多孔混凝土用于重载交通沥青路面基层的结构设计★

何伟科 姚爱玲 钱集昌 郝润姝 张晓晨

(1.内蒙古自治区呼伦贝尔市公路管理局海拉尔公路养护管理处，内蒙古 海拉尔 021008；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西 西安 710064； 3.中铁咨询太原设计院，山西 太原 030000)

1 概述

目前，国内高等级公路路面结构普遍采用半刚性基层沥青路面的形式。这种组合方式的面层和基层混合料在配合比设计时大多遵从密实级配的原理，意在通过减少路表与内部的连通空隙来阻止水的进入与渗流，避免路面发生各种水损害现象。但是，这种路面形式使得已经进入内部的水不能顺畅排出，反而造成路面结构的水损害，严重影响路面的强度、耐久性和稳定性[1,2]。同时，半刚性基层材料中的无机结合料含量较少，强度和稳定性往往较低，使用过程中容易产生基层裂缝或疲劳现象[3]，给路面的使用带来不利影响。为了解决以上问题，本文可采用多孔混凝土作为路面基层材料。

国内外研究人员均对多孔混凝土开展了一系列研究，并取得了相应的研究成果。早在20世纪80年代，Richard C.Meininger[4]对多孔混凝土配合比设计中目标孔隙率的实现和水灰比的确定进行了探究；长安大学郑木莲教授提出以集料有效粒径和均匀系数作为多孔混凝土级配优劣的评价指标，以耐冻系数作为多孔混凝土抗冻性能评价指标[5]。但是，目前尚未提出统一的多孔混凝土的配合比设计方法，具体的工程应用未见报道。本文以内蒙古呼伦贝尔市省道201线哈达图至海拉尔一级公路为依托，初拟路面结构，采用Hpds软件对沥青路面结构进行计算和验算，分析多孔混凝土用于沥青路面基层的可行性，从而得到合理的多孔混凝土基层沥青路面结构。

2 多孔混凝土配合比设计结果

在进行集料的组成设计时，以混合后集料的振实密度作为评价指标。通过逐级填充试验，测试振实密度，确定出各档集料的掺配比例。在此基础上通过正交试验设计，以7 d抗压强度作为评价指标进行极差分析，确定了多孔混凝土试件制备中最佳的水灰比、拌和时间和振动时间分别为0.26 s,40 s,30 s。

在综合考虑内蒙古呼伦贝尔市骤雨、高寒以及重载的条件下，通过对渗透系数、抗冻性能以及7 d抗压强度和28 d抗弯拉强度[6]的分析，将最终所设计的孔隙率为15%的混凝土的各项技术指标汇总到表1中。

表1 15%多孔混凝土各项指标汇总表

3 交通量与弯沉值

3.1 交通量计算

1)路面设计以BZZ-100为标准轴载，沥青混凝土路面设计使用年限为15年；

2)车道系数取0.45；

3)当地交通组成及交通增长率见表2和表3。

表2 交通量及交通组成统计表

表3 设计年限内预测交通增长率

4)轴载换算。JTG D50—2006公路沥青路面设计规范[7]规定，分别按式(1)～式(3)进行以设计弯沉值和沥青层层底拉应力、半刚性基层层底拉应力以及刚性基层层底拉应力为设计指标时的轴载换算。

(1)

(2)

(3)

式中：N″——标准轴载当量轴次,次/d；

ni——被换算车型的各级轴载作用次数,次/d；

P——标准轴载，为100 kN；

Pi——各级被换算车型的轴载，kN；

C1——轴数系数；

C2——轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为6.4，四轮组为0.38。

换算结果如表4所示。

表4 不同设计指标轴载换算结果

考虑在设计年限内各分段年限内的预测交通增长率不同，故在计算累计当量轴次时需要分段进行，计算结果见表5。

表5 不同设计指标在各分段年限内累计当量轴次汇总

根据计算结果，该路段在设计年限内一个车道上的累计当量轴次为1.596×107次，属于重交通路段。

3.2 路面设计弯沉值与计算弯沉值计算

1)设计弯沉值。

根据规范路面设计弯沉值由式(4)计算确定。

(4)

式中：ld——设计弯沉值，0.01 mm；

Ne——设计年限内一个车道累计当量轴次，取以设计弯沉值和层底拉应力为设计指标时的累计当量轴次，即1.596×107次/车道；

Ac——公路等级系数，一级公路为1.0；

As——面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0；

Ab——路面结构类型系数，沥青路面为1.0。

经计算，路面设计弯沉值为21.8(0.01 mm)。

2)计算弯沉值。

可利用Hpds设计软件计算，但计算结果需要经过修正才是计算弯沉值。修正系数F可按式(5)计算。

(5)

式中：F——弯沉综合修正系数；

ls——路表计算弯沉值，可近似取设计弯沉值0.01 mm；

p，δ——标准车型的轮胎接地压强和当量圆半径，p=0.7 MPa，δ=10.65 cm；

E0——土基抗压回弹模量，E0=50 MPa；经过计算，弯沉综合修正系数F=0.55，半刚性基层沥青路面计算弯沉值21.1(0.01 mm)。

4 路面结构设计与计算

4.1 半刚性基层沥青路面设计与计算

设计文件中采用的半刚性基层路面结构以及根据路面设计结构确定出的各结构层的设计参数如表6所示。以设计弯沉值、层底拉应力进行计算与验算，并需满足最小防冻层厚度的要求,计算与验算结果如表7所示。

表6 路面结构及各结构层设计参数汇总表

表7 水泥稳定碎石基层沥青路面结构计算、验算结果汇总表

半刚性基层沥青路面的计算弯沉值、层底弯拉应力均满足要求，结构层厚度也满足最小防冻厚度70 cm的要求。

4.2 多孔混凝土基层沥青路面结构设计与计算

4.2.1路面结构层设计

将多孔混凝土作为沥青路面的基层，既可作为功能层，发挥排水作用，又可作为结构层，起承重作用。设计时分别以多孔混凝土(结构1)和水泥稳定砂砾掺碎石(结构2)作为设计层进行计算。同时所设计的路面结构层厚度应满足整体刚度和各结构层抗疲劳开裂的要求。因此，轮隙中心处计算弯沉值ls应不大于设计弯沉值ld；轮隙中心处的层底拉应力σm应不大于容许拉应力σR，初拟的路面结构以及各结构层设计参数如表8所示。

表8 初拟多孔混凝土基层沥青路面结构及材料力学指标

4.2.2路面结构层厚度的计算

结构1以多孔混凝土基层作为设计层，拟定层厚进行试算，判断该厚度下的路面结构能否满足设计弯沉值、容许拉应力和最小防冻层厚度的要求,试算结果如表9所示。

可以看出，当多孔混凝土基层的厚度为15 cm和17 cm时，路面结果均能满足设计弯沉值和容许拉应力的要求。为了充分发挥材料的力学性能，将基层厚度确定为15 cm，考虑最小防冻层厚度(70 cm)的要求，可将垫层厚度由20 cm增加到为22 cm。

表9 多孔混凝土基层结构1计算结果

结构2以底基层水泥稳定砂砾掺碎石为设计层，拟定层厚进行试算，判断该厚度下的路面结构能否满足设计弯沉值、容许拉应力和最小防冻层厚度的要求。试算结果如表10所示。

表10 多孔混凝土基层结构2计算结果

可见，当底基层的厚度为22 cm和23 cm时，路面结果均能满足设计弯沉值和容许拉应力的要求。为了充分发挥材料的力学性能，将底基层厚度确定为22 cm，满足最小防冻层厚度(70 cm)的要求。

另外，在排水基层设计中，还要验算排水基层的厚度。由于排水基层的厚度与其排水能力正相关，因此当排水基层的设计厚度大于考虑骤雨条件孔隙率选取时的试算厚度(10 cm)就可以满足要求，故最终的路面结构如表11所示。

比较两种结构，由于结构1多孔混凝土厚度大于结构2的，因而结构1的计算弯沉值要小，因此如果交通量大、超载率高，可以采用结构1的设计。

表11 路面结构组成表

5 结语

1)根据逐级填充理论，以混合后集料的振实密度作为评价指标，并通过正交设计试验确定试验参数，在此基础上，通过试验最终所设计的孔隙率为15%的多孔混凝土能够满足呼伦贝尔高寒、骤雨以及重载交通的需求。

2)采用Hpds软件对路面结构进行计算和验算，可知多孔混凝土作为沥青路面基层从结构上能够满足重载交通条件下路表弯沉、整体型材料弯拉应力以及抗冻性的要求。

3)通过计算并与半刚性基层沥青路面结构对比，按照所设计的多孔混凝土基层厚度为15 cm的结构1，有利于减薄半刚性基层的厚度，同时路表弯沉最小。因此，考虑到排水的功能需求以及承载力，建议在呼伦贝尔地区高寒、骤雨、重载的气候和交通条件应优先考虑择所设计的结构1(见表11)。

[1] 刘庆新.道路路基防排结合式防水设计和施工[J].公路工程，2016,41(5):167-171.

[2] 张兴梅，徐 聪.多孔沥青混合料老化及水稳定性研究[J].公路工程，2015，40(6)：71-76.

[3] 程文静.半刚性基层沥青路面早期病害及其防治研究[D].济南：山东大学，2013.

[4] Stinchcombe H.K，White M.H Universal approximation of an unknown mapping and its derivatives using multilayer forward networks[J].Neural Network，1990，3(3):551-560.

[5] 王中合.多孔改性水泥混凝土干温缩性能研究[J].交通标准化，2014(11)：99-101.

[6] 郑木莲.多孔混凝土排水基层研究[D].西安：长安大学，2004.

[7] 郑木莲，陈拴发，王秉刚.基于正交试验的多孔混凝土配合比设计方法[J].同济大学学报(自然科学版)，2006，36(10)：1319-1323.

[8] JTG D50—2006，公路沥青路面设计规范[S].