乳化瀝青冷再生復合基層抗裂性研究

廖巍崴，張海濤，劉浩翔，湯 勝，李振霞，王選倉

（1.中交第三公路工程局有限公司，北京 100102；2.長安大學公路學院，陜西西安 710064）

引言

乳化瀝青冷再生基層施工完成后，隨著道路養護的進行，混合料中乳化瀝青含有的水分水泥發生水化反應逐漸消耗并放熱，促進了乳化瀝青的破乳過程，形成附著于部分RAP 顆粒表面的有效瀝青薄膜，促進冷再生混合料的強度增長[1-2]。但由于乳化瀝青冷再生混合料是由乳化瀝青、舊路回收材料和水泥等多種材料組成，與熱拌瀝青混合料相比，各類材料界面間結合不緊密，材料孔隙率較大，使得其結構松散，初期強度較低，若未在冬季進行覆蓋養護，在行車荷載和水分凍融影響下，冷再生路面容易出現縱、橫裂縫，松散等病害[3]。

針對乳化瀝青冷再生基層容易產生溫縮及干縮裂縫的問題[4]，可參考復合基層思想，在冷再生基層上設置柔性基層。在冷再生基層上加鋪柔性基層可以改善路面溫度狀況，延緩冷再生基層裂縫的發育速度，改善瀝青面層與再生基層的接觸狀況[5-7]，提高瀝青路面結構使用性能與路面使用壽命，有效防治反射裂縫產生。本文通過ANSYS 有限元軟件對復合基層柔性基層精細化建模，并對其改善后冷再生瀝青混合料抗裂性進行力學分析，并通過實際工程進行驗證。

1 路面結構假設及參數設定

1.1 計算模型

為盡量保證結果與實際情況相吻合，利用有限元建立路面模型并設定相關參數時，路面結構模型尺寸設為3.75 m×3.75 m×4 m 立方體，各結構層由8 節點三維實體單元組成。依照設計規范提出的低溫抗裂公式計算面層低溫開裂指數：有ATB-25 的路面結構面層低溫開裂指數為3.0，與無ATB-25 的面層低溫開裂指數為3.31 相比，設置ATB 層可增加10%以上的抗裂性。建立路面結構模型見圖1。

圖1 路面結構空間三維模型

1.2 計算參數

采用BZZ-100 行車荷載，輪胎內壓為0.7 MPa，每個輪壓作用于18.9 cm×18.9 cm 的范圍內，雙輪間距為32 cm，兩側輪隙間距為1.82 m。通過分析計算比較，對柔性基層最不利的位置為：車輪荷載作用在接縫一側沿車道中軸對稱布置。柔性基層的厚度為13 cm，彈性模量為1 000 MPa。

2 模型建立

利用ANASYS 有限元軟件，對各路面結構層進行離散化。為著重關注應力集中點，特別對裂縫及其附近的網格進行了網格加密處理，選取的裂縫處最小單元邊長為0.005 m。

3 數值模擬分析

3.1 ATB 模量對荷載應力的影響分析

相關研究發現，柔性基層勁度模量的變化對基層中產生的應力與應變有較大影響。現將勁度模量從600 MPa 增至1 400 MPa，每增加200 MPa 對裂縫處荷載進行一次力學響應計算。分析計算結果見表1。

表1 柔性基層模量對瀝青面層應力影響

分析模量的變化對瀝青路面結構應力產生的影響，由表1 可得，隨著柔性基層模量的增大，σe及τmax在一定程度上有所減小。在保證其他條件相同條件下，柔性基層模量從600 MPa 變化到1 400 MPa時，σe及τmax分別為1.293 MPa、0.904 MPa 和1.272 MPa、0.898 MPa，σe及τmax分別減少了1.62%及0.66%。從上表分析得出，整體的變化趨勢先迅速下降，后趨向平緩。當采用的模量小于1 000 MPa 時，隨著模量的增大，對減少σe及τmax的效果越為明顯。但當模量繼續增長，σe及τmax的下降趨勢減緩。當柔性基層模量從600 MPa 增加至1 000 MPa，σe下降幅度為1.16%，當柔性基層模量繼續增加至1 400MPa，σe僅減小0.46%，因此，在一定模量范圍內，提高柔性層模量對降低復合基層結構中應力有利。

3.2 厚度對荷載應力的影響分析

相關研究表明，復合基層中柔性基層的厚度越大，裂縫反射到上層路面結構的試件越長，對防治反射裂縫具有較好的效果。現將柔性基層厚度取為8 cm、10 cm、13 cm、16 cm、18 cm，分析不同厚度情況下應力的變化。結果見表2。

表2 柔性基層厚度對瀝青面層應力的影響

由表2 可知，隨著厚度的增加，所產生的σe及τmax逐漸減小。當柔性基層厚度從8 cm 變化到18 cm，σe、τmax分別下降20.6%和15.3%，表明隨著柔性基層厚度的增加，瀝青面層的產生的應力逐漸減小。通過提高柔性基層模量與增加柔性基層厚度相比，兩者均能起到減小瀝青面層的應力的效果，但增加柔性基層厚度的效果較明顯。當柔性基層厚度在8 cm 至13 cm 時，每增加1 cm，σe減少2.9%，當基層厚度從13 cm 增至18 cm，每增加1 cm，σe僅減少1.2%，因此當厚度增加到一定數值時，瀝青面層應力的消減幅度逐步趨向于穩定。同時考慮現場施工等原因，當設置的柔性基層厚度達到一定數值時，應配合其他防裂措施以取得良好的效果。

4 依托的工程

4.1 依托工程概況

本文所依托的工程為內蒙某21 世紀初建設的重要公路，隨交通強度的逐漸增加，該公路已經不能滿足經濟交通發展的需求。為了盡快提高通行能力，滿足地方發展需要，該公路的部分路段的擴容改建工程采用廠拌冷再生技術進行。項目復工巡查過程中發現水穩下基層與乳化瀝青冷再生上基層出現大面積縱向與橫向裂縫。通過對開裂松散段落鉆芯取樣檢測，乳化瀝青廠拌冷再生上基層產生不同程度、垂直于道路中線的橫向裂縫及與道路大致平行的縱向裂縫且在裂縫周圍有少量支縫產生；縱向裂縫距路邊距離約為5 m，縱、橫向裂縫分布相對均勻，基本呈5～6 m 的正方形板塊狀，裂縫最大寬度約為3 mm。乳化瀝青冷再生部分段落表層松散。

4.2 試驗工程處治方案

針對上節提出的復合基層，對試驗工程出現病害可采取的幾種處治方案如下：

（1） 設置柔性層作為安全儲備防裂層，可有效提高冷再生路面結構的抗裂性。

（2） 改善級配，降低空隙率，進而降低其吸水性，水分自然蒸發周期變短，在冬季產生凍脹的可能性降低，從而降低路面出現松散病害的機率。

原配合比及設計級配見表3 及表4。

表3 設計配合比

表4 設計級配各篩孔通過率

其中設計乳化瀝青用量為4.0%，水泥用量為1.5%，水用量為3.0%。在最佳瀝青用量下測得乳化瀝青冷再生混合料旋轉壓實試驗指標如下：空隙率為10.0%，劈裂強度為0.56 Mpa，干濕劈裂強度比為99.8%，凍融劈裂強度比為78.9%。

通過相關試驗對級配進行修正，得到各篩孔通過率見圖2。

圖2 修正后各篩孔通過率

此時確定乳化瀝青用量為4.0%、4.5%，外加水量為3.0%，水泥用量為1.5%，通過劈裂試驗、浸水劈裂試驗凍融劈裂試驗、穩定度試驗等對乳化瀝青冷再生混合料的相關指標進行測。

通過對級配修正前后混合料的相關試驗指標進行對比可知，修正級配后混合料的性能得到一定程度的提升，從而降低病害發生的可能性。

（3） 加強再生層與面層層間處置，主要有以下幾種方法：

①設置同步碎石封層，其中普通熱瀝青用量可取1.1～1.2 g/cm3，集料粒徑采用10～15 mm，碎石撒布率為8 kg/m2左右。推薦采用SBS 改性瀝青，用量為1.4 g/cm3。

②采用新型的兩油一料（先撒布一層瀝青，撒布碎石后再撒布一層瀝青）層間處治措施代替一油一料（瀝青+碎石），推薦選擇SBS 改性瀝青，上層瀝青用量為0.4 g/cm3，下層為1.0 g/cm3。

③設置同步碎石纖維封層，提高層間抗剪強度。

④采用SBS 改性瀝青加土工格柵，格柵施工時需進行預張拉，瀝青撒布量為0.6 kg/m2。

根據現場裂縫情況，出現的裂縫寬度均小于5 mm，且無錯臺現象。經對縫寬小于2 mm 的裂縫進行觀察，發現隨著氣溫的上升，裂縫整體變化呈穩定狀態，由于縫隙太窄無法進行灌縫，所以將不對裂縫直接進行處理。對于縫寬為2 mm～5 mm 的裂縫，將采用改性瀝青灌縫的方法進行封閉處理，確保裂縫處不再進水。

5 結論

（1） 針對乳化瀝青冷再生路面存在的反射裂縫問題，本文參考復合基層思想，在冷再生基層上設置柔性基層，并通過ANSYS 有限元軟件對復合基層柔性基層抗裂性進行力學分析，可知設置ATB 層可增加其抗裂性，并得出經濟合理的柔性基層模量和厚度，將其作為抗裂儲備層，可以有效防治反射裂縫產生。

（2） 結合復合基層的提出，依托實際工程得到試驗工程層間開裂的處治措施及針對裂縫與散病害的具體處治方案。