黃新生

(廣西交通投資集團(tuán)柳州高速公路運(yùn)營有限公司，廣西 柳州 545005)

0 引言

桂林至柳州高速公路(僚田至鹿寨北互通)于2015年開始實(shí)施舊水泥路面加鋪瀝青面層的“白加黑”改造工程，項(xiàng)目于2018年1月通過交工驗(yàn)收，2022年1月通過竣工驗(yàn)收。由于桂柳高速公路原有路面為水泥混凝土路面，為了避免舊路反射裂縫的大規(guī)模出現(xiàn)、保證路面耐久性，將瀝青路面加鋪層的最下層設(shè)計(jì)為厚度2 cm的改性瀝青應(yīng)力吸收層。在混合料設(shè)計(jì)時(shí)，參考廣西區(qū)內(nèi)已完成全線改造的柳南高速公路的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，將這層瀝青混合料設(shè)計(jì)為骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10，并根據(jù)性能均衡的設(shè)計(jì)思想，采用“四控制點(diǎn)”法進(jìn)行最佳油石比的確定[1]，之后結(jié)合工程所在地的地方性材料，通過系統(tǒng)的路用性能分析和對比驗(yàn)證，最終設(shè)計(jì)出適用于桂柳高速公路的骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10混合料。

雖然應(yīng)力吸收層是一種功能性材料，但由于本工程中的結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)為2 cm，在路面結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析中影響不可忽略，需要參與受力分析和計(jì)算。此時(shí)，需要考慮該層材料的動態(tài)復(fù)模量取值問題。由于此前對于骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層的研究主要集中在高溫、低溫、水穩(wěn)定性、施工和易性等常規(guī)的路用性能評價(jià)上[2-3]，而對于其動態(tài)復(fù)模量等動態(tài)特性的研究尚未開展，在路面結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，相關(guān)材料的參數(shù)取值只能參考其他材料，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果不合理。因此，為了獲得骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10混合料的動態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果，并分析其影響因素，本文以桂柳高速公路實(shí)體工程為依托，針對該項(xiàng)目所使用的應(yīng)力吸收層材料開展動態(tài)復(fù)模量等相關(guān)試驗(yàn)，為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供必要的材料參數(shù)。

1 桂柳高速公路骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層的材料組成設(shè)計(jì)

1.1 骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)原理

桂柳高速公路路面改造工程中使用的應(yīng)力吸收層SAC10，借鑒柳南高速公路路面改造工程應(yīng)力吸收層材料設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)并做進(jìn)一步優(yōu)化，采用基于路用性能均衡的應(yīng)力吸收層材料“四控制點(diǎn)”設(shè)計(jì)方法開展應(yīng)力吸收層AC-10的目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)工作[4]。該方法的主要原理是：(1)選擇最緊密嵌擠狀態(tài)下的油石比作為確定最佳油石比的第一控制點(diǎn)，以協(xié)調(diào)抗變形能力和抗車轍能力；(2)選擇析漏試驗(yàn)損失率拐點(diǎn)處的油石比作為確定最佳油石比的第二控制點(diǎn)，控制應(yīng)力吸收層瀝青混合料的最大瀝青用量以保證施工和易性；(3)在第一、第二控制點(diǎn)之間，開展0 ℃低溫小梁彎曲試驗(yàn)、60 ℃車轍試驗(yàn)，分別獲得滿足彎曲應(yīng)變要求的第三控制點(diǎn)和滿足高溫穩(wěn)定性要求的第四控制點(diǎn)；(4)綜合混合料的體積指標(biāo)、緊密狀態(tài)、變形適應(yīng)性、高溫穩(wěn)定性以及施工和易性，最終確定應(yīng)力吸收層適用的最佳油石比，并據(jù)此開展路用性能驗(yàn)證。

1.2 桂柳高速公路應(yīng)力吸收層目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)上述原理，針對桂柳高速公路路面2標(biāo)所使用的原材料開展目標(biāo)配合比的相關(guān)設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)級配曲線如表1所示[5-6]。所確定的各檔冷料倉比例為5～10 mm碎石∶0～3 mm機(jī)制砂∶礦粉=65∶28.5∶6.5，最佳油石比為6.2%。體積指標(biāo)和路用性能驗(yàn)證結(jié)果如下頁表2和表3所示。從設(shè)計(jì)結(jié)果來看，桂柳高速公路路面2標(biāo)的應(yīng)力吸收層SAC10能夠滿足相關(guān)的設(shè)計(jì)要求。

表1 桂柳高速公路路面2標(biāo)應(yīng)力吸收層目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)級配表

表2 桂柳高速公路路面2標(biāo)應(yīng)力吸收層目標(biāo)配合比體積指標(biāo)設(shè)計(jì)成果表

表3 桂柳高速公路路面2標(biāo)應(yīng)力吸收層目標(biāo)配合比路用性能試驗(yàn)結(jié)果表

2 動態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)方法

為了全面評價(jià)骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10的動態(tài)復(fù)模量特性及其影響因素，本文選擇桂柳高速公路路面2標(biāo)中使用的骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10，采用SPT試驗(yàn)設(shè)備開展相應(yīng)的動態(tài)特性試驗(yàn)，研究不同試驗(yàn)條件對應(yīng)力吸收層混合料動態(tài)復(fù)模量的影響規(guī)律[7]。

SPT試件制備時(shí)，使用桂柳高速公路2標(biāo)的設(shè)計(jì)成果，采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型圓柱體試件，再通過鉆芯取樣切割的方式制備得到。為了對比分析不同試驗(yàn)條件下的動態(tài)復(fù)模量結(jié)果，本文研究不同應(yīng)變水平、圍壓荷載、試驗(yàn)頻率、試驗(yàn)溫度下的動態(tài)特性試驗(yàn)。其中應(yīng)變水平為20～100με，圍壓荷載為0～0.2 MPa，試驗(yàn)頻率為0.01～25 Hz，試驗(yàn)溫度為0 ℃～55 ℃。

3 不同影響因素下應(yīng)力吸收層SAC10的動態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果分析

已有研究中，常常是固定一種應(yīng)變水平，開展不同溫度和不同頻率下瀝青混合料的動態(tài)特性試驗(yàn)，據(jù)此構(gòu)造動態(tài)復(fù)模量主曲線。而實(shí)際上，應(yīng)變水平、圍壓荷載水平的大小對于瀝青混合料的動態(tài)特性也存在著較大影響。因此，本研究主要針對這兩種試驗(yàn)條件下應(yīng)力吸收層SAC10的動態(tài)特性開展研究，以分析不同應(yīng)變水平對動態(tài)復(fù)模量的影響規(guī)律。由于試驗(yàn)溫度、荷載、頻率等試驗(yàn)條件對瀝青混合料的動態(tài)特性影響研究較多，本文雖然開展了相關(guān)試驗(yàn)工作，但不再將其作為研究和討論的重點(diǎn)。

3.1 不同應(yīng)變水平下的動態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果分析

表4為不同應(yīng)變水平下的動態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)頻率為10 Hz、圍壓荷載為0 MPa。由表4可以看出，應(yīng)力吸收層SAC10的動態(tài)復(fù)模量數(shù)值隨著試驗(yàn)的應(yīng)變水平增加而逐漸增大，不同試驗(yàn)溫度下均存在這種相同的單調(diào)遞增變化趨勢。只是在溫度較低時(shí)，隨著應(yīng)變水平的增加，動態(tài)復(fù)模量數(shù)值的增量較小，如在0 ℃時(shí)，最大應(yīng)變下的模量數(shù)值與最小應(yīng)變下的模量數(shù)值相比，增幅僅為1.7%；而在溫度較高時(shí)，隨著應(yīng)變水平的增加，動態(tài)復(fù)模量的增量變大，如在55 ℃時(shí)，最大應(yīng)變下的模量數(shù)值與最小應(yīng)變下的模量數(shù)值相比，增幅已達(dá)23%，變化十分明顯。

表4 不同溫度和應(yīng)變水平下的動態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果表

這種現(xiàn)象表明，應(yīng)力吸收層SAC10的動態(tài)復(fù)模量數(shù)值受試驗(yàn)的應(yīng)變水平影響較大，瀝青混合料存在顯著的荷載依賴特性，這與傳統(tǒng)意義上認(rèn)為的瀝青混合料為線性粘彈性材料，動態(tài)復(fù)模量不受應(yīng)變水平影響的認(rèn)識有一定差別，應(yīng)將應(yīng)力吸收層SAC10視作一種非線性粘彈性材料來看待。這主要是由于本文所研究的桂柳高速公路骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10是一種富瀝青含量的瀝青混合料，因?yàn)r青含量較高使得瀝青混合料具有更顯著的粘彈性材料性質(zhì)，其動態(tài)特性受外力荷載的影響更加顯著，從而表現(xiàn)出動態(tài)復(fù)模量隨著荷載(應(yīng)變水平)的增大而逐漸增大的試驗(yàn)規(guī)律。當(dāng)溫度較低時(shí)，這種非線性粘彈性特征不太顯著，即最大應(yīng)變下的模量數(shù)值與最小應(yīng)變下的模量數(shù)值相比增幅較??；而當(dāng)溫度較高時(shí)，這種非線性粘彈性特征就變得十分顯著，即表現(xiàn)為最大應(yīng)變下的模量數(shù)值與最小應(yīng)變下的模量數(shù)值相比增幅較大的試驗(yàn)現(xiàn)象。由于這種動態(tài)復(fù)模量的非線性荷載依賴性現(xiàn)象的存在，因此在開展應(yīng)力吸收層混合料的動態(tài)特性試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)保證試件處在合理的受力狀態(tài)范圍內(nèi)，使用合理的荷載水平開展相關(guān)試驗(yàn)，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可對比性。綜合本文的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)的應(yīng)變水平建議為60～80με。

3.2 不同圍壓荷載下的動態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)力吸收層在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部實(shí)際上處于一種三向受壓的受力狀態(tài)，上述研究是在無圍壓條件下開展的動態(tài)特性試驗(yàn)，而為了與應(yīng)力吸收層在路面結(jié)構(gòu)中的實(shí)際服役狀態(tài)相匹配，研究含有圍壓荷載條件的動態(tài)復(fù)模量才更具有工程意義。為此，本文開展了不同圍壓荷載下的應(yīng)力吸收層混合料動態(tài)特性試驗(yàn)，分析圍壓荷載對SAC10瀝青混合動態(tài)復(fù)模量的影響規(guī)律。詳見表5。

表5 不同溫度和圍壓荷載下的動態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果表

表5為不同溫度圍壓荷載下的動態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果，荷載頻率為10 Hz、應(yīng)變水平為60με。由表5可以看出，當(dāng)溫度較低時(shí)，應(yīng)力吸收層SAC10的動態(tài)復(fù)模量數(shù)值基本不受圍壓的影響，數(shù)值相差不大；而隨著溫度的升高，動態(tài)復(fù)模量數(shù)值隨著圍壓荷載的增加而逐漸變大。如在0 ℃～20 ℃時(shí)，圍壓荷載為0.2 MPa下的動態(tài)復(fù)模量數(shù)值與0 MPa圍壓荷載下的數(shù)值基本相同；而在55 ℃時(shí)，圍壓荷載為0.2 MPa下的動態(tài)復(fù)模量數(shù)值與0 MPa圍壓荷載下的數(shù)值相比增大許多，增幅達(dá)到100%以上。這種現(xiàn)象表明，當(dāng)溫度較高時(shí)，試驗(yàn)的圍壓荷載對應(yīng)力吸收層SAC10的動態(tài)復(fù)模量數(shù)值存在較大影響，當(dāng)溫度較低時(shí)影響不大。考慮到應(yīng)力吸收層在路面結(jié)構(gòu)中服役時(shí)，要經(jīng)歷一年四季的溫度變化，當(dāng)夏季溫度較高時(shí)，如果不考慮圍壓荷載，則應(yīng)力吸收層的模量數(shù)值較低，這時(shí)按此開展路面結(jié)構(gòu)計(jì)算和力學(xué)分析，受力結(jié)果會十分不利。但實(shí)際上，由于實(shí)體路面結(jié)構(gòu)處于一種三向受力狀態(tài)，為了保證路面結(jié)構(gòu)計(jì)算更加符合實(shí)際情況，應(yīng)按照應(yīng)力吸收層所處的真實(shí)受力環(huán)境，考慮其所承受的圍壓荷載條件進(jìn)行材料動態(tài)復(fù)模量的參數(shù)取值，之后再進(jìn)行路面力學(xué)計(jì)算才更加合理。綜合本文的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)溫度>20 ℃時(shí)，試驗(yàn)的圍壓荷載水平建議為0.1～0.15 MPa。

3.3 現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范條件下的骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層復(fù)模量推薦數(shù)值

2017年我國頒布了新版的《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)，其中對路面結(jié)構(gòu)計(jì)算中瀝青混合料的動態(tài)模量取值條件進(jìn)行了規(guī)定。按照規(guī)范中的要求，對于本文所使用的骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10混合料而言，其動態(tài)復(fù)模量應(yīng)取試驗(yàn)溫度為20 ℃、加載頻率為10 Hz下的試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合前文的分析結(jié)論，動態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)的應(yīng)變水平取60με，由于溫度為20 ℃，圍壓荷載取0.1 MPa。按此條件，結(jié)合本文的試驗(yàn)結(jié)果，桂柳高速公路使用的骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，動態(tài)復(fù)模量數(shù)值為8 642 MPa?？紤]到試驗(yàn)的可靠性和復(fù)現(xiàn)性，對于國內(nèi)采用同類型骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層混合料時(shí)，動態(tài)復(fù)模量取值范圍建議為8 000～9 000 MPa。

4 結(jié)語

為了獲得骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10混合料的動態(tài)復(fù)模量，本文以桂柳高速公路路面2標(biāo)使用的應(yīng)力吸收層為研究對象，通過不同試驗(yàn)條件下的動態(tài)特性試驗(yàn)，研究了應(yīng)變水平和圍壓對應(yīng)力吸收層動態(tài)復(fù)模量的影響，結(jié)合現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范給出了適用于骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層材料的動態(tài)模量取值范圍，為路面結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)。