基于面层倒装沥青路面结构组合与抗车辙性能评价

张韶华,张文辉,蒋应军

(1.驻马店市公路工程开发有限公司,河南 驻马店 463000;2.长安大学公路学院,陕西 西安 710064)

目前我国公路超载、重载现象严重,特别是在夏季,高温持续时间长,导致沥青路面出现严重的车辙病害,对行人和驾驶人员产生了严重的安全隐患[1]。所以,对于路面车辙病害的研究极其必要。

近年来,研究人员主要从路面材料和路面结构两个方面对车辙病害进行研究[2-4]。Haider S W和Lin Chihhsien等[5]研究多层沥青混合料的车辙问题。马峰等[6]发现在沥青混合料中掺加低温施工高性能添加剂,显著提高沥青混合料高温抗车辙性能。王端宜等[7]将集料接触点数量引入混合料的设计中作为级配选择的参考,提高沥青混合料的抗车辙性能。董泽蛟等[8]等提出在设计抗车辙路面时要考虑不同面层的模量组合,才能最大程度地发挥各层混合料的抗车辙性能。王磊等[9]发现掺加2%聚丙烯单丝纤维的微表处混合料可提高微表处混合料的抗车辙性能。石立万等[10]发现高温与重载联合效应会导致沥青路面车辙急剧发展。李丽民等[11]发现重载作用下车辙主要是由横向剪切引起的。Mohammad Jafari等[12]发现聚磷酸能显著提高未改性沥青结合料和未改性沥青混合料的抗车辙性能。Hassan Ziari等[13]发现乙烯双硬脂酰胺改性沥青混合料的抗车辙性能显著。中面层相对于上、下面层更易发生车辙,由于其剪应力最大,而且处于高温状态的时间持久[14,15]。因此,有必要在路面结构的基础上,对沥青路面的车辙病害进行考虑。

长期以来,上、中、下面层组合遵循细、中、粗或细、中、中粒式沥青混合料的组合。且目前各结构层沥青混合料基本上按全功能要求进行设计,结果必然顾此失彼,很难与沥青各结构层力学和功能要求相适应。譬如中面层主要承担抗车辙功能,中面层混合料应具有良好的抗车辙性能,但在混合料设计实践中通常还强调其低温抗裂性能,其结果必然影响其抗车辙性能;而下面层主要承担抗裂功能,应具有良好的抗裂性能,但在混合料设计实践中通常还强调其高温稳定性,其结果必然影响其抗裂性能。

1 原材料

1.1 沥青

上面层沥青混合料和黏层油均采用SBS(I-C)改性沥青,为浙江银基石化有限公司生产;中面层和下面层沥青混合料采用70号基质沥青,为中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司生产。沥青技术指标见表1。

表1 沥青技术性质

1.2 集料

(1)粗集料

上面层沥青混合料粗集料采用玄武岩碎石,中面层和下面层粗集料采用石灰岩碎石,两种粗集料均为金华磐安石料厂生产,技术性质见表2。

表2 粗集料技术性质

(2)细集料

沥青混合料细集料均采用石灰岩,细集料为金华磐安石料厂生产,技术性质见表3。

1.3 矿料级配

AC-13、AC-20和AC-25沥青混合料矿料级配见表4,最佳油石比分别为5.0%、4.4%和4.1%。

表4 不同类型沥青混合料矿料级配

2 基于面层倒装沥青路面结构组合

2.1 面层倒装原理

由层位功能可知,中面层是主抗车辙区。当中面层荷载作用下产生剪应力超过材料容许抗剪强度时,则路面出现车辙。因此,为了提高路面抗车辙能力,材料组成设计时,一方面提高中面层混合料抗剪强度,另一方面设法降低车辆荷载作用下中面层剪应力,而由力学分析可知,提高中面层模量是降低路面剪应力最有效措施。下面层是主抗疲劳区。当下面层荷载作用下产生拉应力超过材料容许抗拉强度时,则混合料出现疲劳开裂。所以,为了提高下面层抗疲劳开裂能力,材料组成设计时,一方面提高下面层混合料抗拉强度或抗疲劳开裂能力,另一方面设法降低车辆荷载作用下面层层底拉应力,而由力学分析可知,降低下面层模量是降低面层层底拉应力有效措施。

因而,将面层结构中的中下面层倒装,既满足中面层抗车辙性能的要求,又满足下面层抗疲劳性能的要求。

2.2 面层倒装结构

基于面层倒装耐久沥青路面结构组合理论,提出路面结构组合形式见表5。

表5 基于面层倒装耐久沥青路面结构组合形式

2.3 面层倒装结构应力

(1)路面结构及材料参数

具体验算的路面结构见表6,计算参数见表7。其中,Ep和S分别表示实测模量的平均值和标准差。

表6 路面结构

表7 材料计算参数

(2)计算结果

不同路面结构应力计算结果见表8,路面结构各结构层材料应力水平(材料在路面结构中承受的应力与材料破坏强度比值)见表9。

表8 荷载0.7 MPa不同路面结构最大应力计算结果 单位:MPa

表9 不同路面结构各结构层材料应力水平 单位:MPa

表8和表9表明:相对于传统路面结构,路面材料相同时沥青面层倒装结构应力最大值均降低。

3 面层倒装沥青路面抗车辙性能

3.1 试验方法

现行车辙试验方法适用于车辙板厚度≤10 cm,无法用于整个路面结构车辙试验。为此,本文采用自行开发的适用于大厚度车辙板轮载可调的车辙试验装置进行抗车辙试验。

(1)18 cm厚度车辙板试件制作

采用自行研制的厚度可调车辙板成型仪制作18 cm车辙板模拟上、中、下面层实际现场工况,试件制作方法如下。

①制作下面层车辙板:成型长×宽=300 mm×300 mm、厚度符合路面结构的下面层车辙板,并在室温下冷却24 h后喷洒0.4 L/m2SBS热沥青黏层油;

②制作中面层车辙板:在喷洒黏层油的下面层车辙板上制作中面层车辙板,厚度符合路面结构,并在室温下冷却24 h后喷洒0.4 L/m2SBS热沥青黏层油;

③制作上面层车辙板:在喷洒黏层油的中面层车辙板上制作上面层车辙板,厚度符合路面结构,并在室温下冷却48 h备用。

(2)大厚度车辙板试验

本文采用自行研制的适用于大厚度车辙板的车辙试验仪进行车辙试验。车辙试验时,轮载拟采用0.7 MPa、1.2 MPa,试验温度为60 ℃,加载时间为10 h,保温时间为8 h。

3.2 试验结果

不同路面结构车辙深度随荷载作用次数发展趋势见图1。由图1可知,随荷载作用次数增加,不同路面车辙发展曲线的形状极其相似:加载次数2 550次之前,随加载次数增加,路面结构车辙深度急剧增大;当加载次数超过2 550次之后,随加载次数增加,路面结构车辙深度增加幅度逐渐减小,直至趋于稳定。倒装结构(DM)车辙变形量小于传统结构(TM)车辙变形量,从路面车辙深度随荷载作用次数的发展趋势可以看出,沥青路面车辙发展符合安定性理论。

图1 路面车辙深度随荷载作用次数的发展趋势

3.3 影响因素

(1)荷载

根据图3可得,荷载大小对路面结构极限车辙深度的影响见表10。表中RP是指荷载1.2 MPa时极限车辙深度与荷载0.7 MPa时极限车辙深度的比值。

表10 不同轮载作用下极限车辙深度比值

由表10可知,荷载由0.7 MPa增大到1.2 MPa时,不同路面结构极限车辙深度增大了58%～72%。即荷载增大1%,车辙深度增大约0.81%～1.0%。

(2)路面结构的影响

根据图3可得,相同荷载相同材料不同路面结构对极限车辙深度的影响见表11。

表11 相同荷载相同材料不同路面结构极限车辙深度比值

由表11可知,与传统路面结构相比,0.7 MPa和1.2 MPa荷载作用下面层倒装结构抗车辙性能可分别提升16%和12%。

4 结 论

(1)基于路面结构层位功能分析了面层倒装原理,提出了基于面层倒装的沥青路面结构,研究了面层倒装结构的应力,相比于沥青路面传统结构,沥青面层倒装结构拉应力和剪应力最大值均有所降低。

(2)研究了沥青面层结构抗车辙性能及影响规律,与传统路面结构相比,沥青面层倒装结构抗车辙性能至少提升12%,降低沥青路面荷载或采用面层倒装结构均能提升沥青路面抗车辙性能。