岩沥青高强沥青路面结构组合设计与应用方案

2018-01-11李猛高瞾

山西建筑 2017年36期

李猛高瞾

(1.江苏中路工程技术研究院有限公司，江苏南京 211899； 2.北安至富裕高速公路工程建设指挥部，黑龙江哈尔滨 150090)

0 引言

近年来，随着道路事业的不断发展，沥青路面因其稳定性好、建设速度快、养护简便、性能优异等诸多优点，而被广泛应用于高等路面建设中，其中半刚性基层沥青路面成为我国高等级的路面的主要结构形式。然而随着半刚性基层沥青路面的大量使用，路面车辙问题较为凸出，严重影响了路面通行能力，造成了经济的损失。如何解决路面车辙问题，成为道路工作者们的重要研究方向。

采用高强路面是改善路面抗车辙性能的有效手段，通常采用单一种类的高强改性剂制备高强沥青混合料，可以大幅提升沥青路面高温时的强度，改善高温性能。在众多的沥青改性剂当中，岩沥青材料的改性效果突出，能够提升沥青混合料的综合性能。因此，本文采用岩沥青材料来进行路面结构组合的研究，从而提出一种性能优异的路面结构组合形式。

本文主要通过ABAQUS有限元软件，首先对不同应用层位的BRA改性路面结构组合进行对比分析，确定BRA混合料的应用层位；然后对不同厚度的BRA改性路面结构组合进行研究，确定BRA改性结构层的厚度；最后提出一种岩沥青高强沥青路面结构组合，进行试验段的实施，并对BRA改性路面的施工工艺进行初步研究。

1 模型的建立与计算点位选择

纵观我国已建的高速公路路面基层结构，大多采用半刚性基层，其具有行车舒适、刚度高的特点。因此，本节首先对典型的半刚性基层路面结构进行力学分析，从而明确各结构层受力特点和功能定位。

选择ABAQUS有限元软件进行半刚性基层路面的力学响应分析，汽车荷载采用单轴双圆均布荷载，标准轴载为BZZ-100，垂直荷载P=0.707 MPa，当量圆半径δ=10.65 cm，轮隙间距为1.5δ，荷载中心间距3δ，为便于网格划分，将圆形均布荷载转化为边长为16 cm×23 cm的等效长方形荷载。考虑到水平荷载的影响，层间接触状态采用完全连续体，沿行车方向两端施加纵向及横向位移约束，地基采用接触分析中的“Elastic Foundation”模拟温克勒地基模型，模型如图1所示。

路面结构力学分析时选取的各层材料类型与厚度参考江苏省高速公路的典型半刚性基层结构，见表1，其中材料的模量为20 ℃时的抗压回弹模量，均按照规范的推荐值进行选取。

我国高等级公路车辙病害主要是由于混合料抗剪强度不足造成的流动型车辙，因此需分析各结构层的剪应力和剪应变。如图2所示，分别计算两轮中心A、内轮迹B、轮中心C和外轮迹D的剪应力、剪应变，并分析它们随深度的变化趋势，从而明确各结构层的受力特点。

表1 典型半刚性基层路面结构参数

参数材料模量/MPa厚度/cm泊松比μ上面层AC-16120050.35中面层AC-20110060.35下面层AC-25110080.35基层4.5%水泥稳定碎石1500200.25底基层5%水泥稳定(砂砾+碎石)1300200.25土基400.4

3D模型计算后的应力分布云图如图3所示，根据模型的计算结果，A,B,C,D四个点的应力、应变随深度的变化关系如图4，图5所示。

由图4所示，A点处的剪应力为0，即轮隙中心无剪应力；而B点，即内轮迹处，其剪应力表现为负值，随着深度的增加，呈现先增大后减小的趋势，并且应力最大值在路表附近，距路表4 cm处；对于C点而言，即荷载中心处的剪应力，在面层范围内，表现为逐渐增大的趋势，在接近基层时，开始减小；而对于D而言，即外轮迹处，其剪应力为正值，并且随着深度的增加，呈现先增大后减小的趋势，应力最大值在路表附近，大约在距路表4 cm处；外轮迹D处的剪应力值相对较大，其峰值能够达到0.118 401 MPa，而内轮迹B处的剪应力最大值为0.109 75 MPa。

由图5所示，A点处的剪应变为0，即轮隙中心无剪应变；而B点，即内轮迹处，其剪应变表现为负值，随着深度的增加，呈现出先增大后减小的趋势，并且应变最大值在路表附近，大约在距路表5 cm处；对于C点而言，即荷载中心处的剪应变，在面层范围内，表现为逐渐增大的趋势，在接近基层时，开始减小；而对于D而言，即外轮迹处，其剪应变为拉应变，并且随着深度的增加，呈现出先增大后减小的趋势，应变最大值在路表附近，大约在距路表5 cm处；外轮迹D处的剪应变值相对较大，其峰值能够达到270.834 5 με，而内轮迹B处的剪应变最大值为251.354 με。

综上，4个计算点位中剪应力和剪应变的最大值都出现在外轮迹处，并且剪应力与剪应变的最大值区在路表附近，大约在3 cm～6 cm处，因此，在以下计算中以外轮迹D点为计算点。

2 BRA改性结构层应用层位分析

为了比较各沥青面层对车辙的影响，设各面层厚度均为6 cm，模量均为1 200 MPa，泊松比0.35，在基层和土基的参数不变的条件下，计算D点的剪应力和剪应变，计算结果如图6，图7所示。

由图6,图7可知，随路面深度的增加，剪应力、剪应变快速增大至峰值后缓慢减小。4 cm～10 cm(中面层)内，剪应力和剪应变水平大于0 cm～4 cm(上面层)和10 cm～18 cm(下面层)范围内的剪应力、剪应变。剪应力、剪应变在上面层和中面层增加很快并在中面层内达到峰值，进入下面层后二者缓慢减小。计算结果表明车辙主要产生在中上面层区域。

为了进一步确定BRA结构层的层位，下面对比分析将BRA结构层设置在不同层位的情况。计算时考虑3种情况如表2所示，即单层(上面层，中面层)和双层(上中面层)。根据课题组研究结果，掺加BRA沥青混凝土静态回弹模量可以达到2 000 MPa以上。因此，计算中，BRA结构层的回弹模量值确定为2 000 MPa，上、中、下面层厚度分别取5 cm,6 cm和8 cm(以结构1为例)。

本文通过比较剪应力和剪应变指标，评价了这三种BRA改性路面结构和常规的半刚性基层路面结构的抗车辙性能，实践结果如图8，图9所示。

表2 BRA改性沥青混合料应用方案

从图8可以看出，在上面层范围内，剪应力大小从大到小排列为方案1>方案3>方案4>方案2；而在车辙容易产生的中面层，方案2和方案3差异不大，剪应力均大于方案1和方案4；在下面层中，4条剪应力的曲线几乎重合，从大到小顺序为方案4>方案1>方案2>方案3。因此，从剪应力的比较结果可以看出，使用BRA改性沥青混合料作为结构层以后，会提高应用层位的剪应力。

从图9的剪应变分布曲线可以看出，在上面层范围内，剪应变整体表现为逐渐增大趋势；在中面层范围内，方案2和方案3差异较小，均小于方案1和方案4；而在下面层，剪应变的曲线几乎重合，从大到小的顺序与剪应力相同，方案4>方案1>方案2>方案3。从计算结果可以看出，BRA可以减少应用层位的剪应变。

综合以上分析可以看出，当使用单层BRMA-13作为上面层时，对中下面层的影响较小，表现为中下面层的剪应力和剪应变略微降低，而上面层剪应力有所增加，剪应变则表现为降低，因此可以用于表面层的车辙病害处治。当使用单层BRAC-20作为中面层时，对上下面层的影响较小，表现为上下面层的剪应力和剪应变略微降低，而中面层剪应力有所增加，剪应变则表现为降低，可以用于表面层的车辙病害处治。当使用双层BRMA-13+BRAC-20作为上中面层结构时，虽然增加了上中面层的剪应力，但是降低了上中面层的最大剪应变，并且四种方案中，方案3即上下面层采用BRA层的剪应变最小，因此在经济条件允许的情况下，建议使用双层BRA改性结构层，以获得更好的抗车辙性能。

3 BRA改性结构层厚度分析

BRA结构层应用于中上面层时，通过改变中上面层的总厚度，分析了几种路面结构中剪应力、剪应变的变化规律，以确定BRA结构层合理的厚度范围。计算过程中所选取的BRA改性路面结构如表3所示，BRA改性结构层的模量为2 000 MPa，各结构层厚度和下面层模量按表1取值，其他材料参数不变，计算结果见图10，图11。

表3 BRA改性路面结构

从图10所示，当BRA改性结构层厚度从7 cm增加到11 cm时，BRA结构层的剪应力整体呈现逐渐减小的趋势，并且下面层的剪应力较为相近，但也呈现略微减少的趋势。综上可以看出，BRA结构层厚度的增加可以改善路面各结构层的受力情况。

从图11可以看出，当BRA改性结构层厚度从7 cm增加到11 cm时，其结构层的剪应变呈现逐渐减小的趋势，此外下面层的剪应变也逐渐减小，并且剪应变差异明显；对应BRA结构层厚度为7 cm时，最大剪应变为243.33 με，增加到8 cm,9 cm以后，最大剪应变为224.15 με和206.67 με，厚度增加到10 cm和11 cm时，最大剪应变为189.99 με和173.246 με。因此可以看出，随着BRA结构层厚度的增加，其剪应变逐渐减小，并且对下面层的剪应变影响较大，BRA改性结构层厚度不足时，会导致下面层的最大剪应变增加，容易在下面层产生车辙变形。根据分析结果，并考虑施工的经济性，建议BRA改性结构层的总厚度设置为11 cm左右。