC20則具有更高的強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 結(jié)構(gòu)計(jì)算及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，津石高速高模量瀝青路面試驗(yàn)路采用的結(jié)構(gòu)及材料各項(xiàng)指標(biāo)均滿足永久路面設(shè)計(jì)要求。

2) 半剛性基層與柔性基層高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)差異明顯，兩者均適用于重載交通耐久性路面建設(shè)，相比而言，半剛性基層結(jié)構(gòu)承載能力更高，柔性基層結(jié)構(gòu)對(duì)路基強(qiáng)度水平要求更高。

3) 采用低標(biāo)號(hào)瀝青的高模量瀝青混合料路用性能優(yōu)異，其60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度不低于5 000次/mm，-10 ℃低溫彎曲破壞應(yīng)變不低于2 000×10-6，且凍融劈裂殘留強(qiáng)度比不低于85%。

4) 高模量瀝青混合料力學(xué)性能突出，單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量較我國(guó)目前常用類型瀝青混合料提高60%以上，且抗疲勞性能好，是一種適用于耐久性路面建設(shè)的高性能瀝青混合料。