粗粒式應力吸收層在半剛性基層瀝青路面中的應用研究

陳汝筠

(長沙市公路橋梁建設有限責任公司，湖南 長沙 410007)

路面工程施工實踐表明，在瀝青加鋪面層以下或半剛性路面基層以上增設應力吸收層，能有效控制反射開裂病害。針對砂粒式基層的性能劣勢，該文提出一種粗粒式應力吸收層混合料設計方案，以增強對瀝青路面反射開裂病害的控制能力。

1 原材料性能要求

考慮到瀝青混合料整體性能、質量受各原材料單項性能及級配設計質量的影響顯著，對原材料性能進行必要檢測，同時為混合料級配設計提供基礎數據。

(1) 集料。所選集料為花崗巖，其硬度、表面粗糙度及清潔度滿足規范要求。

(2) 礦粉。為增強集料與瀝青基質間的黏結性能，添加一定比例堿性礦粉。選擇石灰巖礦粉作為填料，其性能指標符合規范要求。

(3) 瀝青。為滿足粗粒式應力吸收結構層瀝青混合料的高黏性要求，對普通基質瀝青進行高黏改性，使混合料具備較高的塑性和強度。

2 粗粒式應力吸收層混合料級配設計

2.1 混合料級配設計方案

瀝青混合料級配常用設計方法有Superpave法、《公路瀝青路面施工技術規范》中設計方法、CAVF法，其中CAVF法強調粗集料之間的嵌擠作用，粗集料充當骨架，細集料填充骨架空隙，二者共同構成骨架密實結構。

采用半經驗半理論法確定試驗油石比，分別為5.0%、5.5%、6.0%、6.5%，采用CAVF法設計不同油石比混合料級配方案(見表1)。

表1 不同油石比混合料級配設計方案

2.2 最佳級配方案確定

采用高溫穩定性、水穩定性、抗車轍性能及抗裂性能等指標，對表1所示粗粒式應力吸收層混合料級配方案進行對比分析，選擇最佳級配方案。分別通過標準馬歇爾試驗、車轍試驗、浸水馬歇爾試驗、小梁抗彎試驗評價瀝青混合料的高溫穩定性、水穩定性、抗車轍性能、低溫抗裂性能，試驗結果表明4種級配混合料的性能指標均滿足規范要求。對4種級配混合料進行謝倫堡瀝青析漏試驗，油石比超過6.5%時，析漏損失不斷增大，施工和易性不達標。兼顧施工和易性與混合料黏性二者的平衡關系，經多指標橫向對比，油石比為6.0%時，混合料施工和易性、高溫穩定性、水穩定性、抗車轍性能及抗裂性能等指標均滿足規范要求，故選定級配3(油石比為6.0%)作為推薦方案。

2.3 基于GTM法的合理級配確定及論證

馬歇爾試驗對公路交通量的劃定標準較籠統，分為輕量、中量和重量三等，與目前復雜的交通構成和路面狀況不匹配。而GTM法在模擬路面實際工況方面具有明顯優勢，故采用GTM法對粗粒式應力吸收層混合料級配3進行驗證。

采用級配3，以0.3%為步長設置5個油石比，分別為4.8%、5.1%、5.4%、5.7%、6.0%，制作試件進行GTM試驗，試驗結果見表2。

表2 GTM試件體積參數及試驗結果

由表2可知：油石比為5.7%時，旋轉穩定系數為1.02；油石比大于5.7%時，旋轉穩定系數增速加快，說明試件的塑性變形過大；旋轉剪切系數隨油石比增加呈先增大后降低的趨勢，增降分界點對應的油石比為5.7%。綜合考慮各因素，經GTM法優化后的粗粒式應力吸收層混合料的最佳油石比為5.7%。

以GTM法、GAVF法分別確定的最佳油石比和最佳級配為基準拌制改性瀝青混合料，對其各項性能進行試驗論證，試驗結果表明兩者的高溫穩定性、水穩定性、抗車轍性能及抗裂性能等指標均滿足規范要求，采用GTM法加工成型的試件的骨架密實度更高，且具有優異的路用性能。

3 粗粒式應力吸收層有限元分析

3.1 有限元模型建立

采用ABAQUS軟件分析不同厚度下粗粒式應力吸收層的應力響應。建模時作如下基本假定：1) 結構整體均勻連續，材料各向同性、處于完全彈性范圍；2) 結構模型中央布置雙向正交構造縫，縫寬5 mm；3) 結構模型尺寸為長×寬×厚=10.00 m×8.50 m×4.82 m；4) 結構層的所有變形均協調，不考慮滑移。

模型的邊界條件為豎向及表面位移自由，底部剛性約束。模型中路面結構及材料參數見表3。為簡化計算，認為輪胎胎面與地面有效接觸區域為正方形，接觸面參數為189 mm×189 mm。圖1為粗粒式應力吸收層有限元分析模型。

表3 路面結構模型尺寸及材料參數

圖1 粗粒式應力吸收層有限元分析模型

3.2 不同厚度下應力分析

路面結構設計方案為4 cm上面層(SMA-13)+5 cm中面層(AC-20)+應力吸收層。采用上述有限元模型分析不同厚度下粗粒式應力吸收層的應力響應，確定最佳層厚，分析結果見表4。

表4 粗粒式應力吸收層有限元分析結果

由表4可知：隨著粗粒式應力吸收層厚度的增大，應力吸收層的拉應力極值和剪應力極值逐步減小，應力吸收層厚度達9 cm后，下降趨勢減緩。統籌路用性能和經濟性兩大因素，推薦應力吸收層厚度取為9 cm。

4 粗粒式應力吸收層的應用

4.1 工程概況

某高速公路的交通量常年處于高位。取其中一段作為試驗段，試驗路段長2 km、寬24.5 m，該路段水泥混凝土路面裂縫、錯臺嚴重。設計對舊路面進行病害綜合處治后加鋪瀝青面層，瀝青路面結構從上到下為4 cm上面層(SMA-13)+5 cm中面層(AC-20)+9 cm應力吸收層(模量1 000 MPa)+黏層+原水泥砼面板。

4.2 試驗段級配方案

采用CAVF法設計粗粒式應力吸收層混合料目標級配，采用GTM法對級配進行驗證和優化，最終確定混合料油石比為5.7%，各類集料摻量見表5。取廠拌熱料倉內的混合料進行試驗，結果表明混合料相關性能指標均達到規范要求，具備大規模攤鋪施工條件。

表5 粗粒式應力吸收層的生產級配

4.3 試驗段路面性能檢測評定

試驗路施工完成后，考慮到粗粒式應力吸收層的層位特點，僅對抗滲性能、壓實度、層厚等指標進行試驗檢測。結果如下：1) 檢測點的滲水系數均低于10 mL/min，路面整體結構的抗滲能力達到規范要求；2) 壓實度均不低于98%，滿足規范要求；3) 測點層厚與設計層厚誤差在規范要求的合理范圍內。

5 結語

采用CAVF法進行粗粒式應力吸收層混合料級配設計，經GTM法優化，確定油石比為5.7%。經有限元模擬分析，推薦粗粒式應力吸收層的最佳設計厚度取9 cm。按上述方案鋪筑粗粒式應力吸收層試驗段，其各項指標均達到規范要求，能有效改善路面反射裂縫問題。