半柔性復合路面設計及施工工藝研究

陳松靈

（江蘇省科佳工程設計有限公司，江蘇常州 214002）

1 引言

半柔性復合瀝青路面是新型路面形式。相較于傳統瀝青路面，半柔性基層混合料孔隙率較大，具有較好的穩定性與密實性，且具有較好的高溫穩定性，可以有效抵抗車轍，同時具有較好的低溫抗裂性。因此，半柔性復合瀝青路面逐步成為我國高速公路的重要路面形式[1]。本文基于具體工程項目，通過ABAQUS 有限元軟件分析半柔性基層模量分別為500 MPa、700 MPa、900 MPa、1 100 MPa、1 200 MPa、1 500 MP，厚度分別為20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm、30 cm 時，對層底應力的影響，確定最佳半柔性基層的最佳模量和厚度，并研究半柔性復合瀝青路面施工工藝[2]。

2 工程概況

某高速公路為雙向8 車道，機動車道寬3.75 m。原路面結構總厚度90 cm，瀝青上面層為4 cm 厚瀝青混凝土，中面層為6 cm 厚瀝青混凝土，下面層為8 cm 厚瀝青混凝土，基層為厚20 cm 的水泥穩定碎石和20～30 cm 的半柔性基層，底基層為厚28 cm 的碎石石灰土[3]。

3 半柔性復合路面設計

3.1 建立路面結構模型

半柔性復合路面基層厚度與模量對其路用性能有較大的影響，厚度與模量較小時會嚴重影響道路使用壽命，而厚度與模量較大時會導致施工周期與工程成本增大，因此，需要合理設計半柔性復合路面基層厚度與模量。

3.1.1 模型尺寸與網格劃分

構建三維瀝青路面結構模型，為反映基層厚度及模量對路面結構應力的影響，采用一定長度的單車道路面結構模型，其尺寸為長5 m、寬3.75 m、厚0.9 m，瀝青上面層厚度為4 cm、中面層厚度為6 cm、下面層厚度為8 cm。水穩基層厚20 cm，石灰碎石底基層厚28 cm。為確定最佳半柔性復合路面基層厚度與模量，本文模量設計范圍為500～1 500 MPa，厚度設計范圍為20～30 cm。采用有限元軟件進行分析計算時，半柔性復合瀝青路面結構網格類型采用C3D8R，并對模型結構進行網格化加密處理[4]。

3.1.2 荷載作用面積

本文采用雙圓均布荷載模擬BZZ-100 標準軸載，輪胎對地壓強為0.7 MPa，荷載矩形尺寸為18.4 cm×19.2 cm，兩輪間距為13.6 cm，荷載作用面積如圖1 所示。

圖1 荷載作用面積

3.1.3 邊界條件

半柔性復合瀝青路面土基底面邊界條件為：U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0；路面行車方向及道路兩側邊界條件為：U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0。其中，U1、U2、U3表示沿路面行車道方向、垂直于行車道方向以及沿路面厚度方向的位移；UR1、UR2、UR3表示這3 個方向的旋轉自由度，當U1＝U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3＝0 時，表示約束路面結構所有自由度。

3.2 半柔性基層模量變化對瀝青下面層層底應力的影響

為研究不同半柔性基層模量對瀝青下面層層底應力的影響，本文采用有限元模擬基層模量分別為500 MPa、700 MPa、900 MPa、1 100 MPa、1 200 MPa、1 500 MPa 時，計算瀝青下面層層底等效應力、最大主應力及剪應力。

半柔性基層模量從500 MPa 增加到1 500 MPa，瀝青下面層層底等效應力、最大主應力及剪應力有限元模擬結果見表1，半柔性基層模量與應力關系如圖2 所示。

表1 半柔性復合瀝青路面結構模擬結果MPa

圖2 半柔性基層模量與應力關系圖

由圖2 可知，瀝青下面層層底最大主應力、等效應力與最大剪應力隨基層模量的增大呈現出逐漸減小的趨勢。當基層模量從500 MPa 增加到1 500 MPa 時，層底最大主應力從0.374 MPa 減小到0.251 MPa，最大主應力減小率為32.89%；層底等效應力從0.484 MPa 減小到0.194 MPa，等效應力減小率為59.92%；層底最大剪應力從0.514 MPa 減小到0.294 MPa，最大剪應力減小率為42.80%。并對層底最大主應力、等效應力與最大剪應力進行線性擬合，最大主應力：y=-1.21x+0.425、R2=0.915；最大剪應力：y=-2.436x+0.634、R2=0.838；等效應力：y=-2.873x+0.578、R2=0.715，其中，x 為基層模量；y 為應力值，R2為擬合度。層底最大主應力、最大剪應力與基層模量具有較大的線性關系，而等效應力隨基層模量的增加呈先增大后減小的趨勢，基層模量從500 MPa 增加到1 100 MPa 時，等效應力減小率為55.79%，基層模量從1 100 MPa 增加到1 500 MPa時，等效應力減小率為9.35%，等效應力減小率較前者大幅度降低，不能只通過增加半柔性基層模量減小層底應力。因此，該項目將半柔性復合瀝青路面基層最佳模量控制在1 100 MPa。

3.3 半柔性基層厚度變化對瀝青下面層層底應力的影響

為研究不同半柔性基層厚度對瀝青下面層層底應力的影響，本文采用有限元軟件計算基層厚度分別為20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm、30 cm 時，瀝青下面層的層底等效應力、最大主應力及剪應力。

半柔性基層厚度從20 cm 增加到30 cm 時，瀝青下面層層底等效應力、最大主應力及剪應力有限元模擬結果見表2，半柔性基層模量與應力關系如圖3 所示。

表2 半柔性復合瀝青路面結構模擬結果

圖3 半柔性基層厚度與應力關系圖

由圖3 可知，瀝青下面層層底最大主應力、等效應力與最大剪應力隨基層模量增大呈先減小后穩定的趨勢。當基層厚度從20 cm 增加到30 cm 時，層底最大主應力從0.25 MPa 減小到0.08 MPa，最大主應力減小率為68.1%；層底等效應力從0.456 MPa 減小到0.184 MPa，等效應力減小率為59.65%；層底最大剪應力從0.556 MPa 減小到0.278 MPa，最大剪應力減小率為45.06%。并對層底最大主應力、等效應力與最大剪應力進行線性擬合，最大主應力：y=-0.021x+0.311、R2=0.891；最大剪應力：y=-0.026x+0.637、R2=0.826；等效應力：y=-0.026x+0.525、R2=0.705，其中，x 為基層厚度；y 為應力值；R2為擬合度。

半柔性基層厚度從20 cm 增加到26 cm 時，最大主應力、等效應力、最大剪應力分別減小到54.8%、58.77%、33.99%；厚度從26 cm 增加到30 cm 時，最大主應力、等效應力、最大剪應力分別減小到29.2%、2.13%、16.77%，下降幅度較前者變化平緩，說明厚度增加對層底荷載應力有分散作用，但并不是厚度越大效果越明顯，因此，不能簡單地認為厚度越大效果越明顯。因此，項目將半柔性復合瀝青路面基層最佳厚度控制在26 cm。

4 半柔性復合路面施工

4.1 拌和

半柔性復合瀝青路面混合料采用間隙式拌和機，由于半柔性基層混合料孔隙率較大，因此，拌和溫度控制較難，需要嚴格把控設備溫度，半柔性基層混合料加熱溫度控制在190～200 ℃；瀝青混合料加熱溫度控制在150～170 ℃，出料溫度控制在160～180 ℃。半柔性基層混合料拌和時間控制在2～3 min。

4.2 運輸

由于半柔性基層混合料孔隙率較大，運輸過程中散熱較快，因此，運輸過程中需要對混合料做好保溫工作，宜采用40 t的自卸車進行運輸，自卸車廂內壁需要均勻涂抹一層隔離劑，并保持車廂清潔。混合料需要分3 次裝料，避免粗細集料離析。裝料完成后，采用保溫布覆蓋在自卸車保溫處理，若溫度較低，需要增加保溫布的層數。運輸車行駛過程中，速度不宜超過20 km/h，并且應防止急剎車、急轉彎等問題。

4.3 攤鋪與碾壓

半柔性基層混合料的攤鋪溫度是決定工程質量的關鍵環節，攤鋪溫度應控制在160～170 ℃。攤鋪時采用兩2 臺大型攤鋪機作業，以減小混合料孔隙率且需要控制攤鋪厚度，提高道路夯實等級。施工現場攤鋪溫度不宜低于160 ℃。

為保證半柔性基層混合料強度與壓實度滿足要求，壓實遍數在8 次以上，12 次以下為佳，初壓遍數為2～3 遍為佳，初壓溫度宜控制在140～150 ℃，初壓控制速度1.5 km/h；復壓遍數為4～6 遍為佳，復壓溫度宜控制在135～145 ℃，復壓控制速度在1.0～2.0 km/h，嚴禁采用大噸位膠輪壓路機進行半柔性路面的復壓作業；終壓遍數為2～4 遍為佳，終壓溫度宜控制在100 ℃以上，終壓控制速度在1.5～2.5 km/h。

5 結語

為提高高速公路工程路面使用性能和使用年限，結合工程實例，并通過軟件模擬分析不同半柔性基層模量和厚度對層底應力的影響，得到如下結論：

1）層底應力隨半柔性基層模量的增加呈減小的趨勢，且確定最佳模量為1 100 MPa；

2）層底應力隨半柔性基層厚度的增加呈先減小后穩定的趨勢，且確定最佳厚度為26 cm；

3）半柔性瀝青路面施工完成后具有良好的施工質量。