橡胶沥青混凝土面层平整性对其力学行为的影响研究

高 飞

（长治高速公路管理有限公司，山西 长治 046000）

橡胶沥青混合料的开发初衷主要是为了解决废旧橡胶制品的循环利用和无害化处理问题，随着我国汽车保有量的不断增长，目前，废旧轮胎保有数量已超过5亿条[1]，且有继续高速增长的态势；而以废旧橡胶粉作为沥青改性剂的橡胶沥青混合料不仅明显改善了传统沥青混合料的高温稳定性、抗疲劳荷载特性及行车舒适性，而且一定程度上代替了成本更高的SBS改性沥青混合料[2]，大幅压缩了沥青混凝土路面的综合成本，工程经济性更佳，同时消耗了大量的废旧橡胶制品，真正实现了废旧橡胶的循环使用和无害化处理。

1 橡胶沥青混合料概述

从组分角度分析，橡胶改性沥青混合料属于复合型材料，制作过程为：将废旧橡胶制品经机械粉碎成不同目数的橡胶粉颗粒，再将橡胶粉颗粒、基质沥青、外加剂置于专用搅拌剪切设备中，在合理控制拌和温度、拌和时长及混合料发育时间的前提下，经充分拌和剪切后得到。从微观角度分析，橡胶粉在外加剂的催化作用下，能够吸收基质沥青中的树脂、烃类有机物，经一系列表面理化反应后，橡胶粉表面潮湿膨润，膨润的橡胶粉与基质沥青中的沥青质、轻质及胶质组分混合后形成新的橡胶改性沥青[1]。随着生产工艺和设备的升级更新，橡胶改性沥青混合料的应用进程可分为4个阶段[1]，具体详见表1所示。

表1 橡胶改性沥青混合料应用进程

2 基于静力学的橡胶沥青面层平整性对其力学行为的影响分析

2.1 橡胶沥青面层有限元模型建立

为了系统分析橡胶沥青混凝土面层在静力作用下的力学响应，同时对比面层平整度差异对其力学行为的影响，本文拟借助有限元法对其进行分析。为了降低分析难度，特将橡胶沥青面层视为单层线弹性连续体系，重点分析面层在线弹性范围内的力学响应，暂不考虑变形阶段。假定面层均匀、连续、各向同性，且单层内沥青面层变形连续，约束形式简化为刚性约束，不考虑相邻层的位移及变形，且不计面层自重影响[3]。

该橡胶沥青路面层模型沿行车方向取10 m，横断面净宽为5 m，面层厚度为10 cm，结构形式为单层，选用Solid45八节点模型模拟面层，模型边界条件为：行车面为自由面，其余接触面均为刚性接触。橡胶改性沥青较普通沥青的抗变形刚度及屈服抗拉强度均有明显提升，故有限元分析模型对应的力学参数不能直接使用普通沥青材料参数，经查阅文献，获取到的橡胶沥青混合料相关力学参数详见表2所示[4]。

表2 橡胶沥青混合料相关力学参数

为了对比路面平整度差异对静力作用下的面层力学行为影响，特建立平整路面结构层和非平整路面结构层两个实体模型，网格划分后的橡胶沥青路面层表面平整及表面非平整模型详见图1所示。

图1 网格划分后的橡胶沥青路面层表面平整及表面非平整模型

接触面约束采用节点约束形式，除行车面以外的5个接触面约束条件均为刚性约束，以均布荷载模拟车辆荷载，考虑到本文分析重点为路面平整度对面层力学行为的影响，故不考虑加载位置及加载工况的差异。施加约束条件后的橡胶沥青路面层表面平整及表面非平整模型如图2所示。

图2 施加约束条件后的橡胶沥青路面层表面平整及表面非平整模型

2.2 不同平整性条件下的橡胶沥青面层静力学分析

本文拟从单元Mises应力、沿Y方向的节点位移两方面对比两种模型在相同静力学工况下的力学行为，进而评价橡胶沥青路面平整度对其力学行为的影响。两种模型对应的单元Mises应力及沿Y方向的节点位移分别见图3、图4所示。

图3 两种模型对应的单元Mises应力云图

图4 两种模型对应的沿Y方向的节点位移云图

经有限元计算结果可知，当橡胶沥青混凝土路面层平整度下降后，在相同荷载工况下，对其力学行为的影响较显著。在橡胶沥青混凝土路面表面平整度良好的情况下，路面在均布荷载作用下的应力分布较为均匀，且未见应力突变情况，随着平整度的下降，路面在均布荷载作用下的应力分布出现异常，局部出现因应力集中导致的应力突变现象，行车面应力最大值约为路面平整条件下最大应力的3～4倍，且非平整条件下的路面层局部应力已超过容许应力值。面层平整度对面层受荷竖向位移的影响则更加明显，在路面平整度良好的条件下，路面在均布荷载作用下的竖向挠度可忽略不计，随着平整度的下降，在相同均布荷载作用下的挠度变化则更加明显，局部最大挠度超过2 mm。

综上，橡胶沥青混凝土路面层的平整度对路面静力学行为的影响非常明显，不仅使路面整体处于较高的内应力水平，同时还会增加荷载引起的竖向位移，进而加剧路面的不平整情况，在荷载的持续作用下，路面工况将进入恶性循环，最终提前劣化而丧失服役能力。

3 橡胶沥青加铺层的平整性控制工艺分析

为了进一步延长橡胶沥青面层的服役寿命，控制面层的应力水平和竖向挠度变形规模，在面层施工过程中必须控制好面层的平整度。通过总结施工实践经验发现，橡胶沥青面层的摊铺和压实是决定路面层平整度的两个关键环节，故必须做好相应的控制，以确保平整度满足施工要求。

橡胶沥青面层摊铺应根据道路幅宽组建联合机群，以尽可能减少冷缝数量，摊铺需借助专用摊铺机械，现场做好运料车的组织调配，保证运料车与摊铺机的精准对接，确保摊铺作业的连续性和稳定性；借助摊铺机的平衡梁控制摊铺平整度，同时兼顾路拱横坡率，摊铺后的松铺厚度应略高于路缘石1～3 mm。

橡胶沥青面层压实环节应紧随摊铺工序之后，压实机械遵循“高频小幅、慢进紧随”的基本原则，压实工序分为初压、复压、终压三步，横向压实顺序遵循“由外向内”的顺序，其中转弯位置应变更为“由内向外”的顺序；前后压实工序的轮迹重叠宽度应满足规范要求，以保证压实的有效性，复压实环节应采取“振动压实+静压实”的组合工况。

4 结语

综上，橡胶沥青混凝土面层平整度对面层的静力学行为影响较为显著，在路面层平整度欠佳的情况下，在均布荷载作用下的层内应力水平较路面平整情况更高，且受荷条件下的竖向位移更明显；故在橡胶沥青路面层施工实践中，必须将路面平整性控制放在首要位置，以尽可能延长和提升橡胶沥青面层的使用寿命和行车舒适度。