張韶華,張文輝,蔣應(yīng)軍

(1.駐馬店市公路工程開(kāi)發(fā)有限公司,河南 駐馬店 463000;2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院,陜西 西安 710064)

目前我國(guó)公路超載、重載現(xiàn)象嚴(yán)重,特別是在夏季,高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍病害,對(duì)行人和駕駛?cè)藛T產(chǎn)生了嚴(yán)重的安全隱患[1]。所以,對(duì)于路面車轍病害的研究極其必要。

近年來(lái),研究人員主要從路面材料和路面結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面對(duì)車轍病害進(jìn)行研究[2-4]。Haider S W和Lin Chihhsien等[5]研究多層瀝青混合料的車轍問(wèn)題。馬峰等[6]發(fā)現(xiàn)在瀝青混合料中摻加低溫施工高性能添加劑,顯著提高瀝青混合料高溫抗車轍性能。王端宜等[7]將集料接觸點(diǎn)數(shù)量引入混合料的設(shè)計(jì)中作為級(jí)配選擇的參考,提高瀝青混合料的抗車轍性能。董澤蛟等[8]等提出在設(shè)計(jì)抗車轍路面時(shí)要考慮不同面層的模量組合,才能最大程度地發(fā)揮各層混合料的抗車轍性能。王磊等[9]發(fā)現(xiàn)摻加2%聚丙烯單絲纖維的微表處混合料可提高微表處混合料的抗車轍性能。石立萬(wàn)等[10]發(fā)現(xiàn)高溫與重載聯(lián)合效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致瀝青路面車轍急劇發(fā)展。李麗民等[11]發(fā)現(xiàn)重載作用下車轍主要是由橫向剪切引起的。Mohammad Jafari等[12]發(fā)現(xiàn)聚磷酸能顯著提高未改性瀝青結(jié)合料和未改性瀝青混合料的抗車轍性能。Hassan Ziari等[13]發(fā)現(xiàn)乙烯雙硬脂酰胺改性瀝青混合料的抗車轍性能顯著。中面層相對(duì)于上、下面層更易發(fā)生車轍,由于其剪應(yīng)力最大,而且處于高溫狀態(tài)的時(shí)間持久[14,15]。因此,有必要在路面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對(duì)瀝青路面的車轍病害進(jìn)行考慮。

長(zhǎng)期以來(lái),上、中、下面層組合遵循細(xì)、中、粗或細(xì)、中、中粒式瀝青混合料的組合。且目前各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料基本上按全功能要求進(jìn)行設(shè)計(jì),結(jié)果必然顧此失彼,很難與瀝青各結(jié)構(gòu)層力學(xué)和功能要求相適應(yīng)。譬如中面層主要承擔(dān)抗車轍功能,中面層混合料應(yīng)具有良好的抗車轍性能,但在混合料設(shè)計(jì)實(shí)踐中通常還強(qiáng)調(diào)其低溫抗裂性能,其結(jié)果必然影響其抗車轍性能;而下面層主要承擔(dān)抗裂功能,應(yīng)具有良好的抗裂性能,但在混合料設(shè)計(jì)實(shí)踐中通常還強(qiáng)調(diào)其高溫穩(wěn)定性,其結(jié)果必然影響其抗裂性能。

1 原材料

1.1 瀝青

上面層瀝青混合料和黏層油均采用SBS(I-C)改性瀝青,為浙江銀基石化有限公司生產(chǎn);中面層和下面層瀝青混合料采用70號(hào)基質(zhì)瀝青,為中國(guó)石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司生產(chǎn)。瀝青技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 瀝青技術(shù)性質(zhì)

1.2 集料

(1)粗集料

上面層瀝青混合料粗集料采用玄武巖碎石,中面層和下面層粗集料采用石灰?guī)r碎石,兩種粗集料均為金華磐安石料廠生產(chǎn),技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 粗集料技術(shù)性質(zhì)

(2)細(xì)集料

瀝青混合料細(xì)集料均采用石灰?guī)r,細(xì)集料為金華磐安石料廠生產(chǎn),技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表3。

1.3 礦料級(jí)配

AC-13、AC-20和AC-25瀝青混合料礦料級(jí)配見(jiàn)表4,最佳油石比分別為5.0%、4.4%和4.1%。

表4 不同類型瀝青混合料礦料級(jí)配

2 基于面層倒裝瀝青路面結(jié)構(gòu)組合

2.1 面層倒裝原理

由層位功能可知,中面層是主抗車轍區(qū)。當(dāng)中面層荷載作用下產(chǎn)生剪應(yīng)力超過(guò)材料容許抗剪強(qiáng)度時(shí),則路面出現(xiàn)車轍。因此,為了提高路面抗車轍能力,材料組成設(shè)計(jì)時(shí),一方面提高中面層混合料抗剪強(qiáng)度,另一方面設(shè)法降低車輛荷載作用下中面層剪應(yīng)力,而由力學(xué)分析可知,提高中面層模量是降低路面剪應(yīng)力最有效措施。下面層是主抗疲勞區(qū)。當(dāng)下面層荷載作用下產(chǎn)生拉應(yīng)力超過(guò)材料容許抗拉強(qiáng)度時(shí),則混合料出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂。所以,為了提高下面層抗疲勞開(kāi)裂能力,材料組成設(shè)計(jì)時(shí),一方面提高下面層混合料抗拉強(qiáng)度或抗疲勞開(kāi)裂能力,另一方面設(shè)法降低車輛荷載作用下面層層底拉應(yīng)力,而由力學(xué)分析可知,降低下面層模量是降低面層層底拉應(yīng)力有效措施。

因而,將面層結(jié)構(gòu)中的中下面層倒裝,既滿足中面層抗車轍性能的要求,又滿足下面層抗疲勞性能的要求。

2.2 面層倒裝結(jié)構(gòu)

基于面層倒裝耐久瀝青路面結(jié)構(gòu)組合理論,提出路面結(jié)構(gòu)組合形式見(jiàn)表5。

表5 基于面層倒裝耐久瀝青路面結(jié)構(gòu)組合形式

2.3 面層倒裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力

(1)路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

具體驗(yàn)算的路面結(jié)構(gòu)見(jiàn)表6,計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表7。其中,Ep和S分別表示實(shí)測(cè)模量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

表6 路面結(jié)構(gòu)

表7 材料計(jì)算參數(shù)

(2)計(jì)算結(jié)果

不同路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8,路面結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層材料應(yīng)力水平(材料在路面結(jié)構(gòu)中承受的應(yīng)力與材料破壞強(qiáng)度比值)見(jiàn)表9。

表8 荷載0.7 MPa不同路面結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 單位:MPa

表9 不同路面結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層材料應(yīng)力水平 單位:MPa

表8和表9表明:相對(duì)于傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu),路面材料相同時(shí)瀝青面層倒裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值均降低。

3 面層倒裝瀝青路面抗車轍性能

3.1 試驗(yàn)方法

現(xiàn)行車轍試驗(yàn)方法適用于車轍板厚度≤10 cm,無(wú)法用于整個(gè)路面結(jié)構(gòu)車轍試驗(yàn)。為此,本文采用自行開(kāi)發(fā)的適用于大厚度車轍板輪載可調(diào)的車轍試驗(yàn)裝置進(jìn)行抗車轍試驗(yàn)。

(1)18 cm厚度車轍板試件制作

采用自行研制的厚度可調(diào)車轍板成型儀制作18 cm車轍板模擬上、中、下面層實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工況,試件制作方法如下。

①制作下面層車轍板:成型長(zhǎng)×寬=300 mm×300 mm、厚度符合路面結(jié)構(gòu)的下面層車轍板,并在室溫下冷卻24 h后噴灑0.4 L/m2SBS熱瀝青黏層油;

②制作中面層車轍板:在噴灑黏層油的下面層車轍板上制作中面層車轍板,厚度符合路面結(jié)構(gòu),并在室溫下冷卻24 h后噴灑0.4 L/m2SBS熱瀝青黏層油;

③制作上面層車轍板:在噴灑黏層油的中面層車轍板上制作上面層車轍板,厚度符合路面結(jié)構(gòu),并在室溫下冷卻48 h備用。

(2)大厚度車轍板試驗(yàn)

本文采用自行研制的適用于大厚度車轍板的車轍試驗(yàn)儀進(jìn)行車轍試驗(yàn)。車轍試驗(yàn)時(shí),輪載擬采用0.7 MPa、1.2 MPa,試驗(yàn)溫度為60 ℃,加載時(shí)間為10 h,保溫時(shí)間為8 h。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

不同路面結(jié)構(gòu)車轍深度隨荷載作用次數(shù)發(fā)展趨勢(shì)見(jiàn)圖1。由圖1可知,隨荷載作用次數(shù)增加,不同路面車轍發(fā)展曲線的形狀極其相似:加載次數(shù)2 550次之前,隨加載次數(shù)增加,路面結(jié)構(gòu)車轍深度急劇增大;當(dāng)加載次數(shù)超過(guò)2 550次之后,隨加載次數(shù)增加,路面結(jié)構(gòu)車轍深度增加幅度逐漸減小,直至趨于穩(wěn)定。倒裝結(jié)構(gòu)(DM)車轍變形量小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)(TM)車轍變形量,從路面車轍深度隨荷載作用次數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可以看出,瀝青路面車轍發(fā)展符合安定性理論。

圖1 路面車轍深度隨荷載作用次數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.3 影響因素

(1)荷載

根據(jù)圖3可得,荷載大小對(duì)路面結(jié)構(gòu)極限車轍深度的影響見(jiàn)表10。表中RP是指荷載1.2 MPa時(shí)極限車轍深度與荷載0.7 MPa時(shí)極限車轍深度的比值。

表10 不同輪載作用下極限車轍深度比值

由表10可知,荷載由0.7 MPa增大到1.2 MPa時(shí),不同路面結(jié)構(gòu)極限車轍深度增大了58%～72%。即荷載增大1%,車轍深度增大約0.81%～1.0%。

(2)路面結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)圖3可得,相同荷載相同材料不同路面結(jié)構(gòu)對(duì)極限車轍深度的影響見(jiàn)表11。

表11 相同荷載相同材料不同路面結(jié)構(gòu)極限車轍深度比值

由表11可知,與傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)相比,0.7 MPa和1.2 MPa荷載作用下面層倒裝結(jié)構(gòu)抗車轍性能可分別提升16%和12%。

4 結(jié) 論

(1)基于路面結(jié)構(gòu)層位功能分析了面層倒裝原理,提出了基于面層倒裝的瀝青路面結(jié)構(gòu),研究了面層倒裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力,相比于瀝青路面?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu),瀝青面層倒裝結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力和剪應(yīng)力最大值均有所降低。

(2)研究了瀝青面層結(jié)構(gòu)抗車轍性能及影響規(guī)律,與傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)相比,瀝青面層倒裝結(jié)構(gòu)抗車轍性能至少提升12%,降低瀝青路面荷載或采用面層倒裝結(jié)構(gòu)均能提升瀝青路面抗車轍性能。