橋面鋪裝瀝青混合料的技術(shù)性能與標(biāo)準(zhǔn)研究

王亞玲，范鵬云，辛 強(qiáng)，蔣興法，楊 坤

（1.長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.赤承高速公路建設(shè)項(xiàng)目管理辦公室，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；3.內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

目前我國(guó)高速公路發(fā)展很快，高架橋多，橋面鋪裝大多采用和路面一樣標(biāo)準(zhǔn)的瀝青混凝土。橋面鋪裝層直接承受行車荷載、梁體變形和環(huán)境因素的作用，與路面上的瀝青混凝土受力作用不同，各自的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求應(yīng)該也不一樣。尤其近年來(lái)，橋面鋪裝過(guò)早的破壞，引起人們對(duì)因橋面鋪裝問(wèn)題造成的直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失給予了足夠的重視。橋面鋪裝的早期損壞已成為影響高速公路使用功能發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害[1]。因此，應(yīng)加快對(duì)橋面鋪裝瀝青混凝土技術(shù)性能與標(biāo)準(zhǔn)精細(xì)化技術(shù)研究。本文將通過(guò)建立水泥混凝土橋?yàn)r青混凝土鋪裝層結(jié)構(gòu)和普通瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體有限元模型，對(duì)橋面瀝青混凝土鋪裝與路面應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，以及瀝青混合料技術(shù)性能的研究，提出適宜橋面鋪裝瀝青混合料的技術(shù)性能與標(biāo)準(zhǔn)。

1 模型建立及參數(shù)選擇

1.1 有限元分析模型選擇

計(jì)算分析中，采用基于ANSYS有限元分析軟件建立的空間實(shí)體模型。對(duì)于橋面結(jié)構(gòu)模型，瀝青混凝土鋪裝層和橋面防水粘結(jié)層采用20節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元SOLID95，以更好地模擬實(shí)際受力情況；其余部分均采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID45模擬。對(duì)于路面結(jié)構(gòu)模型，瀝青混凝土鋪裝面層采用20節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元SOLID95模擬，其他結(jié)構(gòu)層均采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID45模擬。邊界條件均為：底面上沒(méi)有z方向位移，左右兩面沒(méi)有x方向位移，前后兩側(cè)沒(méi)有y方向位移。層間連續(xù)接觸時(shí)采用耦合處理（上、下對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位移一致）[2-3]。

1.2 基本參數(shù)

根據(jù)依托工程的實(shí)際情況及《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）車輛荷載采用標(biāo)準(zhǔn)車型BZZ—100，軸重100kN，輪壓為0.7MPa，雙輪間距28.9cm。為方便有限元計(jì)算分析，按面積等效的原則將雙輪荷載轉(zhuǎn)換為正方形，車輪與路面的接觸面理想化為18.9cm×18.9cm的正方形，接觸面積為357.21cm2。計(jì)算中水平荷載與垂直荷載同時(shí)考慮，其中水平荷載是通過(guò)垂直荷載乘以車輪與路面間的摩擦系數(shù)f得到，根據(jù)已有研究成果，f＝0.2時(shí)表示緩慢制動(dòng)，適用于停車場(chǎng)、交叉口等緩慢制動(dòng)處；f＝0.5時(shí)表示緊急制動(dòng)，適用于正常路段，故在計(jì)算中取f＝0.5[4]。

瀝青混凝土鋪裝層以AC表示，水泥混凝土鋪裝層以PCC表示，橋面瀝青混凝土鋪裝層分為上、下兩層，路面面層結(jié)構(gòu)層分為上、中、下三層。瀝青混凝土面層、具體橋面結(jié)構(gòu)形式和路面結(jié)構(gòu)形式及材料參數(shù)見(jiàn)表1、表2，有限元模型見(jiàn)圖1、圖2。

表1 橋面結(jié)構(gòu)尺寸及材料參數(shù)

表2 路面結(jié)構(gòu)尺寸及材料參數(shù)

圖1 橋面有限元實(shí)體模型

圖2 路面有限元實(shí)體模型

2 橋面鋪裝結(jié)構(gòu)與路面鋪裝結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)比較

通過(guò)計(jì)算，可得到橋面瀝青混凝土鋪裝層和路面瀝青混凝土鋪裝層的應(yīng)力狀態(tài)云圖（如圖3和圖4所示）和應(yīng)力值大小（如表3所示）。

圖3 橋面應(yīng)力狀態(tài)

圖4 路面應(yīng)力狀態(tài)

表3 橋面與路面應(yīng)力值比較

由計(jì)算結(jié)果可知，橋面瀝青混凝土鋪裝層的應(yīng)力狀態(tài)要明顯高于路面瀝青混凝土面層，然而我國(guó)現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)只有統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，橋面鋪裝采用和路面一樣標(biāo)準(zhǔn)的瀝青混凝土，顯然存在不合理性。因此有必要制定橋面瀝青混凝土鋪裝層的技術(shù)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)。

3 瀝青混合料添加劑性能分析

通常在橋面鋪裝設(shè)計(jì)施工中都會(huì)在瀝青混合料中加入添加劑以提高橋面鋪裝層的結(jié)構(gòu)性能，本文選擇聚丙烯抗裂纖維和PRCR兩種添加劑作為研究對(duì)象。聚丙烯纖維添加量為瀝青混合料的0.3%，PRCR添加劑的添加量為瀝青混合料的0.4%。

3.1 瀝青混合料配合比（如表4所示）

表4 瀝青混合料礦料合成級(jí)配

3.2 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)[6]

對(duì)添加0.3%聚丙烯纖維和0.4%PRCR添加劑的瀝青混合料分別進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)

3.3 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)[3]

試驗(yàn)環(huán)境及操作試驗(yàn)均嚴(yán)格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（T0729、T0719、T0715）的要求進(jìn)行，結(jié)果見(jiàn)表6～表8。

表6 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)

表7 高溫穩(wěn)定性車轍試驗(yàn)

表8 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，可知含有添加劑的瀝青混合料性能要明顯高于目前的統(tǒng)一規(guī)范所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，其中PRCR添加劑更是大幅度提高了瀝青混合料的各項(xiàng)指標(biāo)。

4 橋面鋪裝瀝青混合料的技術(shù)性能與標(biāo)準(zhǔn)推薦

通過(guò)有限元軟件ANSYS計(jì)算結(jié)果可知橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值要高于路面面層結(jié)構(gòu)應(yīng)力值50%左右，技術(shù)要求也應(yīng)該要高于路面的技術(shù)要求。因此建議橋面鋪裝宜采用改性瀝青作為鋪裝層結(jié)合料，同時(shí)選擇高性能添加劑使瀝青混合料的性能得到大幅度提高，以滿足橋面鋪裝層高應(yīng)力的要求。綜合以上研究結(jié)果，橋面鋪裝瀝青混合料的推薦技術(shù)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)推薦如表9～表11[6]所示。

表9 橋面鋪裝瀝青混合料車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)要求

表10 橋面鋪裝瀝青混合料低溫抗裂性技術(shù)要求

表11 橋面鋪裝瀝青混合料水穩(wěn)定性技術(shù)要求

5 結(jié)論

通過(guò)以上探討，本文得到如下結(jié)論：

a）運(yùn)用有限元軟件ANSYS分別建立水泥混凝土橋?yàn)r青混凝土鋪裝層結(jié)構(gòu)和瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型，通過(guò)橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)與路面面層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)比研究，結(jié)果表明：橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)的最大拉拔力σmax和最大剪應(yīng)力τmax分別要高于路面面層結(jié)構(gòu)56.1%和45.5%；

b）通過(guò)進(jìn)行瀝青混合料添加劑的相關(guān)試驗(yàn)，得知含有添加劑的瀝青混合料性能要明顯的高于目前規(guī)范所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，其中PRCR添加劑更是大幅度提高了瀝青混合料的各項(xiàng)性能指標(biāo)；

c）針對(duì)橋面鋪裝層存在的高應(yīng)力，以及添加劑對(duì)瀝青混合料各項(xiàng)性能的大幅度的提高，提出了橋面鋪裝瀝青混合料的推薦技術(shù)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)。

[1]崔巖.柔性橋面鋪裝層早期病害分析[J].公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2009，（11）：27-28.

[2]王建江，胡仁喜，劉英林.ANSYS11.0結(jié)構(gòu)域熱力學(xué)有限元分析實(shí)力指導(dǎo)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]陳寶，吳德軍，劉嶄.瀝青路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，（6）：21-22.

[4]朱照宏，許志鴻.柔性路面設(shè)計(jì)理論與方法[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1987.

[5]張占軍，胡長(zhǎng)順.水泥混凝土橋面瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2001，14（1）：56-29.

[6]鄧學(xué)鈞，黃曉明.路面設(shè)計(jì)原理與方法[M].北京：人民交通出版社，2001.

[7]JTG F40—2004，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].