半柔性复合路面设计及施工工艺研究

陈松灵

（江苏省科佳工程设计有限公司，江苏常州 214002）

1 引言

半柔性复合沥青路面是新型路面形式。相较于传统沥青路面，半柔性基层混合料孔隙率较大，具有较好的稳定性与密实性，且具有较好的高温稳定性，可以有效抵抗车辙，同时具有较好的低温抗裂性。因此，半柔性复合沥青路面逐步成为我国高速公路的重要路面形式[1]。本文基于具体工程项目，通过ABAQUS 有限元软件分析半柔性基层模量分别为500 MPa、700 MPa、900 MPa、1 100 MPa、1 200 MPa、1 500 MP，厚度分别为20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm、30 cm 时，对层底应力的影响，确定最佳半柔性基层的最佳模量和厚度，并研究半柔性复合沥青路面施工工艺[2]。

2 工程概况

某高速公路为双向8 车道，机动车道宽3.75 m。原路面结构总厚度90 cm，沥青上面层为4 cm 厚沥青混凝土，中面层为6 cm 厚沥青混凝土，下面层为8 cm 厚沥青混凝土，基层为厚20 cm 的水泥稳定碎石和20～30 cm 的半柔性基层，底基层为厚28 cm 的碎石石灰土[3]。

3 半柔性复合路面设计

3.1 建立路面结构模型

半柔性复合路面基层厚度与模量对其路用性能有较大的影响，厚度与模量较小时会严重影响道路使用寿命，而厚度与模量较大时会导致施工周期与工程成本增大，因此，需要合理设计半柔性复合路面基层厚度与模量。

3.1.1 模型尺寸与网格划分

构建三维沥青路面结构模型，为反映基层厚度及模量对路面结构应力的影响，采用一定长度的单车道路面结构模型，其尺寸为长5 m、宽3.75 m、厚0.9 m，沥青上面层厚度为4 cm、中面层厚度为6 cm、下面层厚度为8 cm。水稳基层厚20 cm，石灰碎石底基层厚28 cm。为确定最佳半柔性复合路面基层厚度与模量，本文模量设计范围为500～1 500 MPa，厚度设计范围为20～30 cm。采用有限元软件进行分析计算时，半柔性复合沥青路面结构网格类型采用C3D8R，并对模型结构进行网格化加密处理[4]。

3.1.2 荷载作用面积

本文采用双圆均布荷载模拟BZZ-100 标准轴载，轮胎对地压强为0.7 MPa，荷载矩形尺寸为18.4 cm×19.2 cm，两轮间距为13.6 cm，荷载作用面积如图1 所示。

图1 荷载作用面积

3.1.3 边界条件

半柔性复合沥青路面土基底面边界条件为：U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0；路面行车方向及道路两侧边界条件为：U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0。其中，U1、U2、U3表示沿路面行车道方向、垂直于行车道方向以及沿路面厚度方向的位移；UR1、UR2、UR3表示这3 个方向的旋转自由度，当U1＝U2＝U3＝UR1＝UR2＝UR3＝0 时，表示约束路面结构所有自由度。

3.2 半柔性基层模量变化对沥青下面层层底应力的影响

为研究不同半柔性基层模量对沥青下面层层底应力的影响，本文采用有限元模拟基层模量分别为500 MPa、700 MPa、900 MPa、1 100 MPa、1 200 MPa、1 500 MPa 时，计算沥青下面层层底等效应力、最大主应力及剪应力。

半柔性基层模量从500 MPa 增加到1 500 MPa，沥青下面层层底等效应力、最大主应力及剪应力有限元模拟结果见表1，半柔性基层模量与应力关系如图2 所示。

表1 半柔性复合沥青路面结构模拟结果MPa

图2 半柔性基层模量与应力关系图

由图2 可知，沥青下面层层底最大主应力、等效应力与最大剪应力随基层模量的增大呈现出逐渐减小的趋势。当基层模量从500 MPa 增加到1 500 MPa 时，层底最大主应力从0.374 MPa 减小到0.251 MPa，最大主应力减小率为32.89%；层底等效应力从0.484 MPa 减小到0.194 MPa，等效应力减小率为59.92%；层底最大剪应力从0.514 MPa 减小到0.294 MPa，最大剪应力减小率为42.80%。并对层底最大主应力、等效应力与最大剪应力进行线性拟合，最大主应力：y=-1.21x+0.425、R2=0.915；最大剪应力：y=-2.436x+0.634、R2=0.838；等效应力：y=-2.873x+0.578、R2=0.715，其中，x 为基层模量；y 为应力值，R2为拟合度。层底最大主应力、最大剪应力与基层模量具有较大的线性关系，而等效应力随基层模量的增加呈先增大后减小的趋势，基层模量从500 MPa 增加到1 100 MPa 时，等效应力减小率为55.79%，基层模量从1 100 MPa 增加到1 500 MPa时，等效应力减小率为9.35%，等效应力减小率较前者大幅度降低，不能只通过增加半柔性基层模量减小层底应力。因此，该项目将半柔性复合沥青路面基层最佳模量控制在1 100 MPa。

3.3 半柔性基层厚度变化对沥青下面层层底应力的影响

为研究不同半柔性基层厚度对沥青下面层层底应力的影响，本文采用有限元软件计算基层厚度分别为20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm、30 cm 时，沥青下面层的层底等效应力、最大主应力及剪应力。

半柔性基层厚度从20 cm 增加到30 cm 时，沥青下面层层底等效应力、最大主应力及剪应力有限元模拟结果见表2，半柔性基层模量与应力关系如图3 所示。

表2 半柔性复合沥青路面结构模拟结果

图3 半柔性基层厚度与应力关系图

由图3 可知，沥青下面层层底最大主应力、等效应力与最大剪应力随基层模量增大呈先减小后稳定的趋势。当基层厚度从20 cm 增加到30 cm 时，层底最大主应力从0.25 MPa 减小到0.08 MPa，最大主应力减小率为68.1%；层底等效应力从0.456 MPa 减小到0.184 MPa，等效应力减小率为59.65%；层底最大剪应力从0.556 MPa 减小到0.278 MPa，最大剪应力减小率为45.06%。并对层底最大主应力、等效应力与最大剪应力进行线性拟合，最大主应力：y=-0.021x+0.311、R2=0.891；最大剪应力：y=-0.026x+0.637、R2=0.826；等效应力：y=-0.026x+0.525、R2=0.705，其中，x 为基层厚度；y 为应力值；R2为拟合度。

半柔性基层厚度从20 cm 增加到26 cm 时，最大主应力、等效应力、最大剪应力分别减小到54.8%、58.77%、33.99%；厚度从26 cm 增加到30 cm 时，最大主应力、等效应力、最大剪应力分别减小到29.2%、2.13%、16.77%，下降幅度较前者变化平缓，说明厚度增加对层底荷载应力有分散作用，但并不是厚度越大效果越明显，因此，不能简单地认为厚度越大效果越明显。因此，项目将半柔性复合沥青路面基层最佳厚度控制在26 cm。

4 半柔性复合路面施工

4.1 拌和

半柔性复合沥青路面混合料采用间隙式拌和机，由于半柔性基层混合料孔隙率较大，因此，拌和温度控制较难，需要严格把控设备温度，半柔性基层混合料加热温度控制在190～200 ℃；沥青混合料加热温度控制在150～170 ℃，出料温度控制在160～180 ℃。半柔性基层混合料拌和时间控制在2～3 min。

4.2 运输

由于半柔性基层混合料孔隙率较大，运输过程中散热较快，因此，运输过程中需要对混合料做好保温工作，宜采用40 t的自卸车进行运输，自卸车厢内壁需要均匀涂抹一层隔离剂，并保持车厢清洁。混合料需要分3 次装料，避免粗细集料离析。装料完成后，采用保温布覆盖在自卸车保温处理，若温度较低，需要增加保温布的层数。运输车行驶过程中，速度不宜超过20 km/h，并且应防止急刹车、急转弯等问题。

4.3 摊铺与碾压

半柔性基层混合料的摊铺温度是决定工程质量的关键环节，摊铺温度应控制在160～170 ℃。摊铺时采用两2 台大型摊铺机作业，以减小混合料孔隙率且需要控制摊铺厚度，提高道路夯实等级。施工现场摊铺温度不宜低于160 ℃。

为保证半柔性基层混合料强度与压实度满足要求，压实遍数在8 次以上，12 次以下为佳，初压遍数为2～3 遍为佳，初压温度宜控制在140～150 ℃，初压控制速度1.5 km/h；复压遍数为4～6 遍为佳，复压温度宜控制在135～145 ℃，复压控制速度在1.0～2.0 km/h，严禁采用大吨位胶轮压路机进行半柔性路面的复压作业；终压遍数为2～4 遍为佳，终压温度宜控制在100 ℃以上，终压控制速度在1.5～2.5 km/h。

5 结语

为提高高速公路工程路面使用性能和使用年限，结合工程实例，并通过软件模拟分析不同半柔性基层模量和厚度对层底应力的影响，得到如下结论：

1）层底应力随半柔性基层模量的增加呈减小的趋势，且确定最佳模量为1 100 MPa；

2）层底应力随半柔性基层厚度的增加呈先减小后稳定的趋势，且确定最佳厚度为26 cm；

3）半柔性沥青路面施工完成后具有良好的施工质量。