沥青混合料组成差异对沥青路面结构疲劳寿命的影响分析

刘 锋 许新权 张国民

(广东华路交通科技有限公司1) 广州 510420)(公路交通安全与应急保障技术及装备交通运输行业研发中心2) 广州 510420)(广东交科检测有限公司3) 广州 510420)

0 引 言

沥青混凝土的疲劳破坏是影响沥青混凝土路面寿命的关键因素之一[1].目前，关于沥青路面的疲劳性能研究较多，有沥青路面损伤行为及其结构寿命合理匹配研究[2]、沥青路面结构层间联结强度及其抗剪性能等对沥青路面疲劳寿命的影响研究[3]，以及根据不同的沥青混合料组成建立其疲劳方程的研究等[4].

我国高速公路其路面结构以半刚性基层沥青路面为主，因此，国外较多的沥青路面疲劳性能研究成果并不能适应国内的沥青路面的疲劳寿命预估.文献[5]根据中国的实际提出了半刚性基层沥青路面结构的疲劳寿命预测公式，但实际应用还较少.同时，由于广东河源地区盛产辉绿岩，为了充分利用该种集料，也为了探讨沥青混合料组成设计对沥青路面结构疲劳寿命的影响，文中以广东省仁新高速试验段实体工程为例，研究不同的沥青混合料组成对沥青路面结构疲劳寿命的影响.

1 试验段概况

仁新高速公路位于武深高速公路广东省境内，起于韶关市新丰县，在博罗县境内与博深高速相接，自南向北先后串联起广惠高速、广河高速与大广高速，仁新高速按双向六车道设计，设计车度为100 km/h，图1为其沥青路面基本结构形式；其试验段则位于翁源收费站附近，根据“表面层”所使用集料和级配的不同，该试验段按图2全断面布置了三种路面结构形式.

图1 沥青路面结构示意图

图2 不同类型集料和配合比下的路面结构布置示意图

2 沥青混合料力学性能和路用性能试验

2.1 三种方案沥青混合料试验

根据集料筛分和马歇尔试验结果(见表1)，得到图3的三种方案的配合比曲线，试验结果满足规范要求.由此可知，三种铺筑方案的沥青混凝土各项马歇尔试验指标和级配曲线存在一定的差异.

表1 三种铺筑方案沥青混合料马歇尔试验结果

图3 表面层三种铺筑方案的沥青混合料设计级配

2.2 三种方案沥青混合料力学性能和路用性能试验

1) 沥青混合料动态压缩模量试验 根据三种方案的沥青混合料设计级配曲线，采用施工现场原材料，依据文献[6]的T0736方法，使用图4旋转剪切压实仪(SGC)每一个方案成型六个直径×高度为150 mm×170 mm圆柱形试件，而后使用钻芯机和双面切割锯将六个试件修整为直径×高度为100 mm×150 mm标准圆柱形试件.待所有试件完成整形后，根据文献[6]T0738规定的试验方法，采用UTM130试验机进行三个方案的沥青混合料动态压缩模量试验，见图4.其中，采用频率分别为0.1，0.5，1，5，10，25 Hz的正弦波加载(由大到小加载)，试验温度分别为4，10，20，30，40，50、60 ℃(由高温到低温加载).图5为沥青混合料动态压缩模量随温度和加载频率变化趋势图.由图5可知，三种沥青混合料在20 ℃和10 Hz加载频率下的动态压缩模量依次为11 012，10 285和9 500 MPa，以辉绿岩为细集料的沥青混合料的动态模量较细集料为石灰岩的沥青混合料要大7.6%.

图4 沥青混合料动态压缩模量室内试验

图5 沥青混合料动态压缩模量随温度和加载频率变化趋势图

2) 沥青混合料汉堡车辙试验 根据文献[6]的轮辗法(T0703)成型车辙板，车辙板尺寸为300 mm×300 mm×50 mm；采用图6a)的汉堡车辙仪进行车辙试验，试验温度为60 ℃，轮压为0.7 MPa，共加载20 000次，得到图6b)的三种方案沥青混合料车辙试验结果.由图6可知，加载次数为2 520次时，三种方案的沥青混合料车辙试验永久变形量分别为1.9，0.8和1.5 mm.

图6 三种方案沥青混合料汉堡车辙试验及其试验结果

3 道路结构有限元模型

3.1 结构模型

对道路结构进行力学分析，参照文献[7-8]，基本假设如下：①各结构层的材料均假设是线弹性材料，符合广义虎克定理；②道路各结构层厚度是有限的；当对道路结构进行静载分析时，土基厚度分别取大于6 m时，所得实测结果与模拟结果相近，能满足计算要求；③道路各结构层间完全连续；④荷载垂直作用于路面面层，在距离荷载无限深处道路结构的应力、应变和位移均为零.

通过试算分析，在ANSYS分析中，土基和各结构层均采用块状体，土基尺寸为16 m×9 m×10.5 m(即x×y×z，其中，x为行车方向；y为深度方向；z为横断面方向).除土基以外的各结构层的平面尺寸为10 m×4.5 m(x×z，深度随各结构层的不同而不同).在划分网格前，土基和各结构层之间使用GLUE命令进行连接处理，保证土基与各个结构层以及各结构层之间的连续接触状态.土基和各个结构层均采用SOLID45单元划分实体模型网格，并建立图7的有限元模型，最终共划分单元264 768个，节点280 913个.相关的计算点位见图8.

图7 双圆荷载下沥青路面结构有限元模型

图8 双圆荷载接触面参数设置及相关计算点位示意图

3.2 材料参数

在进行道路结构力学响应分析之前，按表2确定沥青路面结构力学响应分析时所使用的材料参数和结构参数，其中，表面层GAC-16参数根据前文试验确定.

表2 沥青路面力学响应分析的结构及材料参数

4 疲劳寿命预测分析

4.1 基于沥青混合料层疲劳开裂沥青路面寿命分析

依据文献[5]和式(1)分析仁新高速试验段“方案一”的沥青混合料层疲劳寿命，相应的计算结果见表3，由表3可知：以沥青层底拉应变反算沥青路面结构疲劳寿命结果约为3 319亿轴·次.依此方法反算分析得到方案二和方案三的疲劳寿命依次为：3 347亿轴·次、4 575亿轴·次和5 615亿轴·次.

表3 仁新高速试验段沥青层疲劳寿命分析结果(方案一)

(1)

式中：Nf1为沥青混合料层疲劳开裂寿命(轴次)；β为目标可靠指标；ka为季节性冻土地区调整系数；kb为疲劳加载模式系数；Ea为沥青混合料20 ℃时的动态压缩模量，MPa；VFA为沥青混合料的沥青饱和度，%，见表2；ha为沥青混合料层厚度，mm；kT1为温度调整系数；εa为沥青混合料层层底拉应变(10-6).

4.2 基于无机结合料稳定层疲劳开裂的沥青路面寿命分析

依据图8中的C、D、B和A计算点位，分别计算无机结合料基层和底基层层底的应力，由此估算路面结构的疲劳寿命.材料参数根据表2选取，疲劳寿命依据式(2)进行分析，其相应的计算结果见表4.由表4可知：以无机结合料层底拉应力反算仁新试验段“方案一”沥青路面结构疲劳寿命结果约为67亿轴·次.依此方法反算分析得到方案二和方案三的疲劳寿命依次为：66亿轴·次和65亿轴·次.

表4 基于无机结合料层的仁新高速沥青路面结构疲劳寿命分析结果(方案一)

(2)

式中：Nf2为无机结合料层疲劳开裂寿命(轴·次)；kc为现场综合修正系数；Rs为无机结合料稳定类材料的弯拉强度，MPa；a,b为疲劳试验回归参数；σt为无机结合料稳定层的层底拉应力，MPa.

4.3 基于路基顶面竖向压应变的沥青路面寿命分析

依据表2材料参数和式(3)分析路基顶面竖向应变下的沥青路面寿命，其相应的计算结果见表5.

表5 沥青路面结构路基顶面竖向压应变及寿命计算结果

[εz]=1.25×104-0.1β(kt3Ne4)-0.21

(3)

式中：Ne4为设计使用年限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数，轴·次；εz为路基顶面容许竖向压应变，10-6.

4.4 基于沥青混合料层永久变形量的沥青路面寿命分析

根据文献[5]要求，对三个沥青层进行亚层划分(见图9)，沥青路面疲劳寿命则根据式(4)～(5)计算各分层顶面竖向压应力并进行反分析，沥青混合料层永久变形量取15 mm.

图9 沥青面层各亚层划分示意图

(4)

(5)

式中：Ne2为设计使用年限内设计车道上当量设计轴载累计作用次数，轴·次；Rai为第i分层永久变形量；n为分层数；kRi为综合修正系数；Ra为沥青混合料层永久变形量/mm，取15 mm；ha为沥青混合料层厚度，mm；tpef为沥青混合料层永久变形等效温度，℃；hi为第i分层厚度，mm；h0为车辙试件的厚度，mm；zi为沥青混合料层第i分层深度，mm；pi为沥青混合料层第i分层顶面竖向压应力.

根据弹性层状体系理论计算沥青混合料层各分层顶面的竖向压应力，“方案一”计算结果见表6，其最大值位于车轮轮胎中心A点；据此，计算得到该种沥青路面结构在基于永久变形量的疲劳寿命约为40 975 358轴·次.同理，反算分析得到方案二和方案三的疲劳寿命依次为：82 497 299和50 379 276轴·次.由表6可知：该种路面结构的疲劳寿命受沥青层永久变形量控制，其中，以辉绿岩为细集料的方案二较以石灰岩为细集料的方案三疲劳寿命要高38.9%.

表6 沥青混合料层各分层顶面竖向压应力及寿命计算结果(方案一)

5 结 束 语

根据木桶理论及前文的分析结果可知，半刚性基层上的沥青路面结构，其疲劳寿命不受沥青层层底拉应变和路基顶面竖向压应变的控制，该类型的沥青路面结构在反算其疲劳寿命时，仅考虑无机结合料层层底拉应力和沥青层的永久变形即可.以灰绿岩为细集料的沥青混合料的动态模量、车辙性能以及由其构成的沥青路面的疲劳寿命较以石灰岩为细集料的沥青混合料分别要高7.6%、87.5%和38.9%，其表现出较好的力学性能、路用性能和抗疲劳性能.但由类型相同而产地不同的集料构成沥青混合料各项性能同样存在较大的差异，因此，沥青路面施工过程中原材料来源的稳定是减小施工变异性的前提条件.