公路橡胶沥青路面结构优化设计分析

2021-06-09郑闽

运输经理世界 2021年23期

关键词：面层橡胶沥青

郑闽

（德兴市交通运输局，江西德兴334200）

0 引言

公路橡胶沥青路面结构设计水平的高低，与公路工程项目的建设质量有着密切联系。所以，在橡胶沥青路面结构设计环节，要掌握结构设计的参数，做好相关设计工艺的控制，这样才能够达到设计效果，满足公路项目的建设要求。

1 橡胶沥青路面结构设计原则

橡胶沥青路面必须根据设计原则进行施工，从而保证其结构性能和质量符合要求，达到交通运行标准。在轴载处于变化的情况之下，路表弯沉、层底弯拉应力等力学性能会随着轴重的增加而增加。不同环境下，即使是相同荷载的车辆同时作用，路面结构的力学性能指标也会存在很大的差距。因此，在进行橡胶沥青路面结构设计时，必须综合分析实际情况，选择面层与基层的施工材料，并且做好厚度设定。

具体来说，橡胶沥青路面结构设计应遵循如下原则：

一是根据道路等级、交通通行量、车辆类型等选择面层与基层的结构形式，并确定厚度参数，严格执行该技术标准。

二是各个结构层的性能符合要求，特别是功能层，必须达到工程技术标准要求。

三是各个结构层的应力分布符合实际应用的要求，保证基层、面层结构的模量参数合格，达到受力条件标准，符合抗疲劳性能标准。

四是分析、了解各个结构层的厚度特性参数，保证两层结构的黏结性能合格，达到稳定性标准要求。

五是在任何自然环境下，稳定性都符合要求，特别是高等级的道路形式，要符合稳定、均匀、强度的标准要求，确保各个路面结构的性能合格。

六是行车道与路肩结构是协调设置的，表面积水能够被有效排出，不会浸入结构内部。

七是总结经验教训，选择先进的施工技术，保证工程结构达到标准要求。

八是在使用功能合格的前提下，按照全寿命周期进行设计，确保耐久性合格，性能达标。

2 橡胶沥青路面结构优化设计要点

2.1 橡胶沥青路面结构组合设计

橡胶沥青路面结构主要包括面层、基层、垫层、路基等结构部分，这些都是承载路面荷载的主要结构，所以必须保证符合工程要求。路面结构的基础性要求就是耐久、舒适、抗滑，其中关键的是耐久性，其关系到道路的使用寿命。

橡胶沥青路面采用的是组合式设计方式，不能只按照普通橡胶沥青混凝土路面结构形式进行设计，必须结合实际情况及技术要求进行设计，以确保其结构性能合格。在进行橡胶沥青路面结构设计时，设计人员应综合分析现场自然环境，了解各个层的应用形式及功能性，确定合适的设计方案，保证其结构性能完全符合要求，这对于提高工程的质量有重要价值。

2.2 各层位功能及设置

根据目前的设计规范要求，橡胶沥青路面结构包括面层、基层、底基层、垫层等结构部分。对大量的经验进行总结、分析发现，橡胶沥青路面结构在运行中，除了沥青面层外，其他各个功能层也是极为重要的。

国外很多研究学者认为，橡胶沥青路面结构性能比较好，在使用橡胶沥青面层结构作为吸收层的情况下，可以将公路结构的厚度缩小一半，达到节约能源、提高经济效益的作用。美国国家标准中提出，1cm 橡胶沥青吸收层的结构性能和5cm 普通沥青混凝土面层结构性能是相同的。所以，使用橡胶沥青在减小结构厚度的同时，还能够保证性能合格，综合利用价值较高。虽然应用橡胶沥青可以明显减小结构厚度，但是路面结构的受力条件也出现了很大变化，特别是基层结构的受力变化。厚度较大的路面结构，能够实现车辆荷载的分散，将荷载分布到沥青面层的各个结构位置上，而厚度减小后，半刚性基层会在车辆荷载的作用下出现脆裂、松散。因此，在橡胶沥青路面设计中，应该综合分析路面结构的力学特性，以便确定最佳的厚度设计方案，保证结构性能完全符合标准要求。

2.2.1 上面层

当前，很多高速公路上面层结构设计为连续级配AC-13 性沥青混合料，也有些路面使用的是沥青混合料的形式，厚度一般设定为4cm。有些高速公路在设计时，应用的是改性沥青SMA 混合料，或者使用排水沥青面层OGFC。如果使用AC 沥青混合料层制作混凝土面层，能够达到一般交通通行量的运行，但是对于高速公路来说，由于车辆通行量巨大，重型车辆较多，因而容易导致性能不足的问题，比如极易发生车辙的危害；SMA 混合料的路面性能良好，抗车辙性能佳，能够满足抗老化、低温抗裂性的标准要求，抗滑效果也比较好，但是制作和施工的成本较高，所以很多施工单位不会优先选择该结构形式。

对于混合料的选择，除了要考虑到交通通行量，达到工程实际运行要求外，还要满足经济性、设备运行的要求。从橡胶沥青混合料性能方面分析发现，橡胶沥青嵌挤密实型级配的混合料性能优于其他混合料形式，所以将其铺设到高速公路面层，性能优越。总结分析发现，目前工程中应用得较多的是骨架密实橡胶沥青混合料，这是因为该类型的材料制作方便，施工快捷，可以产生较高的经济效益。从实际应用效果分析，该材料的总体性能较高，其内部存在性能优越的骨架结构形式，且橡胶沥青混合料一样具备较高黏结性，能够直接包裹骨料的外表面，从而形成密集的结构形式。该材料的抗车辙性能良好，低温抗裂性好，且具备较高的耐疲劳性能，路面的摩阻力良好且抗滑性能佳，产生的噪声相对较低。因此，将橡胶沥青混合料直接铺设到高速公路表面结构上，性能比其他的沥青路面好，所以综合利用价值较高。

除了以上的路面结构材料外，还有一种比较普遍的材料是升级橡胶沥青混合料AR-OGFC。这种材料为2cm 左右的超薄路面结构，抗滑性良好，在车辆行驶时可以达到安全性标准，和排水沥青路面存在差异。具体来说，该材料结构路面的功能以及结构形式如下：

（1）骨架密实型磨耗层。这种结构形式的抗滑性能非常优越，但是排水效果比较差，所以隔水性较好，可以阻止水分进入结构内，还能预防水损害，下层结构无须设置防水层即可满足要求，完全符合交通运行的标准要求。

（2）骨架孔隙型磨耗层。将该结构层铺设到路面表层上，可以保证路面结构的构造深度符合要求，提高抗滑性能，且该结构内部存在一定的空隙，排水效果良好，能有效预防水雾、积水等问题。但是，这种结构路面与其他的排水路面相比，在排水性方面还是有一定差距的，所以要结合实际情况进行具体分析，以保证路面的性能符合要求。

2.2.2 中、下面层

就目前来说，在高速公路结构设计中，路面的中、下层结构主要使用的是连续级配AC 型沥青混合料。通过实践经验分析可知，虽然上面层结构应用的是改性沥青材料，但是在车辆碾压荷载的作用下，还是会出现车辙的病害问题。开挖断面之后发现，上面层结构厚度并无明显变化，但中、下面层存在较为严重的变形问题。因此，结合实际情况分析发现，出现车辙病害的原因，就是中、下面层结构的剪应力过大，而材料性能不足造成的。

通过设计软件进行分析发现，在静力荷载的持续作用下，路面表层的剪应力并不大，但随着深度的逐步增大，剪应力也会相应增加，在达到峰值之后会再逐步下降，峰值一般是在距离路表9cm 的位置上，且该部分为中面层结构，详见图1。由此可见，中面层结构受剪应力的影响较大，容易发生剪切变形的问题，所以必须选择合适的中面层施工材料，以达到工程的运行标准[1]。

图1 最大剪应力随深度变化规律

从上图的变化趋势可以发现，剪应力会随着深度变化而变化。在路面深度超过9cm 的结构上，剪应力会不断下降，到达18cm 的深度时，剪应力会下降到0.1MPa 以下。所以剪应力超过0.1MPa 时，主要集中在厚度超过15cm 的位置上，因此车辙主要出现在15cm 以内的沥青结构层内。

根据结构设计的最大剪应力变化趋势可以了解到达，在达到一定深度后，发生车辙的病害问题的概率是比较低的。对于半刚性基层沥青路面结构来说，沥青面层发生车辙病害的概率要超出柔性基层结构。在半刚性基层沥青路面中，沥青面层容易因为车辆碾压而发生车辙的问题。在当前很多的高等级公路路面设计中，都会加强对半刚性基层结构设计的控制，以防止车辙病害问题。所以，应结合路面运行的实际情况，分析确定合适的路面结构，选择最佳的施工材料，以保证工程的质量合格[2]。

2.3 基层

基层是主要的承重结构层，必须具备耐久、稳定、承载性能的要求，才能保证公路运行符合标准要求。

橡胶沥青面层结构可以被应用到多种基层结构中，比如半刚性基层、柔性基层、复合基层等。这些基层结构在设计环节，应根据国家标准和行业规范的要求进行设计，确保结构性能完全达到运行标准。但是，为了能够克服半刚性基层结构存在的反射裂缝问题，最好在基层结构表面铺设一层橡胶沥青应力吸收层，以确保结构的性能合格[3]。

除了上述几种基层结构外，在进行道路养护及改、扩建施工中，还可以选择如下的基层结构。水泥混凝土路面结构的刚度性能高、承载效果好、稳定性高，使用寿命也比较长，但是在实际运行中，容易发生错台、断板等病害问题，还会因为很多因素的作用而出现裂缝、破碎。如果出现这样的问题，可以采取两种处理方式：其一，在水泥路面结构没有发生严重损坏、尚不需要进行修复处理时，先对路面结构进行破碎处理，然后再在表面铺设沥青路面结构；其二，当路面已经处于严重损坏、没有任何修复价值时，要将之前的路面基层全部清理干净，再进行沥青面层结构的铺设施工。对于第一种情况来说，由于是直接在水泥路面上进行铺设施工，所以为了消除反射裂缝的问题，还要在表层铺设一层橡胶沥青应力层。

2.4 橡胶沥青路面结构层厚度设计

橡胶沥青路面厚度参数的确定必须根据当地的交通状况、自然环境等要素进行设定，保证结构的力学参数、使用性能、经济价值等方面因地制宜，结构性能完全达标，达到设计目标的要求，从而确保交通运行质量合格[4]。

2.4.1 设计参数值

对橡胶沥青路面结构进行优化设计时，要从环境、材料、交通荷载等方面出发进行确定，保证设计参数完全符合标准要求，从而达到路面完整性、准确性的标准，为沥青路面性能的提升奠定基础。

（1）环境参数

在分析环境参数时，要从温度、湿度方面进行，因为二者会对路面结构产生很大的影响。考虑到公路项目所处位置的气候条件，在此次研究中，选择应用目前使用最为广泛的FWD 测量弯沉值，通过技术参数分析可以获取沥青材料模量，进行路面温度预估模型的建设，其可以通过下式（1）进行表达：

Td=Ts+ (-0.3451d - 0.0432d² + 0.00196dm³)×sin(-6.3252t + 5.0967)（1）式（1）中：Td表示沥青路面速度为d 的温度（℃）；Ts表示路面表层温度（℃）；d 表示距离路表的深度（cm）；t表示时间（h）。

（2）材料设计参数

在高速公路路面结构的试验中，面层与应力吸收层全部使用橡胶沥青混合料，鉴于其模量参数目前并未有明确的规范要求，所以在设计环节，要从橡胶沥青混合料的模量出发进行研究、分析。按目前有些研究人员会选择使用动态模量参数。当前对橡胶沥青混合料模量参数的试验、分析并不多见，且研究人员的结论相差很大，因此，要进行橡胶沥青混合料抗压模量的研究、分析，从而真正的了解模量参数，保证结构性能符合要求。

2.4.2 确定设计目标

在设计橡胶沥青路面时，其使用寿命的设计应按照交通规划中道路工程的设计标准，同时还要分析当地的自然环境和经济情况。按照目前的要求，保证设计参数不低于表1 的标准，可结合具体情况做出相应调整。

表1 路面年限设计要求

根据表1 可知，在高速公路沥青路面设计中，年限最低为15年，完全符合该项目的使用年限标准，综合效益明显。

2.5 路面结构厚度确定

在橡胶沥青路面结构设计中，厚度参数的确定极为重要，应从力学特性出发进行分析，保证路面结构的性能合格，从而更好地延长公路的使用寿命。当前，在进行路面设计时，往往从理论出发，只注重在路面结构的强度符合要求，却常常不能满足结构性能的标准要求，所以容易导致系统性、结构性上的问题。从实际情况出发，在橡胶沥青混合料的结构优化设计环节，必须保证其达到使用寿命的要求，满足正常的运行标准[5]。