桥面铺装沥青混合料的技术性能与标准研究

王亚玲，范鹏云，辛 强，蒋兴法，杨 坤

（1.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.赤承高速公路建设项目管理办公室，内蒙古 赤峰 024000；3.内蒙古交通设计研究院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010000）

目前我国高速公路发展很快，高架桥多，桥面铺装大多采用和路面一样标准的沥青混凝土。桥面铺装层直接承受行车荷载、梁体变形和环境因素的作用，与路面上的沥青混凝土受力作用不同，各自的技术标准和要求应该也不一样。尤其近年来，桥面铺装过早的破坏，引起人们对因桥面铺装问题造成的直接和间接的经济损失给予了足够的重视。桥面铺装的早期损坏已成为影响高速公路使用功能发挥和诱发交通事故的一大病害[1]。因此，应加快对桥面铺装沥青混凝土技术性能与标准精细化技术研究。本文将通过建立水泥混凝土桥沥青混凝土铺装层结构和普通沥青混凝土路面结构的三维实体有限元模型，对桥面沥青混凝土铺装与路面应力状态进行对比分析，以及沥青混合料技术性能的研究，提出适宜桥面铺装沥青混合料的技术性能与标准。

1 模型建立及参数选择

1.1 有限元分析模型选择

计算分析中，采用基于ANSYS有限元分析软件建立的空间实体模型。对于桥面结构模型，沥青混凝土铺装层和桥面防水粘结层采用20节点的实体单元SOLID95，以更好地模拟实际受力情况；其余部分均采用8节点实体单元SOLID45模拟。对于路面结构模型，沥青混凝土铺装面层采用20节点的实体单元SOLID95模拟，其他结构层均采用8节点实体单元SOLID45模拟。边界条件均为：底面上没有z方向位移，左右两面没有x方向位移，前后两侧没有y方向位移。层间连续接触时采用耦合处理（上、下对应节点位移一致）[2-3]。

1.2 基本参数

根据依托工程的实际情况及《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）车辆荷载采用标准车型BZZ—100，轴重100kN，轮压为0.7MPa，双轮间距28.9cm。为方便有限元计算分析，按面积等效的原则将双轮荷载转换为正方形，车轮与路面的接触面理想化为18.9cm×18.9cm的正方形，接触面积为357.21cm2。计算中水平荷载与垂直荷载同时考虑，其中水平荷载是通过垂直荷载乘以车轮与路面间的摩擦系数f得到，根据已有研究成果，f＝0.2时表示缓慢制动，适用于停车场、交叉口等缓慢制动处；f＝0.5时表示紧急制动，适用于正常路段，故在计算中取f＝0.5[4]。

沥青混凝土铺装层以AC表示，水泥混凝土铺装层以PCC表示，桥面沥青混凝土铺装层分为上、下两层，路面面层结构层分为上、中、下三层。沥青混凝土面层、具体桥面结构形式和路面结构形式及材料参数见表1、表2，有限元模型见图1、图2。

表1 桥面结构尺寸及材料参数

表2 路面结构尺寸及材料参数

图1 桥面有限元实体模型

图2 路面有限元实体模型

2 桥面铺装结构与路面铺装结构应力状态比较

通过计算，可得到桥面沥青混凝土铺装层和路面沥青混凝土铺装层的应力状态云图（如图3和图4所示）和应力值大小（如表3所示）。

图3 桥面应力状态

图4 路面应力状态

表3 桥面与路面应力值比较

由计算结果可知，桥面沥青混凝土铺装层的应力状态要明显高于路面沥青混凝土面层，然而我国现行的规范标准只有统一的规范标准，桥面铺装采用和路面一样标准的沥青混凝土，显然存在不合理性。因此有必要制定桥面沥青混凝土铺装层的技术指标与标准。

3 沥青混合料添加剂性能分析

通常在桥面铺装设计施工中都会在沥青混合料中加入添加剂以提高桥面铺装层的结构性能，本文选择聚丙烯抗裂纤维和PRCR两种添加剂作为研究对象。聚丙烯纤维添加量为沥青混合料的0.3%，PRCR添加剂的添加量为沥青混合料的0.4%。

3.1 沥青混合料配合比（如表4所示）

表4 沥青混合料矿料合成级配

3.2 沥青混合料马歇尔试验[6]

对添加0.3%聚丙烯纤维和0.4%PRCR添加剂的沥青混合料分别进行马歇尔试验，结果如表5所示。

表5 沥青混合料马歇尔试验

3.3 沥青混合料冻融劈裂试验、车辙试验和低温弯曲试验[3]

试验环境及操作试验均严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（T0729、T0719、T0715）的要求进行，结果见表6～表8。

表6 沥青混合料冻融劈裂试验

表7 高温稳定性车辙试验

表8 低温弯曲试验结果

根据以上试验结果，可知含有添加剂的沥青混合料性能要明显高于目前的统一规范所规定的标准值，其中PRCR添加剂更是大幅度提高了沥青混合料的各项指标。

4 桥面铺装沥青混合料的技术性能与标准推荐

通过有限元软件ANSYS计算结果可知桥面铺装层结构的应力值要高于路面面层结构应力值50%左右，技术要求也应该要高于路面的技术要求。因此建议桥面铺装宜采用改性沥青作为铺装层结合料，同时选择高性能添加剂使沥青混合料的性能得到大幅度提高，以满足桥面铺装层高应力的要求。综合以上研究结果，桥面铺装沥青混合料的推荐技术指标与标准推荐如表9～表11[6]所示。

表9 桥面铺装沥青混合料车辙试验动稳定度技术要求

表10 桥面铺装沥青混合料低温抗裂性技术要求

表11 桥面铺装沥青混合料水稳定性技术要求

5 结论

通过以上探讨，本文得到如下结论：

a）运用有限元软件ANSYS分别建立水泥混凝土桥沥青混凝土铺装层结构和沥青混凝土路面结构的三维实体模型，通过桥面铺装层结构与路面面层结构的应力状态对比研究，结果表明：桥面铺装层结构的最大拉拔力σmax和最大剪应力τmax分别要高于路面面层结构56.1%和45.5%；

b）通过进行沥青混合料添加剂的相关试验，得知含有添加剂的沥青混合料性能要明显的高于目前规范所规定的标准值，其中PRCR添加剂更是大幅度提高了沥青混合料的各项性能指标；

c）针对桥面铺装层存在的高应力，以及添加剂对沥青混合料各项性能的大幅度的提高，提出了桥面铺装沥青混合料的推荐技术指标与标准。

[1]崔岩.柔性桥面铺装层早期病害分析[J].公路交通科技：应用技术版，2009，（11）：27-28.

[2]王建江，胡仁喜，刘英林.ANSYS11.0结构域热力学有限元分析实力指导教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3]陈宝，吴德军，刘崭.沥青路面结构的最大剪应力[J].长安大学学报：自然科学版，2010，（6）：21-22.

[4]朱照宏，许志鸿.柔性路面设计理论与方法[M].上海：同济大学出版社，1987.

[5]张占军，胡长顺.水泥混凝土桥面沥青混凝土铺装结构设计方法研究[J].中国公路学报，2001，14（1）：56-29.

[6]邓学钧，黄晓明.路面设计原理与方法[M].北京：人民交通出版社，2001.

[7]JTG F40—2004，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].