半柔性复合路面的力学响应与结构优化

刘银，何树鹏，闫先喜，任皎龙，徐寅善

(1.山东理工大学 建筑工程学院，山东 淄博255049;2.浙江省交通运输科学研究院道路研究所，浙江 杭州310039)

随着中国日益明显的交通轴载和渠化交通，道路车辙病害已成为中国最主要的路面病害，传统道路材料与结构难以有效缓解这一问题。因此，国内各学者开始侧重于研发新型路面材料以更好地适应中国的高速发展。近年来，半柔性复合路面材料得到了道路界的广泛关注。半柔性路面材料是指以大空隙沥青混合料(空隙率为20%～28%)为基体，灌入以水泥为主要成分的特殊灌浆料，形成在沥青混合料中间填充水泥灌浆料的特殊路面材料。半柔性路面是一种新型复合路面，兼顾刚性和柔性两种路面优点。骨料之间的嵌挤作用和水泥石共同构成半柔性路面的强度，这使得半柔性路面的高温稳定性和水稳定性优于沥青路面，抗剪切、抗疲劳、抗滑移性也优于水泥路面。

Wang等[1]研究了不同柔性胶乳材料对半柔性路面的路用性能的改善，结果表明添加聚合物后半柔性路面材料的路用性能得到了显著改善；Liu等[2]分析了相变材料对半柔性路面材料路用性能的影响，表明相变材料可以提高半柔性路面材料的低温抗裂性，但会降低其高温稳定性和水稳定性；Yang等[3]认为废胶粉可以大大提高半柔性路面的低温抗裂性，不同的注射方式效果不同；肖天佑等[4]人通过试验指出：掺ECC砂浆的半柔性路面材料有良好的整体性、高温稳定性、水稳定性；钟科等[5]提出水泥砂浆中掺入不同类型的外掺剂，采用不同种类的改性沥青均能增加半柔性材料的相应性能。王黎明等[6]通过试验表明冻断试验能有效地区分出不同沥青、不同水泥基灌浆料、不同基体空隙率半柔性路面材料的低温抗裂性改善效益；宋常玉[7]分析了SBS改性沥青作为母体的沥青的半柔性沥青路面复合材料，其具有更好的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性及抗疲劳性；赵国强等[8]提出对于半柔性路面材料来说，沥青类型对低温抗裂性能差异较大，采用高粘度改性沥青的作用效果最好；Xu等[9]通过对沥青-砂浆界面微观特性和界面优化后半柔性沥青路面宏观铺装性能的研究，揭示了界面改性剂的作用，并确定最佳配方。但上述研究中均未对半柔性路面结构进行相关研究分析，忽略了不同路面层的影响状况，这无疑影响了半柔性路面材料的推广应用。基于此，本文基于层状弹性体系理论构建水泥稳定碎石半柔性路面结构模型，利用正交实验方法揭示了表面层、下面层、基层和底基层的模量和厚度的不同参数组合对水泥稳定碎石层层底拉应力和沥青混凝土层永久变形量的影响，提出了影响各路面结构层力学响应的关键指标，并结合现行规范，以力学性能最优为原则，综合考虑经济性，提出了优选的路面结构组合体系。

1 材料与方法

1.1 材料

如前所述，半柔性路面材料是由高流动性的水泥灌浆料灌入到大空隙沥青混凝土基体中制备而成的特种材料。水泥灌浆料的配比见表1。

表1 最优配合比范围

大空隙沥青混合料基体的级配见表2，其空隙率为25%，最佳沥青质量分数为3.8%。

表2 设计基质沥青混合料的级配

半柔性路面样品如图1所示，其路用性能测试结果见表3。

图1 半柔性材料路面样品

表3 材料试验结果

根据我国最新路面设计规范《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)的要求，采用20 ℃条件下10 Hz所对应的动态模量作为路面材料设计参数。因此，表4给出了本研究制备的半柔性路面材料在20 ℃下的不同加载频率的动态模量试验结果。故在后续路面结构分析中，均采用20 191 MPa作为半柔性路面材料设计参数进行力学计算。

表4 高性能半柔性路面材料动态模量结果

1.2 方法

依据依托项目的试验路(浙江省嘉善县洪三线北首交叉路口)实际情况，初拟路面结构形式为半柔性复合材料表面层+沥青混凝土下面层+水泥稳定碎石基层+水泥稳定碎石底基层。基于层状体系理论的路面结构计算模型和相应的计算点位见图2。根据现行规范，各结构层所选取的力学指标及其竖向位置见表5。

表5 设计指标对应的力学响应与竖向位置

图2 力学响应计算点位置

利用正交实验方法[10]，通过改变不同层位厚度和模量，研究路面结构参数对路面力学响应(见表6)的影响规律，为半柔性路面结构设计提供依据，并以力学响应最优为原则，提出推荐的半柔性路面结构组合形式。

表6 路面结构的正交试验设计

力学计算结果见表7。

表7 正交试验结果

利用相同试验参数的不同试验之间的平均值之差来分析不同参数对试验设计指标的影响程度,如图3—图9所示。根据试验不同参数的平均值来分析参数的取值范围对设计指标的影响趋势，如图4(a)—图10(a)所示。

2 结果与分析

2.1 无机结合料稳定层层底拉应力分布

2.1.1 基层

基层层底拉应力的极差分布如图3所示。

由图3可看出，基层模量、底基层厚度和底基层模量的极差相对较大， 说明其三者对无机结合料基层层底拉应力影响较大，其中基层模量尤为显著，具体趋势分析如图4所示。

图3 无机结合料基层层底拉应力影响分布

由图4可看出，随着基层模量和底基层模量的增加、以及底基层厚度的降低，基层层底拉应力呈显著递增的趋势。

因此，基层模量和底基层模量宜取较低值，底基层厚度为20 cm。

2.1.2 底基层

底基层层底拉应力的极差分布如图5所示。

图5 无机结合料底基层层底拉应力影响分布

从图5中可知，基层厚度和底基层模量极差相对较大，说明基层厚度和底基层模量的变化对无机结合料底基层层底拉应力的影响较显著，相关趋势分析如图6所示。

(a)基层厚度的影响

由图6(a)可看出，伴随基层厚度的增加，底基层层底拉应力呈现近似线性的递减趋势；从图6(b)可知，底基层层底拉应力随底基层模量增大而增大，且增长趋势愈加明显。

因此，底基层模量宜选取较低值，基层厚度为40 cm。

2.2 沥青混合料永久变形量分布

2.2.1 表面层

表面层永久变形量的极差分布见图7。

图7 沥青混合料表面层永久变形量影响分布

图7可知，表面层厚度极差较大，其他参数极差相对较小，为了简化研究过程，仅对影响较显著的表面层厚度进行趋势分析，见图8。

图8 表面层沥青混合料永久变形量趋势

由图8可知，随着表面层厚度的增加，表面层永久变形量呈现先减小后增大的趋势。因此，以表面层永久变形量最低为原则，选定表面层厚度为4 cm。

2.2.2 下面层

下面层永久变形量的极差分布见图9。

图9 沥青混合料下面层永久变形量影响分布

从图9可看出，表面层厚度、下面层厚度、下面层模量、底基层厚度、底基层模量、基层厚度和基层模量极差均处于高水平，因此，选取全部7个参数进行相关趋势分析，见图10。

由图10(a)、(b)可看出，当表面层厚度和下面层厚度增加时，下面层永久变形量呈先减小后增大的趋势。因此，以表面层永久变形量最低为原则，分别选定表面层厚度和下面层厚度为4 cm和7 cm。

由图10(c)、(e)、(g)可看出，随着下面层模量、基层模量和底基层模量的增加，下面层永久变形量显著的增加。因此，下面层模量、基层模量和底基层模量均宜取低值。

由图10(d)、(f)可看出，下面层永久变形量均随着基层厚度和底基层厚度的增加降低，但不同在于，随基层厚度的降低趋势逐渐趋于平缓，随底基层厚度的降低趋势则反之。因此，选定底基层厚度为20 cm；同时，由于基层厚度36 cm时所对应的下面层永久变形量并未比基层厚度40 cm时显著增加，出于经济性考虑，基层厚度可选择36 cm。

另一方面，在分析底基层层底拉应力时，确定基层厚度宜为40 cm，考虑到底基层处于路面结构的最下层，其力学响应整体处于较低水平，同时，我国路面设计体系中也通常不以底基层作为重点考察对象，因此，最终确定基层厚度为36 cm。

2.3 讨论

以前述极差分析为依据，确定各指标影响程度，见表8，其中√√表示影响显著，√表示有一定影响，无√表示影响较弱。

表8 控制指标影响程度表

综合力学响应分析结果，该工况下推荐的路面结构见表9。

表9 推荐路面结构

3 结论

本文基于层状弹性体系理论构建水泥稳定碎石半柔性路面结构模型，利用正交实验方法揭示了表面层、下面层、基层和底基层的模量和厚度的不同参数组合对水泥稳定碎石层层底拉应力和沥青混凝土层永久变形量的影响，提出了影响各路面结构层力学响应的关键指标，并结合现行规范，以力学性能最优为原则，综合考虑经济性，提出了优选的路面结构组合体系。主要结论如下：

1)水泥稳定碎石基层层底拉应力随基层模量增加而显著增长，底基层厚度和模量对基层层底拉应力影响次之，表面层厚度、基层厚度、下面层厚度和模量的影响较小。

2)水泥稳定碎石底基层层底拉应力随基层厚度的增加而明显降低，底基层模量对底基层层底拉应力影响次之，表面层厚度、下面层厚度和模量、基层模量以及底基层厚度影响较弱。

3)水泥稳定碎石表面层永久变形量随表面层厚度增加有先减后增的显著趋势，下面层厚度和模量、基层厚度和模量以及底基层厚度和模量影响较小。

4)水泥稳定碎石下面层永久变形量伴着表面层厚度的增加呈先下降后上升的趋势，下面层厚度和模量、底基层厚度和模量以及基层厚度影响次之，基层模量影响较弱。

5)提出优选的路面结构组合为：4 cm半柔性表面层+7 cm沥青混凝土下面层+36 cm水泥稳定碎石基层+20 cm水泥稳定碎石底基层。各结构层材料设计参数建议值为：下面层模量、基层模量和底基层模量均宜取低值。