冷再生路面结构分析

2021-08-31田美强张若友

黑龙江交通科技 2021年7期

田美强，周浩，侯峰，张若友

(1.山东泰和公路工程有限公司，山东淄博 256410;2.山东建筑大学，山东济南 250109)

随着我国公路建设事业的高速发展，大量的公路经过长期的服务期，产生各种病害，进入维修期和大修期，裂缝、车辙、松散、结构承载力不足等病害需要处理，但可以用于道路施工的优质材料日益减少。在这种情况下，冷再生成为一种绿色环保技术，一方面冷再生技术的再生厚度可以很大，可以处置绝大部分病害类型；另一方面，冷再生可以把大部分路面材料回收利用重新用于路面铺装，从而大量节约路面材料消耗；冷再生施工过程中温度较低，能量消耗和有毒有害气体排放大量较少，有利于环境保护。

蒋应军等针对矿粉、机制砂、9.5～19.0 mm粗集料掺量的比例等因素对马歇尔稳定度、干湿劈裂强度等性能的影响开展了相关研究，确定了各材料的影响规律和最佳比例。吕政桦等通过微观实验和室内实验分析了乳化沥青用量、水泥掺量及铣刨料(RAP)掺量对再生路面材料各种路用性能的影响规律。谢永才从冷再生路面的设计和施工角度进行相关研究。李秀君等对AASHTO的冷再生混合料设计方法和沥青协会AI方法等进行总结分析。这些研究对冷再生材料和施工技术进行了系统全面的分析，但冷再生材料性质与传统路面材料有所不同，尤其是在高温条件下模量降低，可能对路面结构有影响，需要进行详细分析。

1 冷再生材料的模量

1.1 模量与温度关系

沥青路面铣刨料的冷再生材料由于含有沥青结合料，所以其强度和模量受温度的影响。根据伊利诺伊州大学的研究，模量与温度的关系如式(1)

LogE=a-bT

(1)

式中:E为模量，MPa，T为温度，℃，B为模量随温度下降的系数。其中系数b对路面结构设计有重要影响。

根据对不同级配水泥冷再生材料模量的研究，b的常见取值范围为-0.003～0.008。

1.2 模量与材料构成关系

图1为当再生材料中不同面层基层材料比例条件下的模量。随着沥青面层材料比例的提高，混合料整体的模量降低。经验表明，在高温条件下这种差异会更明显，但掺入新碎石做粗骨料可以显著改善冷再生材料的高温性能。

图1 模量与再生料组成的关系

2 道路温度取值

查道路材料导热导温值推荐表可知，沥青混凝土材料的导热参数一般0.8～1.4(W/(m×℃))，半刚性材料的导热参数一般1～1.3(W/(m×℃))。冷再生材料从材料组成上看介于二者之间，且更接近HMA材料，故其导温性能应该介于二者之间，冷再生路面结构内温度规律也与普通HMA路面基本相同。参考河南某高速公路时间观测结果(见表1)，沥青下面的冷再生材料约为30～42 ℃，可以按照36 ℃考虑。由前面的分析可知，此温度条件下，半刚性冷再生材料的强度较之20 ℃时可能会下降20%～40%，而沥青冷再生材料强度下降35%左右。从模量看，水泥稳定冷再生材料模量下降15%～30%。沥青稳定材料在模量下降程度，暂时可以按照30%考虑。可知当温度升高时冷再生路面层的承载能力大为降低。

表1 河南对某高速公路的实际观测情况

3 冷再生道路结构

当采用热拌沥青混合料层+再生层或者热拌沥青混合料层+再生层+砂砾层结构时须注意冷再生材料的温度敏感性，尤其对夏季炎热地区的薄面层道路。随着温度的升高，路面热拌沥青混合料材料和冷再生材料的模量和强度都会降低，使得路面结构分散荷载的能力和路面材料承受应力应变的能力同时降低。对于传统的半刚性基层沥青路面，半刚性材料作为主要承重层，受到高温影响很小，故以地基薄弱时道路状态为最不利状态。但对不含半刚性基层的冷再生路面，高温导致的路面材料承载力下降也可能是一个不利状态。

4 温度变化对冷再生道路影响

用Bisar软件对不同结构冷再生道路在不同工况下的受力状态进行分析，从而获得冷再生路面的受力特点。

4.1 路面结构与材料参数

在实际路面设计分析中，模量随不同工况和材料组成而适当调整，确定不同工况下道路结构的状态，以分析冷再生材料温度敏感性的影响。用Bisar软件对不同结构冷再生道路在不同工况下的受力状态进行分析，从而获得冷再生材料的准确性能，提高路面分析和设计的可靠性。改建的道路的一般特点是路基模量较高而半刚性基层和底基层材料的模量有所下降，基层强度可以按照800 MPa计算。其他各种材料，其模量根据经验并参照本文1、2两部分确定。