潮湿多雨地区沥青路面层间结构改善研究

贺果蒙，夏 永，徐金玉

（1四川成渝高速公路股份有限公司成渝分公司，四川成都 610000；2苏交科集团股份有限公司，江苏南京 211112）

按照我国沥青公路建造原则，沥青公路通常由两层组成：表面层的沥青混合料和下层的不透水沥青混合层。为了保证沥青路面的排水性能，一般都会在两层之间铺设防水抗裂的粘结物料，中间的防水抗裂层通常得具备较低的空隙率，较高的抗疲劳能力、抗压能力、抗剪切能力和粘结能力[1]。所以沥青路面建造过程中的防水抗裂层的好坏直接关系到沥青路面的排水和粘结效果。我国南方地区由于常年降雨量较大，造成我国公路常年浸泡在水中。在长期浸泡下，一旦防水抗裂层出现松动，则雨水会直接进入路面基层，长期的雨水侵袭会使地基松动，从而造成严重的内陷、塌方，直接威胁到人们的人身和财产安全[2-3]。因此在充分考量经济性能的前提下，探索防水抗裂层的粘结、防水及抗疲劳等功能，是提高沥青路面整体使用性能和年限的必行之务。

1 防水抗裂方案设计及评价模型建构

1.1 防水抗裂层聚合物配合比方案设计

以往的专家学者在沥青路面设计中将更多关注点放在沥青路面混合胶结料上，但是相比于混合胶的结料而言，沥青混合料的配比选择对路面防水抗裂效果才更加明显[4]。因此对沥青路面防水抗裂性能的研究，需要将更多的重点放在用料的配比选择上。用料的级配选择通过筛分选择、马歇尔试验及空隙率小于2%选择共同决定。在具体选择级配过程中，要根据路面建造环境和使用集料粒径进行选择[5]。以AC-5密集作为研究级配指标，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTGE-20-2011进行筛分选择和马歇尔试验，可得到三种基本的级配用料配比，见表1。

表1 加入SRX的三种筛分配通过率（%）Table 1 Distribution pass rate of three sieves added to the SRX(%)

表1三种级配选择方案中都以SRX混合物原材料为中心进行级配，SRX由于其可溶于水的特性，在沥青路面铺设过程中，其可以通过与水的融合形成一种胶结剂，将路面内部的混合物充分融合形成一个整体，提高路面的防水抗裂效果。在筛分基础上，对三种级配进行马歇尔试验，可得出表2基本结论。

表2 马歇尔试验下的三种级配性能Table 2 Three gradation properties under Marshall test

表2是对三种级配进行马歇尔试验的结果，以确定最佳级配选择。三种级配在马歇尔试验之后，级配1表现虽然空隙率最小，但是其稳定度和流值无法测定，如此一来其测量的范围便会距离上下限较近，无法满足沥青路用要求。而级配2和3则表现出较高的吻合性，在此基础上对级配2和3进行渗水试验。

通过渗水试验就可以判定最终的最优级配。渗水试验之后，可以通过对空隙率和渗水情况两方面综合评判级配性能[6]。首先试验后得出级配2的空隙率2.7%相较于级配3的1.5%而言较大，空隙率的大小直接决定了路面渗水量的多少，因此表现为级配3基本不渗水，而级配2出现渗水现象。所以配合比设计认为级配3为研究拟采用最佳级配选择。

1.2 防水抗裂层聚合物试验方案设计

为了进一步验证最优级配结果，引入震动击实CBR值，对三种级配进行垂直振动击实，验证三种级配在击实条件下，路面内部材料结构的稳定程度[7]。CBR值与混合料中SRX聚合物原材料参量之间的关系可表示为公式（1）。

公式（2）表示每增加一元的SRX，CBR的提升率结果。其中Yi为表示第i级别下的材料费用，考虑到沥青路面建设现状，在具体经济性计算过程中通常以20cm/m2计。为了进一步验证路面用料混合物在失水情况下的收缩性能，在现有CBR基础上增加了室内养生测试，测试方法如图1所示。

公式（1）表示在第 个级配条件下每增加1%的SRX，CBR值的提升率结果，CBR值提升率越高，表明第i个级配条件下，沥青路面的内部结构稳定性越好。i为参量级别，共分为0.1%、0.3%、0.5%、0.8%和1.0%五个级别。Pi表示第i级别下的CBR值。li表示第 级别下的SRX参量。路面建设是多种insulting综合作用的结果，在此过程中不仅要考虑CBR值结果，还应着重关注道路建设的经济要素。因此在CBR与SRX关系中引入价格要素，计算每增加一元的SRX聚合物对CBR值的影响关系如公式（2）所示。

按照图1所示，设定聚合物中的SRX参量为0.5%，以规格为100mm的正方体为试件，对三种级配进行试验。分别计算第i次的失水率ωi、观测干缩率δi、干缩应变εi及干缩系数αdi值，如公式（3）所示。

为了实现绿色施工，需要做好以下方面的工作：（1）将施工场地和非施工场地进行隔离，以减少施工过程中对周围动植物产生的影响；（2）需要对施工产生的废弃物进行回收，并派专职人员进行施工废弃物检查与处理，对可回收利用部分进行再利用，确保最大程度发挥其作用，减少施工垃圾，达到绿色施工的目的[3]。

5．试做填空。听力材料播放完后，学生要进行归纳总结，判断是否听懂并明白大概意思，在明白的基础上，作相关方面的练习，以修正学生的听力，提升他们对学习材料的理解。

图1 干缩试验过程示意图Fig.1 Schematic diagram of dry shrinkage test

（4）选择适宜间距的导向装置紧贴试件表面，握住刀具，使刀垂直于试样表面，对刀具均匀施力，并以均匀的切割速度移动刀具，使其在涂层上形成规定的切割数。所有切割都应划透至基材表面；

公式（3）中，mi表示在第i次测试当中试件的质量值，以g为单位；Xi,j表示第i个测试值中的第j个测试千分表的读数，以单位mm计；I表示标准试件的长度，以单位mm计算；mp表示标准试件的烘干衡量，以g计。在失水收缩基础上，通过从高温到低温改变温度变化，观察混合物的试件长度变化，结合干缩系数ai计算第i个温度下的平均混合物收缩应变度εi，以验证混合物的耐温效果，计算公式如（4）所示。

他说，这笔经费属于国民税金（国库资金），借了不还的话，原则上是触犯了“诈骗罪”，但是一次的话，警察不会追究。如果多次借钱不还的话，那么，警察就会采取行动。

在沥青路面建造过程中，对路面的受力分析过程中，通常采用数值法和解析法。在分析相对复杂的混合物路面用材过程中，简单的解析法是行不通的，因此研究采用数值分析法中的有限元分析方法[9]。首先，将沥青路面混合结构进行离散化处理，将整体路面结构进行单元化处理，假定单元的位移分布，并建构单元的位移模式。图2所示是根据南方多雨气候建构的路面模型结构。

第二天，老婆起床，眼圈居然有些泛青。显然这一夜她也没睡好。便站在寝室门口问：你是不是生病了？要不哪能连着两宿这么咳嗽呢？有病趁早治，可别大意了，不行一会儿我陪你到医院找个专家看看吧。

公式（5）为沥青路面在浸水前后的质量损失度（%）。其中，mi、mj分别代表试验前后测试样本的烘干质量（g）。在进行以上测试过程中，仍需要对沥青路面的抗剪程度进行测试，从而保证剪切的速率，保证沥青路面建造过程中路面内部的层间的稳定程度，计算公式为：

公式（6）为沥青路面抗剪强度，路面的抗剪强度由剪切力F和剪切面积S之比决定。其中剪切面积为上述马歇尔试件中的横截面面积，以m2计算。

1.3 防水抗裂层有限元分析模型建构

公式（4）中，li为i度区间内测试混合物的平均长度结果（cm）；L0为试件的参照初始长度；ti为测试时控制第i温度内的温度变化区间。除了必要的失水收缩和耐温性能测试之外，抗水损特性也是沥青路面建造过程中的关键要素[8]。为了验证沥青路面长期浸泡在水中的抗水侵和抗冲刷性能，研究通过对比浸水前后的车辙质量损失度加以分析。其中涉及到的计算公式为：

图2 南方多雨地区的路面模型图Fig.2 Pavement model of rain-fed areas in the south

其次在原有离散结构基础上根据力学特性建构一个刚性矩阵，如图3所示。网格建构中位移的计算采用ABAQUS软件作为计算工具，该软件具有精准计算网格中的种子的位移和应力情况能力[10]。沥青路面有限元分析中的完全积分，采用高斯积分可以实现最为精确的多项式计算。由于沥青防水抗裂层的复杂性，研究在多种网格模型中选择了六面体网格模型，通常采用六面体刚性矩阵建构单元计算式可分为中性轴算法和进阶算法两种，算法建构如图3所示。图3中（a）、（b）分别为规则六面体在中性轴算法和进阶算法分析下的结果。通过两种算法的模型对比可知，图3（a）中中性轴算法的网格与种子之间的拟合效果较低，但是其生成的种子关系在网格中会呈现较为规则的形态。且其网格的质量较高，不会因种子划分的精细程度有所改变。相比之下进阶算法中种子的划分程度会导致网格发生扭曲现象，网格的质量不能够得到保证，且网格与种子之间的拟合程度较高，会在一定程度上削弱种子变化的整体效应[11]。综合对比下，研究将中性轴算法作为参数计算模型。矩阵结构之后最后计算单元应力，利用ABAQUS软件对路面结构进行应力对比分析，计算模型如图4所示。

图3 六面体网格算法示意图Fig.3 Schematic illustration of hexahedral grid algorithm

图4 应力计算模型中裂缝的位置图示Fig.4 The location of cracks in the stress calculation model

图4（a）、（b）分别为应力计算下分析所得的裂缝位置结果。通过应力计算可以得出沥青路面在设置和不设置防水层条件下路面的荷载性能。路面荷载性能的变化能够直接反应防水抗裂层的抗剪压能力，荷载性能越好则表明其抗剪压能力越好，沥青路面的防水抗裂路用性能就越好[12]。

给夏小凡拍的这张相片，是高志明的最后一张流动摄影作品。1981年初秋，因为未婚妻父亲的关系，高志明终于成为城区春风照相馆的一名正式职工。那些活泼的湖村姑娘，以及他悄悄注目过的少女，夏小凡，如醉湖上的波光，在之后的日子里，随崭新的生活和忙碌的工作，渐渐淡去。

2 模型使用性能评测

2.1 防水抗裂层经济效应评测

按照筛分和马歇尔试验对已经选定的三种级配进行分析，得出如图5所示级配结果，矿粉比为31.5：67.5：1.0，矿料比为2.36：4.75：2.36。在如此配比情况下，可以看出现有合成级配能够合理控制在上下限之间，稳定在中值附近，表明合成级配配比性能较优。

图5 级配矿粉粗细程度对比Fig.5 Comparison of the thickness of graded mineral powder

表3中表现的是在合成级配条件下，与同等条件下的其他两种级配的经济性能比较结果。通过经济性能分析对比可知，相比于水泥稳定碎石基层沥青路面结构而言，加入SRX聚合物的基层路面结构整体厚度减少29 mm，且平均单价降低28.17元，在极大缩减基层结构厚度的条件下，较大程度上节约了建造成本。

表3 选定级配条件下路面结构经济性能比较Table 3 Comparison of economic performance of pavement structures under selected grading conditions

2.2 防水抗裂层防疲劳效应评测

图6为路面防疲劳效应评测结果。其中图6（a）为应力水平和荷载作用次数关系，图6（b）为疲劳试验结果。从图6（a）中可以看出，随着荷载作用频率的增加，应力水平都出现明显增加。其中沥青碎石的应力水平显著高于同等频率下的优质砂、劣质砂和水泥，其平均荷载作用次数在6次左右，相较于优质砂、劣质砂和水泥，平均荷载作用次数分别提高1次、1.5次和3次，表明研究提高的沥青防水抗裂层具有较高的抗压能力。从图6（b）可以看出，相较于普通结合料类的基层路面而言，加入SRX聚合物的混合基层路面结构荷载作用次数范围为5～7，相较于优质砂、劣质砂和水泥对应的荷载作用次数范围为4～5.5、3.5～5、2～4而言，其起点较高，且荷载终点也较高，表明其抗疲劳强度更强。

图6 路面防疲劳效应评测结果Fig.6 Evaluation results of anti-fatigue effect on pavement

2.3 防水抗裂层抗压效应评测

图7为路面抗压CBR强度提升率测试结果。从图7中可以看出，随着SRX聚合物的加入，路面结构的CBR值的提升率会不断增加。且当整体SRX的掺量为0.3%和0.5%时，其CBR值相对较高，平均CBR值提升率高达13%左右。而SRX参量为0.8%和1.0%时，其CBR值平均增长率在0.9%左右。由此可见SRX聚合物的掺量在0.3%和0.5%时，其CBR值提升最大。但是随着SRX的增加，掺量达到0.5%和0.8%时，其抗压强度CBR值不会出现较大增幅。

图7 路面抗压性能评测结果Fig.7 Evaluation of Pavement Comp performance

3 结论

由于我国南方地区多雨，长期的雨水冲刷侵袭对我国南方公路沥青公路的建造及维护提出了较大挑战。为了提高我国南方地区沥青路面的防水抗裂性能，研究引入马歇尔试验、高温车辙试验、室内模拟、浸水试验、抗剪切试验及三维模型建构对级配进行模拟实验，验证沥青路面防水抗裂混合物料级配选定的最优化。在多种试验及模型检测之后，研究提出的掺加SRX混合防水抗裂层的经济性能平均单位价格降低28.17元，同时建造厚度减少29cm，级配经济效应得到提高；在经受同等压力条件下平均荷载作用频率高达6次之多，显著高于同等条件下的其他级配荷载量；当SRX掺量为0.3时其CBR值最高，平均CBR值提高13%左右。但由于防水抗裂层本身是一个10～15 cm厚的隔离层，其具体施工无法控制，因此还需在施工落实技术上进行研究，提高沥青路面防水抗裂实效性。