泡沫瀝青冷再生路面合理結構厚度研究

應榮華 侯昭光

(長沙理工大學交通運輸工程學院 長沙 410004)

泡沫瀝青再生路面[1]因其具有柔性、耐疲勞,且再生混合料存放時間較長,施工受季節和氣候影響小等優點在道路維修養護中得到了廣泛的關注.采用泡沫瀝青再生基層使原來的路面結構成為柔性基層結構,路面結構由瀝青路面(磨耗層)、泡沫瀝青冷再生層、剩余路面結構層(包括原有路面的部分基層、底基層、墊層和路基)等多層結構組成.冷再生路面合理結構厚度的確定,既要考慮交通等級、經濟社會效益和施工可操作性[2],更要重視路面整體剛度和強度、再生層承載能力和疲勞損壞等結構特性.本文擬定了27種典型的冷再生路面厚度組合,通過路表彎沉、再生層承載能力和疲勞壽命分析,結合工程實踐,提出了不同交通等級下泡沫瀝青冷再生路面的合理結構厚度,為實際應用提供參考.

1 路面力學參數的確定

冷再生路面結構中瀝青層主要起恢復表面功能的作用,作為磨耗層,因此瀝青層厚度不宜過厚,一般為4～10 cm(當厚為10 cm,一般要分2層鋪筑,計算中仍按1層考慮);冷再生層應具有足夠的強度和穩定性,主要起承重和抗疲勞的作用,再生厚度既要考慮結構力學特性,又要顧及施工的可操作性,厚度宜為15～25 cm;下承層應具有良好的承載能力,根據國內再生實體工程的調查取值范圍為150～250 MPa.計算中采用3層結構體系,結構層與參數取值見表1.在進行冷再生路面結構組合設計時,各結構層應按強度和剛度自上而下遞減的規律安排,以使各結構層材料的效能得到充分發揮.冷再生路面結構層的層數愈多愈能體現強度和剛度沿深度遞減的規律.但就施工工藝、材料規格和強度形成原理而言,層數又不宜過多,也就是不能使結構層的厚度過小.瀝青路面相鄰結構層材料的模量比對路面結構的應力分布有顯著影響,是合理確定結構層層數,選定適宜結構層材料的重要考慮因素.根據分析和經驗,基層與面層的模量比應不小于0.3,土基與基層或底基層的模量比宜為0.08～0.40.分析中按照上述原則確定的27種典型的冷再生路面厚度組合見表2.

表1 結構組成與計算參數

表2 典型的冷再生路面厚度組合

2 再生路面承載力與使用壽命分析

2.1 計算軟件介紹

計算荷載采用標準雙輪軸載BZZ-100 kN,胎壓0.7 MPa,輪壓半徑R=10.65 cm,雙圓中心距為15.975cm,計算點位于雙圓荷載中心向下冷再生層層底[5].

圖1 受力分析模型

2.2 路表彎沉與冷再生層承載能力分析

利用BISAR3.0計算路面結構路表彎沉和內應力,不同路面厚度組合下路表彎沉和冷再生層層底拉應力計算結果見表3,不同厚度組合下路表彎沉和再生層層底拉應力隨下承層強度的變化趨勢如圖2,3(以面層厚度為4 cm和基層厚度為15 cm的厚度組合為例)所示.

由表3和圖2可知：對于所有路面厚度組合,路表彎沉隨下承層強度的變化趨勢是相同的,即路表彎沉隨下承層強度的增加而減小,且影響顯著,當下承層強度為250 MPa時,路表彎沉大大減小;在瀝青面層厚度相同的情況下,路表彎沉隨再生層厚度的增加而明顯下降,當再生層厚度為15 cm時,路表彎沉將達到較大值,路面整體剛度大大降低;在再生層厚度相同的情況下,路表彎沉隨瀝青磨耗層厚度的增加而減小,當瀝青磨耗層厚度達到10 cm時,路表彎沉值較小,路面的整體強度和路用性能得到很好的改善.

由表3和圖3可知,對于所有路面結構,再生層層底拉應力隨下承層強度的變化趨勢是相同的,即再生層層底拉應力隨下承層強度的增加而減小,且影響顯著,當下承層強度為150 MPa時,再生層層底拉應力增加;在瀝青面層厚度相同的情況下,再生層層底拉應力隨再生層厚度的增加而明顯下降,當再生層厚度為15cm時,再生層層底拉應力將達到較大值,路用性能將會顯著降低;在再生層厚度相同的情況下,再生層層底拉應力隨瀝青磨耗層厚度的增加而減小,但影響幅度沒有再生層厚度增加帶來的影響幅度大.

表3 不同路面厚度組合下路表彎沉和冷再生層層底拉應力計算結果

圖2 不同厚度組合下路表彎沉隨下承層強度的變化趨勢

圖3 不同厚度組合下再生層層底拉應力隨下承層強度的變化趨勢

因此,泡沫瀝青冷再生路面的下承層強度對改建后路面的使用性能起決定性作用;再生層厚度和瀝青磨耗層厚度顯著影響路面的使用壽命,在經濟允許的條件下,增加再生層厚度和瀝青磨耗層厚度,能顯著的提高路面的長期使用壽命.

2.3 使用壽命分析

2.3.1 基于路表彎沉的路面使用壽命分析 文獻[7]中規定的設計彎沉計算公式

式中：Ac為公路等級系數,計算中取Ac=1.0;As為面層類型系數,瀝青混凝土路面取1.0;Ab為路面結構類型系數,泡沫瀝青冷再生柔性基層瀝青路面取1.6.

隨著我國經濟水平的不斷發展，農村居民生活水平也得到了顯著提升，農村居民在消費不再僅限于物質方面的消費，對文化消費也提出了較高的要求。以河北農村為例進行分析發展，當下農村文化消費水平較低，消費形式較為單一，因此需要大力改善當前不健康的文化消費現狀，推動農村文化消費水平，促進鄉村旅游業的發展。

則式(1)可寫為

變換的當量軸次的換算公式為

2.3.2 基于冷再生層層底拉應力的疲勞壽命分析 文獻[6]中提供的容許拉應力計算公式計算冷再生混合料的容許拉應力

泡沫瀝青冷再生混合料15℃時的極限劈裂強度參照文獻[7]中的規定取0.7 MPa;通過大量的室內試驗數據建立泡沫瀝青冷再生混合料室內疲勞方程,通過修正,可確定泡沫瀝青冷再生層的抗拉強度結構系數,根據同濟大學對泡沫瀝青冷再生混合料疲勞性能的研究成果[8],按下式計算

式中：Ac為公路等級系數,高速公路、一級公路為1.0,二級公路為1.1,三、四級公路為1.2.

計算中取Ac=1.0,變換的當量軸次的換算公式為

2.3.3 使用壽命計算與分析 根據路表彎沉和冷再生層層底拉應力計算冷再生路面的使用壽命,計算結果見表4.

疲勞壽命計算結果表明：按照路表彎沉計算得到的路面使用壽命大于按照冷再生層層底拉應力計算所得的路面疲勞壽命,因此冷再生路面合理厚度應按照基于冷再生層底拉應力的疲勞壽命來確定.分析基于冷再生層層底拉應力的路面疲勞壽命可知：結構類型1的疲勞壽命小于3× 106,結構類型2,3,4,5,6,7,8,10,11,12,13,14, 16,19,20,22十六種路面結構的疲勞壽命介于3 ×106～1.2×107之間,結構類型9,15,17,18, 21,23,24,25,26九種路面結構的疲勞壽命介于1.2×107～2.5×107,結構類型27的疲勞壽命大于2.5×107.

3 冷再生路面合理結構厚度的確定

冷再生路面瀝青層主要起功能性磨耗層作用,而冷再生層為主要的結構性承重層,因此冷再生路面疲勞壽命的劃分可參照文獻[6]關于交通等級(見表5)的規定.

表4 不同路面厚度組合的使用壽命計算結果

表5 交通等級

由我國交通等級的規定和冷再生層的疲勞壽命計算結果可知：

1)結構類型1適用于輕交通狀況,面層厚度宜為4 cm,再生層厚度＞15 cm,下承層強度＞150 MPa,但考慮到輕交通一般為三、四級或等外公路,從經濟型出發,瀝青磨耗層厚度可適當減薄,且再生層厚度不宜大于20 cm.

2)結構類型2,3,4,5,6,7,8,10,11,12,13, 14,16,19,20,22適用于中等交通狀況,面層厚度≥4 cm,再生層厚度變化范圍為15～25 cm,下承層強度≥150 MPa.適用于中等交通的路面結構比較多,從側面反映出泡沫瀝青冷再生技術在二級公路的維修改造中更具優勢,廣東佛山官西線二級公路的維修改造采用了泡沫瀝青冷再生,路面結構型式采用結構類型4,從試驗路的使用情況來看,再生效果良好,路面承載能力和路用性能得到了很大的提高.

3)結構類型9,15,17,18,21,23,24,25,26適用于重交通狀況,面層厚度基本上大于6 cm,再生層厚度變化范圍為20～25 cm,下承層強度≥200 MPa.工程實踐表明,瀝青磨耗層厚度不宜小于6 cm,并在經濟允許的條件下應加厚;在瀝青磨耗層厚度增加的情況下,再生層厚度可適當減薄.

4)結構類型27適用于特重交通狀況,瀝青磨耗層厚度≥10 cm,再生層厚度≥25 cm,下承層強度≥250 MPa.瀝青磨耗層厚度增加的情況下再生層厚度可適當減薄,從施工的難易程度和可操作性出發,冷再生厚度不宜大于30 cm.

綜上所述,推薦的泡沫瀝青冷再生路面合理結構厚度如表6.

表6 泡沫瀝青冷再生路面合理結構厚度

4 結 論

1)路表彎沉分析表明,路表彎沉隨下承層強度的增加而顯著減小;在瀝青面層厚度相同的情況下,路表彎沉隨再生層厚度的增加而明顯下降;在再生層厚度相同的情況下,路表彎沉隨瀝青磨耗層厚度的增加而減小.

2)再生層承載能力分析表明,再生層層底拉應力隨下承層強度的增加而顯著減小;在瀝青面層厚度相同的情況下,再生層層底拉應力隨再生層厚度的增加而明顯下降;在再生層厚度相同的情況下,再生層層底拉應力隨瀝青磨耗層厚度的增加而減小.

3)疲勞壽命分析表明,基于路表彎沉的路面使用壽命大于基于冷再生層層底拉應力的路面疲勞壽命,因此對于泡沫瀝青冷再生柔性基層路面合理結構厚度的確定應以冷再生層底拉應力為分析指標.

4)通過各種冷再生典型路面厚度組合下路面的疲勞壽命分析,結合我國規范對交通等級的規定和實踐經驗確定了不同交通等級下冷再生路面的合理結構厚度,以便為工程實踐提供參考,推動冷再生技術在我國的應用.

[1]拾方治,馬衛民.瀝青路面再生技術手冊[M].北京：人民交通出版社,2006.

[2]維特根公司.維特根冷再生手冊[M].2版.廣州：維特根公司,2001.

[3]沈金安.國外瀝青路面設計方法總匯[M].北京：人民交通出版社,2004.

[4]黃仰賢.路面分析與設計[M].北京：人民交出版社, 1998.

[5]孫立軍.瀝青路面結構行為理論[M].北京：人民交通出社,2005.

[6]中交公路規劃設計院.JTJ D50-2006公路瀝青路面設計規范[S].北京：人民交通出版社,2006.

[7]交通部公路科學研究院.JTG F41-2008公路瀝青路面再生技術規范[S].北京：人民交通出版社,2008.

[8]潘學政,拾方治.泡沫瀝青冷再生混合料疲勞性能的探討[J].公路交通科技.2007,24(8)：19-22.