半刚性基层沥青路面橡胶应力吸收层的合理性厚度及弹性模量研究

郭敬姐

（北京中咨华帆工程咨询有限公司，北京 100176）

0 引言

我国高等级公路绝大部分采用半刚性基层的沥青路面结构，在日趋恶化的交通压力下，路面开裂已成为目前半刚性基层沥青路面主要缺陷之一。在路面裂缝中，半刚性基层的反射裂缝占有很大比重，反射裂缝的出现破坏了路面结构整体性和连续性，随着雨水或雪水的浸入，基层在大量行车荷载的反复作用下强度大大降低，产生冲刷和唧泥现象，使裂缝加宽，裂缝两侧的沥青路面破碎，加速了沥青路面的破坏，严重影响公路使用质量和寿命[1]。

在半刚性基层与沥青面层之间设置应力吸收层，能够有效预防、延缓沥青面层的反射裂缝的产生与发展，在国内外道路工程研究领域已形成共识[2]。利用橡胶沥青作为应力吸收层的胶结料，一方面能提高沥青与集料的粘附性；另一方面可以发挥橡胶沥青的优点，提高吸收层的应力吸收能力，有效地减少或防止面层反射裂缝的产生[3，4]。因此，橡胶沥青应力吸收层以其特有的高温稳定性、低温抗裂性，以及抗老化、抗疲劳和抗水损坏的特性[5]，成为应力吸收层研究应用领域较为推崇的结构材料。

虽然橡胶沥青应力吸收层作为防治反射裂缝的工程措施在国内已经开始个别试验段的铺设[6]，近年，其厚度及弹性模量的合理性也不乏文献研究[7]，但结合车辆荷载的动力特征，考虑半刚性沥青路面结构在静载及制动荷载耦合作用下橡胶沥青应力吸收层的合理厚度及弹性模量还缺乏大量的研究数据支撑。本文依托密涿支线高速公路诸葛店至段甲岭段建设项目，选取了半刚性基层沥青路面的代表方案，利用Asphalt Pavement Design设计软件建立半刚性基层沥青路面结构分析模型，对比了设置应力吸收层与未设置应力吸收层对路面各结构层顶面弯沉和层底弯拉应力的两种情况影响，以期为橡胶应力吸收层的厚度及弹模的合理性设计提供较为准确、可靠的参考及依据。

1 力学计算模型及计算参数

1.1 行车荷载

实际轮胎作用于路面的形状及垂直压力相当复杂，并非多层弹性体系理论中的圆形均布荷载所能简单描述的。大量的文献资料及试验结果表明，轮胎作用于路面的形状更接近于矩形，且随载荷的增加，矩形形状越明显。鉴于此，本分析中，计算荷载采用沥青路面现行设计规范中的标准双轮轴载100kN，胎压0.7MPa。

1.2 力学计算模型

在静载分析中，在路表行车荷载接地范围内施加0.7MPa的均布面荷载，并将其传递至土基底部，水平荷载系数分别取0.1、0.3和0.5。弯拉应力计算点分布示意如图1所示。

图1 弯拉应力计算点分布示意图

1.3 材料参数

选取较为典型的半刚性基层沥青路面进行力学分析，其中材料回弹模量采用项目实测值，泊松比参考美国SHRP LTPP中推荐值。具体的材料参数如表1所示。

表1 半刚性基层沥青路面结构及材料参数

2 原路面结构面层顶面弯沉值和层底拉应力

利用沥青路面弹性层状体系理论，计算密涿支线高速公路诸葛店至段甲岭段的各结构层顶面弯沉值和层底拉应力，计算结果如表2所示。

表2 半刚性基层沥青路面结构层顶面弯沉值和层底拉应力

3 应力吸收层对路面面层顶面弯沉值的影响

在原路面结构中增设两种类型应力吸收层，厚度分别为1cm和2cm，其模量值分别取400MPa，500MPa，600MPa和700MPa，利用沥青路面弹性层状体系理论，计算密涿支线高速公路诸葛店至段甲岭段各沥青面层结构层在设置1cm和2cm应力吸收层条件下的顶面弯沉值，计算结果如表3和图2所示。

表3 半刚性基层沥青路面各结构层顶面弯沉值

图2 设置应力橡胶吸收层后沥青面层顶面弯沉值

从表3和图2可知：

a）半刚性基层沥青路面面层顶面弯沉值在设置应力吸收层后其值均有一定程度的降低，在厚度固定的应力吸收层作用下，其值降低幅度随应力吸收层模量的增加而增加；

b）半刚性基层沥青路面面层顶面弯沉值在设置应力吸收层后其值均有一定程度的降低，在模量固定的应力吸收层作用下，其值降低幅度随应力吸收层厚度的增加而增加，表4为在半刚性基层沥青路面中设置应力吸收层后对面层顶面弯沉值的影响关系表。

表4 应力吸收层对面层顶面弯沉值的影响关系

从表4可知，当应力吸收层的模量在400～500MPa的时候，其厚度的变化对半刚性基层沥青路面面层顶面弯沉值的影响基本接近，而当应力吸收层的模量在600～700MPa的时候，其厚度的变化对半刚性基层沥青路面面层顶面弯沉值的影响比较显著。

4 设置应力吸收层对路面面层层底拉应力的影响

在原路面结构中增设两种类型应力吸收层，厚度分别为1cm和2cm，其模量值分别取400MPa，500MPa，600MPa和700MPa，利用沥青路面弹性层状体系理论，计算密涿支线高速公路诸葛店段至甲岭段各沥青面层结构层在设置1cm和2cm应力吸收层条件下的面层底面层底拉应力，计算结果如表5和图3所示。

表5 半刚性基层沥青路面各结构层层底拉应力

图3 下面层层底拉应力与应力吸收层模量关系

从上表5和图3可知：

a）设置应力吸收层和未设置应力吸收层对半刚性基层沥青面层上面层和中面层的层底拉应力没有影响，但对下面层的层底拉应力产生一定的影响；

b）相对于未设置应力吸收层时的下面层层底拉应力，半刚性基层沥青路面下面层层底拉应力在设置1cm的应力吸收层作用下，其值相对有所降低，但降低的幅度随应力吸收层模量的增加而增加；

c）相对于未设置应力吸收层时的下面层层底拉应力，半刚性基层沥青路面下面层层底拉应力在设置2cm的应力吸收层作用下，其值相对有所增加，但增加的幅度随应力吸收层模量的增加而降低。

表6为在半刚性基层沥青路面中设置应力吸收层后对下面层层底拉应力的影响关系表。

表6 应力吸收层对下面层层底弯拉应力的影响关系

从表6可知，当应力吸收层的厚度增加时，应力吸收层不但不能降低半刚性基层沥青路面下面层的层底拉应力反而会增加下面层层底的拉应力，由此可知，应力吸收层的厚度不宜过厚；当应力吸收层的模量在400～500MPa的时候，其厚度的变化对半刚性基层沥青路面面层顶面弯沉值的影响基本接近，而当应力吸收层的模量在600～700MPa的时候，其厚度的变化对半刚性基层沥青路面面层顶面弯沉值的影响比较显著。

5 结语

在车辆水平及制动荷载作用下，综合考虑应力吸收层厚度和模量对半刚性基层沥青路面面层各结构层顶面弯沉值和层底拉应力的影响关系，经分析，本文推荐的应力吸收层厚度为1cm，模量值为400～600MPa。

[1]岳福青.半刚性基层沥青混凝土路面反射裂缝形成扩展机理与基层预裂技术研究[D].天津：河北工业大学，2004.

[2]薛忠军，王佳妮，谭忆秋.应力吸收防水粘结层的抗反射裂缝性能[J].华南理工大学学报：自然科学版，2008，36（10）：51-55.

[3]沈圆顺，王新宇.橡胶沥青应力吸收层在柔性路面中的应用[J].华东公路，2007，（4）：47-51.

[4]Yu Jianying,Liu Baoju,Xue lihui.Study on Relationship Between Microstructure and Properties of Modified Bitumen[J].Journal of Wuhan University of Technology(mater Scied),1995,10（3）：47-52.

[5]刘晓旭.橡胶沥青技术的综合研究[D].上海：同济大学，2009.

[6]陈亭.应力吸收层在尉许高速公路上的应用[J].华东公路，2007，163（1）：7-9.

[7]牛智华.高性能橡胶应力吸收层应用技术研究[D].西安：长安大学，2011.