高等级公路高模量沥青路面设计.pdf

总652期2023年第22期（8月 上）0 引言根据美国沥青路面联盟的界定，长寿命路面是设计使用年限为50年的沥青路面，其在设计使用年限内无须实施结构性修复和重建，只需要结合表面层损坏程度展开周期性修复。但是这一界定并未对路面结构形式作出具体规定。结合相关实践经验，如果设计方案合理、施工技术应用得当，几乎每种路面结构均能实现长寿命目标，但是实现技术因结构受力、服役性能等不同而存在差异。当前对公路沥青路面耐久性的研究活动愈加高涨，如何切实建设长寿命沥青路面已成为路面工程研究的热点。基于此背景，本文对半刚性基层结构和高模量沥青混凝土组合的潜在长寿命耐久性沥青路面设计展开研究，以期为同类工程提供参考。1 交通量预测某高等级改扩建公路为永久路面试验路，建设前必须对沥青路面结构进行分析，并对高模量沥青混凝土路用性能进行评价，为试验路建设提供参考。结合工程可行性研究中的调查数据，该高等级公路初始货车量为7 311辆/d，在此后的设计使用年限内，年交通量按照4.3%的增长率增长。根据公路沥青路面设计规范（JTG D502017）中对满载车辆和非满载车辆比例的规定，并结合对该高等级公路周边高速公路和干线公路实际交通量的调查，满载车辆应按照超载25%确定其实际交通量，而非满载车辆则按满载计算实际载重1，公式如下：N1=AADTTDDFLDF(1+)t-1 365（1）式（1）中：N1为设计车道使用年限内累计交通量；AAADTT为大型货车或客车双向日交通量均值（辆/d）；DDF为方向系数，取0.6；LDF为车道系数，取0.6；为公路设计使用年限内交通量年均增长率（%）；t为公路路面设计使用年限。应用式（1）计算出的 15年和 40年的设计使用年限内（15年是该高等级公路现状设计使用年限；结合现行设计规范，将该改建高等级公路长寿命沥青路面设计使用寿命定为40年），设计车道大型货车和客车累计交通量分别为 759 870 45 辆和 194 257 79 辆，比照公路沥青路面设计规范（JTG D502017），该高等级公路属于特重交通等级。当设计使用年限为40年时，沥青层层底拉应变对应的当量轴载次数为 3.1108次，半刚性基层层底拉应力对应的当量轴载次数为6.4108次，路基顶面压应变的当量轴载次数为4.2108次。2 路面结构计算2.1 路面结构方案展开高模量沥青混凝土永久路面设计时，提出两种结构方案：方案一为 4 cm 厚 ARHM-13、8 cm 厚HMAC-16、10 cm厚HMAC-20、25 cm厚水稳碎石层、25 cm厚水稳碎石基层，路面总厚度比原方案低10 cm；下面层疲劳破坏应变比原结构提高60%以上，并能使半刚性基层结构沥青层疲劳寿命显著提升。方案二为4cm 厚 ARHM-13、8 cm 厚 HMAC-16、14 cm 厚 HMAC-20、14 cm 厚 ARHM-25、4 cm 厚改性沥青混凝土应力吸收层、20 cm厚级配碎石，路面总厚度比原方案低18cm；为典型的柔性基层结构，高模量沥青具备较好的承载力及抗永久变形性能。2.2 路面结构验算采用Alize设计软件展开沥青路面结构验算，该软收稿日期：2022-11-25作者简介：范忠圆（1990），男，工程师，从事公路桥梁勘察设计相关工作。高等级公路高模量沥青路面设计范忠圆（山西诚达公路勘察设计有限公司，山西 太原 030006）摘要：基于长寿命沥青路面在国内应用规模小、材料选用及结构设计等方面缺乏理论及数据支撑的现状，以某改建高等级公路为例，应用ALIZE路面结构计算软件对其半刚性基层和柔性基层路面结构展开设计，并对高模量沥青混凝土路用性能展开研究评价。根据比较，最终选择半刚性基层高模量沥青路面设计方案；抗疲劳性能分析结果显示，采用20#硬质沥青的HMAC-20高模量沥青混合料疲劳寿命明显优于采用SBS改性沥青的HMAC-16混合料。关键词：高等级公路；高模量；沥青混凝土；路面设计中图分类号：U416.2文献标识码：B56交通世界TRANSPOWORLD件主要通过比较路面结构力学响应和结构层材料允许值2进行结构厚度确定及优化。材料参数见表1，表中的疲劳破坏应变和材料模量均按照梯形试件两点弯曲试验得出；材料模量值略低于单轴压缩试验所得动态模量值。在路面结构验算时，以轴重10 t的单轴-双轮组轴载为设计轴载；当量温度为20，设计路床顶面控制弯沉为80（0.01 mm），路基顶面模量为200 MPa；在进行沥青路面结构验算时，假定沥青层层间和半刚性基层间完全黏结，而沥青层和半刚性基层间为半黏结，沥青层和级配碎石、级配碎石和路床、路床和半刚性基层间无黏结。永久沥青路面设计应以路基顶面竖向压应变、半刚性基层层底拉应力、沥青层层底拉应变为结构验算控制参数。结合具体的交通量预测结果及材料强度参数计算结构验算参数允许值，允许值和计算值的结果汇总至表2。其中，半刚性基层中的沥青层层底和柔性基层层底全部采用HMAC-20高模量沥青混合料；柔性基层中沥青层层底和柔性基层层底分别采用应力吸收层FAC-10和ARHM-25结构层。根据允许值结果，两种方案下材料抗疲劳属性和结构形式不尽相同，因此参数允许值存在明显差异。结合计算值，两种方案下高模量沥青路面沥青层层底拉应变、柔性基层结构路基顶面竖向压应变等均远低于10010-6的永久路面沥青层层底拉应变控制值和20010-6的永久路面路基顶面压应变控制值。表2 结构材料控制参数允许值及计算值取值类型允许值计算值方案及结构层方案一：半刚性基层方案二：柔性基层方案一：半刚性基层方案二：柔性基层路基顶面竖向压应变（10-6）140.0152.415.339.2半刚性基层层底拉应力/MPa0.2980.192柔性基层层底拉应变（10-6）34.1148.116.156.7沥青层层底拉应变（10-6）34.1223.616.164.8依托以上结果进行结构可承受轴载作用次数的反算，得出方案一中半刚性基层和沥青层可承受的疲劳当量轴载作用次数分别为 804.7108次和 157.6108次；方案二中柔性基层和应力吸收层可承受的疲劳当量轴载作用次数为153.4108次和685.5108次。以上取值均远远超出40年设计使用年限的交通当量累积轴载作用次数，并且方案一略有优势，因此，该高等级公路采用方案一的路面设计。3 抗疲劳性能分析粗细集料和填料分别选石灰岩、石灰岩机制砂和石灰岩矿粉。在方案一中，试验路段上面层为SBS改性沥青混凝土功能层，下面层使用 20#硬质沥青混凝土层。根据技术规范，混合料拌和温度应为180，出料及成型温度应分别控制在170 和160 以上。结合室内试验结果及试验段试铺情况，最终确定的沥青混合料性能见表3。表3 试验路段上下面层材料性能参数针入度/0.1 mm软化点/延度/mm20#硬质沥青HMAC-16规范值203055实测实测值22686.7SBS改性沥青HMAC-20规范值40606520实测值46.17428.23.1 试验方法通过轮碾成型沥青混凝土试件，使用高精度双面切割锯将试件切割成长38 cm、宽5.1 cm、高6.4 cm的梁式试件。使用设计试验频率10 Hz、试验温度5 和20 的UTM-100试验机按照应力控制、应变控制两种加载模式展开加载试验，并通过调整应力和应变水平，将试件疲劳寿命控制在103107之间3。高模量沥青混凝土采用连续密级配，通过PCG旋转压实法展开配合比设计。当PCG空隙率不超出4.5%时，HMAC-16 和 HMAC-20 高模量沥青混凝土油石比分别取4.8%和4.6%。根据疲劳试验方法和破坏形态的不同，将疲劳破坏标准分为两类：一是服务寿命，即以材料损坏至一定程度为疲劳破坏标准；二是断裂寿命，即以材料破坏至疲劳破坏为标准。一般情况下，常应力控制模式疲劳试验中，重复荷载作用必将使试件发生断裂，断裂时的作用次数即为材料疲劳寿命；而对于常应变控制模式疲劳试验，试件一般不发生断裂，此时则以材料劲度模量衰减至初始劲度时的程度为材料疲劳寿命4。3.2 试验结果在应变控制模式下，两种混合料疲劳规律发生了表1 路面结构验算材料参数层位材料结合料疲劳破坏应力应变/MPa模量/MPa泊松比上面层ARHM-1330%RA28710-65 8000.25中面层HMAC-1620#13210-611 0000.25下面层HMAC-2020#硬质沥青13210-611 0000.25ATB-2570#石油沥青7810-67 5000.25柔性基层ARHM-2550%RA35310-68 3000.25应力吸收层FAC-10改性沥青57010-63 2000.25半刚性基层无机结合料P3250.6512 5000.25垫层GNT24000.35路床PF42000.4057总652期2023年第22期（8月 上）改变，通过比较疲劳曲线可知，在20 和5 的试验温度下，HMAC-20 疲劳曲线均位于 HMAC-16 疲劳曲线的下方。表明在试验温度、应变水平相同的情况下，HMAC-16混合料的疲劳寿命更好。按照累积耗散指标的要求，应将应力控制模式和应变控制模式下混合料疲劳特性有机组合后进行混合料性能评价。具体而言，应推求各荷载周期下应力-应变滞回曲线面积，据此表征各荷载周期下混合料的耗散能；通过各荷载周期下滞回曲线面积的累加，计算相应荷载作用下混合料疲劳试验中的累积耗散能，且该累积耗散能与高模量沥青混合料疲劳寿命具有较好相关性。按照以上流程重新绘制 HMAC-20 和 HMAC-16 两种混合料的疲劳寿命变动趋势规律曲线，具体见图1。图1 两种混合料的疲劳寿命变动趋势规律曲线由图1可知，这两类沥青混合料在5 和20 的试验温度下表现出截然不同的疲劳规律：在5 试验温度下，两种混合料疲劳曲线基本重合，两种混合料使用的沥青和矿料级配均不同，但因沥青自身的硬化性能，使两种混合料疲劳性能趋于一致；在20 的试验温度下，HMAC-20 混合料疲劳曲线位于 HMAC-16 疲劳曲线下方，意味着材料出现疲劳损伤（即累积耗散能相同）时，HMAC-20混合料具备较大的疲劳寿命。因此，当应用累积耗散能指标进行分析时，将应力控制模式下的材料疲劳性能和应变控制下的材料疲劳性能归一化处理，采用20#硬质沥青的HMAC-20混合料的疲劳寿命明显优于采用SBS改性沥青的HMAC-16混合料。4 结束语综上所述，半刚性基层和柔性基层高模量沥青路面的力学响应存在较大差异，两者虽都适用于重载交通，但半刚性基层具有更高的承载力，柔性基层对路基强度要求较高。本公路采用半刚性基层高模量沥青路面设计方案，通过对其典型结构力学性能的分析看出，下面层模量的提高能够有效改善半刚性路面结构整体抗剪性、抗疲劳性和抗车辙性能。通过累积耗散能指标能够较准确地反映出高模量沥青混凝土以上性能的改善程度。总之，高模量沥青混合料具有优越的力学性能，与当前常用的普通沥青混合料相比，单轴压缩动态模量可提升至少60%，对耐久性沥青路面建设十分适用。参考文献：1 蒋星川.高模量沥青混凝土路面力学性能分析J.散装水泥，2022（4）：158-160.2 张争奇，卢川，王素青，等.高模量沥青性能及其界定标准研究J.重庆交通大学学报（自然科学版），2021，40（9）：109-116，144.3 高语，费文燕.基于路面设计指标的高模量沥青混凝土层位设置J.市政技术，2021，39（9）：30-36.4 王素青.基于有限元的高模量沥青混凝土模量指标研究J.山西交通科技，2021（3）：54-59.58