粗粒式应力吸收层在半刚性基层沥青路面中的应用研究

陈汝筠

(长沙市公路桥梁建设有限责任公司，湖南 长沙 410007)

路面工程施工实践表明，在沥青加铺面层以下或半刚性路面基层以上增设应力吸收层，能有效控制反射开裂病害。针对砂粒式基层的性能劣势，该文提出一种粗粒式应力吸收层混合料设计方案，以增强对沥青路面反射开裂病害的控制能力。

1 原材料性能要求

考虑到沥青混合料整体性能、质量受各原材料单项性能及级配设计质量的影响显著，对原材料性能进行必要检测，同时为混合料级配设计提供基础数据。

(1) 集料。所选集料为花岗岩，其硬度、表面粗糙度及清洁度满足规范要求。

(2) 矿粉。为增强集料与沥青基质间的黏结性能，添加一定比例碱性矿粉。选择石灰岩矿粉作为填料，其性能指标符合规范要求。

(3) 沥青。为满足粗粒式应力吸收结构层沥青混合料的高黏性要求，对普通基质沥青进行高黏改性，使混合料具备较高的塑性和强度。

2 粗粒式应力吸收层混合料级配设计

2.1 混合料级配设计方案

沥青混合料级配常用设计方法有Superpave法、《公路沥青路面施工技术规范》中设计方法、CAVF法，其中CAVF法强调粗集料之间的嵌挤作用，粗集料充当骨架，细集料填充骨架空隙，二者共同构成骨架密实结构。

采用半经验半理论法确定试验油石比，分别为5.0%、5.5%、6.0%、6.5%，采用CAVF法设计不同油石比混合料级配方案(见表1)。

表1 不同油石比混合料级配设计方案

2.2 最佳级配方案确定

采用高温稳定性、水稳定性、抗车辙性能及抗裂性能等指标，对表1所示粗粒式应力吸收层混合料级配方案进行对比分析，选择最佳级配方案。分别通过标准马歇尔试验、车辙试验、浸水马歇尔试验、小梁抗弯试验评价沥青混合料的高温稳定性、水稳定性、抗车辙性能、低温抗裂性能，试验结果表明4种级配混合料的性能指标均满足规范要求。对4种级配混合料进行谢伦堡沥青析漏试验，油石比超过6.5%时，析漏损失不断增大，施工和易性不达标。兼顾施工和易性与混合料黏性二者的平衡关系，经多指标横向对比，油石比为6.0%时，混合料施工和易性、高温稳定性、水稳定性、抗车辙性能及抗裂性能等指标均满足规范要求，故选定级配3(油石比为6.0%)作为推荐方案。

2.3 基于GTM法的合理级配确定及论证

马歇尔试验对公路交通量的划定标准较笼统，分为轻量、中量和重量三等，与目前复杂的交通构成和路面状况不匹配。而GTM法在模拟路面实际工况方面具有明显优势，故采用GTM法对粗粒式应力吸收层混合料级配3进行验证。

采用级配3，以0.3%为步长设置5个油石比，分别为4.8%、5.1%、5.4%、5.7%、6.0%，制作试件进行GTM试验，试验结果见表2。

表2 GTM试件体积参数及试验结果

由表2可知：油石比为5.7%时，旋转稳定系数为1.02；油石比大于5.7%时，旋转稳定系数增速加快，说明试件的塑性变形过大；旋转剪切系数随油石比增加呈先增大后降低的趋势，增降分界点对应的油石比为5.7%。综合考虑各因素，经GTM法优化后的粗粒式应力吸收层混合料的最佳油石比为5.7%。

以GTM法、GAVF法分别确定的最佳油石比和最佳级配为基准拌制改性沥青混合料，对其各项性能进行试验论证，试验结果表明两者的高温稳定性、水稳定性、抗车辙性能及抗裂性能等指标均满足规范要求，采用GTM法加工成型的试件的骨架密实度更高，且具有优异的路用性能。

3 粗粒式应力吸收层有限元分析

3.1 有限元模型建立

采用ABAQUS软件分析不同厚度下粗粒式应力吸收层的应力响应。建模时作如下基本假定：1) 结构整体均匀连续，材料各向同性、处于完全弹性范围；2) 结构模型中央布置双向正交构造缝，缝宽5 mm；3) 结构模型尺寸为长×宽×厚=10.00 m×8.50 m×4.82 m；4) 结构层的所有变形均协调，不考虑滑移。

模型的边界条件为竖向及表面位移自由，底部刚性约束。模型中路面结构及材料参数见表3。为简化计算，认为轮胎胎面与地面有效接触区域为正方形，接触面参数为189 mm×189 mm。图1为粗粒式应力吸收层有限元分析模型。

表3 路面结构模型尺寸及材料参数

图1 粗粒式应力吸收层有限元分析模型

3.2 不同厚度下应力分析

路面结构设计方案为4 cm上面层(SMA-13)+5 cm中面层(AC-20)+应力吸收层。采用上述有限元模型分析不同厚度下粗粒式应力吸收层的应力响应，确定最佳层厚，分析结果见表4。

表4 粗粒式应力吸收层有限元分析结果

由表4可知：随着粗粒式应力吸收层厚度的增大，应力吸收层的拉应力极值和剪应力极值逐步减小，应力吸收层厚度达9 cm后，下降趋势减缓。统筹路用性能和经济性两大因素，推荐应力吸收层厚度取为9 cm。

4 粗粒式应力吸收层的应用

4.1 工程概况

某高速公路的交通量常年处于高位。取其中一段作为试验段，试验路段长2 km、宽24.5 m，该路段水泥混凝土路面裂缝、错台严重。设计对旧路面进行病害综合处治后加铺沥青面层，沥青路面结构从上到下为4 cm上面层(SMA-13)+5 cm中面层(AC-20)+9 cm应力吸收层(模量1 000 MPa)+黏层+原水泥砼面板。

4.2 试验段级配方案

采用CAVF法设计粗粒式应力吸收层混合料目标级配，采用GTM法对级配进行验证和优化，最终确定混合料油石比为5.7%，各类集料掺量见表5。取厂拌热料仓内的混合料进行试验，结果表明混合料相关性能指标均达到规范要求，具备大规模摊铺施工条件。

表5 粗粒式应力吸收层的生产级配

4.3 试验段路面性能检测评定

试验路施工完成后，考虑到粗粒式应力吸收层的层位特点，仅对抗渗性能、压实度、层厚等指标进行试验检测。结果如下：1) 检测点的渗水系数均低于10 mL/min，路面整体结构的抗渗能力达到规范要求；2) 压实度均不低于98%，满足规范要求；3) 测点层厚与设计层厚误差在规范要求的合理范围内。

5 结语

采用CAVF法进行粗粒式应力吸收层混合料级配设计，经GTM法优化，确定油石比为5.7%。经有限元模拟分析，推荐粗粒式应力吸收层的最佳设计厚度取9 cm。按上述方案铺筑粗粒式应力吸收层试验段，其各项指标均达到规范要求，能有效改善路面反射裂缝问题。