沥青混合料离析对沥青混凝土路面疲劳寿命的影响

刘新成

中铁十七局集团第一工程有限公司，山西 太原 030100

沥青混合料的离析处理主要是针对热拌沥青混合料与路面分布的不均匀问题加以分析处理，期间集料的粗细分布不均匀，会导致混凝土的路面疲劳寿命缩短。现阶段，我国沥青混凝土路面施工期间存在较为严重的混合料离析问题，导致实际的路面离析出现密度分布不均匀情况，对路面不同位置的模量差异产生影响。鉴于此，针对沥青混合料离析对沥青混凝土路面疲劳寿命的影响进行深入分析具有重要的现实意义。

1 沥青混凝土路面计算模型确认

1.1 荷载模型

进行荷载模型确认时，将水平荷载因素剔除分析范围，标准轴载为80kN的单轴荷载，期间将单圆当量半径设定为W，参考数值为11.43cm，且两轮之间的中心间距确认为3W。

1.2 结构离析判断

确认沥青混凝土路面结构组合时，以我国高级公路常用半刚性基层沥青混凝土路面作为参考基准，其中以面层为主，其又分为上面层、下面层及中面层，三个面层之间处于完全连续状态下。此次研究中，共选取4条高速公路作为研究对象，同时进行沥青混凝土路面材料参数确认时，主要以美国TRB设立的“热拌沥青混合料路面离析”项目中所提出的离析分类为研究参数，具体离析判断标准（空隙率）如表1所示。

表1 不同程度的离析判断标准设置表

1.3 沥青混凝土路面结构层模量

确认沥青混凝土路面结构层模量时，应该重点做好离析对于路面结构力学相应变化所产生的影响分析工作，尤其是在弹性体系结构中，结构层的模量取值为计算重点。为了进一步提升试验结果的精准性，完成现场钻芯及室内计算工作后，此次研究中选用的模量计算公式中，模量的结果与混合料的温度及体积两项指标相关，研究中的沥青混合料模量属于动态模量，空隙率及体积指标均按照如下公式计算得出：

式中：U1、U2、U3、U4、U5均为中间常数；f为荷载频率，Hz；T为沥青混凝土路面的测量温度，℉；P200为当集料通过200号筛之后的质量百分比，%；λ为当路面沥青处于70℉的黏度，如果此过程中缺少充足的黏度数据，可将λ=29508.2P25-2.1939设定为λ参数的计算标准，P25为25℃之下的针入度；Va为空隙体积的百分比，%；Vb为沥青体积百分比，%。

随后，将1年12个月以3个月为时间段分为4个阶段，其中，12月、1月、2月为第一阶段，3月、4月、5月为第二阶段，6月、7月、8月为第三阶段，9月、10月、11月为第四阶段，进行上述4个阶段的平均温度数值计算工作，计算如下：

式中：T为沥青路面的平均气温；Z为地表以下的深度；Ma为月均温度。

在不同阶段中，对温度的均值进行取数，4个阶段的温度取值分别为5℃、14℃、26℃、18℃，随后计算该温度标准下，不同阶段中离析出现后，沥青路面混凝土上、中、下面层的模量，具体如表2所示。

表2 沥青混合料动态模量 单位：MPa

2 离析对沥青混凝土路面疲劳寿命的影响

此次研究中，进行混凝土路面疲劳寿命影响研究时，主要以美国沥青协会公布的疲劳方程作为主要计算方法，借此分析现阶段我国沥青混凝土离析情况，以及离析发生后对路面疲劳寿命变化产生的影响。同时，比较详细地计算了上、中或下面单独层中离析情况出现后，对路面实际使用寿命长度的影响。

计算中，构建了标准混合料疲劳方程，其中，设定空隙率、沥青体积率分别为5%和11%，且在计算中，同步考量了外界自然条件和实验室条件的差异性。计算公式如下：

式中：Nf为疲劳开裂允许荷载重复作用的管控频次；为沥青混合料的具体动态模量数据，MPa。

与此同时，针对非标准性的沥青混合料进行计算处理时，应该以实验室环境中所得出的疲劳试验结果为准，具体的疲劳方程如下：

式中：C为沥青混合料空隙率。

经过计算可得出，C的取值为10M，其中，M取值如下：

经过计算可发现，在不同的离析程度设定下，发生在沥青混凝土路面上面层、中面层或下面层的离析问题及对三个面层的疲劳寿命影响程度并不相同。此外，还需针对沥青混合料体积和影响沥青混凝土各层的实际层底拉应变等参数进行统计分析，随后方可得出具体的离析变化对不同路面层疲劳寿命的实际影响数据，详细的研究结果如表3所示。

表3 离析对沥青混凝土路面疲劳寿命的影响分析表 单位：%

由表1可知，当离析出现在沥青路面上面层时，路面的上面层疲劳寿命会在离析程度加重后，而出现反向缩减的情况，即当上面层出现重、轻度离析情况后，路面上层面的疲劳寿命开始缩减，缩减比分别为92.8%、87.8%。但是对于路面的中、下面层而言，其并未受到疲劳寿命相关影响。与此同时，当路面中面层出现离析点时，上面层及中面层均在离析程度加重时出现疲劳寿命反向缩减的情况，其中中层面出现重、轻度离析时，上面层的疲劳寿命分别缩减至69.7%、68.7%，且中面层的疲劳寿命也随之缩减，分别为93.5%、89.2%，并未对下面层产生相应影响。当离析发生点处于下面层时，上面层的疲劳寿命开始缩减，分别缩减至11.8%、11.2%；中面层也出现寿命缩减的情况，缩减至59.8%、57.3%；且下面层的疲劳寿命均出现缩减现象，分别为89.8%、84.35%。

通过对计算数据的整理分析可发现，当沥青混凝土路面中离析发生点位于上面层时，此状况极大程度上影响了路面上面层的疲劳寿命，而当其出现在中面层时，虽然对上面层产生相应影响，但相对而言，对中面层的疲劳寿命影响更为突出。此外，当离析发生点位于下面层时，虽然会对上面增及中面层产生一定影响，但相对而言，对下面层的实际疲劳寿命影响最大。总之，离析发生点对所发生的该面层的影响最大，且对于所处结构及以上面层均会产生相应影响，但此影响远低于离析发生具体地点所处面层。

3 结束语

综上所述，经过力学分析可发现，沥青混合料离析工作的展开，虽然对路基顶面应变影响较小，且对路面变沉影响也不大。但是，当路面出现离析问题后，路面底层的拉应力影响会随之变大，从而诱发后续疲劳寿命问题的产生，期间出现离析情况的路面层位的所在点，疲劳寿命大幅度缩短。此外，出现离析问题部位的周边或未出现离析层位的路面部位，其疲劳寿命也会受到一定的影响。