基于面層倒裝瀝青路面結構組合與抗車轍性能評價

張韶華,張文輝,蔣應軍

(1.駐馬店市公路工程開發有限公司,河南 駐馬店 463000;2.長安大學公路學院,陜西 西安 710064)

目前我國公路超載、重載現象嚴重,特別是在夏季,高溫持續時間長,導致瀝青路面出現嚴重的車轍病害,對行人和駕駛人員產生了嚴重的安全隱患[1]。所以,對于路面車轍病害的研究極其必要。

近年來,研究人員主要從路面材料和路面結構兩個方面對車轍病害進行研究[2-4]。Haider S W和Lin Chihhsien等[5]研究多層瀝青混合料的車轍問題。馬峰等[6]發現在瀝青混合料中摻加低溫施工高性能添加劑,顯著提高瀝青混合料高溫抗車轍性能。王端宜等[7]將集料接觸點數量引入混合料的設計中作為級配選擇的參考,提高瀝青混合料的抗車轍性能。董澤蛟等[8]等提出在設計抗車轍路面時要考慮不同面層的模量組合,才能最大程度地發揮各層混合料的抗車轍性能。王磊等[9]發現摻加2%聚丙烯單絲纖維的微表處混合料可提高微表處混合料的抗車轍性能。石立萬等[10]發現高溫與重載聯合效應會導致瀝青路面車轍急劇發展。李麗民等[11]發現重載作用下車轍主要是由橫向剪切引起的。Mohammad Jafari等[12]發現聚磷酸能顯著提高未改性瀝青結合料和未改性瀝青混合料的抗車轍性能。Hassan Ziari等[13]發現乙烯雙硬脂酰胺改性瀝青混合料的抗車轍性能顯著。中面層相對于上、下面層更易發生車轍,由于其剪應力最大,而且處于高溫狀態的時間持久[14,15]。因此,有必要在路面結構的基礎上,對瀝青路面的車轍病害進行考慮。

長期以來,上、中、下面層組合遵循細、中、粗或細、中、中粒式瀝青混合料的組合。且目前各結構層瀝青混合料基本上按全功能要求進行設計,結果必然顧此失彼,很難與瀝青各結構層力學和功能要求相適應。譬如中面層主要承擔抗車轍功能,中面層混合料應具有良好的抗車轍性能,但在混合料設計實踐中通常還強調其低溫抗裂性能,其結果必然影響其抗車轍性能;而下面層主要承擔抗裂功能,應具有良好的抗裂性能,但在混合料設計實踐中通常還強調其高溫穩定性,其結果必然影響其抗裂性能。

1 原材料

1.1 瀝青

上面層瀝青混合料和黏層油均采用SBS(I-C)改性瀝青,為浙江銀基石化有限公司生產;中面層和下面層瀝青混合料采用70號基質瀝青,為中國石油化工股份有限公司鎮海煉化分公司生產。瀝青技術指標見表1。

表1 瀝青技術性質

1.2 集料

(1)粗集料

上面層瀝青混合料粗集料采用玄武巖碎石,中面層和下面層粗集料采用石灰巖碎石,兩種粗集料均為金華磐安石料廠生產,技術性質見表2。

表2 粗集料技術性質

(2)細集料

瀝青混合料細集料均采用石灰巖,細集料為金華磐安石料廠生產,技術性質見表3。

1.3 礦料級配

AC-13、AC-20和AC-25瀝青混合料礦料級配見表4,最佳油石比分別為5.0%、4.4%和4.1%。

表4 不同類型瀝青混合料礦料級配

2 基于面層倒裝瀝青路面結構組合

2.1 面層倒裝原理

由層位功能可知,中面層是主抗車轍區。當中面層荷載作用下產生剪應力超過材料容許抗剪強度時,則路面出現車轍。因此,為了提高路面抗車轍能力,材料組成設計時,一方面提高中面層混合料抗剪強度,另一方面設法降低車輛荷載作用下中面層剪應力,而由力學分析可知,提高中面層模量是降低路面剪應力最有效措施。下面層是主抗疲勞區。當下面層荷載作用下產生拉應力超過材料容許抗拉強度時,則混合料出現疲勞開裂。所以,為了提高下面層抗疲勞開裂能力,材料組成設計時,一方面提高下面層混合料抗拉強度或抗疲勞開裂能力,另一方面設法降低車輛荷載作用下面層層底拉應力,而由力學分析可知,降低下面層模量是降低面層層底拉應力有效措施。

因而,將面層結構中的中下面層倒裝,既滿足中面層抗車轍性能的要求,又滿足下面層抗疲勞性能的要求。

2.2 面層倒裝結構

基于面層倒裝耐久瀝青路面結構組合理論,提出路面結構組合形式見表5。

表5 基于面層倒裝耐久瀝青路面結構組合形式

2.3 面層倒裝結構應力

(1)路面結構及材料參數

具體驗算的路面結構見表6,計算參數見表7。其中,Ep和S分別表示實測模量的平均值和標準差。

表6 路面結構

表7 材料計算參數

(2)計算結果

不同路面結構應力計算結果見表8,路面結構各結構層材料應力水平(材料在路面結構中承受的應力與材料破壞強度比值)見表9。

表8 荷載0.7 MPa不同路面結構最大應力計算結果 單位:MPa

表9 不同路面結構各結構層材料應力水平 單位:MPa

表8和表9表明:相對于傳統路面結構,路面材料相同時瀝青面層倒裝結構應力最大值均降低。

3 面層倒裝瀝青路面抗車轍性能

3.1 試驗方法

現行車轍試驗方法適用于車轍板厚度≤10 cm,無法用于整個路面結構車轍試驗。為此,本文采用自行開發的適用于大厚度車轍板輪載可調的車轍試驗裝置進行抗車轍試驗。

(1)18 cm厚度車轍板試件制作

采用自行研制的厚度可調車轍板成型儀制作18 cm車轍板模擬上、中、下面層實際現場工況,試件制作方法如下。

①制作下面層車轍板:成型長×寬=300 mm×300 mm、厚度符合路面結構的下面層車轍板,并在室溫下冷卻24 h后噴灑0.4 L/m2SBS熱瀝青黏層油;

②制作中面層車轍板:在噴灑黏層油的下面層車轍板上制作中面層車轍板,厚度符合路面結構,并在室溫下冷卻24 h后噴灑0.4 L/m2SBS熱瀝青黏層油;

③制作上面層車轍板:在噴灑黏層油的中面層車轍板上制作上面層車轍板,厚度符合路面結構,并在室溫下冷卻48 h備用。

(2)大厚度車轍板試驗

本文采用自行研制的適用于大厚度車轍板的車轍試驗儀進行車轍試驗。車轍試驗時,輪載擬采用0.7 MPa、1.2 MPa,試驗溫度為60 ℃,加載時間為10 h,保溫時間為8 h。

3.2 試驗結果

不同路面結構車轍深度隨荷載作用次數發展趨勢見圖1。由圖1可知,隨荷載作用次數增加,不同路面車轍發展曲線的形狀極其相似:加載次數2 550次之前,隨加載次數增加,路面結構車轍深度急劇增大;當加載次數超過2 550次之后,隨加載次數增加,路面結構車轍深度增加幅度逐漸減小,直至趨于穩定。倒裝結構(DM)車轍變形量小于傳統結構(TM)車轍變形量,從路面車轍深度隨荷載作用次數的發展趨勢可以看出,瀝青路面車轍發展符合安定性理論。

圖1 路面車轍深度隨荷載作用次數的發展趨勢

3.3 影響因素

(1)荷載

根據圖3可得,荷載大小對路面結構極限車轍深度的影響見表10。表中RP是指荷載1.2 MPa時極限車轍深度與荷載0.7 MPa時極限車轍深度的比值。

表10 不同輪載作用下極限車轍深度比值

由表10可知,荷載由0.7 MPa增大到1.2 MPa時,不同路面結構極限車轍深度增大了58%～72%。即荷載增大1%,車轍深度增大約0.81%～1.0%。

(2)路面結構的影響

根據圖3可得,相同荷載相同材料不同路面結構對極限車轍深度的影響見表11。

表11 相同荷載相同材料不同路面結構極限車轍深度比值

由表11可知,與傳統路面結構相比,0.7 MPa和1.2 MPa荷載作用下面層倒裝結構抗車轍性能可分別提升16%和12%。

4 結 論

(1)基于路面結構層位功能分析了面層倒裝原理,提出了基于面層倒裝的瀝青路面結構,研究了面層倒裝結構的應力,相比于瀝青路面傳統結構,瀝青面層倒裝結構拉應力和剪應力最大值均有所降低。

(2)研究了瀝青面層結構抗車轍性能及影響規律,與傳統路面結構相比,瀝青面層倒裝結構抗車轍性能至少提升12%,降低瀝青路面荷載或采用面層倒裝結構均能提升瀝青路面抗車轍性能。