高模量瀝青路面結構力學特性分析

蔡州鵬

（漳州市公路事業發展中心 長泰分中心，福建 長泰 350605）

0 引言

我國高等級公路具有交通量大、重載車輛多等特點，部分高溫地區已出現大量車轍病害，具體有如下幾種類型：磨損型車轍、壓縮型車轍、結構型車轍 、流動型車轍［1］。目前，我國高等級公路的流動型車轍現象較為嚴重，因此提高路面結構抵抗車轍變形能力的需求不斷增加，工程界的研究人員研究了多種新型材料，其中高模量瀝青混凝土動態模量可達14 000 MPa以上，表現出優異的抗車轍、抗疲勞能力［2-3］。高模量瀝青混凝土所用的材料由硬質瀝青和連續級配粗集料組成，可以改善混合料的瀝青膠結性能，具有良好的高溫穩定性和抗疲勞性能，能夠延緩車轍現象的產生，減小車轍的深度，延長路面的使用壽命［4-5］。高模量瀝青混凝土在我國的應用可大致分為如下3個階段。摸索階段（2000—2005年）：從法國引入高模量瀝青混凝土的概念，該階段將抗車轍劑應用在高速公路路面面層結構中。實驗階段（2005—2008年）：我國開始自主研究高模量瀝青混凝土，并應用于解決瀝青道路流動性車轍問題，該階段鋪筑了眾多高模量瀝青混凝土試驗段并進行后期的跟蹤評價。推廣階段（2009年至今）：高模量瀝青混凝土被證實作為路面結構層中的基層或中面層可以有效解決流動性車轍問題。全國各地紛紛開始將高模量瀝青混合料作為路面結構層組成部分進行推廣［6-7］。本研究旨在通過路面結構力學分析，探討高模量及普通模量瀝青混合料路面結構的力學差異。

1 模型建立

1.1 基本假設

瀝青面層主要的承載結構層為中面層，同時它是出現車轍比較嚴重的結構層。因此，本研究擬將高模量瀝青混合料與普通瀝青混合料應用到中面層，借助3D-Move Analysis軟件對兩種路面結構進行力學分析和對比。

1.2 擬定路面結構

上面層采用改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料，中面層采用高模量瀝青混合料和高性能改性瀝青混合料，基層采用半剛性基層——水泥穩定碎石。由于每層材料的剛度不同，也不能相對滑動，因此會在接觸面出現較大的拉應力。通過描述各界面條件所對應的影響結構層內應力的分布位置及大小，發現最大拉應力主要集中在中面層，在超荷載作用下容易使各界面受損，特別是中面層受損更嚴重。具體路面結構及材料參數見表1、表2。

表1 擬定路面結構及材料參數（一）

表2 擬定路面結構及材料參數（二）

采用高模量瀝青混合料作為中面層，以期降低荷載作用下瀝青混合料產生的變形，從而提高路面的整體強度。高模量瀝青混合料具有以下幾點特性：①與傳統的AC-20C、Superpave-20瀝青混合料類型相比，高模量瀝青混合料具有良好的高溫性能、模量性能和抗疲勞性能。②高模量瀝青混合料空隙率較小，易壓實，可實現一次攤鋪，與常規的瀝青混合料相比，可避免因分層壓實造成層間界面不連續而延誤開放交通時間等問題。③采用高模量瀝青混合料提高路面抗車轍性能，與SBS改性瀝青混合料相比，不僅可以降低造價，而且能避免使用SBS改性瀝青產生的離析現象，提高路面的均勻性。

1.3 模型幾何及計算點位確定

本文將應用3D-Move Analysis 路面結構分析軟件，對新型高模量瀝青混合料與傳統普通模量瀝青混合料對應的瀝青路面結構在荷載作用下的力學響應進行分析，設計荷載采用標準軸載BZZ-100，輪胎接地壓強p=700 kPa，當量圓直徑2=21.6 cm，計算模型及荷載分布形式（如圖1、圖2），X為行車方向，Y為路面橫斷面方向，Z為路面深度方向。隨著路面深度的增加，由車輪傳遞下來的荷載逐漸衰減，接觸力越來越小；在荷載作用下，瀝青路面結構的路表最大變化量不是出現在輪隙中心處，而是在荷載作用中心處，變化量為0.23~0.28 mm，瀝青路面結構在左右輪荷載作用下，路面深度Z方向位移呈線性對稱變化，隨著路面結構深度增加，位移逐漸變小。在外力作用下，輪隙中間處和輪外側受到橫向擠壓作用，會讓向下變形受到限制而產生向上凸起現象。進行力學響應計算時，沿X行車方向拾取點位的間距為10.8 cm，共5 個計算點位（分別為X=-21.6 cm、-10.8 cm、0 cm、10.8 cm 、21.6 cm），沿路面橫斷面Y方向拾取點位的間距為5.326 cm，共20 個計算點位（含路面結構內拉應力最大值處A、B、C 和D 4個點）。

圖1 X-Y平面應力計算點位分布示意圖

圖2 Y-Z平面應力計算點位分布示意圖

2 高模量瀝青路面應力響應分析

2.1 路面結構典型點位沿深度方向的應力分布

從兩種路面結構典型點位分別對A點、B點、C點、D點進行計算，路面深度的正應力分布點次序如圖3、圖4所示，其拉應力為負值，壓應力為正值。

圖3 高模量瀝青路面結構應力分布（結構一）

圖4 普通模量瀝青路面結構應力分布（結構二）

由圖3和4可知，在道路的行車方向（X方向），瀝青面層承受壓應力，基層承受拉應力。結構一中，A、B、C、D 4點在路表及基層、底基層層底的拉壓應力均略小于結構二，中面層及下面層層底的壓應力明顯小于結構二。表明結構二中面層由于采用了高模量瀝青混合料，因此增強瀝青層的抗變形能力，減少運行后期出現鼓包、車轍、坑槽等病害的風險。

在道路的行車方向，路表A點在瀝青路面沿X方向產生最大壓應力，高模量瀝青路面結構路表最大壓應力為0.61 MPa，普通模量瀝青路面為0.65 MPa。沿X方向最大拉應力均發生在底基層層底的D點處，高模量瀝青路面最大拉應力為0.101 6 MPa，普通模量瀝青路面為0.104 5 MPa。由此可見，中面層采用高模量瀝青對表面層抗壓和基層抗拉能力的提升效果非常有限。

由分析結果可知，在靜力荷載作用下，結構一沿X方向在中面層層底A、B、C、D 4點處的壓應力分別為0.016 MPa、0.036 MPa、0.045 MPa、0.049 MPa；結構二分別為0.078 MPa、0.067 MPa、0.066 MPa、0.065 MPa。表明高模量瀝青混合料中面層的應用對中面層抗車轍、坑槽有顯著改善作用。

2.2 路面結構YZ剖面應力分布

計算得到兩種路面結構在X=0 處橫向剖面的應力SZZ，荷載作用下沿Z方向的正應力受壓取正值，受拉取負值的分布情況如圖5、圖6所示。

圖5 路面結構一：YZ剖面SZZ應力分布（高模量）

圖6 路面結構二：YZ剖面SZZ應力分布（普通模量）

從圖5和圖6中可以看出，結構一與結構二沿Z方向的正應力均以X軸對稱分布，并且荷載作用區域兩側約距離范圍內為高應力區。兩種路面結構的應力分布情況一致，區別僅在于高模量瀝青路面結構沿Z方向的正應力略小于普通模量瀝青路面結構。

計算得到兩種路面結構在X=0 處橫向剖面的應力SXX，荷載作用下沿Z方向的正應力受壓取正值，受拉取負值的分布情況如圖7、圖8所示。

圖7 路面結構一：YZ剖面SXX應力分布（高模量）

圖8 路面結構二：YZ剖面SXX應力分布（普通模量）

由圖7和圖8可以看出，不同于沿深度方向的正應力SZZ的分布情況，兩種路面結構沿行車方向的正應力SXX分布情況差異顯著。兩種路面結構的最大壓應力均出現在中、下面層范圍內，高模量瀝青路面結構的最大壓應力值為139.0 kPa，普通模量瀝青路面結構的最大壓應力值為101.5 kPa。高模量瀝青混凝土中、下面層出現應力集中現象，并且壓應力僅分布在荷載作用區域兩側約距離范圍內，有效吸收了表面層傳遞的壓應力，并進一步阻止壓應力向下傳遞，高效利用高模量瀝青混凝土優異的抗變形能力抵抗路面結構內的壓應力。普通模量瀝青混凝土路面結構的壓應力在表面層及中下面層的整個橫斷面均有擴散分布，增大了瀝青路面表面層的變形風險，對表面層瀝青混凝土的抗變形能力提出更高要求［8］。根據以上對比分析，高模量瀝青混凝土可確保荷載作用下結構層損壞控制在面層頂部較薄的范圍內，減緩自上向下的車轍，進一步預防連接層以下的結構性損壞，要有針對性、預防性和有計劃地養護補救表面層的損壞，因此可運用于重交通或高等級公路項目當中。

3 結論

本文通過將高模量瀝青混凝土應用到傳統半剛性基層瀝青路面中面層中，借助3D-Move Analysis 路面結構分析軟件，對新型高模量瀝青混合料和傳統普通模量瀝青混合料對應的瀝青路面結構在荷載作用下的力學響應進行分析，主要結論如下。

（1）中面層采用高模量瀝青對表面層層底抗壓和基層層底抗拉應力的消減效果非常有限。對中下面層層底的應力消減作用顯著，增強了瀝青層的抗變形能力，減少了公路運行后期出現鼓包、車轍、坑槽等病害的風險。

（2）兩種路面結構沿Z方向的正應力均以X軸對稱分布，并且荷載作用區域兩側約距離范圍內為高應力區。

（3）中面層采用高模量瀝青混凝土可有效吸收表面層傳遞的壓應力并進一步阻止壓應力向下傳遞，高效利用高模量瀝青混凝土本身優異的抗變形能力抵抗路面結構內的壓應力。普通模量瀝青混凝土路面結構的壓應力分布擴散，增加瀝青面層變形風險。