泡沫沥青冷再生路面合理结构厚度研究

应荣华 侯昭光

(长沙理工大学交通运输工程学院 长沙 410004)

泡沫沥青再生路面[1]因其具有柔性、耐疲劳,且再生混合料存放时间较长,施工受季节和气候影响小等优点在道路维修养护中得到了广泛的关注.采用泡沫沥青再生基层使原来的路面结构成为柔性基层结构,路面结构由沥青路面(磨耗层)、泡沫沥青冷再生层、剩余路面结构层(包括原有路面的部分基层、底基层、垫层和路基)等多层结构组成.冷再生路面合理结构厚度的确定,既要考虑交通等级、经济社会效益和施工可操作性[2],更要重视路面整体刚度和强度、再生层承载能力和疲劳损坏等结构特性.本文拟定了27种典型的冷再生路面厚度组合,通过路表弯沉、再生层承载能力和疲劳寿命分析,结合工程实践,提出了不同交通等级下泡沫沥青冷再生路面的合理结构厚度,为实际应用提供参考.

1 路面力学参数的确定

冷再生路面结构中沥青层主要起恢复表面功能的作用,作为磨耗层,因此沥青层厚度不宜过厚,一般为4～10 cm(当厚为10 cm,一般要分2层铺筑,计算中仍按1层考虑);冷再生层应具有足够的强度和稳定性,主要起承重和抗疲劳的作用,再生厚度既要考虑结构力学特性,又要顾及施工的可操作性,厚度宜为15～25 cm;下承层应具有良好的承载能力,根据国内再生实体工程的调查取值范围为150～250 MPa.计算中采用3层结构体系,结构层与参数取值见表1.在进行冷再生路面结构组合设计时,各结构层应按强度和刚度自上而下递减的规律安排,以使各结构层材料的效能得到充分发挥.冷再生路面结构层的层数愈多愈能体现强度和刚度沿深度递减的规律.但就施工工艺、材料规格和强度形成原理而言,层数又不宜过多,也就是不能使结构层的厚度过小.沥青路面相邻结构层材料的模量比对路面结构的应力分布有显著影响,是合理确定结构层层数,选定适宜结构层材料的重要考虑因素.根据分析和经验,基层与面层的模量比应不小于0.3,土基与基层或底基层的模量比宜为0.08～0.40.分析中按照上述原则确定的27种典型的冷再生路面厚度组合见表2.

表1 结构组成与计算参数

表2 典型的冷再生路面厚度组合

2 再生路面承载力与使用寿命分析

2.1 计算软件介绍

计算荷载采用标准双轮轴载BZZ-100 kN,胎压0.7 MPa,轮压半径R=10.65 cm,双圆中心距为15.975cm,计算点位于双圆荷载中心向下冷再生层层底[5].

图1 受力分析模型

2.2 路表弯沉与冷再生层承载能力分析

利用BISAR3.0计算路面结构路表弯沉和内应力,不同路面厚度组合下路表弯沉和冷再生层层底拉应力计算结果见表3,不同厚度组合下路表弯沉和再生层层底拉应力随下承层强度的变化趋势如图2,3(以面层厚度为4 cm和基层厚度为15 cm的厚度组合为例)所示.

由表3和图2可知：对于所有路面厚度组合,路表弯沉随下承层强度的变化趋势是相同的,即路表弯沉随下承层强度的增加而减小,且影响显著,当下承层强度为250 MPa时,路表弯沉大大减小;在沥青面层厚度相同的情况下,路表弯沉随再生层厚度的增加而明显下降,当再生层厚度为15 cm时,路表弯沉将达到较大值,路面整体刚度大大降低;在再生层厚度相同的情况下,路表弯沉随沥青磨耗层厚度的增加而减小,当沥青磨耗层厚度达到10 cm时,路表弯沉值较小,路面的整体强度和路用性能得到很好的改善.

由表3和图3可知,对于所有路面结构,再生层层底拉应力随下承层强度的变化趋势是相同的,即再生层层底拉应力随下承层强度的增加而减小,且影响显著,当下承层强度为150 MPa时,再生层层底拉应力增加;在沥青面层厚度相同的情况下,再生层层底拉应力随再生层厚度的增加而明显下降,当再生层厚度为15cm时,再生层层底拉应力将达到较大值,路用性能将会显著降低;在再生层厚度相同的情况下,再生层层底拉应力随沥青磨耗层厚度的增加而减小,但影响幅度没有再生层厚度增加带来的影响幅度大.

表3 不同路面厚度组合下路表弯沉和冷再生层层底拉应力计算结果

图2 不同厚度组合下路表弯沉随下承层强度的变化趋势

图3 不同厚度组合下再生层层底拉应力随下承层强度的变化趋势

因此,泡沫沥青冷再生路面的下承层强度对改建后路面的使用性能起决定性作用;再生层厚度和沥青磨耗层厚度显著影响路面的使用寿命,在经济允许的条件下,增加再生层厚度和沥青磨耗层厚度,能显著的提高路面的长期使用寿命.

2.3 使用寿命分析

2.3.1 基于路表弯沉的路面使用寿命分析 文献[7]中规定的设计弯沉计算公式

式中：Ac为公路等级系数,计算中取Ac=1.0;As为面层类型系数,沥青混凝土路面取1.0;Ab为路面结构类型系数,泡沫沥青冷再生柔性基层沥青路面取1.6.

随着我国经济水平的不断发展，农村居民生活水平也得到了显著提升，农村居民在消费不再仅限于物质方面的消费，对文化消费也提出了较高的要求。以河北农村为例进行分析发展，当下农村文化消费水平较低，消费形式较为单一，因此需要大力改善当前不健康的文化消费现状，推动农村文化消费水平，促进乡村旅游业的发展。

则式(1)可写为

变换的当量轴次的换算公式为

2.3.2 基于冷再生层层底拉应力的疲劳寿命分析 文献[6]中提供的容许拉应力计算公式计算冷再生混合料的容许拉应力

泡沫沥青冷再生混合料15℃时的极限劈裂强度参照文献[7]中的规定取0.7 MPa;通过大量的室内试验数据建立泡沫沥青冷再生混合料室内疲劳方程,通过修正,可确定泡沫沥青冷再生层的抗拉强度结构系数,根据同济大学对泡沫沥青冷再生混合料疲劳性能的研究成果[8],按下式计算

式中：Ac为公路等级系数,高速公路、一级公路为1.0,二级公路为1.1,三、四级公路为1.2.

计算中取Ac=1.0,变换的当量轴次的换算公式为

2.3.3 使用寿命计算与分析 根据路表弯沉和冷再生层层底拉应力计算冷再生路面的使用寿命,计算结果见表4.

疲劳寿命计算结果表明：按照路表弯沉计算得到的路面使用寿命大于按照冷再生层层底拉应力计算所得的路面疲劳寿命,因此冷再生路面合理厚度应按照基于冷再生层底拉应力的疲劳寿命来确定.分析基于冷再生层层底拉应力的路面疲劳寿命可知：结构类型1的疲劳寿命小于3× 106,结构类型2,3,4,5,6,7,8,10,11,12,13,14, 16,19,20,22十六种路面结构的疲劳寿命介于3 ×106～1.2×107之间,结构类型9,15,17,18, 21,23,24,25,26九种路面结构的疲劳寿命介于1.2×107～2.5×107,结构类型27的疲劳寿命大于2.5×107.

3 冷再生路面合理结构厚度的确定

冷再生路面沥青层主要起功能性磨耗层作用,而冷再生层为主要的结构性承重层,因此冷再生路面疲劳寿命的划分可参照文献[6]关于交通等级(见表5)的规定.

表4 不同路面厚度组合的使用寿命计算结果

表5 交通等级

由我国交通等级的规定和冷再生层的疲劳寿命计算结果可知：

1)结构类型1适用于轻交通状况,面层厚度宜为4 cm,再生层厚度＞15 cm,下承层强度＞150 MPa,但考虑到轻交通一般为三、四级或等外公路,从经济型出发,沥青磨耗层厚度可适当减薄,且再生层厚度不宜大于20 cm.

2)结构类型2,3,4,5,6,7,8,10,11,12,13, 14,16,19,20,22适用于中等交通状况,面层厚度≥4 cm,再生层厚度变化范围为15～25 cm,下承层强度≥150 MPa.适用于中等交通的路面结构比较多,从侧面反映出泡沫沥青冷再生技术在二级公路的维修改造中更具优势,广东佛山官西线二级公路的维修改造采用了泡沫沥青冷再生,路面结构型式采用结构类型4,从试验路的使用情况来看,再生效果良好,路面承载能力和路用性能得到了很大的提高.

3)结构类型9,15,17,18,21,23,24,25,26适用于重交通状况,面层厚度基本上大于6 cm,再生层厚度变化范围为20～25 cm,下承层强度≥200 MPa.工程实践表明,沥青磨耗层厚度不宜小于6 cm,并在经济允许的条件下应加厚;在沥青磨耗层厚度增加的情况下,再生层厚度可适当减薄.

4)结构类型27适用于特重交通状况,沥青磨耗层厚度≥10 cm,再生层厚度≥25 cm,下承层强度≥250 MPa.沥青磨耗层厚度增加的情况下再生层厚度可适当减薄,从施工的难易程度和可操作性出发,冷再生厚度不宜大于30 cm.

综上所述,推荐的泡沫沥青冷再生路面合理结构厚度如表6.

表6 泡沫沥青冷再生路面合理结构厚度

4 结 论

1)路表弯沉分析表明,路表弯沉随下承层强度的增加而显著减小;在沥青面层厚度相同的情况下,路表弯沉随再生层厚度的增加而明显下降;在再生层厚度相同的情况下,路表弯沉随沥青磨耗层厚度的增加而减小.

2)再生层承载能力分析表明,再生层层底拉应力随下承层强度的增加而显著减小;在沥青面层厚度相同的情况下,再生层层底拉应力随再生层厚度的增加而明显下降;在再生层厚度相同的情况下,再生层层底拉应力随沥青磨耗层厚度的增加而减小.

3)疲劳寿命分析表明,基于路表弯沉的路面使用寿命大于基于冷再生层层底拉应力的路面疲劳寿命,因此对于泡沫沥青冷再生柔性基层路面合理结构厚度的确定应以冷再生层底拉应力为分析指标.

4)通过各种冷再生典型路面厚度组合下路面的疲劳寿命分析,结合我国规范对交通等级的规定和实践经验确定了不同交通等级下冷再生路面的合理结构厚度,以便为工程实践提供参考,推动冷再生技术在我国的应用.

[1]拾方治,马卫民.沥青路面再生技术手册[M].北京：人民交通出版社,2006.

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[3]沈金安.国外沥青路面设计方法总汇[M].北京：人民交通出版社,2004.

[4]黄仰贤.路面分析与设计[M].北京：人民交出版社, 1998.

[5]孙立军.沥青路面结构行为理论[M].北京：人民交通出社,2005.

[6]中交公路规划设计院.JTJ D50-2006公路沥青路面设计规范[S].北京：人民交通出版社,2006.

[7]交通部公路科学研究院.JTG F41-2008公路沥青路面再生技术规范[S].北京：人民交通出版社,2008.

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