劉春華 周興業(yè) 陳智杰

摘要：為了解決目前應(yīng)力吸收層過(guò)分強(qiáng)調(diào)變形能力而導(dǎo)致材料偏柔、高溫性能不足等問題，文章結(jié)合柳州至南寧高速公路舊水泥混凝土改造工程實(shí)例，研發(fā)了一種全新的薄層應(yīng)力吸收層材料，以富瀝青含量和粗集料斷級(jí)配為主要特征，使用常規(guī)材料即可制備。研究結(jié)果表明，新型薄層應(yīng)力吸收層具有十分良好的抗變形性能、高溫抗車轍性能、施工和易性，因使用常規(guī)材料即可生產(chǎn)，可降低材料成本1/3左右。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力吸收層;瀝青混合料;水泥路面;反射裂縫

中圖分類號(hào)：U412.36+6A030093

0 引言

在柳州至南寧高速公路（柳南高速）舊水泥混凝土路面改造項(xiàng)目中，瀝青混凝土路面加鋪結(jié)構(gòu)厚度為12 cm或14 cm，其中，在舊水泥路面板上設(shè)置了一層厚度為2 cm的應(yīng)力吸收層瀝青混合料。目前，已有研究中水泥路面加鋪瀝青面層的應(yīng)力吸收層，多采用特種高粘高彈瀝青和懸浮密實(shí)型礦料級(jí)配提高抗變形能力以抵抗反射裂縫，但卻因過(guò)分強(qiáng)調(diào)變形能力，而導(dǎo)致混合料的模量偏低、柔性較大，雖然抵抗反射裂縫效果好，但對(duì)于廣西等高溫、濕熱、多雨地區(qū)而言，高溫穩(wěn)定性也不可忽略。因此，當(dāng)總加鋪厚度只有12 cm或14 cm時(shí)，盡管應(yīng)力吸收層較薄，但仍需要協(xié)調(diào)好抗反射裂縫能力和高溫抗變形能力。為了解決這些問題，在柳州至南寧高速公路舊水泥混凝土改造中，研發(fā)并使用了一種新型的薄層應(yīng)力吸收層材料，以富瀝青含量和粗集料斷級(jí)配為主要特點(diǎn)，使用常規(guī)的路面材料即可制備，兼顧防反射裂縫和高溫抗變形能力的同時(shí)，可有效節(jié)約造價(jià)，是一種性能較為優(yōu)異、均衡的瀝青混合料。

1 新型薄層應(yīng)力吸收層瀝青混合料技術(shù)原理

為了協(xié)調(diào)抗反射裂縫性能和高溫穩(wěn)定性、保證路用性能均衡，新型薄層應(yīng)力吸收層瀝青混合料采用粗集料、密實(shí)型、斷級(jí)配的礦料級(jí)配組成原則設(shè)計(jì)，并使用交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院提出的應(yīng)力吸收層“四控制點(diǎn)”的方法來(lái)確定最佳油石比，該方法的核心技術(shù)原理如下（見下頁(yè)圖1）：

（1）根據(jù)瀝青混合料的施工和易性確定最佳油石比的“第1個(gè)控制點(diǎn)”O(jiān)AC1。油石比越大、瀝青膠漿和砂漿含量越多，抗變形能力越好，但抗高溫性能和施工和易性越差。為了保證施工和易性，可通過(guò)控制最大瀝青用量的方式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，故選擇瀝青混合料析漏損失率與油石比關(guān)系曲線的突變上升點(diǎn)作為最佳油石比的“第1個(gè)控制點(diǎn)”O(jiān)AC1。

（2）根據(jù)瀝青混合料的體積狀態(tài)確定最佳油石比的“第2個(gè)控制點(diǎn)”O(jiān)AC2。由于新型應(yīng)力吸收層采用粗集料、密實(shí)型、斷級(jí)配的礦料級(jí)配進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)其在最緊密狀態(tài)時(shí)具有最優(yōu)的綜合路用性能，故選擇礦料間隙率VMA最小時(shí)的油石比作為“第2個(gè)控制點(diǎn)”。

（3）根據(jù)瀝青混合料的抗變形能力確定最佳油石比的“第3個(gè)控制點(diǎn)”O(jiān)AC3。在OAC1與OAC2之間進(jìn)行瀝青混合料的彎曲變形試驗(yàn)，將滿足彎曲應(yīng)變5000微應(yīng)變要求所對(duì)應(yīng)的油石比作為“第3個(gè)控制點(diǎn)”O(jiān)AC3。

（4）根據(jù)瀝青混合料的高溫抗車轍能力確定最佳油石比的“第4個(gè)控制點(diǎn)”O(jiān)AC4。在OAC1與OAC2之間進(jìn)行瀝青混合料的60 ℃車轍試驗(yàn)，將滿足動(dòng)穩(wěn)定度2 000次/mm和相對(duì)變形5%要求所對(duì)應(yīng)的油石比作為“第4個(gè)控制點(diǎn)”O(jiān)AC4。

2 柳南高速公路水泥路面改造中的應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)級(jí)配與技術(shù)要求

柳南高速水泥路面改造中使用的新型薄層應(yīng)力吸收層混合料設(shè)計(jì)推薦級(jí)配和技術(shù)指標(biāo)要求如表1、表2所示。

2.2 設(shè)計(jì)成果

采用前述方法進(jìn)行柳南高速公路水泥路面改造項(xiàng)目中各瀝青加鋪標(biāo)段應(yīng)力吸收層的目標(biāo)配合比和生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)。部分標(biāo)段的設(shè)計(jì)結(jié)果如表3和表4所示。

從表3、表4中的數(shù)據(jù)中可以看出：

（1）本文設(shè)計(jì)的新型薄層應(yīng)力吸收層最大彎曲變形平均可達(dá)9 600 με，比技術(shù)要求提高約1倍左右，抗變形能力十分優(yōu)異，具有良好的防反射裂縫效果。

（2）由于采用了“四控制點(diǎn)”方法確定最佳油石比，使用普通的瀝青和集料即可生產(chǎn)路用性能優(yōu)異的應(yīng)力吸收層，避免了采用特種高粘高彈瀝青和懸浮密實(shí)型礦料級(jí)配生產(chǎn)應(yīng)力吸收層的做法，與同類技術(shù)相比可平均降低油石比2%左右，可直接節(jié)約材料成本1/3以上，顯著降低工程投資。

（3）對(duì)于廣西等高溫、濕熱、多雨地區(qū)而言，本文設(shè)計(jì)的新型薄層應(yīng)力吸收層車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度平均值為3 196次/mm，與同類技術(shù)相比可提高2～3倍，高溫性能十分優(yōu)異，可為整個(gè)瀝青加鋪層提供一定的抗車轍性能。

3 實(shí)施效果評(píng)價(jià)

通過(guò)柳南高速公路施工過(guò)程中的抽檢結(jié)果和加鋪改造后3年后的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，對(duì)新型薄層應(yīng)力吸收層混合料的實(shí)施效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。表5為柳南高速公路施工過(guò)程中各個(gè)路面標(biāo)應(yīng)力吸收層混合料的抽檢結(jié)果。從表5中可以看出，本文的新型薄層應(yīng)力吸收層瀝青混合料，具有十分良好的實(shí)施效果，瀝青飽和度、車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度和相對(duì)變形、壓實(shí)度、結(jié)構(gòu)厚度等均能夠滿足技術(shù)指標(biāo)要求。這主要是由于本文設(shè)計(jì)的新型應(yīng)力吸收層屬于一種富瀝青含量、粗集料、密實(shí)型、斷級(jí)配瀝青混合料，具有良好的變形能力，一方面富瀝青用量保證了足夠的抗變形能力和抗疲勞能力，另一方面粗集料斷級(jí)配保證了一定的抗高溫車轍性能。

柳南高速公路加鋪改造后第三年，曾對(duì)路況進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通車三年多來(lái)，整條高速公路沒有反射裂縫的病害問題，應(yīng)力吸收層的使用效果較好，這說(shuō)明材料設(shè)計(jì)是成功的。從車轍路段的鉆芯情況來(lái)看，沒有發(fā)生由于應(yīng)力吸收層變形過(guò)大而導(dǎo)致的車轍問題，這表明按照現(xiàn)有的應(yīng)力吸收層材料組成設(shè)計(jì)方法和控制指標(biāo)能夠保證該層材料抵抗高溫變形的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，本文研發(fā)的新型薄層應(yīng)力吸收層混合料，與同類技術(shù)相比，具有十分良好的抗變形性能、高溫抗車轍性能、施工和易性，可使用常規(guī)材料制備，能夠降低材料成本1/3左右。

參考文獻(xiàn)：

[1]周富杰.防治反射裂縫的措施及其分析[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，1998.

[2]鄭健龍，周志剛，張起森.瀝青路面抗裂設(shè)計(jì)理論與方法[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]張起森.高等路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4]P.C.Paris and F.Erdogan.A Critical Analysis of Crack Propagation Laws. Transactions of the ASME[J].Journal of Basic Engineering Series D，1963（3）：528-533.

[5]Yamaday.Reconsiderations on Singularity or Crack Tip Elements[J]. International Journal of Numerical Methods in Engineering，1979（14）：18-25.

[6]C.L.Monismith，etc.Reflective cracking：analysis，laboratory，studies，and design considerations[J].Proceedings of AAPT，1980（49）：268-303.

[7]N. F. Coetzee， C. L. Monismith. Analytical Study of Minimization of Reflection Cracking in Asphalt Concrete Overlays by Use of a Rubber-Asphalt Interlayer[C]. In Transportation Research Record 700， TRB， National Research Council， Washington， D.C.， 1979.

[8]L.Lytton，Windmill，etc.Asphalt and Coated Macadam for AirfieldPavements[J].Civil Engineering（London），1984（5）：34-43.

[9]才 華，張敏江，徐術(shù)隴.反射裂縫的斷裂及疲勞分析和模擬計(jì)算[J].沈陽(yáng)建工學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，13（3）：252-258.

[10]周志剛，張起森，鄭健龍.加筋材料阻止瀝青路面反射裂縫的橋聯(lián)增韌的有限元分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2003，33（1）：93-99.

[11]齊 艷.應(yīng)用損傷理論分析舊水泥混凝土路面上瀝青罩面層反射裂縫[J].公路運(yùn)輸文摘，2003（10）：52-54.

[12]王金昌，朱向榮.動(dòng)荷載作用下含裂縫公路結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力強(qiáng)度因子[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2003，16（1）：114-118.

[13]廖衛(wèi)東.基于應(yīng)力吸收層的舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)與材料研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

收稿日期：2020-05-08