乳化沥青冷再生基层沥青路面病害特征及成因

吴晓春　阮鹿鸣

(1.江西赣粤高速公路股份有限公司　南昌　330025；　2.重庆交通大学土木工程学院　重庆　400074)

乳化沥青冷再生基层沥青路面病害特征及成因

吴晓春1阮鹿鸣2

(1.江西赣粤高速公路股份有限公司南昌330025；2.重庆交通大学土木工程学院重庆400074)

摘要为分析乳化沥青冷再生基层沥青路面病害特征及成因，文中结合九景高速公路冷再生基层沥青路面的实际，通过现场走访调查和钻心取样分析其病害特征，并结合理论计算分析了冷再生层结构与材料性能对路面力学结构的影响。结果表明：九景高速公路沥青路面病害主要表现形式为车辙、纵缝，并有少量的横缝，车辙与纵缝的产生与冷再生基层强度不足有密切关系；随着再生层模量的减小，下面层和再生层间的层间最大拉应力会急剧增长，易引起层间出现裂缝，且当下面层与再生层模量比小于1.8时，路面不会出现拉应力；最大剪应力出现在距路表6~7 cm处，且再生层模量越小，路面产生的最大剪应力越大，容易导致路面出现车辙。

关键词沥青路面再生层模量衰减拉应力剪应力

乳化沥青冷再生柔性基层由于在混合料中加入部分基质沥青，使其在车辆荷载作用下具有一定的变形能力，可以有效克服传统半刚性基层路面结构不相容的问题，减少路面开裂、水损害等病害，增强路面的耐久性。随着沥青品质的提高及大中修工程的逐渐增加，乳化沥青冷再生柔性基层路面越来越多地应用于高速公路中，仅2006~2014年间，江西省已铺筑乳化沥青冷再生柔性基层沥青路面累计达1 060 km。

随着柔性基层沥青路面在国内通车年限的增长，其表面也不同程度出现了病害，杨进[1]发现在冷再生层上铺筑HMA层时会加热冷再生层，使其进一步被压密，导致路面病害产生。相较于对半刚性基层沥青路面病害的深入了解，对柔性基层病害的特征及成因并不明确。因此，依托江西省九景高速公路路面病害处治工程，对乳化沥青冷再生柔性基层沥青路面病害特征进行总结，并利用BISAR3.0软件，分析乳化沥青冷再生柔性基层模量衰减路面病害成因的影响。

1路面病害特征

1.1　现场走访调查

九景高速公路路面病害频发，对交通车辆行驶的舒适性和安全性造成很大的干扰，为了解掌握现阶段路面的病害类型、程度，对全线上行及下行双向进行了走访调查，并进行统计，结果见表1。

表1　九景高速公路主要病害统计

由表1可见，九景高速公路沥青路面病害的主要表现形式为车辙、纵缝，并有少量的横缝，见图1~图3。分别占上行段病害总长度的73.3%，25.9%，0.8%，占下行段病害总长度的63.6%，36.0%，0.5%。车辙与纵向裂缝多分布在行车道轮迹带2侧。

图1行车道轮迹带车辙图2行车道轮迹带纵缝图3横缝

1.2　心样分析

从现场钻取的心样中可以发现，纵缝处心样裂缝自下而上开裂，属于Bottom-Up裂缝，并且在下面层与再生层层间产生剪切断裂，见图4、图5。经过室内单轴压缩试验及劈裂试验，测得其冷再生层回弹模量在300~600 MPa之间，劈裂强度为0.4~0.6 MPa，表明冷再生层总体的力学性能偏低。当作用车辆荷载时，较低的模量容易对路面结构产生不利影响。

图4再生层开裂图5下面层与再生层层间断裂

2计算方案

2.1　路面结构及参数

为研究冷再生基层沥青路面纵缝及车辙形成原因，选取九景高速公路典型的路面结构、结构层参数和材料参数，对其进行力学响应分析。由室内试验发现再生层模量偏低，因此，通过改变再生层模量，分析再生层模量对沥青面层内所产生的拉应力、剪应力的变化情况，见表2。

表2　路面结构层参数

2.2　荷载模型

按现行沥青路面设计规范[2]，计算荷载采用标准双轮轴载100 kN，轮压为0.7 MPa，轮压半径R=10.65 cm。采用壳牌计算软件BISAR3.0进行计算，假定x为行车方向，y为道路横断面方向，z为深度方向，层间接触视为完全连续，不考虑层间状态对路面结构的影响。路面荷载分布见图6，计算点位见图7。图7中，点A为轮隙中心，B为荷载中心，C为荷载边缘。

图6　路面荷载分布

图7　计算点位

3结果分析

3.1　再生层模量衰减对拉应力的影响

一般认为，在行车荷载作用下，路面结构层层底产生过大的拉应力是路面产生疲劳开裂的主要原因之一。相关研究表明，在垂直荷载作用下结构层层底水平拉应力最大值的位置一般在轮载中心附近的位置。因此，以轮载中心(点A)作为计算位置，计算标准轴载作用下再生层模量衰减对拉应力的影响。图8给出了再生层模量对拉应力的影响。

a)下面层模量2 800 MPab)下面层模量2 200 MPac)下面层模量1 600 MPa

图8再生层模量对拉应力的影响

由图8可见：①最大拉应力随再生层模量的减小而增大。当下面层模量分别为2 800，2 200，1 600 MPa时，随着再生层模量从2 400 MPa减小到300 MPa，最大拉应力分别增加833，460，293%。表明随着再生层模量的减小，下面层和再生层的层间最大拉应力会急剧增长，更容易引起层间开裂，出现裂缝；②下面层和再生层层间出现拉应力突变现象，且下面层与再生层模量比越大，突变越剧烈。分析其原因认为：当下面层和再生层模量比较小时，可将其视为整体，拉应力传递比较连续；模量比过大时，应力传递不连续导致拉应力急剧减小，在层间出现应力突变，会在下面层底部产生较大的拉应力。

图9表示轮载中心处下面层和再生层的模量比与最大拉应力的关系。

图9　模量比-最大拉应力关系图

由图9可见，随着模量比的增长，最大拉应力呈二次多项式型增长，且模量比小于1.8时不会出现拉应力。

3.2　再生层模量衰减对剪应力的影响

考虑到剪切变形是失稳型车辙的主要原因，表明剪应力的大小对车辙的产生是至关重要的，因此有必要对路面内的剪应力进行分析[3]。相关研究表明[4]，在垂直车辆荷载作用下，最大剪应力一般出现在两侧轮胎边缘附近，由边缘最大值处向接触区域中心和远离接触区域的方向逐渐减小。因此，以轮缘处(点D)作为计算位置，计算标准轴载作用下再生层模量衰减对剪应力的影响。图10给出了再生层模量对剪应力的影响。

a)下面层模量2 800 MPab)下面层模量2 200 MPac)下面层模量1 600 MPa

图10再生层模量对剪应力的影响

由图10可见：①最大剪应力随再生层模量的减小而增大，出现在距路表6~7 cm处，与申爱琴[5]，杨群[6]的结论一致，且出现位置不随再生层模量的变化而变化;②随着深度的增加，剪应力呈先增大后减小的变化趋势，且再生层模量越小，剪应力减小幅度越大；③当下面层模量分别为2 800，2 200，1 600 MPa时，随着再生层模量从2 400 MPa减小到300 MPa，最大剪应力为34.7%,34.3%,35.3%。可见再生层模量越小，路面产生的最大剪应力越大，容易导致路面出现车辙。

4结论

(1) 九景高速公路乳化沥青冷再生基层沥青路面结构的主要病害形式为车辙、纵缝，并有少量的横缝，车辙与纵缝的产生与冷再生基层强度不足有密切关系。

(2) 随着再生层模量的减小，下面层和再生层的层间最大拉应力会急剧增长，引起层间开裂，出现裂缝。当下面层与再生层模量比小于1.8时，路面不会出现拉应力。

(3) 层间结合处固然是抗剪薄弱环节，但是从计算结果来看，面层内的最大剪应力并不位于层间结合处，而是出现在距路表6~7 cm处。且再生层模量越小，路面产生的最大剪应力越大，容易导致路面出现车辙。

参考文献

[1]杨进.考虑季节变化的乳化沥青冷再生混合料室内试验方法研究[J].交通科技，2012,252(3):102-104.

[2]JTG D50-2006公路沥青路面设计规范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[3]从志敏，邹晓翎，龚红仁.重载对沥青路面车辙及疲劳寿命的影响[J].武汉理工大学学报，2013，35(4)：54-58.

[4]吕光印.柔性基层沥青路面Top-Down开裂机理研究[D].西安：长安大学，2008.

[5]申爱琴，张艳红，郭寅川，等.三类沥青路面结构力学响应的对比分析[J].长安大学学报：自然科学版，2009，29(4)：1-7.

[6]杨群，黄晓明.基层模量对路面性能的影响分析[J].东南大学学报：自然科学版，2001，31(4)：81-83.

收稿日期：2015-09-17

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.027