乳化瀝青冷再生基層瀝青路面病害特征及成因

吳曉春　阮鹿鳴

(1.江西贛粵高速公路股份有限公司　南昌　330025；　2.重慶交通大學土木工程學院　重慶　400074)

乳化瀝青冷再生基層瀝青路面病害特征及成因

吳曉春1阮鹿鳴2

(1.江西贛粵高速公路股份有限公司南昌330025；2.重慶交通大學土木工程學院重慶400074)

摘要為分析乳化瀝青冷再生基層瀝青路面病害特征及成因，文中結合九景高速公路冷再生基層瀝青路面的實際，通過現場走訪調查和鉆心取樣分析其病害特征，并結合理論計算分析了冷再生層結構與材料性能對路面力學結構的影響。結果表明：九景高速公路瀝青路面病害主要表現形式為車轍、縱縫，并有少量的橫縫，車轍與縱縫的產生與冷再生基層強度不足有密切關系；隨著再生層模量的減小，下面層和再生層間的層間最大拉應力會急劇增長，易引起層間出現裂縫，且當下面層與再生層模量比小于1.8時，路面不會出現拉應力；最大剪應力出現在距路表6~7 cm處，且再生層模量越小，路面產生的最大剪應力越大，容易導致路面出現車轍。

關鍵詞瀝青路面再生層模量衰減拉應力剪應力

乳化瀝青冷再生柔性基層由于在混合料中加入部分基質瀝青，使其在車輛荷載作用下具有一定的變形能力，可以有效克服傳統半剛性基層路面結構不相容的問題，減少路面開裂、水損害等病害，增強路面的耐久性。隨著瀝青品質的提高及大中修工程的逐漸增加，乳化瀝青冷再生柔性基層路面越來越多地應用于高速公路中，僅2006~2014年間，江西省已鋪筑乳化瀝青冷再生柔性基層瀝青路面累計達1 060 km。

隨著柔性基層瀝青路面在國內通車年限的增長，其表面也不同程度出現了病害，楊進[1]發現在冷再生層上鋪筑HMA層時會加熱冷再生層，使其進一步被壓密，導致路面病害產生。相較于對半剛性基層瀝青路面病害的深入了解，對柔性基層病害的特征及成因并不明確。因此，依托江西省九景高速公路路面病害處治工程，對乳化瀝青冷再生柔性基層瀝青路面病害特征進行總結，并利用BISAR3.0軟件，分析乳化瀝青冷再生柔性基層模量衰減路面病害成因的影響。

1路面病害特征

1.1　現場走訪調查

九景高速公路路面病害頻發，對交通車輛行駛的舒適性和安全性造成很大的干擾，為了解掌握現階段路面的病害類型、程度，對全線上行及下行雙向進行了走訪調查，并進行統計，結果見表1。

表1　九景高速公路主要病害統計

由表1可見，九景高速公路瀝青路面病害的主要表現形式為車轍、縱縫，并有少量的橫縫，見圖1~圖3。分別占上行段病害總長度的73.3%，25.9%，0.8%，占下行段病害總長度的63.6%，36.0%，0.5%。車轍與縱向裂縫多分布在行車道輪跡帶2側。

圖1行車道輪跡帶車轍圖2行車道輪跡帶縱縫圖3橫縫

1.2　心樣分析

從現場鉆取的心樣中可以發現，縱縫處心樣裂縫自下而上開裂，屬于Bottom-Up裂縫，并且在下面層與再生層層間產生剪切斷裂，見圖4、圖5。經過室內單軸壓縮試驗及劈裂試驗，測得其冷再生層回彈模量在300~600 MPa之間，劈裂強度為0.4~0.6 MPa，表明冷再生層總體的力學性能偏低。當作用車輛荷載時，較低的模量容易對路面結構產生不利影響。

圖4再生層開裂圖5下面層與再生層層間斷裂

2計算方案

2.1　路面結構及參數

為研究冷再生基層瀝青路面縱縫及車轍形成原因，選取九景高速公路典型的路面結構、結構層參數和材料參數，對其進行力學響應分析。由室內試驗發現再生層模量偏低，因此，通過改變再生層模量，分析再生層模量對瀝青面層內所產生的拉應力、剪應力的變化情況，見表2。

表2　路面結構層參數

2.2　荷載模型

按現行瀝青路面設計規范[2]，計算荷載采用標準雙輪軸載100 kN，輪壓為0.7 MPa，輪壓半徑R=10.65 cm。采用殼牌計算軟件BISAR3.0進行計算，假定x為行車方向，y為道路橫斷面方向，z為深度方向，層間接觸視為完全連續，不考慮層間狀態對路面結構的影響。路面荷載分布見圖6，計算點位見圖7。圖7中，點A為輪隙中心，B為荷載中心，C為荷載邊緣。

圖6　路面荷載分布

圖7　計算點位

3結果分析

3.1　再生層模量衰減對拉應力的影響

一般認為，在行車荷載作用下，路面結構層層底產生過大的拉應力是路面產生疲勞開裂的主要原因之一。相關研究表明，在垂直荷載作用下結構層層底水平拉應力最大值的位置一般在輪載中心附近的位置。因此，以輪載中心(點A)作為計算位置，計算標準軸載作用下再生層模量衰減對拉應力的影響。圖8給出了再生層模量對拉應力的影響。

a)下面層模量2 800 MPab)下面層模量2 200 MPac)下面層模量1 600 MPa

圖8再生層模量對拉應力的影響

由圖8可見：①最大拉應力隨再生層模量的減小而增大。當下面層模量分別為2 800，2 200，1 600 MPa時，隨著再生層模量從2 400 MPa減小到300 MPa，最大拉應力分別增加833，460，293%。表明隨著再生層模量的減小，下面層和再生層的層間最大拉應力會急劇增長，更容易引起層間開裂，出現裂縫；②下面層和再生層層間出現拉應力突變現象，且下面層與再生層模量比越大，突變越劇烈。分析其原因認為：當下面層和再生層模量比較小時，可將其視為整體，拉應力傳遞比較連續；模量比過大時，應力傳遞不連續導致拉應力急劇減小，在層間出現應力突變，會在下面層底部產生較大的拉應力。

圖9表示輪載中心處下面層和再生層的模量比與最大拉應力的關系。

圖9　模量比-最大拉應力關系圖

由圖9可見，隨著模量比的增長，最大拉應力呈二次多項式型增長，且模量比小于1.8時不會出現拉應力。

3.2　再生層模量衰減對剪應力的影響

考慮到剪切變形是失穩型車轍的主要原因，表明剪應力的大小對車轍的產生是至關重要的，因此有必要對路面內的剪應力進行分析[3]。相關研究表明[4]，在垂直車輛荷載作用下，最大剪應力一般出現在兩側輪胎邊緣附近，由邊緣最大值處向接觸區域中心和遠離接觸區域的方向逐漸減小。因此，以輪緣處(點D)作為計算位置，計算標準軸載作用下再生層模量衰減對剪應力的影響。圖10給出了再生層模量對剪應力的影響。

a)下面層模量2 800 MPab)下面層模量2 200 MPac)下面層模量1 600 MPa

圖10再生層模量對剪應力的影響

由圖10可見：①最大剪應力隨再生層模量的減小而增大，出現在距路表6~7 cm處，與申愛琴[5]，楊群[6]的結論一致，且出現位置不隨再生層模量的變化而變化;②隨著深度的增加，剪應力呈先增大后減小的變化趨勢，且再生層模量越小，剪應力減小幅度越大；③當下面層模量分別為2 800，2 200，1 600 MPa時，隨著再生層模量從2 400 MPa減小到300 MPa，最大剪應力為34.7%,34.3%,35.3%。可見再生層模量越小，路面產生的最大剪應力越大，容易導致路面出現車轍。

4結論

(1) 九景高速公路乳化瀝青冷再生基層瀝青路面結構的主要病害形式為車轍、縱縫，并有少量的橫縫，車轍與縱縫的產生與冷再生基層強度不足有密切關系。

(2) 隨著再生層模量的減小，下面層和再生層的層間最大拉應力會急劇增長，引起層間開裂，出現裂縫。當下面層與再生層模量比小于1.8時，路面不會出現拉應力。

(3) 層間結合處固然是抗剪薄弱環節，但是從計算結果來看，面層內的最大剪應力并不位于層間結合處，而是出現在距路表6~7 cm處。且再生層模量越小，路面產生的最大剪應力越大，容易導致路面出現車轍。

參考文獻

[1]楊進.考慮季節變化的乳化瀝青冷再生混合料室內試驗方法研究[J].交通科技，2012,252(3):102-104.

[2]JTG D50-2006公路瀝青路面設計規范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[3]從志敏，鄒曉翎，龔紅仁.重載對瀝青路面車轍及疲勞壽命的影響[J].武漢理工大學學報，2013，35(4)：54-58.

[4]呂光印.柔性基層瀝青路面Top-Down開裂機理研究[D].西安：長安大學，2008.

[5]申愛琴，張艷紅，郭寅川，等.三類瀝青路面結構力學響應的對比分析[J].長安大學學報：自然科學版，2009，29(4)：1-7.

[6]楊群，黃曉明.基層模量對路面性能的影響分析[J].東南大學學報：自然科學版，2001，31(4)：81-83.

收稿日期：2015-09-17

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.027