陳汝筠

(長沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007)

路面工程施工實(shí)踐表明，在瀝青加鋪面層以下或半剛性路面基層以上增設(shè)應(yīng)力吸收層，能有效控制反射開裂病害。針對砂粒式基層的性能劣勢，該文提出一種粗粒式應(yīng)力吸收層混合料設(shè)計(jì)方案，以增強(qiáng)對瀝青路面反射開裂病害的控制能力。

1 原材料性能要求

考慮到瀝青混合料整體性能、質(zhì)量受各原材料單項(xiàng)性能及級配設(shè)計(jì)質(zhì)量的影響顯著，對原材料性能進(jìn)行必要檢測，同時(shí)為混合料級配設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(1) 集料。所選集料為花崗巖，其硬度、表面粗糙度及清潔度滿足規(guī)范要求。

(2) 礦粉。為增強(qiáng)集料與瀝青基質(zhì)間的黏結(jié)性能，添加一定比例堿性礦粉。選擇石灰?guī)r礦粉作為填料，其性能指標(biāo)符合規(guī)范要求。

(3) 瀝青。為滿足粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料的高黏性要求，對普通基質(zhì)瀝青進(jìn)行高黏改性，使混合料具備較高的塑性和強(qiáng)度。

2 粗粒式應(yīng)力吸收層混合料級配設(shè)計(jì)

2.1 混合料級配設(shè)計(jì)方案

瀝青混合料級配常用設(shè)計(jì)方法有Superpave法、《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中設(shè)計(jì)方法、CAVF法，其中CAVF法強(qiáng)調(diào)粗集料之間的嵌擠作用，粗集料充當(dāng)骨架，細(xì)集料填充骨架空隙，二者共同構(gòu)成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。

采用半經(jīng)驗(yàn)半理論法確定試驗(yàn)油石比，分別為5.0%、5.5%、6.0%、6.5%，采用CAVF法設(shè)計(jì)不同油石比混合料級配方案(見表1)。

表1 不同油石比混合料級配設(shè)計(jì)方案

2.2 最佳級配方案確定

采用高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗車轍性能及抗裂性能等指標(biāo)，對表1所示粗粒式應(yīng)力吸收層混合料級配方案進(jìn)行對比分析，選擇最佳級配方案。分別通過標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、小梁抗彎試驗(yàn)評價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗車轍性能、低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果表明4種級配混合料的性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。對4種級配混合料進(jìn)行謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)，油石比超過6.5%時(shí)，析漏損失不斷增大，施工和易性不達(dá)標(biāo)。兼顧施工和易性與混合料黏性二者的平衡關(guān)系，經(jīng)多指標(biāo)橫向?qū)Ρ龋褪葹?.0%時(shí)，混合料施工和易性、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗車轍性能及抗裂性能等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，故選定級配3(油石比為6.0%)作為推薦方案。

2.3 基于GTM法的合理級配確定及論證

馬歇爾試驗(yàn)對公路交通量的劃定標(biāo)準(zhǔn)較籠統(tǒng)，分為輕量、中量和重量三等，與目前復(fù)雜的交通構(gòu)成和路面狀況不匹配。而GTM法在模擬路面實(shí)際工況方面具有明顯優(yōu)勢，故采用GTM法對粗粒式應(yīng)力吸收層混合料級配3進(jìn)行驗(yàn)證。

采用級配3，以0.3%為步長設(shè)置5個(gè)油石比，分別為4.8%、5.1%、5.4%、5.7%、6.0%，制作試件進(jìn)行GTM試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 GTM試件體積參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知：油石比為5.7%時(shí)，旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定系數(shù)為1.02；油石比大于5.7%時(shí)，旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定系數(shù)增速加快，說明試件的塑性變形過大；旋轉(zhuǎn)剪切系數(shù)隨油石比增加呈先增大后降低的趨勢，增降分界點(diǎn)對應(yīng)的油石比為5.7%。綜合考慮各因素，經(jīng)GTM法優(yōu)化后的粗粒式應(yīng)力吸收層混合料的最佳油石比為5.7%。

以GTM法、GAVF法分別確定的最佳油石比和最佳級配為基準(zhǔn)拌制改性瀝青混合料，對其各項(xiàng)性能進(jìn)行試驗(yàn)論證，試驗(yàn)結(jié)果表明兩者的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗車轍性能及抗裂性能等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，采用GTM法加工成型的試件的骨架密實(shí)度更高，且具有優(yōu)異的路用性能。

3 粗粒式應(yīng)力吸收層有限元分析

3.1 有限元模型建立

采用ABAQUS軟件分析不同厚度下粗粒式應(yīng)力吸收層的應(yīng)力響應(yīng)。建模時(shí)作如下基本假定：1) 結(jié)構(gòu)整體均勻連續(xù)，材料各向同性、處于完全彈性范圍；2) 結(jié)構(gòu)模型中央布置雙向正交構(gòu)造縫，縫寬5 mm；3) 結(jié)構(gòu)模型尺寸為長×寬×厚=10.00 m×8.50 m×4.82 m；4) 結(jié)構(gòu)層的所有變形均協(xié)調(diào)，不考慮滑移。

模型的邊界條件為豎向及表面位移自由，底部剛性約束。模型中路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)見表3。為簡化計(jì)算，認(rèn)為輪胎胎面與地面有效接觸區(qū)域?yàn)檎叫危佑|面參數(shù)為189 mm×189 mm。圖1為粗粒式應(yīng)力吸收層有限元分析模型。

表3 路面結(jié)構(gòu)模型尺寸及材料參數(shù)

圖1 粗粒式應(yīng)力吸收層有限元分析模型

3.2 不同厚度下應(yīng)力分析

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為4 cm上面層(SMA-13)+5 cm中面層(AC-20)+應(yīng)力吸收層。采用上述有限元模型分析不同厚度下粗粒式應(yīng)力吸收層的應(yīng)力響應(yīng)，確定最佳層厚，分析結(jié)果見表4。

表4 粗粒式應(yīng)力吸收層有限元分析結(jié)果

由表4可知：隨著粗粒式應(yīng)力吸收層厚度的增大，應(yīng)力吸收層的拉應(yīng)力極值和剪應(yīng)力極值逐步減小，應(yīng)力吸收層厚度達(dá)9 cm后，下降趨勢減緩。統(tǒng)籌路用性能和經(jīng)濟(jì)性兩大因素，推薦應(yīng)力吸收層厚度取為9 cm。

4 粗粒式應(yīng)力吸收層的應(yīng)用

4.1 工程概況

某高速公路的交通量常年處于高位。取其中一段作為試驗(yàn)段，試驗(yàn)路段長2 km、寬24.5 m，該路段水泥混凝土路面裂縫、錯(cuò)臺嚴(yán)重。設(shè)計(jì)對舊路面進(jìn)行病害綜合處治后加鋪瀝青面層，瀝青路面結(jié)構(gòu)從上到下為4 cm上面層(SMA-13)+5 cm中面層(AC-20)+9 cm應(yīng)力吸收層(模量1 000 MPa)+黏層+原水泥砼面板。

4.2 試驗(yàn)段級配方案

采用CAVF法設(shè)計(jì)粗粒式應(yīng)力吸收層混合料目標(biāo)級配，采用GTM法對級配進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，最終確定混合料油石比為5.7%，各類集料摻量見表5。取廠拌熱料倉內(nèi)的混合料進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明混合料相關(guān)性能指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求，具備大規(guī)模攤鋪施工條件。

表5 粗粒式應(yīng)力吸收層的生產(chǎn)級配

4.3 試驗(yàn)段路面性能檢測評定

試驗(yàn)路施工完成后，考慮到粗粒式應(yīng)力吸收層的層位特點(diǎn)，僅對抗?jié)B性能、壓實(shí)度、層厚等指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)檢測。結(jié)果如下：1) 檢測點(diǎn)的滲水系數(shù)均低于10 mL/min，路面整體結(jié)構(gòu)的抗?jié)B能力達(dá)到規(guī)范要求；2) 壓實(shí)度均不低于98%，滿足規(guī)范要求；3) 測點(diǎn)層厚與設(shè)計(jì)層厚誤差在規(guī)范要求的合理范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

采用CAVF法進(jìn)行粗粒式應(yīng)力吸收層混合料級配設(shè)計(jì)，經(jīng)GTM法優(yōu)化，確定油石比為5.7%。經(jīng)有限元模擬分析，推薦粗粒式應(yīng)力吸收層的最佳設(shè)計(jì)厚度取9 cm。按上述方案鋪筑粗粒式應(yīng)力吸收層試驗(yàn)段，其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求，能有效改善路面反射裂縫問題。