楊中才 王根寶 陳繼紅

(云南省建設(shè)投資控股集團有限公司，云南昆明 650501)

0 引言

瀝青混合料因其強度隨溫度升高而降低，在高溫下容易形成車轍病害。高速公路出現(xiàn)車轍對行車安全性產(chǎn)生一定的影響。提高路面抗車轍性能，除了采用合理級配外，采用高模量瀝青提高路面高溫穩(wěn)定性也是重要手段。為了研究高模量瀝青試驗段性能，本文選擇幾種高模量瀝青，通過有限元力學(xué)分析建立高模量與厚度等效關(guān)系，并通過各指標綜合評價試驗段性能。研究表明:基于彎沉等效進行路面厚度換算，采用橡膠瀝青相當于SBS改性瀝青路面厚度提高1.62 cm。橡膠瀝青模量指標滿足高勁度模量混合料的技術(shù)要求。

1 原材料試驗分析

通過國內(nèi)外研究現(xiàn)狀［1-4］，選擇滿足高模量混合料指標四種混合料，具體的性能指標如表1所示。

表1 四種HMAC20混合料性能

由表1結(jié)果可知:四種混合料均滿足高模量技術(shù)指標要求。混合料模量和疲勞壽命差異較大，橡膠瀝青模量性能適中，但其疲勞性能最優(yōu)。針對瀝青路面抗車轍性能，不僅要求其有較高的模量，更需要高溫抗疲勞性能，因此，橡膠瀝青性能優(yōu)異，能夠滿足抗車轍性能需求。

推薦的四種混合料的技術(shù)進行分析得出，各混合料造價如表2所示。

表2 HMAC20混合料施工造價

從表2可以看出，湖瀝青復(fù)合改性和SBS改性瀝青+聚酯纖維造價相對其他混合料較高，剩余幾種混合料造價大致相同，橡膠瀝青混合料造價居中。

2 有限元模型力學(xué)性能分析

本節(jié)通過建立有限元力學(xué)模型，分析模量與厚度因素對彎沉和拉應(yīng)變的影響［5］。考慮瀝青路面材料模量受溫度、荷載作用時間等的影響。模量選取基于以往40℃動態(tài)模量，不同頻率荷載的作用［6］，上、中、下面層的模量均選取2 000 MPa。水穩(wěn)碎石和土基模量分別選擇1 500 MPa，60 MPa。路面結(jié)構(gòu)為4 cm AC13+6 cm AC20(變厚度、變模量)+8 cm AC25+40 cm水泥穩(wěn)定碎石+土基。

中面層厚度選擇范圍為5 cm～9 cm;模量范圍為2 000 MPa～3 600 MPa。有限元力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

高模量中面層路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，力學(xué)分析的關(guān)鍵指標是路表彎沉和瀝青層底的拉應(yīng)力。彎沉隨模量及厚度變化的結(jié)果見圖2，圖3。

圖2 彎沉隨中面層厚度變化曲線

通過圖2，圖3可知，基于彎沉等效的計算方法，路面中面層提高400 MPa相當于中面層厚度提高1 cm。

層底彎拉應(yīng)力隨面層模量和厚度變化見圖4，圖5。

從圖4，圖5可知，基于瀝青層底彎拉應(yīng)力等效，中面層模量提高570 MPa相當于中面層厚度提高1 cm。在有限元計算過程中，由于瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)中層低拉應(yīng)力較小，同時距離荷載位置較遠。因此，高模量瀝青應(yīng)采用彎沉等效的方式，進行模量與厚度的等效換算。

圖3 彎沉隨中面層模量變化曲線

圖4 層底彎拉應(yīng)力隨中面層厚度變化曲線

圖5 層底彎拉應(yīng)力隨中面層模量變化曲線

3 試驗段方案設(shè)計

1)試驗方案。某高速公路推薦采用4 cm AR-AC13+6 cm橡膠瀝青HMAC20+8 cm AC25作為鋪設(shè)試驗段結(jié)構(gòu)［7-9］。40℃時，橡膠瀝青 HMAC20動態(tài)模量2 790 MPa，而SBS瀝青混合料為2 142 MPa［10］。在疲勞性能提高時，通過彎沉等效換算厚度可知，相對于SBS改性瀝青，橡膠瀝青路面厚度在相同疲勞性能下等效提高了1.62 cm。

2)馬歇爾試驗分析。

試驗段馬歇爾試驗結(jié)果如表3所示。

表3 試鋪段瀝青混合料馬歇爾體積指標

從表3中的測試結(jié)果看出，橡膠瀝青HMAC20馬歇爾指標均符合技術(shù)要求。

3)抽提試驗分析。

橡膠瀝青HMAC20抽提試驗結(jié)果見圖6。橡膠瀝青HMAC20試驗段級配處于上下限之間，符合技術(shù)要求。

圖6 試鋪段瀝青混合料抽提試驗級配曲線

4 試驗段性能分析

1)現(xiàn)場試驗分析。

對試驗段現(xiàn)場取芯分析和滲水分析［11］結(jié)果見表4，表5。

表4 路面滲水試驗結(jié)果

表5 路面芯樣高度及壓實度

由表4，表5可知，試驗段滲水試驗均滿足要求。芯樣厚度代表值滿足要求。計算得到兩種壓實度均符合技術(shù)要求。

2)室內(nèi)試驗分析。

對現(xiàn)場取樣混合料進行模量性能試驗研究，結(jié)果如表6所示。試驗段高模量指標滿足技術(shù)要求。

表6 混合料模量試驗結(jié)果

3)FWD檢測分析。

對橡膠瀝青試驗段和非試驗段進行了FWD檢測［12］，結(jié)果如表7所示。從表7可以看出，試驗段的彎沉平均值與普通路段基本相同。橡膠瀝青混合料試驗段的標準差和變異系數(shù)明顯小于普通路段，說明橡膠瀝青混合料更加均勻，不易離析。

表7 FWD檢測試驗結(jié)果

5 結(jié)語

1)基于瀝青層底彎拉應(yīng)力等效，中面層模量提高570 MPa相當于中面層厚度提高1 cm。在混合料疲勞性能提高的情況下，基于彎沉等效進行路面厚度換算，采用橡膠瀝青相當于SBS改性瀝青路面厚度提高1.62 cm。

2)室內(nèi)試驗?zāi)Ａ拷Y(jié)果，橡膠瀝青模量指標滿足高勁度模量混合料技術(shù)要求。

3)FWD檢測表明，橡膠瀝青HMAC20模量與普通路面基本相同，均勻性明顯優(yōu)于普通瀝青路面。